CN110605407B - 基于微扰动的气浮主轴轴向动刚度自适应装置及方法 - Google Patents

基于微扰动的气浮主轴轴向动刚度自适应装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于微扰动的气浮主轴轴向动刚度自适应装置及方法。目前，气浮主轴的刚度在加工时无法实现实时调节。本发明包括框架、主轴、径向轴承一、径向轴承二、气浮止推轴承一、气浮止推轴承二、柱形压电陶瓷促动器和微位移电容传感器。本发明利用气浮轴承在微扰动的作用下使得主轴的动刚度变化这一特性，通过微位移电容传感器测量气浮主轴轴向振动幅度，间接得到气浮止推轴承的动刚度是否满足加工要求；若不满足要求，则使柱形压电陶瓷促动器带动气浮止推轴承产生微幅振动。本发明通过改变振动频率来改变气浮止推轴承的动刚度，进而实现主轴轴向动刚度的自适应在线调节。

Description

基于微扰动的气浮主轴轴向动刚度自适应装置及方法
技术领域
本发明属于超精密加工设备技术领域，具体涉及一种基于微扰动的气浮主轴轴向动刚度自适应装置及其自适应方法。
背景技术
机械工业装备的水平和质量，直接影响国民经济各部门生产技术水平和经济效益。尤其近代工业发展迅速，各科技领域的进步都需要制造业支持。目前机床的加工精度要求已逐步向纳米级水平迈进，即超精密加工。主轴作为超精密机床的核心部件之一，其精度愈发受到人们的关注。气浮主轴以其高精度、低摩擦等优势广泛用于超精密加工领域。
刚度是衡量装置在外力作用下抵抗变形能力的大小，包括静态刚度和动态刚度两种。在超精密加工中，由于切削深度在单位时间内非均匀变化，导致切削力在单位时间内非均匀变化，形成动态力。如果气浮主轴的刚度较低，在动态力作用下会产生一定频率的振动，大大降低了加工精度，影响整个切削过程的稳定性。
目前，气浮主轴的刚度在设计时就已经基本确定好，在加工时无法实现刚度的实时调节，无法满足超精密机床加工时的动态要求。
发明内容
本发明针对现有技术存在的缺陷，提出一种基于微扰动的气浮主轴轴向动刚度自适应装置及其自适应方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明基于微扰动的气浮主轴轴向动刚度自适应装置，包括框架、主轴、径向轴承一、径向轴承二、气浮止推轴承一、气浮止推轴承二、柱形压电陶瓷促动器和微位移电容传感器。所述主轴的一端置于框架的中心槽内，主轴上设有轴肩，轴肩置于框架的径向环形槽内；所述框架的径向环形槽与中心槽连通；所述的气浮止推轴承一和气浮止推轴承二均包括一体成型的连接部和气浮支承部；气浮支承部开设有沿周向均布的四个以上止推轴承节流孔；气浮止推轴承一和气浮止推轴承二均套置在主轴上，且同轴设置；气浮止推轴承一和气浮止推轴承二均置于框架的径向环形槽内，且分设在主轴的轴肩两侧；气浮止推轴承一的连接部和气浮止推轴承二的连接部固定；气浮止推轴承一和气浮止推轴承二的气浮支承部侧壁与轴肩之间均设有间隙，气浮止推轴承一和气浮止推轴承二的气浮支承部中心孔与主轴圆柱面之间均设有间间隙；两个柱形压电陶瓷促动器关于主轴中心轴线对称布置，且分别置于框架的一个轴向槽内；两个柱形压电陶瓷促动器的预紧端均与气浮止推轴承一固定，输出端均与框架固定；所述的径向轴承一和径向轴承二均开设有沿周向均布的n个径向轴承节流孔组，n为大于或等于4的偶数；所述的径向轴承节流孔组包括沿轴向间距布置的k个径向轴承节流孔，k≥4；径向轴承一和径向轴承二均套置在主轴上，且均与气浮止推轴承一同轴设置；径向轴承一和径向轴承二的内侧壁与主轴圆柱面之间均设有间隙；径向轴承一和径向轴承二的外侧壁均与框架的中心槽固定；气浮止推轴承一比气浮止推轴承二靠近框架的中心槽外端设置；气浮止推轴承一和气浮止推轴承二均设置在径向轴承一和径向轴承二之间；所述的微位移电容传感器固定在框架上，并与径向轴承一同轴设置；微位移电容传感器正对主轴置于框架中心槽内的那端端面。
