CN115388091A - 一种稳定性好的气体静压轴承系统装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种稳定性好的气体静压轴承系统装置，包括供气模块、轴承结构、轴承止推板、电磁控制模块和传感器测量模块，轴承止推板安装在轴承结构内，供气模块为轴承结构供气，传感器测量模块测量轴承结构内的参数，电磁控制模块控制轴承结构中轴承间的间隙，使得轴承更稳定。本发明所提供的一种稳定性好的气体静压轴承系统装置，能够有效的抑制涡旋，涡旋降低进而降低轴承的微振动发生，通过涡旋抑制和电磁控制来提高轴承的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于超精密气浮轴承技术领域，具体涉及一种稳定性好的气体静压轴承系统装置。
背景技术
随着对加工精度要求的提升，气体轴承技术不断地发展。与传统接触式润滑轴承和液体润滑轴承相比较，气体作为润滑剂有着无摩擦，无磨损，无污染等优点。且轴承可以在高温低温等特殊情况下工作，气体润滑也使轴承回转精度有很大提升。其应用领域涉及超精密加工与检测领域，航空航天领域等。气体静压轴承因为其静压供气方式为外部直接供气且结构较为简单易于加工设计而被广泛采用。
随着气体静压轴承应用的深入，缺陷也暴露出来，气体轴承需要高承载力和刚度时，往往通过提升供气压力实现。但由于空气静压轴承的空气黏度低，容易发生气膜微振动，微振动在某种条件下会进一步发展为气锤振动，转子剧烈震动并伴随尖锐的呼啸声。对于自激振动现象产生的原因目前还不能统一，现有主要推论为气膜的负阻尼特性以及气膜力与气膜位移存在相位差。对气膜流场的研究有助于揭示自激振动的发生机理，现有很多研究学者通过轴承结构的改变来抑制气体涡旋的发展，通过抑制微振动防止振动进一步发展。并想通过一些辅助手段来降低空气轴承发生气锤振动，主要通过附加减振装置来抑制自激振动的发生，进一步提高轴承的性能。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种能够减少气体静压轴承在特定条件下发生自激振动时影响使用性能的问题且稳定性好的气体静压轴承系统装置。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种稳定性好的气体静压轴承系统装置，其特征在于：包括供气模块、轴承结构、轴承止推板、电磁控制模块和传感器测量模块，轴承止推板安装在轴承结构内，供气模块为轴承结构供气，传感器测量模块测量轴承结构内的参数，电磁控制模块控制轴承结构中轴承间的间隙，使得轴承更稳定。
优选地，所述轴承结构包含轴承主结构、电磁线圈、涡旋控制器和节流器，轴承主结构包括轴承壳体和进气孔，轴承止推板、进气孔、电磁线圈和涡旋控制器安装在轴承壳体内，节流器安装在进气孔内，控制进气孔内气体流量。
优选地，所述轴承壳体包括轴承内圈和轴承外圈，轴承止推板的底部位于轴承内圈和轴承外圈之间，轴承外圈的数量为二且平行布置，轴承止推板的另一部分位于相邻轴承外圈之间，进气孔安装在轴承外圈上。
优选地，所述轴承内圈的截面为“凸”字型结构，涡旋控制器安装在轴承内圈的端面上，电磁线圈安装在轴承内圈凸出部分的侧面上。
优选地，所述轴承止推板为回转体结构，轴承止推板的截面呈倒置的T字型结构，轴承止推板的底部上安装有金属橡胶层，轴承止推板底部两边安装有永磁环，永磁环的数量为二且对称的分布在轴承止推板的两边。
优选地，所述电磁控制模块包括电磁控制器，电磁控制器与电磁线圈电连接，电磁控制器控制电磁线圈工作。
