CN2741032Y - 空气静压轴承压力分布实验台 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种空气静压轴承压力分布实验台，包括有底座架19、二维平台17、弹簧螺纹加压机构和控制系统12，传感器13等，压力表20通过气路18与静压轴承的被测件14、辅助静压轴承15气路连接，二维平台17上装有X、Y方向步进电机，两个步进电机与控制系统12电信号连接。由于机电一体化的设计，以弹簧拉伸、压缩平衡原理设计的简单而实用的弹簧螺纹加压机构，解决了平稳均衡加力问题，实现了静压轴承压力分布的精确测定，提供了一种适于工程应用的，可准确测定气体静压轴承常用的承载力、流量、刚度和稳定性以及轴承间隙内气体压力分布数据等性能参数，为分析、研究和应用空气静压轴承提供了技术保障。结构轻巧简单、操作方便。

Description

空气静压轴承压力分布实验台

技术领域

本发明涉及机械领域，主要涉及超精密加工的空气推力轴承测试设备，具体讲是一种空气静压轴承压力分布实验台。

背景技术

随着航天技术、微电子学、原子能、信息技术、激光及生物工程等科学的巨大发展，对于产品加工精度的要求越来越高。与之相适应的超精密技术，又被称为微细加工技术，是现代化工业生产发展的趋势，也是我国高新技术领域的一个重要组成部分。

在微细加工技术领域，无论是精密加工、工艺、机械设备，还是量测仪器，都对其机械部分提出了高精度、高速度、高运动分辨率、热稳定性好、低振动、爬行小、少污染或无污染以及降低设备成本等方面的苛刻要求。空气静压轴承正是解决上述要求的重要途径。空气静压轴承具有气体粘度极低，摩擦阻力小，运动速度快；运动平滑，精度高，低速运动无爬行；耐高、低温性能好，适应环境的能力强，特别是能在辐射条件下工作；不污染环境；清洁度高，噪音、振动小等特点。在超精密加工中得到了广泛应用，空气静压轴承也称作空气静压轴承，简称静压轴承，或者也有称其为气浮块。静压轴承已经成为三坐标测量机的关键部件，在提高精度方面，静压轴承有着油脂润滑不可比拟的优势。

静压轴承的主要缺点是承载能力低、刚度小。还存在各种失稳现象，影响气浮轴承在超精密加工中的实际应用和精确使用。因此，研究空气静压轴承的动、静态性能是十分必要的。气浮轴承常用的性能参数主要有承载力、流量、刚度、稳定性以及轴承间隙内气体压力的分布状态。西安工业学院长期进行气浮轴承的研究与应用，曾经设计了一种称重加力式的测力仪，测头是端头为球形的螺杆，使用磅秤原理。由于在一侧加砝码，对测头有一个倾斜的力的附加，造成对测试结果准确度的影响。其他传统的试验均受仪器自身刚度的影响，误差较大。

目前，对于气膜压力分布的研究，主要还依靠实验手段，这需要耗费巨大的财力，况且气膜压力分布是一个复杂的问题，现场实验也很难开展。因此，寻求一种适于工程应用的分析气膜压力的数值与实验方法，对于空气静压轴承的工程应用，对设计与调试超精密气体润滑轴系具有重要的意义，由于静压轴承是重要的运动构成要件，对精密与超精密机械设备的设计和制造产生深远的影响。

发明内容

本发明的目的是克服上述技术或仪器存在的缺点，为分析、研究和应用空气静压轴承提供技术保障，设计专用的测试设备，提供一种适于工程应用的，可平稳均衡加力，可准确测试空气静压轴承常用的性能参数主要有承载力、流量、刚度和稳定性以及轴承间隙内气体压力的分布状态的专用的空气静压轴承压力分布实验台。

