專利名稱：空氣靜壓軸承壓力分布實驗臺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及機械領域，主要涉及超精密加工的空氣推力軸承測試設備，具體講是一種空氣靜壓軸承壓力分布實驗臺。
背景技術：
隨著航天技術、微電子學、原子能、信息技術、激光及生物工程等科學的巨大發(fā)展，對于產(chǎn)品加工精度的要求越來越高。與之相適應的超精密技術，又被稱為微細加工技術，是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的趨勢，也是我國高新技術領域的一個重要組成部分。
在微細加工技術領域，無論是精密加工、工藝、機械設備，還是量測儀器，都對其機械部分提出了高精度、高速度、高運動分辨率、熱穩(wěn)定性好、低振動、爬行小、少污染或無污染以及降低設備成本等方面的苛刻要求?？諝忪o壓軸承正是解決上述要求的重要途徑?？諝忪o壓軸承具有氣體粘度極低，摩擦阻力小，運動速度快；運動平滑，精度高，低速運動無爬行；耐高、低溫性能好，適應環(huán)境的能力強，特別是能在輻射條件下工作；不污染環(huán)境；清潔度高，噪音、振動小等特點。在超精密加工中得到了廣泛應用，空氣靜壓軸承也稱作空氣靜壓軸承，簡稱靜壓軸承，或者也有稱其為氣浮塊。靜壓軸承已經(jīng)成為三坐標測量機的關鍵部件，在提高精度方面，靜壓軸承有著油脂潤滑不可比擬的優(yōu)勢。
靜壓軸承的主要缺點是承載能力低、剛度小。還存在各種失穩(wěn)現(xiàn)象，影響氣浮軸承在超精密加工中的實際應用和精確使用。因此，研究空氣靜壓軸承的動、靜態(tài)性能是十分必要的。氣浮軸承常用的性能參數(shù)主要有承載力、流量、剛度、穩(wěn)定性以及軸承間隙內(nèi)氣體壓力的分布狀態(tài)。西安工業(yè)學院長期進行氣浮軸承的研究與應用，曾經(jīng)設計了一種稱重加力式的測力儀，測頭是端頭為球形的螺桿，使用磅秤原理。由于在一側加砝碼，對測頭有一個傾斜的力的附加，造成對測試結果準確度的影響。其他傳統(tǒng)的試驗均受儀器自身剛度的影響，誤差較大。
目前，對于氣膜壓力分布的研究，主要還依靠實驗手段，這需要耗費巨大的財力，況且氣膜壓力分布是一個復雜的問題，現(xiàn)場實驗也很難開展。因此，尋求一種適于工程應用的分析氣膜壓力的數(shù)值與實驗方法，對于空氣靜壓軸承的工程應用，對設計與調(diào)試超精密氣體潤滑軸系具有重要的意義，由于靜壓軸承是重要的運動構成要件，對精密與超精密機械設備的設計和制造產(chǎn)生深遠的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述技術或儀器存在的缺點，為分析、研究和應用空氣靜壓軸承提供技術保障，設計專用的測試設備，提供一種適于工程應用的，可平穩(wěn)均衡加力，可準確測試空氣靜壓軸承常用的性能參數(shù)主要有承載力、流量、剛度和穩(wěn)定性以及軸承間隙內(nèi)氣體壓力的分布狀態(tài)的專用的空氣靜壓軸承壓力分布實驗臺。