优选地，所述传感器测量模块包括位移传感器、上位机和信号处理器，位移传感器安装在轴承外圈上，位移传感器与信号处理器电连接，电磁控制器和信号处理器分别与上位机电连接。
优选地，所述位移传感器采集振动数据，位移传感器的精度要小于1μm，位移传感器的表面加工误差小于1μm，以防止因自身误差带来较大测量误差。
优选地，所述涡旋控制器是用MEMS技术和蚀刻方法加工成的矮方形空腔体，底面薄膜材料采用含有金属的聚酰亚胺，并且集成压电陶瓷片。
优选地，所述电磁控制器包括通信模块、主控芯片、PWM模块和功率放大器，通信模块与上位机电连接并进行信号传输，主控芯片分别与通信模块、PWM模块和功率放大器电连接，PWM模块驱动功率放大器工作，功率放大器与电磁线圈电连接，将作用于电磁线圈上的电流功率进行放大。
本发明的有益效果是：
1、本发明所提供的一种稳定性好的气体静压轴承系统装置，能够有效的抑制涡旋，涡旋降低进而降低轴承的微振动发生，通过涡旋抑制和电磁控制来提高轴承的稳定性。
2、本发明采用的磁控制模块，一方面能够通过不断变化的磁力增强轴承的稳定性，还能避免在在承载气不足的情况下轴承主轴和轴承的止推板碰撞轴承壳造成轴承的损坏。
3、本发明采用的橡胶金属能够很好的作为吸振器来吸收在工作过程中产生的微小振动，避免振动进一步积累发展成自激振动。
附图说明
图1是本发明一种稳定性好的气体静压轴承系统装置的结构示意图；
图2是本发明涡旋控制器的结构示意图；
图3是本发明轴承结构的示意图。
附图标记说明：1、轴承壳体；2、轴承止推板；3、进气孔；4、位移传感器；5、金属橡胶层；6、永磁环；7、电磁线圈；8、涡旋控制器；9、节流器；10、电磁控制器；11、上位机；12、信号处理器；80、电信号激励器；81、涡旋控制器腔体；82、振动薄膜；83、射流孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图1到图3所示，本发明提供的一种稳定性好的气体静压轴承系统装置，包括供气模块、轴承结构、轴承止推板2、电磁控制模块和传感器测量模块，轴承止推板2安装在轴承结构内，供气模块为轴承结构供气，传感器测量模块测量轴承结构内的参数，电磁控制模块控制轴承结构中轴承间的间隙，使得轴承更稳定。
轴承结构包含轴承主结构、电磁线圈7、涡旋控制器8和节流器9，轴承主结构包括轴承壳体1和进气孔3，轴承止推板2、进气孔3、电磁线圈7和涡旋控制器8安装在轴承壳体1内，节流器9安装在进气孔3内，控制进气孔3内气体流量。
在本实施例中，节流器9为现有成熟技术设备，用于控制进气孔3内部的气体流速。电磁线圈7通过紧配合的方式安装在轴承壳体1中，即过盈配合。电磁线圈7是均匀对称分布安装在轴承的壳体1中，这样可以使得产生的磁力分布比较均匀稳定。
轴承壳体1包括轴承内圈和轴承外圈，轴承止推板2的底部位于轴承内圈和轴承外圈之间，轴承外圈的数量为二且平行布置，轴承止推板2的另一部分位于相邻轴承外圈之间，进气孔3安装在轴承外圈上。轴承内圈中穿设有主轴。
进气孔3的截面为折弯结构，进气孔3的进气口位于轴承外圈的侧面，进气孔3的出气口位于轴承外圈的底面，轴承止推板2的底部位于轴承外圈的底面与轴承内圈的顶部之间。
供气模块为现有成熟技术设备，用于提供高压气体，如现有的空气压缩机设备。供气模块与进气孔3的进气口相连，为进气孔3提供高压空气。
轴承内圈的截面为“凸”字型结构，涡旋控制器8安装在轴承内圈的端面上，电磁线圈7安装在轴承内圈凸出部分的侧面上。