下面对本实用新型的技术方案进行详细说明

本实用新型是一种空气静压轴承压力分布实验台，包括有弹簧、螺纹套、传力杆、手轮，还包括有底座架、二维平台、弹簧螺纹加压机构和控制系统，传感器安装在下平板的下面，同压力显示器信号连接，底座架为“口”字形支架，底座架的下支架上置有二维平台，压力表通过气路与空气静压轴承的被测件、辅助空气静压轴承气路连接，二维平台上装有X、Y方向步进电机，两个步进电机与控制系统电信号连接。根据工程加工对质量检验的需要，整机质量监控对部件的配套要求，科研中对量化的要求，都需要测试静压轴承的综合性能参数及压力分布，而且需要测试准确的设备。本实用新型就是针对此进行了不断的研究、试制和改进，通过底座架、二维平台、弹簧螺纹加压机构和控制系统，测试、显示系统的有机结合，实现了对被测件空气静压轴承的精确的参数测定，以及对空气静压轴承动、静态稳定性判别。从针对于空气静压轴承专用的压力分布实验台讲，本实用新型实现了零的突破，解决了没有设备能精确测定空气静压轴承压力分布的问题。

本实用新型的实现还在于弹簧螺纹加压机构的设计，弹簧螺纹加压机构安置在上平板和下平板之间，该弹簧螺纹加压机构固定安装于底座架的上支架上，弹簧螺纹加压机构主要由传力杆、螺纹套筒、拉伸弹簧、丝杠、调节螺母和定位销钉构成，调节螺母也叫校零螺母，两根传力杆对称于实验台中心，并支撑于上平板和下平板之间，下平板位于底座架上支架的下面，螺纹套筒固定安装在底座架的上支架的中心，螺纹套筒的筒壁上开有定位销钉活动槽，拉伸弹簧置于螺纹套筒内与螺纹套筒同轴，拉伸弹簧的一端固定在下定位销钉上，定位销钉的两端伸出活动槽外，由下调节螺母来限位定位销钉的活动量，压缩弹簧在螺纹套筒的上端，与上定位销钉固连，由上调节螺母来限位上定位销钉的活动量，丝杠一端固联在拉伸弹簧的上端，丝杠一端接有旋转手轮，旋转手轮在上平板的上方。

由于整体结构的对称性，可以实现对被测件静压轴承的均衡加压，且加压的过程可以人为控制，以便做到对位移量的有效控制，平稳加力，可以对气膜的厚度进行高精度测定。结构轻巧简单、操作方便。

本实用新型的实现还在于：二维平台上，对应于X、Y方向的两个步进电机，还配有两个相应的手动旋纽。

本实用新型的实现还在于：底座架的底部设有调平机构，主要由四个角头螺栓分别安装于底座架下支架底部。便于调节平台的水平。

本实用新型的工作是实验研究分析气体轴承工作性能的重要手段，也是检验理论分析与计算正确与否的关键。空气静压轴承实验着重于气膜中压力分布和流量的测量。为此，需测出轴承的承载力以及不同承载力对应的气膜厚度，从而得到气体流量。

利用本实用新型对流量的进行测定，转动手轮，使传感器下部正好与轴承上表面保留微量间隙。记录数据。只需测出气膜厚度与工作压力，便可计算出在一定供气压力下的流量随承载力变化而变化的量，以及分析变化的情况。

气膜压力分布是影响轴承稳定性的重要因素，即将影响到轴承的刚度、承载能力、周期稳定等一系列问题，本实用新型对压力分布的测试是转动手轮，使传感器下部正好与轴承上表面保留微量间隙。通过驱动电机使静压轴承随导轨平台在X，Y方向移动，分别记录下坐标位置和压力。

由于采用了机电一体化的设计，采用了弹簧拉伸、压缩平衡原设计了简单而实用的弹簧螺纹加压机构，解决了平稳均衡加力的问题，解决了静压轴承的压力分布的精确测定问题，提供了一种适于工程应用的，可以准确测试空气静压轴承常用的性能参数，主要有承载力、流量、刚度和稳定性以及轴承间隙内气体压力的分布状态的专用的实验、测试设备。对于静压轴承的研究和大量应用提供了技术保障。结构轻巧简单、操作方便。