所述气浮止推轴承一的连接部开设有沿周向均布的m个螺纹孔，m≥3，气浮止推轴承二的连接部开设有沿周向均布的m个通孔；气浮止推轴承一的每个螺纹孔和气浮止推轴承二周向位置对应的通孔通过螺栓连接。
所述两个柱形压电陶瓷促动器的静端分别与穿入框架对应一个轴向槽内的螺栓通过螺纹连接；穿入框架轴向槽内的螺栓与框架之间设有密封垫。
所述气浮止推轴承一的外端设有透盖，透盖与框架通过螺栓连接，且透盖与主轴的圆柱面之间设有动密封圈。
所述的框架开设有框架通道；框架通道内置四根气管，气浮止推轴承一、气浮止推轴承二、径向轴承一和径向轴承二的轴承气道分别与一根气管的内端连通，且气浮止推轴承一的轴承气道与气浮止推轴承一的所有止推轴承节流孔均连通，气浮止推轴承二的轴承气道与气浮止推轴承二的所有止推轴承节流孔均连通，径向轴承一的轴承气道与径向轴承一的所有径向轴承节流孔均连通，径向轴承二的轴承气道与径向轴承二的所有径向轴承节流孔均连通；四根气管的外端均接供气源。
通气状态下，气浮止推轴承一和气浮止推轴承二的气浮支承部侧壁与轴肩之间的间隙相等，气浮止推轴承一和气浮止推轴承二的气浮支承部中心孔与主轴圆柱面之间的间隙也相等，径向轴承一的端面与气浮止推轴承一的气浮支承部侧壁之间的间隙等于径向轴承二的端面与气浮止推轴承二的气浮支承部侧壁之间的间隙。
所述的框架包括通过螺栓连接的箱体和盖体，箱体和盖体之间设置密封垫；轴向槽开设在箱体上；径向环形槽对剖，并分别开设在箱体和盖体上；中心槽对剖，并分别开设在箱体和盖体上。
所述的柱形压电陶瓷促动器和主轴的动力源均由控制器控制，微位移电容传感器的信号输出端接控制器。
所述的柱形压电陶瓷促动器换成音圈电机，音圈电机由控制器控制。
该基于微扰动的气浮主轴轴向动刚度自适应装置的自适应方法，具体如下：
1)气浮主轴通气静止后，微位移电容传感器采集气浮主轴的轴向位移初始值，记为x0；其中，轴向位移定义为微位移电容传感器与主轴置于框架中心槽内的端面的距离。
2)启动气浮主轴，微位移电容传感器继续采集气浮主轴的轴向位移，取气浮主轴稳定运转状态至稳定运转状态后5s的轴向位移，并将这些轴向位移中的位移最大值记作x1max，位移最小值记为x1min；其中，运转5s时视为达到稳定运转状态。
3)开始加工，气浮主轴在动态切削力的作用下产生轴向振动，微位移电容传感器实时采集气浮主轴的轴向位移，记为x2。当x2-x0>0时，设x3＝x2-x1max；当x2-x0<0时，设x4＝x2-x1min。
4)当某1s时间内测得的x3大于或等于正预设值的次数占总次数的比例超过a，或者某1s时间内x4小于或等于负预设值的次数占总次数的比例超过a时，a＞0.5，控制器向柱形压电陶瓷促动器输入控制信号，使柱形压电陶瓷促动器带动气浮止推轴承一和气浮止推轴承二在轴向方向产生振幅为0.5μm的振动，并逐渐增大振动频率，从而提高主轴动刚度，直到x3在某1s时间内一直小于正预设值且x4在该1s时间内一直大于负预设值的95％时，保持柱形压电陶瓷促动器的振动频率不变。
5)重复步骤4)，直到加工结束。
本发明具有的有益效果：
本发明提供了一种气浮主轴轴向动刚度可自适应调节的装置，利用气浮轴承在微扰动的作用下使得主轴的动刚度变化这一特性，通过微位移电容传感器测量气浮主轴轴向振动幅度，间接得到气浮止推轴承的动刚度是否满足加工要求；若不满足要求，则使柱形压电陶瓷促动器带动气浮止推轴承产生微幅振动，通过改变振动频率来改变气浮止推轴承的动刚度，进而实现主轴轴向动刚度的自适应在线调节。