下面對本實用新型的技術方案進行詳細說明本實用新型是一種空氣靜壓軸承壓力分布實驗臺，包括有彈簧、螺紋套、傳力桿、手輪，還包括有底座架、二維平臺、彈簧螺紋加壓機構和控制系統(tǒng)，傳感器安裝在下平板的下面，同壓力顯示器信號連接，底座架為“口”字形支架，底座架的下支架上置有二維平臺，壓力表通過氣路與空氣靜壓軸承的被測件、輔助空氣靜壓軸承氣路連接，二維平臺上裝有X、Y方向步進電機，兩個步進電機與控制系統(tǒng)電信號連接。根據(jù)工程加工對質(zhì)量檢驗的需要，整機質(zhì)量監(jiān)控對部件的配套要求，科研中對量化的要求，都需要測試靜壓軸承的綜合性能參數(shù)及壓力分布，而且需要測試準確的設備。本實用新型就是針對此進行了不斷的研究、試制和改進，通過底座架、二維平臺、彈簧螺紋加壓機構和控制系統(tǒng)，測試、顯示系統(tǒng)的有機結合，實現(xiàn)了對被測件空氣靜壓軸承的精確的參數(shù)測定，以及對空氣靜壓軸承動、靜態(tài)穩(wěn)定性判別。從針對于空氣靜壓軸承專用的壓力分布實驗臺講，本實用新型實現(xiàn)了零的突破，解決了沒有設備能精確測定空氣靜壓軸承壓力分布的問題。
本實用新型的實現(xiàn)還在于彈簧螺紋加壓機構的設計，彈簧螺紋加壓機構安置在上平板和下平板之間，該彈簧螺紋加壓機構固定安裝于底座架的上支架上，彈簧螺紋加壓機構主要由傳力桿、螺紋套筒、拉伸彈簧、絲杠、調(diào)節(jié)螺母和定位銷釘構成，調(diào)節(jié)螺母也叫校零螺母，兩根傳力桿對稱于實驗臺中心，并支撐于上平板和下平板之間，下平板位于底座架上支架的下面，螺紋套筒固定安裝在底座架的上支架的中心，螺紋套筒的筒壁上開有定位銷釘活動槽，拉伸彈簧置于螺紋套筒內(nèi)與螺紋套筒同軸，拉伸彈簧的一端固定在下定位銷釘上，定位銷釘?shù)膬啥松斐龌顒硬弁猓上抡{(diào)節(jié)螺母來限位定位銷釘?shù)幕顒恿?，壓縮彈簧在螺紋套筒的上端，與上定位銷釘固連，由上調(diào)節(jié)螺母來限位上定位銷釘?shù)幕顒恿?，絲杠一端固聯(lián)在拉伸彈簧的上端，絲杠一端接有旋轉手輪，旋轉手輪在上平板的上方。
由于整體結構的對稱性，可以實現(xiàn)對被測件靜壓軸承的均衡加壓，且加壓的過程可以人為控制，以便做到對位移量的有效控制，平穩(wěn)加力，可以對氣膜的厚度進行高精度測定。結構輕巧簡單、操作方便。
本實用新型的實現(xiàn)還在于二維平臺上，對應于X、Y方向的兩個步進電機，還配有兩個相應的手動旋紐。
本實用新型的實現(xiàn)還在于底座架的底部設有調(diào)平機構，主要由四個角頭螺栓分別安裝于底座架下支架底部。便于調(diào)節(jié)平臺的水平。
本實用新型的工作是實驗研究分析氣體軸承工作性能的重要手段，也是檢驗理論分析與計算正確與否的關鍵?？諝忪o壓軸承實驗著重于氣膜中壓力分布和流量的測量。為此，需測出軸承的承載力以及不同承載力對應的氣膜厚度，從而得到氣體流量。
利用本實用新型對流量的進行測定，轉動手輪，使傳感器下部正好與軸承上表面保留微量間隙。記錄數(shù)據(jù)。只需測出氣膜厚度與工作壓力，便可計算出在一定供氣壓力下的流量隨承載力變化而變化的量，以及分析變化的情況。
氣膜壓力分布是影響軸承穩(wěn)定性的重要因素，即將影響到軸承的剛度、承載能力、周期穩(wěn)定等一系列問題，本實用新型對壓力分布的測試是轉動手輪，使傳感器下部正好與軸承上表面保留微量間隙。通過驅動電機使靜壓軸承隨導軌平臺在X，Y方向移動，分別記錄下坐標位置和壓力。
