CN112963449B - 一种基于声悬浮和可变节流的气体静压主轴 - Google Patents

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Abstract

一种基于声悬浮和可变节流的气体静压主轴，包括主轴系统、控制系统、气源系统；所述主轴系统包括气体静压主轴、轴套以及轴套固定套；气体静压主轴外设有轴套，轴套外套设有轴套固定套，轴套上设有多个节流孔；气源系统用于形成高压气体，高压气体通过节流孔在轴套与气体静压主轴之间的微小间隙形成气膜；控制系统包括声悬浮轴承、节流控制阀以及位移传感器；节流控制阀设置在节流孔上，声悬浮轴承设置在轴套的左右两端，位移传感器设置在轴套上；位移传感器依次连接信号采集器、工控机，工控机的输出端与节流控制阀、声悬浮轴承电连接。本发明提高了主轴的承载力、刚度，在实现主轴频域误差主动控制的同时，仍能保证主轴的稳定运行。

Description

一种基于声悬浮和可变节流的气体静压主轴
技术领域
本发明涉及一种基于声悬浮和可变节流的气体静压主轴。
背景技术
气体静压主轴因其高精度、高速度、近无摩擦和污染等优势，在高性能零件纳米精度加工领域有着广泛应用。高性能零件加工表面具有频域误差(指误差的空间频率及其幅值)要求，而气体静压主轴的频域误差(指运动误差的时域频率及其幅值)对于该类零件加工表面频域误差具有重要影响，因此，在保证主轴高精度稳定运行的前提下实现气体静压主轴频域误差的主动控制非常重要。但是传统气体静压主轴(以小孔节流式气体静压主轴为例)，由于自身限制，难以实现有效的主动控制。主轴一旦制造完毕，其节流孔数量和分布一般无法改变，单一通过供气压力等可调参数的主动控制易引起主轴不稳定问题，且主轴频域误差难以实现稳定运行前提下的主动控制。因此，设计一种能实现主轴频域误差主动控制的气体静压主轴是十分必要的。
发明内容
为克服上述问题，本发明提供一种基于声悬浮和可变节流的气体静压主轴。
本发明采用的技术方案是：一种基于声悬浮和可变节流的气体静压主轴，包括主轴系统、控制系统、气源系统；
所述主轴系统包括气体静压主轴6、轴套5以及轴套固定套4；气体静压主轴6外套设有轴套5，轴套5外套设有轴套固定套4；轴套5与气体静压主轴6之间存在用于形成气膜的微小间隙，轴套5上开设有多个节流孔8；轴套固定套4与轴套5之间形成密封的腔室夹层，所述微小间隙通过节流孔8与所述腔室夹层连通；轴套固定套4上设有至少一个进气孔，所述腔室夹层与进气孔连通；
所述控制系统包括声悬浮轴承3、节流控制阀7以及位移传感器9；声悬浮轴承3嵌设在轴套5的左右两端，声悬浮轴承3的左右端面与轴套5的左右端面齐平，声悬浮轴承3 的内表面与轴套5的内表面齐平；声悬浮轴承3的表面可进行高频振动，以向气体静压主轴6提供悬浮力；节流控制阀7设置在轴套5的节流孔8上，节流控制阀7控制节流孔8 的开闭，以改变节流孔8的出口压力；至少两个位移传感器9 安装在轴套5上，位移传感器9的测量面与轴套5的内表面平齐；位移传感器9与信号采集器2电连接，信号采集器2 与工控机1电连接；工控机1的输出端与节流控制阀7、声悬浮轴承3电连接；
所述气源系统包括用于产生高压气体的空气压缩机11、以及对高压气体进行过滤净化、减压、稳压和控温的气体处理装置10；空气压缩机11通过输气管依次连接气体处理装置10、进气孔，高压气体在轴套5与气体静压主轴6之间的微小间隙形成气膜。
进一步，所述多个节流孔8至少分为两组节流孔8，至少两组节流孔8沿轴套5的轴向间隔设置；每组节流孔8包括主动节流孔和固定节流孔，主动节流孔和固定节流孔沿轴套5 的周向交替间隔设置。
进一步，所述节流控制阀7设置在主动节流孔上，固定节流孔上未安装节流控制阀7。
进一步，所述轴套5的左、右端面分别设有三个声悬浮轴承3，三个声悬浮轴承3沿轴套5的周向间隔设置。
进一步，所述轴套固定套4与轴套5之间设有密封圈。
本发明的有益效果是：