具体地，轴承内圈的顶部内凹形成轴承内圈凹槽，涡旋控制器8安装在轴承内圈凹槽内。电磁线圈7安装在轴承内圈的凸字型边缘处。轴承内圈上也安装有进气孔3，轴承内圈上的进气孔3的出气口方向朝向轴承止推板2的底部。
涡旋控制8是对轴承的微振动情况进行涡旋抑制，涡旋控制器8实质是合成射流激励器，其是一个只有几十微米或者几毫米的微机电系统，主要通过控制器腔体81和振动薄膜82两部分组成。控制器腔体81的一端开设小孔或细缝作为射流孔83，另一端安装振动薄膜82。在本实施例中，振动薄膜82为电磁激励薄膜，电信号激励器80安装在电磁激励薄膜上。振动薄膜82由压电材料和金属薄膜组成，用于将电能转化为薄膜的动能，电信号激励器80能够带动振动薄膜82振动，从而实现将电信号转化为薄膜的振动特性，然后带动涡旋控制器腔体81中的流体振动，产生吹、吸作用，进而改变腔内的涡旋。当轴承内部涡旋被进行改变抑制之后，就能够较好的起到提高主轴稳定性的效果。
在本实施例中，电信号激励器80的主结构是一个微型的压电驱动器，包含压电双晶片和支撑结构，支撑结构用于固定压电双晶片，其结构可根据使用需要进行适当设计，支撑结构另一端与轴承壳体1相连。压电双晶片与振动薄膜82相连，压电双晶片为压电陶瓷结构。当在压电双晶片两端施加与极化电压极性相反的电压时，压电陶瓷就会缩短，如果施加与其极化电压极性相同的电压时，压电陶瓷便会伸长但总体积不变。则当施加交流电压时，压电驱动器的上下便会交替的伸长和缩短，即表现为我们的电信号的激励器能够产生稳定的振源。电信号激励器80与电源电连接，电源为电信号激励器80提供交流电压，进而控制压电双晶片工作。
轴承止推板2为回转体结构，轴承止推板2的截面呈倒置的T字型结构，轴承止推板2的底部上安装有金属橡胶层5，轴承止推板2底部两边安装有永磁环6，永磁环6的数量为二且对称的分布在轴承止推板2的两边，即就是轴承止推板2的外圈套接永磁环6。
在本实施例中，金属橡胶层5由金属橡胶构成。金属橡胶层5位于轴承止推板2横向底部的上下两端。轴承止推板2由不锈钢材质制成。
电磁控制模块包括电磁控制器10，电磁控制器10与电磁线圈7电连接，电磁控制器10控制电磁线圈7工作。电磁控制模块的控制频率要能够高于轴承自激振动的固有频率，电磁控制模块的响应频率应在1KHZ以上，电磁加载模块产生的加载力的反应速度要快。通过电磁控制模块进行控制，能够使得主轴在出现振动的时候，采用相应的算法及时的进行响应，起到振动控制的作用。
传感器测量模块包括位移传感器4、上位机11和信号处理器12，位移传感器4安装在轴承外圈上，位移传感器4与信号处理器12电连接，电磁控制器10和信号处理器12分别与上位机11电连接。
在本实施例中，位移传感器4安装的位移与进气孔3在轴承外圈的出气口所在面相同。位移传感器4采集振动数据，位移传感器4的精度要小于1μm，位移传感器4的表面加工误差小于1μm，以防止因自身误差带来较大测量误差。
涡旋控制器8是用MEMS技术和蚀刻方法加工成的矮方形空腔体，底面薄膜材料采用含有金属的聚酰亚胺，并且集成压电陶瓷片。
电磁控制器10包括通信模块、主控芯片、PWM模块和功率放大器，通信模块与上位机11电连接并进行信号传输，主控芯片分别与通信模块、PWM模块和功率放大器电连接，PWM模块驱动功率放大器工作，功率放大器与电磁线圈7电连接，将作用于电磁线圈7上的电流功率进行放大。
本发明的工作过程为：