附图说明：

图1是本实用新型的构成示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型作实例说明。

实施例1：

如图1所示，本实用新型是一种空气静压轴承压力分布实验台，包括有弹簧、螺纹套、传力杆、手轮，还包括有底座架19、二维平台17、弹簧螺纹加压机构和控制系统12，传感器13安装在下平板11的下面，同压力显示器10信号连接，底座架19为“口”字形支架，底座架19的下支架上置有二维平台17，压力表20通过气路18与静压轴承的被测件14、辅助静压轴承15气路连接，二维平台17上装有X、Y方向步进电机，两个步进电机与控制系统12电信号连接。根据工程加工对质量检验的需要，整机质量监控对部件的配套要求，科研中对量化的要求，都需要测试空气静压轴承的综合性能参数及压力分布，而且需要测试准确的设备。本实用新型就是针对此进行了不断的研究、试制和改进，通过底座架19、二维平台17、弹簧螺纹加压机构和控制系统12，测试、显示系统的有机结合，实现了对被测件空气静压轴承的精确的参数测定，以及对空气静压轴承动、静态稳定性判别。通过二维平台17的位移，配合控制系统12的工作，可以测定被测件14上任意点的压力，因此也就可以获得该被测件即空气静压轴承上的压力分布数据。以流体润滑技术的最新成果和振荡流体力学、流体激振、气体润滑力学、轴承-转子系统动力学等为基础，通过本实用新型获得的实验数据，借助数值分析技术和系统测试技术，探索不同工况下空气静压轴承14上气膜压力分布的物理本质和基础规律，建立反映空气静压轴承14气膜压力分布的数学模型，以便系统的分析和研究空气静压轴承气膜压力分布机理，研究和解决静压轴承的使用中出现的各种失稳现象。本实用新型提供的工程上实用的空气静压轴承的专用测试装置，能精确测定空气静压轴承压力分布的问题。根据目前空气静压轴承的最大承载能力为2000N，按最大承载为2000N进行机构设计与配件选择。通过二维平台17的位移，配合控制系统12的工作，可以测定被测件14上任意点的压力，因此也就可以获得该被测件上的压力分布数据。以流体润滑技术的最新成果和振荡流体力学、流体激振、气体润滑力学、轴承-转子系统动力学等为基础，通过本实用新型获得的实验数据，借助数值分析技术和系统测试技术，探索不同工况下气膜压力分布的物理本质和基础规律，建立反映气膜压力分布的数学模型，以便系统的分析和研究空气静压轴承气膜压力分布机理，研究和解决空气静压轴承的使用中出现的各种失稳现象。本实用新型提供的是工程上实用的空气静压轴承的专用测试装置。

为了对气浮块即空气静压轴承能平稳加力，由于F_拉＝F_压+F_气膜，拉伸弹簧8伸长由手轮1的位移决定，由丝杠3导程为3mm，所以手轮1即使旋转一圈，拉伸弹簧8也只能拉伸3mm，μ_压缩＞＞μ_拉伸，所以，压缩弹簧4的压缩量ΔX几乎为0，手轮旋转几圈，ΔX也只能以微米计，而气膜厚度一般为10～15μm，因而，手轮在缓慢转动的过程中，下平板11可平稳对空气静压轴承施加力。

实施例2：

参见图1，实用新型的总体构成同实施例1，本实用新型的弹簧螺纹加压机构安置在上平板2和下平板11之间，该弹簧螺纹加压机构固定安装于底座架19的上支架上，弹簧螺纹加压机构主要由传力杆22、螺纹套筒5、拉伸弹簧8、丝杠3、调节螺母和定位销钉构成，调节螺母也叫校零螺母，两根传力杆22对称于实验台中心，并支撑于上平板2和下平板11之间，下平板11位于底座架19上支架的下面，螺纹套筒5固定安装在底座架19的上支架的中心，螺纹套筒5的筒壁上开有定位销钉活动槽，拉伸弹簧8置于螺纹套筒5内与螺纹套筒5同轴，拉伸弹簧8的一端固定在下定位销钉21上，定位销钉的两端伸出活动槽外，由下调节螺母9来限位定位销钉的活动量，压缩弹簧4在螺纹套筒5的上端，与上定位销钉7固连，由上调节螺母6来限位上定位销钉的活动量，丝杠3一端固联在拉伸弹簧8的上端，丝杠3一端接有旋转手轮1，旋转手轮1在上平板2的上方。弹簧螺纹加压机构如图1所示，虽然都是简单机械，将拉伸弹簧8在螺纹套筒5内与螺纹套筒5同轴，与压缩弹簧4、丝杠3、旋转手轮1组合一起，利用弹簧拉伸、压缩平衡原理来实现对静压轴承测试的微量加力，如图1所示，旋转手轮1时，丝杠3上移，拉伸弹簧8被拉伸，给丝杠3一向下的拉力，由丝杠3传至上平板2，此时压缩弹簧4受到上平板2向下的压力而压缩，由于μ_压缩＞＞μ_拉伸，所以压缩弹簧4的压缩量ΔX极其微小，从而，上平板2、传力杆、下平板11、被测件静压轴承14均有一向下的位移量ΔX，即气膜厚度减小ΔX，相当于给气浮块施加一力使其气膜厚度减小，而力的大小则由下平板11与被测件空气静压轴承14之间的传感器13直接测出并由显示器10显示出来，由于整体结构的对称性，可以实现对被测件空气静压轴承14的均衡加压，且加压的过程可以人为控制，以便做到对位移量的有效控制，平稳加力，可以对气膜的厚度进行高精度测定。结构轻巧简单、操作方便。