由于采用了機電一體化的設計，采用了彈簧拉伸、壓縮平衡原設計了簡單而實用的彈簧螺紋加壓機構，解決了平穩(wěn)均衡加力的問題，解決了靜壓軸承的壓力分布的精確測定問題，提供了一種適于工程應用的，可以準確測試空氣靜壓軸承常用的性能參數(shù)，主要有承載力、流量、剛度和穩(wěn)定性以及軸承間隙內(nèi)氣體壓力的分布狀態(tài)的專用的實驗、測試設備。對于靜壓軸承的研究和大量應用提供了技術保障。結構輕巧簡單、操作方便。



圖1是本實用新型的構成示意圖。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型作實例說明。
實施例1如圖1所示，本實用新型是一種空氣靜壓軸承壓力分布實驗臺，包括有彈簧、螺紋套、傳力桿、手輪，還包括有底座架19、二維平臺17、彈簧螺紋加壓機構和控制系統(tǒng)12，傳感器13安裝在下平板11的下面，同壓力顯示器10信號連接，底座架19為“口”字形支架，底座架19的下支架上置有二維平臺17，壓力表20通過氣路18與靜壓軸承的被測件14、輔助靜壓軸承15氣路連接，二維平臺17上裝有X、Y方向步進電機，兩個步進電機與控制系統(tǒng)12電信號連接。根據(jù)工程加工對質(zhì)量檢驗的需要，整機質(zhì)量監(jiān)控對部件的配套要求，科研中對量化的要求，都需要測試空氣靜壓軸承的綜合性能參數(shù)及壓力分布，而且需要測試準確的設備。本實用新型就是針對此進行了不斷的研究、試制和改進，通過底座架19、二維平臺17、彈簧螺紋加壓機構和控制系統(tǒng)12，測試、顯示系統(tǒng)的有機結合，實現(xiàn)了對被測件空氣靜壓軸承的精確的參數(shù)測定，以及對空氣靜壓軸承動、靜態(tài)穩(wěn)定性判別。通過二維平臺17的位移，配合控制系統(tǒng)12的工作，可以測定被測件14上任意點的壓力，因此也就可以獲得該被測件即空氣靜壓軸承上的壓力分布數(shù)據(jù)。以流體潤滑技術的最新成果和振蕩流體力學、流體激振、氣體潤滑力學、軸承-轉子系統(tǒng)動力學等為基礎，通過本實用新型獲得的實驗數(shù)據(jù)，借助數(shù)值分析技術和系統(tǒng)測試技術，探索不同工況下空氣靜壓軸承14上氣膜壓力分布的物理本質(zhì)和基礎規(guī)律，建立反映空氣靜壓軸承14氣膜壓力分布的數(shù)學模型，以便系統(tǒng)的分析和研究空氣靜壓軸承氣膜壓力分布機理，研究和解決靜壓軸承的使用中出現(xiàn)的各種失穩(wěn)現(xiàn)象。本實用新型提供的工程上實用的空氣靜壓軸承的專用測試裝置，能精確測定空氣靜壓軸承壓力分布的問題。根據(jù)目前空氣靜壓軸承的最大承載能力為2000N，按最大承載為2000N進行機構設計與配件選擇。通過二維平臺17的位移，配合控制系統(tǒng)12的工作，可以測定被測件14上任意點的壓力，因此也就可以獲得該被測件上的壓力分布數(shù)據(jù)。以流體潤滑技術的最新成果和振蕩流體力學、流體激振、氣體潤滑力學、軸承-轉子系統(tǒng)動力學等為基礎，通過本實用新型獲得的實驗數(shù)據(jù)，借助數(shù)值分析技術和系統(tǒng)測試技術，探索不同工況下氣膜壓力分布的物理本質(zhì)和基礎規(guī)律，建立反映氣膜壓力分布的數(shù)學模型，以便系統(tǒng)的分析和研究空氣靜壓軸承氣膜壓力分布機理，研究和解決空氣靜壓軸承的使用中出現(xiàn)的各種失穩(wěn)現(xiàn)象。本實用新型提供的是工程上實用的空氣靜壓軸承的專用測試裝置。