轴承止推板2上下振动的时候，位移传感器4收集轴承止推板2的上下振动情况，并经过信号处理器12传至上位机11进行解析，通过相应的程序将数据计算出来，作为电磁控制模块的进一步输入，通过控制模块在不同的输入下会输出控制电流来对电磁线圈7进行控制。电磁线圈7在作用后会实时接收轴承的振动情况，根据实时传输的数据进一步调整施加电流大小，进而调整磁力大小。其中相应的程序为现有软件计算程序。
电磁线圈7的结构留出电源线接口以便接到后继的电磁控制模块上，另一部分是套接在轴承止推板2上的永磁环6。电磁线圈7结构通过外部的电磁控制模块来不断改变线圈内电流方向和电流强度来改变产生的磁力，通过磁力与轴承止推板2上固定的永磁环6发生作用，来起到控制轴承止推板2的效果。因电磁线圈7本身工作效能有限，为了使得电磁线圈7能够更好的发挥效果，需要在磁极前配置放上功率放大器。电磁线圈7工作的具体过程为，在电磁控制模块的控制下，电磁线圈7内的电流大小和方向会发生变化，当轴承止推板2自身波动幅度比较大的时候，通过逐步增大电磁线圈7和永磁环6之间的作用力来使得轴承止推板2的阻尼增大，进而降低轴承止推板2的振动幅度，从而起到振动控制的效果。
由于轴承止推板2的外圈套接永磁环6，永磁环6通过与轴承内圈之间的电磁线圈7产生的磁力发生相互作用，其间的作用力刚开始以吸引力为主。当主轴在较高气压条件下工作时，当自激振动发生时，此时电磁线圈7产生的作用力会相应的进行变化来调节轴承止推板2的稳定性。永磁环6采用磁性比较强的铷铁硼。永磁环6通过紧配合加螺钉固定的方式与轴承止推板2紧密配合在一起，在振动结构上可以视为一个整体。
如图2所示，在流体中，通过流体控制的手段控制流体的流动状态。为了抑制气旋湍流涡结构，通过增加涡旋控制器8来产生小涡对。涡旋控制器8是用MEMS技术和蚀刻方法加工成的矮方形空腔体，厚度为几百微米，深度为几十微米，腔体尺寸一般为40mm×40mm，顶部缝隙为40mm×0.25mm。底面薄膜材料采用含有金属的聚酰亚胺，并且集成了压电陶瓷片。施以周期性电压信号，涡旋控制器8便周期性的产生吹、吸流体的作用。在吹出流体的过程中，缝隙附近的流体便会受到强烈的剪切作用，在缝隙出口边缘产生流动分离，分离流体随着腔内流体排出并形成涡对，排出腔体的这部分流体主要集中在缝隙出口中轴线附近。当涡旋控制器8转为吸收流体时，吹出过程产生的涡对已经远离出口，因此不受吸收过程的影响。随着吹吸过程不断进行，在流场将形成一系列涡对。该涡对在主流来流侧的涡量与边界剪切层产生的涡量方向相反，叠加后涡量减小。射流在主流作用下逐渐弯曲，主流则受到射流阻碍，减速并形成绕流。因此合成射流具有良好的方向性，且合成射流产生的小尺度涡对能够将大尺度涡进行耗散，防止其进一步扩散和发展，从一定程度上讲能够很好的提高轴承的稳定性。
如图3所示，稳定的气体静压轴承主要靠内部轴承止推板2是由不锈钢和橡胶金属共同构成，其中金属橡胶层5通过粘合的方式附在不锈钢制成的轴承止推板2上。在金属橡胶层5的表面需要做特殊处理，通过在其表面喷氧化涂层的方式来保证表面的粗糙度在1um以下以保证整体的精度。与普通的不锈钢材料相比，当气体从进气孔3进入轴承空腔，将以极高的速度冲击在轴承止推板上2，在0.6Mpa的气体压强下，空气的冲击速度能够达到1马赫以上。因此，使用金属橡胶层5能够吸收高速气体冲击产生的振动。