附图说明
图1是本发明装置的整体结构示意图；
图2是本发明中气浮止推轴承二的结构立体图；
图3是本发明中径向轴承一或径向轴承二的结构立体图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、2和3所示，基于微扰动的气浮主轴轴向动刚度自适应装置，包括框架1、主轴2、径向轴承一3、径向轴承二4、气浮止推轴承一5、气浮止推轴承二6、柱形压电陶瓷促动器7和微位移电容传感器8。主轴2一端置于框架1的中心槽内，主轴2上设有轴肩，轴肩置于框架1的径向环形槽内；框架1的径向环形槽与中心槽连通；气浮止推轴承一5和气浮止推轴承二6均包括一体成型的连接部和气浮支承部；气浮支承部开设有沿周向均布的十个止推轴承节流孔9；气浮止推轴承一5的连接部开设有沿周向均布的三个螺纹孔，气浮止推轴承二6的连接部开设有沿周向均布的三个通孔10；气浮止推轴承一5和气浮止推轴承二6均套置在主轴2上，且同轴设置；气浮止推轴承一5和气浮止推轴承二6均置于框架1的径向环形槽内，且分设在主轴2的轴肩两侧；气浮止推轴承一5的每个螺纹孔和气浮止推轴承二6周向位置对应的通孔通过螺栓连接；两个柱形压电陶瓷促动器7关于主轴2中心轴线对称布置，且分别置于框架1的一个轴向槽内；两个柱形压电陶瓷促动器7的预紧端均与气浮止推轴承一5固定，输出端分别与穿入框架1对应一个轴向槽内的螺栓通过螺纹连接；穿入框架1轴向槽内的螺栓与框架1之间设有密封垫；径向轴承一3和径向轴承二4均开设有沿周向均布的n个径向轴承节流孔组，n为大于或等于4的偶数，本实施例中n＝4；径向轴承节流孔组包括沿轴向间距布置的k个径向轴承节流孔11，k≥4，本实施例中k＝5；径向轴承一3和径向轴承二4均套置在主轴2上，且均与气浮止推轴承一5同轴设置；径向轴承一3和径向轴承二4的内侧壁与主轴2圆柱面之间均设有间隙；径向轴承一3和径向轴承二4的外侧壁均与框架1的中心槽固定；气浮止推轴承一5比气浮止推轴承二6靠近框架1的中心槽外端设置；气浮止推轴承一5的外端设有透盖，透盖与框架1通过螺栓连接，且透盖与主轴2的圆柱面之间设有动密封圈；气浮止推轴承一5和气浮止推轴承二6均设置在径向轴承一3和径向轴承二4之间；微位移电容传感器8通过螺栓固定在框架1上，并与径向轴承一3同轴设置；微位移电容传感器8正对主轴2置于框架1的中心槽内的那端端面。框架1开设有框架通道；框架通道内置四根气管，气浮止推轴承一5、气浮止推轴承二6、径向轴承一3和径向轴承二4的轴承气道分别与一根气管的内端连通，且气浮止推轴承一5的轴承气道与气浮止推轴承一5的所有止推轴承节流孔9均连通，气浮止推轴承二6的轴承气道与气浮止推轴承二6的所有止推轴承节流孔9均连通，径向轴承一3的轴承气道与径向轴承一3的所有径向轴承节流孔11均连通，径向轴承二4的轴承气道与径向轴承二4的所有径向轴承节流孔11均连通；四根气管的外端均接供气源；通气状态下，气浮止推轴承一5和气浮止推轴承二6的气浮支承部侧壁与轴肩之间的间隙相等，气浮止推轴承一5和气浮止推轴承二6的气浮支承部中心孔与主轴2圆柱面之间的间隙也相等，径向轴承一3的端面与气浮止推轴承一5的气浮支承部侧壁之间的间隙等于径向轴承二4的端面与气浮止推轴承二6的气浮支承部侧壁之间的间隙。
框架1包括通过螺栓连接的箱体和盖体，箱体和盖体之间设置密封垫；轴向槽开设在箱体上；径向环形槽对剖，并分别开设在箱体和盖体上；中心槽对剖，并分别开设在箱体和盖体上。