1、该主轴基于声悬浮力和节流的主动控制，改善了主轴的承载适应能力，提高了主轴的承载力、刚度，并可在一定范围内实现主轴频域误差的主动控制。
2、避免了传统气体静压主轴由于主动控制而引入的不稳定性问题，在实现主轴频域误差主动控制的同时，仍能保证主轴的稳定运行。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中节流控制阀安装处的截面图。
图3是本发明中节流控制阀的结构示意图。
图4是本发明中声悬浮轴承的安装截面图。
附图标记说明：1、工控机；2、信号采集器；3、声悬浮轴承；4、轴套固定套；5、轴套；6、气体静压主轴；7、节流控制阀；8、节流孔；9、位移传感器；10、气体处理装置；11、空气压缩机。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照附图，一种基于声悬浮和可变节流的气体静压主轴，包括主轴系统、控制系统、气源系统；
所述主轴系统包括气体静压主轴6，气体静压主轴6外套设有轴套5，轴套5外套设有轴套固定套4，轴套5由轴套固定套4进行固定，同时加以密封圈进行密封；轴套5与气体静压主轴6之间存在微小间隙，轴套5上开设有多个节流孔8；轴套固定套4与轴套5之间形成密封的腔室夹层，所述微小间隙通过节流孔8与所述腔室夹层连通；轴套固定套4上设有至少一个进气孔，所述腔室夹层与进气孔连通；气源系统所产生的高压气体通过进气孔进入腔室夹层，再由轴套 5上的节流孔8进入所述轴套5与气体静压主轴6之间的微小间隙形成气膜；
所述控制系统包括声悬浮轴承3、节流控制阀7、位移传感器9、信号采集器2和工控机1；
节流控制阀7设置在轴套5的节流孔8上，节流控制阀7控制节流孔8的开闭，以改变节流孔8的出口压力；本实施例中，多个节流孔8至少分为两组节流孔8，至少两组节流孔8沿轴套5的轴向间隔设置；每组节流孔8包括主动节流孔和固定节流孔，主动节流孔和固定节流孔沿轴套5的周向交替间隔设置。所述节流控制阀7设置在主动节流孔上，固定节流孔上未安装节流控制阀7。既能防止节流控制阀7故障时气体静压主轴6磨损甚至抱死，又能对主轴6运动误差加以控制。
为了解决气体静压主轴6由于主动节流控制而引入的不稳定性问题，加入声悬浮轴承3在实现主轴频域误差主动控制的同时，仍能保证主轴的稳定运行。声悬浮轴承3嵌设在轴套5的左右两端，声悬浮轴承3的左右端面与轴套5的左右端面齐平，声悬浮轴承3的内表面与轴套5的内表面齐平；声悬浮轴承3的表面可进行高频振动，以向气体静压主轴6提供悬浮力；本实施例中轴套5的左、右端面分别设有三个声悬浮轴承3，三个声悬浮轴承3沿轴套5的周向间隔设置。
两个位移传感器9分别安装在轴套5上，位移传感器9的测量面与轴套5的内表面平齐；位移传感器9通过屏蔽线缆与信号采集器2 电连接，信号采集器2与工控机1电连接。
所述工控机1对信息处理后传输控制电信号给所述声悬浮轴承3 和所述节流控制阀7。工控机1输出电信号控制不同节流控制阀7进行开合，从而改变节流孔8出口压力，气膜压力场发生改变，主轴所受气浮合力矢量发生改变。工控机1输出电信号至声悬浮轴承3，声悬浮轴承3接收到电信号产生三个不同径向的近场超声悬浮力，可通过控制三个近场超声悬浮力的大小来调控主轴受到的悬浮合力矢量。
所述气源系统包括用于产生高压气体的空气压缩机11、以及对高压气体进行过滤净化、减压、稳压和控温的气体处理装置10；空气压缩机11通过输气管依次连接气体处理装置10、进气孔，高压气体在轴套5与气体静压主轴6之间的微小间隙形成气膜。
其具体的工作原理为：由位移传感器9测得空载状态下的气体静压主轴6位置作为初始位置。当气体静压主轴6承受外载荷时，其位置发生变化，其变化量通过位移传感器9由信号采集器2接收，工控机1通过控制算法求得相应的电信号数值并传输至声悬浮轴承3和节流控制阀7中，使得气体静压主轴6回归初始位置。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (5)