因本发明提供的一种稳定性较好的轴承，轴承载较高的供气压力下应该对于气锤振动具有较好的表现。在较高的供气压力时，轴承止推板2在气体的波动下会发生剧烈振动，振动尺度在几微米级别。通过测量位移传感器4实时监测在该气压下的轴承振动，通过A&Q软件将信号处理器将采集到的振动数据直接保存，数据处理程序持续运行并实时处理采集到的新数据，对振动数据进行处理之后，通过程序向电磁控制模块传输数据并由控制模块发出指令控制电磁线圈7做出反应，进而控制轴承止推板2的稳定。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种稳定性好的气体静压轴承系统装置，其特征在于：包括供气模块、轴承结构、轴承止推板(2)、电磁控制模块和传感器测量模块，轴承止推板(2)安装在轴承结构内，供气模块为轴承结构供气，传感器测量模块测量轴承结构内的参数，电磁控制模块控制轴承结构中轴承间的间隙，使得轴承更稳定。
2.根据权利要求1所述的一种稳定性好的气体静压轴承系统装置，其特征在于：所述轴承结构包含轴承主结构、电磁线圈(7)、涡旋控制器(8)和节流器(9)，轴承主结构包括轴承壳体(1)和进气孔(3)，轴承止推板(2)、进气孔(3)、电磁线圈(7)和涡旋控制器(8)安装在轴承壳体(1)内，节流器(9)安装在进气孔(3)内，控制进气孔(3)内气体流量。
3.根据权利要求1所述的一种稳定性好的气体静压轴承系统装置，其特征在于：所述轴承壳体(1)包括轴承内圈和轴承外圈，轴承止推板(2)的底部位于轴承内圈和轴承外圈之间，轴承外圈的数量为二且平行布置，轴承止推板(2)的另一部分位于相邻轴承外圈之间，进气孔(3)安装在轴承外圈上。
4.根据权利要求3所述的一种稳定性好的气体静压轴承系统装置，其特征在于：所述轴承内圈的截面为“凸”字型结构，涡旋控制器(8)安装在轴承内圈的端面上，电磁线圈(7)安装在轴承内圈凸出部分的侧面上。
5.根据权利要求1所述的一种稳定性好的气体静压轴承系统装置，其特征在于：所述轴承止推板(2)为回转体结构，轴承止推板(2)的截面呈倒置的T字型结构，轴承止推板(2)的底部上安装有金属橡胶层(5)，轴承止推板(2)底部两边安装有永磁环(6)，永磁环(6)的数量为二且对称的分布在轴承止推板(2)的两边。
6.根据权利要求1所述的一种稳定性好的气体静压轴承系统装置，其特征在于：所述电磁控制模块包括电磁控制器(10)，电磁控制器(10)与电磁线圈(7)电连接，电磁控制器(10)控制电磁线圈(7)工作。
7.根据权利要求6所述的一种稳定性好的气体静压轴承系统装置，其特征在于：所述传感器测量模块包括位移传感器(4)、上位机(11)和信号处理器(12)，位移传感器(4)安装在轴承外圈上，位移传感器(4)与信号处理器(12)电连接，电磁控制器(10)和信号处理器(12)分别与上位机(11)电连接。
8.根据权利要求7所述的一种稳定性好的气体静压轴承系统装置，其特征在于：所述位移传感器(4)采集振动数据，位移传感器(4)的精度要小于1μm，位移传感器(4)的表面加工误差小于1μm，以防止因自身误差带来较大测量误差。
9.根据权利要求1所述的一种稳定性好的气体静压轴承系统装置，其特征在于：所述涡旋控制器(8)是用MEMS技术和蚀刻方法加工成的矮方形空腔体，底面薄膜材料采用含有金属的聚酰亚胺，并且集成压电陶瓷片。
10.根据权利要求7所述的一种稳定性好的气体静压轴承系统装置，其特征在于：所述电磁控制器(10)包括通信模块、主控芯片、PWM模块和功率放大器，通信模块与上位机(11)电连接并进行信号传输，主控芯片分别与通信模块、PWM模块和功率放大器电连接，PWM模块驱动功率放大器工作，功率放大器与电磁线圈(7)电连接，将作用于电磁线圈(7)上的电流功率进行放大。
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