為了對氣浮塊即空氣靜壓軸承能平穩(wěn)加力，由于F拉＝F壓+F氣膜，拉伸彈簧8伸長由手輪1的位移決定，由絲杠3導程為3mm，所以手輪1即使旋轉一圈，拉伸彈簧8也只能拉伸3mm，μ壓縮＞＞μ拉伸，所以，壓縮彈簧4的壓縮量ΔX幾乎為0，手輪旋轉幾圈，ΔX也只能以微米計，而氣膜厚度一般為10～15μm，因而，手輪在緩慢轉動的過程中，下平板11可平穩(wěn)對空氣靜壓軸承施加力。
實施例2參見圖1，實用新型的總體構成同實施例1，本實用新型的彈簧螺紋加壓機構安置在上平板2和下平板11之間，該彈簧螺紋加壓機構固定安裝于底座架19的上支架上，彈簧螺紋加壓機構主要由傳力桿22、螺紋套筒5、拉伸彈簧8、絲杠3、調(diào)節(jié)螺母和定位銷釘構成，調(diào)節(jié)螺母也叫校零螺母，兩根傳力桿22對稱于實驗臺中心，并支撐于上平板2和下平板11之間，下平板11位于底座架19上支架的下面，螺紋套筒5固定安裝在底座架19的上支架的中心，螺紋套筒5的筒壁上開有定位銷釘活動槽，拉伸彈簧8置于螺紋套筒5內(nèi)與螺紋套筒5同軸，拉伸彈簧8的一端固定在下定位銷釘21上，定位銷釘?shù)膬啥松斐龌顒硬弁?，由下調(diào)節(jié)螺母9來限位定位銷釘?shù)幕顒恿?，壓縮彈簧4在螺紋套筒5的上端，與上定位銷釘7固連，由上調(diào)節(jié)螺母6來限位上定位銷釘?shù)幕顒恿?，絲杠3一端固聯(lián)在拉伸彈簧8的上端，絲杠3一端接有旋轉手輪1，旋轉手輪1在上平板2的上方。彈簧螺紋加壓機構如圖1所示，雖然都是簡單機械，將拉伸彈簧8在螺紋套筒5內(nèi)與螺紋套筒5同軸，與壓縮彈簧4、絲杠3、旋轉手輪1組合一起，利用彈簧拉伸、壓縮平衡原理來實現(xiàn)對靜壓軸承測試的微量加力，如圖1所示，旋轉手輪1時，絲杠3上移，拉伸彈簧8被拉伸，給絲杠3一向下的拉力，由絲杠3傳至上平板2，此時壓縮彈簧4受到上平板2向下的壓力而壓縮，由于μ壓縮＞＞μ拉伸，所以壓縮彈簧4的壓縮量ΔX極其微小，從而，上平板2、傳力桿、下平板11、被測件靜壓軸承14均有一向下的位移量ΔX，即氣膜厚度減小ΔX，相當于給氣浮塊施加一力使其氣膜厚度減小，而力的大小則由下平板11與被測件空氣靜壓軸承14之間的傳感器13直接測出并由顯示器10顯示出來，由于整體結構的對稱性，可以實現(xiàn)對被測件空氣靜壓軸承14的均衡加壓，且加壓的過程可以人為控制，以便做到對位移量的有效控制，平穩(wěn)加力，可以對氣膜的厚度進行高精度測定。結構輕巧簡單、操作方便。
實施例3本實用新型的構成同實施例2，參見圖1，在完成實驗臺的組裝工作后，首先通過實驗臺底座19上的四個角頭螺栓16對實驗臺進行調(diào)平。使用框式水平儀輔助調(diào)平。
實施例4置傳感器13于實驗平臺即底座架19的上支架上，由于實驗臺施力大小最終由傳感器13直接測出，并由顯示器10顯示，同時，在一定壓力作用下，靜壓軸承的壓力分布由壓力表20測出，因而，實驗臺使用前需要對顯示器10、傳感器13及壓力表20進行調(diào)試標定。
壓力表的調(diào)試標定本實用新型檢測空氣靜壓軸承壓力值采用過北京自動化儀表三廠生產(chǎn)的YTZ-150型電阻遠傳壓力表來實現(xiàn)。首先將壓力表與氣源連接起來，打開氣源，壓力表將顯示一定數(shù)值，調(diào)節(jié)氣源壓力，看壓力表顯示數(shù)值是否與氣源壓力相等進行調(diào)試標定。