柱形压电陶瓷促动器7、主轴2的动力源和微位移电容传感器8均与控制器相连。
柱形压电陶瓷促动器7可以换成音圈电机作为驱动。
该基于微扰动的气浮主轴轴向动刚度自适应装置的自适应方法，具体如下：
1)气浮主轴2通气静止后，用微位移电容传感器8采集气浮主轴2的轴向位移初始值，记为x0；其中，轴向位移定义为微位移电容传感器8与主轴2置于框架1中心槽内的那端端面的距离。
2)启动气浮主轴2，继续用微位移电容传感器8采集气浮主轴的轴向位移，取气浮主轴2稳定运转状态(运转5s时视为达到稳定运转状态)至稳定运转状态后5s的轴向位移，并将这些轴向位移中的位移最大值记作x1max，位移最小值记为x1min。气浮主轴2空转产生轴向位移主要是由于主轴加工误差、驱动装置不稳定等因素造成的。
3)开始加工后，气浮主轴2在动态切削力的作用下产生轴向振动，微位移电容传感器8实时采集气浮主轴的轴向位移，记为x2。当x2-x0>0时，设x3＝x2-x1max；当x2-x0<0时，设x4＝x2-x1min。
4)当某1s时间内测得的x3大于或等于正预设值的次数占总次数的比例超过a，或者某1s时间内x4小于或等于负预设值的次数占总次数的比例超过a时，表明主轴的动刚度不足，a＞0.5。此时，控制器向柱形压电陶瓷促动器7输入控制信号，使柱形压电陶瓷促动器带动气浮止推轴承一5和气浮止推轴承二6在轴向方向产生振幅为0.5μm的微幅振动，并逐渐增大其振动频率，从而提高主轴动刚度。直到x3在某1s时间内一直小于正预设值且x4在该1s时间内一直大于负预设值的95％时，即主轴2在允许范围内振动，保持柱形压电陶瓷促动器振动频率不变。其中，正预设值与负预设值的绝对值相等。
5)重复步骤4)，直到加工结束。

Claims (8)

1.基于微扰动的气浮主轴轴向动刚度自适应装置，包括框架、主轴、径向轴承一、径向轴承二、气浮止推轴承一和气浮止推轴承二，其特征在于：还包括柱形压电陶瓷促动器和微位移电容传感器；所述主轴的一端置于框架的中心槽内，主轴上设有轴肩，轴肩置于框架的径向环形槽内；所述框架的径向环形槽与中心槽连通；所述的气浮止推轴承一和气浮止推轴承二均包括一体成型的连接部和气浮支承部；气浮支承部开设有沿周向均布的四个以上止推轴承节流孔；气浮止推轴承一和气浮止推轴承二均套置在主轴上，且同轴设置；气浮止推轴承一和气浮止推轴承二均置于框架的径向环形槽内，且分设在主轴的轴肩两侧；气浮止推轴承一的连接部和气浮止推轴承二的连接部固定；气浮止推轴承一和气浮止推轴承二的气浮支承部侧壁与轴肩之间均设有间隙，气浮止推轴承一和气浮止推轴承二的气浮支承部中心孔与主轴圆柱面之间均设有间间隙；两个柱形压电陶瓷促动器关于主轴中心轴线对称布置，且分别置于框架的一个轴向槽内；两个柱形压电陶瓷促动器的预紧端均与气浮止推轴承一固定，输出端均与框架固定；所述的径向轴承一和径向轴承二均开设有沿周向均布的n个径向轴承节流孔组，n为大于或等于4的偶数；所述的径向轴承节流孔组包括沿轴向间距布置的k个径向轴承节流孔，k≥4；径向轴承一和径向轴承二均套置在主轴上，且均与气浮止推轴承一同轴设置；径向轴承一和径向轴承二的内侧壁与主轴圆柱面之间均设有间隙；径向轴承一和径向轴承二的外侧壁均与框架的中心槽固定；气浮止推轴承一比气浮止推轴承二靠近框架的中心槽外端设置；气浮止推轴承一和气浮止推轴承二均设置在径向轴承一和径向轴承二之间；所述的微位移电容传感器固定在框架上，并与径向轴承一同轴设置；微位移电容传感器正对主轴置于框架中心槽内的那端端面；所述两个柱形压电陶瓷促动器的静端分别与穿入框架对应一个轴向槽内的螺栓通过螺纹连接；穿入框架轴向槽内的螺栓与框架之间设有密封垫；所述的柱形压电陶瓷促动器和主轴的动力源均由控制器控制，微位移电容传感器的信号输出端接控制器。
