專利名稱：能自主測量主軸受力的氣浮主軸及測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及主軸結構及主軸受力的測量方法，更具體地說是一種氣浮主軸及氣浮主軸受 力的測量方法。
背景技術：
以氣體軸承做支承的主軸系統(tǒng)稱為氣浮主軸，廣泛用于精密制造等領域。在精密切削加 工中，往往需要對刀具的磨損和破損情況進行監(jiān)測，所采用的方法大多是通過測量切削力的 變化情況判斷刀具的磨損和破損。但現(xiàn)有的氣浮主軸只能用于承受載荷，而不能自主測量主 軸上所受載荷的大小或主軸的位移量，因此，目前的方式是另外設置一套測量裝置，用于對 切削力的變化進行監(jiān)測，這種方式顯然增加了系統(tǒng)的復雜程度。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術所存在的不足之處，提供一種能自主測量主軸受力的氣浮 主軸，增加氣浮主軸的自主測量功能。本發(fā)明同時提供一種簡單而行之有效的自主測量氣浮主軸受力的方法。 本發(fā)明解決技術問題采用如下技術方案本發(fā)明能自主測量主軸受力的氣浮主軸，是以主軸為浮動體，以主軸氣浮系統(tǒng)中通過節(jié) 流元件輸出的氣流為主軸全浮支撐體，在節(jié)流元件的出口與主軸支承面之間形成承壓腔，結 構特點是設置氣體壓力或氣體流量測量機構，所述氣體壓力測量機構是以承壓腔的氣體壓力 或節(jié)流元件的背壓為檢測信號；氣體流量測量機構是以承壓腔或節(jié)流元件中氣流流動速度或 流量為檢測信號。本發(fā)明氣浮主軸的結構特點也在于在主軸的一端設置主軸軸環(huán)，主軸氣浮系統(tǒng)包括在主 軸的圓周面上設置徑向氣浮承載單元，在主軸軸環(huán)的兩側設置軸向氣浮承載單元。本發(fā)明自主測量氣浮主軸受力的方法的特點是測量主軸氣浮系統(tǒng)中的氣體壓力或氣體 流量各氣流參數(shù)，氣體壓力或氣體流量各氣流參數(shù)與作用于主軸上的被測外力以及在所述外 力作用下的主軸的位移量一一對應，其對應關系通過實驗標定的方法確定。與已有技術相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在本發(fā)明氣浮主軸對載荷的自主測量有著十分廣泛的應用前景。包括可以對氣體軸承自 身的運轉情況進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)故障和隱患；在精密切削加工領域，實時測量切削力 的變化，對刀具工況進行監(jiān)測，為提高加工精度提供保障。


圖1為本發(fā)明測量原理示意圖。圖2為本發(fā)明氣浮主軸測量原理示意圖。圖3為本發(fā)明氣浮主軸應用在車床中結構示意圖。圖4本發(fā)明受力分析示意圖。圖中標號l承壓腔、2浮動體、3節(jié)流元件、4背壓腔、5氣流通道、6主軸、7徑向 氣浮承載單元、8軸向氣浮承載單元、9皮帶輪、IO主軸箱、ll夾具、12工件、13車刀、 14主軸軸環(huán)。以下通過具體實施方式
，結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
具體實施方式
參見圖l，以主軸為浮動體2，以主軸氣浮系統(tǒng)中通過節(jié)流元件3輸出的氣流為主軸全 浮支撐體，在節(jié)流元件3的出口與主軸2的支承面之間形成承壓腔1，設置氣體壓力或氣體 流量測量機構，以氣體壓力測量機構檢測承壓腔1的氣體壓力或檢測節(jié)流元件3的背壓腔4 的壓力；氣體流量測量機構用于檢測承壓腔1或節(jié)流元件3中氣流的流動速度或流量。當作用在浮動體2上的外力改變時，會引起氣流通道5中的氣流壓力、流量和流速的變 化。因此，通過測量氣路中特定部位的氣體壓力、流量或流速，可知作用在浮動體2上的外 力大小。具體實施中，浮動體2上的所受外力與被測的各氣流參量之間的關系可以通過實驗 標定的方法確定。參見圖2，具體實施中，主軸6分別具有徑向氣浮承載單元7和軸向氣浮承載單元8， 各氣浮承載單元將主軸6支承呈完全浮起的狀態(tài)。