实施例3

本实用新型的构成同实施例2，参见图1，在完成实验台的组装工作后，首先通过实验台底座19上的四个角头螺栓16对实验台进行调平。使用框式水平仪辅助调平。

实施例4

置传感器13于实验平台即底座架19的上支架上，由于实验台施力大小最终由传感器13直接测出，并由显示器10显示，同时，在一定压力作用下，静压轴承的压力分布由压力表20测出，因而，实验台使用前需要对显示器10、传感器13及压力表20进行调试标定。

压力表的调试标定

本实用新型检测空气静压轴承压力值采用过北京自动化仪表三厂生产的YTZ-150型电阻远传压力表来实现。首先将压力表与气源连接起来，打开气源，压力表将显示一定数值，调节气源压力，看压力表显示数值是否与气源压力相等进行调试标定。

Claims (4)

1.一种空气静压轴承压力分布实验台，包括有弹簧、螺纹套、传力杆、手轮，其特征在于：还包括有底座架(19)、二维平台(17)、弹簧螺纹加压机构和控制系统(12)，传感器(13)安装在弹簧螺纹加压机构的下平板(11)的下面，同压力显示器(10)信号连接，底座架(19)为“口”字形支架，底座架(19)的下支架上置有二维平台(17)，压力表(20)通过气路(18)与静压轴承的被测件(14)、辅助静压轴承(15)气路连接，二维平台(17)上装有X、Y方向步进电机，两个步进电机与控制系统(12)电信号连接。

2.根据权利要求1所述的空气静压轴承压力分布实验台，其特征在于：弹簧螺纹加压机构安置在上平板(2)和下平板(11)之间，该弹簧螺纹加压机构固定安装于底座架(19)的上支架上，弹簧螺纹加压机构主要由传力杆(22)、螺纹套筒(5)、拉伸弹簧(8)、丝杠(3)、调节螺母和定位销钉构成，两根传力杆(22)对称于实验台中心，并支撑于上平板(2)和下平板(11)之间，下平板(11)位于底座架(19)上支架的下面，螺纹套筒(5)固定安装在底座架(19)的上支架的中心，螺纹套筒(5)的筒壁上开有定位销钉活动槽，拉伸弹簧(8)置于螺纹套筒(5)内与螺纹套筒(5)同轴，拉伸弹簧(8)的一端固定在下定位销钉(21)上，定位销钉的两端伸出活动槽外，压缩弹簧(4)在螺纹套筒(5)的上端，与上定位销钉(7)固连，丝杠(3)一端固联在拉伸弹簧(8)的上端，丝杠(3)另一端接有旋转手轮(1)，旋转手轮(1)在上平板(2)的上方。

3.根据权利要求2所述的空气静压轴承压力分布实验台，其特征在于：二维平台(17)导轨对应于X、Y方向的两个步进电机，还配有两个相应的手动旋纽。

4.根据权利要求1或3所述的空气静压轴承压力分布实验台，其特征在于：底座架(19)的底部设有调平机构，主要由四个角头螺栓(16)分别安装于底座架(19)下支架底部。