權利要求1.一種空氣靜壓軸承壓力分布實驗臺，包括有彈簧、螺紋套、傳力桿、手輪，其特征在于還包括有底座架(19)、二維平臺(17)、彈簧螺紋加壓機構和控制系統(tǒng)(12)，傳感器(13)安裝在彈簧螺紋加壓機構的下平板(11)的下面，同壓力顯示器(10)信號連接，底座架(19)為“口”字形支架，底座架(19)的下支架上置有二維平臺(17)，壓力表(20)通過氣路(18)與靜壓軸承的被測件(14)、輔助靜壓軸承(15)氣路連接，二維平臺(17)上裝有X、Y方向步進電機，兩個步進電機與控制系統(tǒng)(12)電信號連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的空氣靜壓軸承壓力分布實驗臺，其特征在于彈簧螺紋加壓機構安置在上平板(2)和下平板(11)之間，該彈簧螺紋加壓機構固定安裝于底座架(19)的上支架上，彈簧螺紋加壓機構主要由傳力桿(22)、螺紋套筒(5)、拉伸彈簧(8)、絲杠(3)、調(diào)節(jié)螺母和定位銷釘構成，兩根傳力桿(22)對稱于實驗臺中心，并支撐于上平板(2)和下平板(11)之間，下平板(11)位于底座架(19)上支架的下面，螺紋套筒(5)固定安裝在底座架(19)的上支架的中心，螺紋套筒(5)的筒壁上開有定位銷釘活動槽，拉伸彈簧(8)置于螺紋套筒(5)內(nèi)與螺紋套筒(5)同軸，拉伸彈簧(8)的一端固定在下定位銷釘(21)上，定位銷釘?shù)膬啥松斐龌顒硬弁猓瑝嚎s彈簧(4)在螺紋套筒(5)的上端，與上定位銷釘(7)固連，絲杠(3)一端固聯(lián)在拉伸彈簧(8)的上端，絲杠(3)另一端接有旋轉手輪(1)，旋轉手輪(1)在上平板(2)的上方。
3.根據(jù)權利要求2所述的空氣靜壓軸承壓力分布實驗臺，其特征在于二維平臺(17)導軌對應于X、Y方向的兩個步進電機，還配有兩個相應的手動旋紐。
4.根據(jù)權利要求1或3所述的空氣靜壓軸承壓力分布實驗臺，其特征在于底座架(19)的底部設有調(diào)平機構，主要由四個角頭螺栓(16)分別安裝于底座架(19)下支架底部。
專利摘要本實用新型是一種空氣靜壓軸承壓力分布實驗臺，包括有底座架19、二維平臺17、彈簧螺紋加壓機構和控制系統(tǒng)12，傳感器13等，壓力表20通過氣路18與靜壓軸承的被測件14、輔助靜壓軸承15氣路連接，二維平臺17上裝有X、Y方向步進電機，兩個步進電機與控制系統(tǒng)12電信號連接。由于機電一體化的設計，以彈簧拉伸、壓縮平衡原理設計的簡單而實用的彈簧螺紋加壓機構，解決了平穩(wěn)均衡加力問題，實現(xiàn)了靜壓軸承壓力分布的精確測定，提供了一種適于工程應用的，可準確測定氣體靜壓軸承常用的承載力、流量、剛度和穩(wěn)定性以及軸承間隙內(nèi)氣體壓力分布數(shù)據(jù)等性能參數(shù)，為分析、研究和應用空氣靜壓軸承提供了技術保障。結構輕巧簡單、操作方便。
文檔編號G01M13/04GK2741032SQ20042004204
公開日2005年11月16日 申請日期2004年6月11日 優(yōu)先權日2004年6月11日
發(fā)明者張君安, 劉波, 張立新, 呼曉青 申請人:西安工業(yè)學院