2.根据权利要求1所述基于微扰动的气浮主轴轴向动刚度自适应装置，其特征在于：所述气浮止推轴承一的连接部开设有沿周向均布的m个螺纹孔，m≥3，气浮止推轴承二的连接部开设有沿周向均布的m个通孔；气浮止推轴承一的每个螺纹孔和气浮止推轴承二周向位置对应的通孔通过螺栓连接。
3.根据权利要求1所述基于微扰动的气浮主轴轴向动刚度自适应装置，其特征在于：所述气浮止推轴承一的外端设有透盖，透盖与框架通过螺栓连接，且透盖与主轴的圆柱面之间设有动密封圈。
4.根据权利要求1所述基于微扰动的气浮主轴轴向动刚度自适应装置，其特征在于：所述的框架开设有框架通道；框架通道内置四根气管，气浮止推轴承一、气浮止推轴承二、径向轴承一和径向轴承二的轴承气道分别与一根气管的内端连通，且气浮止推轴承一的轴承气道与气浮止推轴承一的所有止推轴承节流孔均连通，气浮止推轴承二的轴承气道与气浮止推轴承二的所有止推轴承节流孔均连通，径向轴承一的轴承气道与径向轴承一的所有径向轴承节流孔均连通，径向轴承二的轴承气道与径向轴承二的所有径向轴承节流孔均连通；四根气管的外端均接供气源。
5.根据权利要求1所述基于微扰动的气浮主轴轴向动刚度自适应装置，其特征在于：通气状态下，气浮止推轴承一和气浮止推轴承二的气浮支承部侧壁与轴肩之间的间隙相等，气浮止推轴承一和气浮止推轴承二的气浮支承部中心孔与主轴圆柱面之间的间隙也相等，径向轴承一的端面与气浮止推轴承一的气浮支承部侧壁之间的间隙等于径向轴承二的端面与气浮止推轴承二的气浮支承部侧壁之间的间隙。
6.根据权利要求1所述基于微扰动的气浮主轴轴向动刚度自适应装置，其特征在于：所述的框架包括通过螺栓连接的箱体和盖体，箱体和盖体之间设置密封垫；轴向槽开设在箱体上；径向环形槽对剖，并分别开设在箱体和盖体上；中心槽对剖，并分别开设在箱体和盖体上。
7.根据权利要求1所述基于微扰动的气浮主轴轴向动刚度自适应装置，其特征在于：所述的柱形压电陶瓷促动器换成音圈电机，音圈电机由控制器控制。
8.根据权利要求1所述基于微扰动的气浮主轴轴向动刚度自适应装置的自适应方法，其特征在于：该方法具体如下：
1）气浮主轴通气静止后，微位移电容传感器采集气浮主轴的轴向位移初始值，记为x 0；其中，轴向位移定义为微位移电容传感器与主轴置于框架中心槽内的端面的距离；
2）启动气浮主轴，微位移电容传感器继续采集气浮主轴的轴向位移，取气浮主轴稳定运转状态至稳定运转状态后5s的轴向位移，并将这些轴向位移中的位移最大值记作x 1max，位移最小值记为x 1min；其中，运转5s时视为达到稳定运转状态；
3）开始加工，气浮主轴在动态切削力的作用下产生轴向振动，微位移电容传感器实时采集气浮主轴的轴向位移，记为x 2；当x 2- x 0>0时，设x 3= x 2- x 1max；当x 2- x 0<0时，设x 4= x 2-x 1min；
4）当某1s时间内测得的x 3大于或等于正预设值的次数占总次数的比例超过a，或者某1s时间内x 4小于或等于负预设值的次数占总次数的比例超过a时，a＞0.5，控制器向柱形压电陶瓷促动器输入控制信号，使柱形压电陶瓷促动器带动气浮止推轴承一和气浮止推轴承二在轴向方向产生振幅为0.5μm的振动，并逐渐增大振动频率，从而提高主轴动刚度，直到x 3在某1s时间内一直小于正预设值且x 4在该1s时间内一直大于负预设值的95%时，保持柱形压电陶瓷促动器的振动频率不变；
5）重复步骤4），直到加工结束。
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