參見圖3，應用在車床中的氣浮主軸6是設置在主軸箱10內(nèi)，主軸伸出主軸箱的一端 安裝有皮帶輪9，另一端安裝夾具ll，作為氣浮支承機構，在氣浮主軸6的支承面分別設置 徑向氣浮承載單元7和軸向氣浮承載單元8，工件12安裝在夾具11中，由車刀13形成對 工件12的切削。圖3中， 一組徑向氣浮承載單元7分別布置在I截面和II截面，兩組軸向氣浮承載單元 8對稱布置在主軸軸環(huán)14的兩側。受力計算方法如下圖4是主軸受力簡圖，以I截面和主軸軸線的交點為原點建立空間坐標系，I截面和II 截面上的徑向力可以通過各自截面上的徑向氣浮承載單元測出，設其在XOZ平面和YOZ平 面上的分力分別為Fw、 Fir、 F^、 F2y ，車刀作用在工件上的徑向力在XOZ平面和YOZ平面上的未知分力分別為F^、 F3y， i截面和n截面之間的距離丄,由軸承結構確定，為已知量，設車刀徑向力與主軸軸線交點到11截面的距離為丄2，丄2為未知量，則可用下式計算車刀作用在工件上的徑向力F^ 、 i^和作用力的位置A 。巧y 二尸2y —丄2 (尸2% -尸1% ) = A尸1X各個軸向氣浮承載單元8產(chǎn)生的浮力的合力與車刀產(chǎn)生的軸向力是一對平衡力，所以車 刀產(chǎn)生的軸向力與各個軸向氣浮承載單元8產(chǎn)生的浮力的合力大小相等方向相反。根據(jù)力的大小和變化情況，可以對氣體軸承自身的運轉情況進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)故 障和隱患，對刀具工況進行監(jiān)測。例如，空運轉時軸承上測出的力過大或波動較大，可能是 軸承出了故障；加工時軸承上測出的力持續(xù)過大可能是刀具磨損了，軸承上測出的力突然波 動較大，可能是刀具破損了。監(jiān)測到問題后，應立即處理。
權利要求
1、一種能自主測量主軸受力的氣浮主軸，以主軸(6)為浮動體(2)，以主軸氣浮系統(tǒng)中通過節(jié)流元件(3)輸出的氣流為主軸全浮支撐體，在節(jié)流元件(3)的出口與主軸支承面之間形成承壓腔(1)，其特征是設置氣體壓力或氣體流量測量機構，所述氣體壓力測量機構是以承壓腔(1)的氣體壓力或節(jié)流元件(3)的背壓為檢測信號；所述氣體流量測量機構是以承壓腔(1)或節(jié)流元件(3)中氣流流動速度或流量為檢測信號。
2、 根據(jù)權利要求l所述的能自主測量主軸受力的氣浮主軸，其特征是在所述主軸(6) 的一端設置主軸軸環(huán)(14)，所述主軸氣浮系統(tǒng)包括在主軸(6)的圓周面上設置徑向氣浮承 載單元(7)，在主軸軸環(huán)(14)的兩側設置軸向氣浮承載單元(8)。
3、 自主測量氣浮主軸受力的方法，其特征是測量主軸氣浮系統(tǒng)中的氣體壓力或氣體流 量各氣流參數(shù)，所述氣體壓力或氣體流量各氣流參數(shù)與作用于主軸上的被測外力以及在所述 外力作用下的主軸的位移量一一對應，其對應關系通過實驗標定的方法確定。
全文摘要
能自主測量主軸受力的氣浮主軸及測量方法，以主軸為浮動體，以主軸氣浮系統(tǒng)中通過節(jié)流元件輸出的氣流為主軸全浮支撐體，在節(jié)流元件的出口與主軸支承面之間形成承壓腔，其特征是設置氣體壓力或氣體流量測量機構，氣體壓力測量是以承壓腔的氣體壓力或節(jié)流元件的背壓為檢測信號；氣體流量測量是以承壓腔或節(jié)流元件中氣流流動速度或流量為檢測信號。本發(fā)明可用于對氣體軸承自身的運轉情況進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)故障和隱患；也可在精密切削加工中實時測量切削力的變化，對刀具工況進行監(jiān)測，提高加工精度。
文檔編號B23B19/02GK101249569SQ200810020469
公開日2008年8月27日 申請日期2008年3月7日 優(yōu)先權日2008年3月7日
發(fā)明者斌 黃 申請人:合肥工業(yè)大學