1.一种基于声悬浮和可变节流的气体静压主轴，其特征在于：包括主轴系统、控制系统、气源系统；
所述主轴系统包括气体静压主轴(6)、轴套(5)以及轴套固定套(4)；气体静压主轴(6)外套设有轴套(5)，轴套(5)外套设有轴套固定套(4)；轴套(5)与气体静压主轴(6)之间存在用于形成气膜的微小间隙，轴套(5)上开设有多个节流孔(8)；轴套固定套(4)与轴套(5)之间形成密封的腔室夹层，所述微小间隙通过节流孔(8)与所述腔室夹层连通；轴套固定套(4)上设有至少一个进气孔，所述腔室夹层与进气孔连通；
所述控制系统包括声悬浮轴承(3)、节流控制阀(7)以及位移传感器(9)；声悬浮轴承(3)嵌设在轴套(5)的左右两端，声悬浮轴承(3)的左右端面与轴套(5)的左右端面齐平，声悬浮轴承(3)的内表面与轴套(5)的内表面齐平；声悬浮轴承(3)的表面可进行高频振动，以向气体静压主轴(6)提供悬浮力；节流控制阀(7)设置在轴套(5)的节流孔(8)上，节流控制阀(7)控制节流孔(8)的开闭，以改变节流孔(8)的出口压力；至少两个位移传感器(9)安装在轴套(5)上，位移传感器(9)的测量面与轴套(5)的内表面平齐；位移传感器(9)与信号采集器(2)电连接，信号采集器(2)与工控机(1)电连接；工控机(1)的输出端与节流控制阀(7)、声悬浮轴承(3)电连接；
所述气源系统包括用于产生高压气体的空气压缩机(11)、以及对高压气体进行过滤净化、减压、稳压和控温的气体处理装置(10)；空气压缩机(11)通过输气管依次连接气体处理装置(10)、进气孔，高压气体在轴套(5)与气体静压主轴(6)之间的微小间隙形成气膜。
2.如权利要求1所述的一种基于声悬浮和可变节流的气体静压主轴，其特征在于：所述多个节流孔(8)至少分为两组节流孔(8)，至少两组节流孔(8)沿轴套(5)的轴向间隔设置；每组节流孔(8)包括主动节流孔和固定节流孔，主动节流孔和固定节流孔沿轴套(5)的周向交替间隔设置。
3.如权利要求2所述的一种基于声悬浮和可变节流的气体静压主轴，其特征在于：所述节流控制阀(7)设置在主动节流孔上，固定节流孔上未安装节流控制阀(7)。
4.如权利要求1所述的一种基于声悬浮和可变节流的气体静压主轴，其特征在于：所述轴套(5)的左、右端面分别设有三个声悬浮轴承(3)，三个声悬浮轴承(3)沿轴套(5)的周向间隔设置。
5.如权利要求1所述的一种基于声悬浮和可变节流的气体静压主轴，其特征在于：所述轴套固定套(4)与轴套(5)之间设有密封圈。
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