一种超精密气体静压主轴气膜速度场测试装置的制作方法

本发明涉及一种超精密气体静压主轴气膜速度场测试装置。

背景技术：

气体静压主轴具有高速度、高精密、低摩擦、耐高低温、少污染等优点，在高端机床装备、精密测量仪器、空间惯性技术等诸多高科技领域有着广泛应用，尤其是作为超精密切削机床的一类典型关键部件，对于保证机床加工精度具有不可替代的作用。相比于其他类型主轴，气体静压主轴的一个重要结构特征是采用压力气膜作为工作介质(即气体轴套)，气体轴套的静动态特性对于主轴综合性能具有重要影响，一定程度上直接决定了主轴回转精度，而气膜流场特性(包括气体流动状态、速度场和压力场分布等)直接影响了气体轴套的静动态特性。气膜流场内部的气体速度分布特性(即气膜速度场)是气膜流场特性的一个重要方面，关于气膜的速度场特性，目前国内外学者及产业界人员主要采用数值分析、有限元仿真等手段对其进行研究分析，而实验研究极其缺乏，主要原因是气膜流场的测试难度较大，有效的超精密气体静压主轴气膜速度场测试装置尤为缺乏。

技术实现要素：

为了实现超精密气体静压主轴气膜速度场测试及相应的实验研究，本发明提供了一种高效、便捷且高可靠性的超精密气体静压主轴气膜速度场测试装置。

本发明所述的一种超精密气体静压主轴气膜速度场测试装置，其特征在于：包括上止推盘、主轴、下止推盘、轴套、气室外套、用于测定气体流速的线状传感器以及主轴保持架，所述上止推盘、下止推盘分别与所述主轴的上下两端面同轴密封固接，三者共同形成用于容纳轴套的凹腔；所述轴套套在所述主轴外部，所述轴套与凹腔之间的间隙作为气模的容纳腔；所述轴套的外壁设有用于容纳气室外套的凹槽，所述轴套外部套装所述气室外套，并且所述凹槽的上下槽壁分别与所述气室外套上下两端面密封固接；所述轴套设有轴向节流孔、轴向细孔、多组径向节流孔和多组径向细孔，所述轴向节流孔和轴向细孔均贯穿凹槽上下槽壁，轴向节流孔与凹槽内腔连通，轴向细孔与外腔连通；同组径向节流孔分布在同一个第一轴套轴截面上，不同组径向节流孔所在的第一轴套轴截面相互平行；同组径向细孔分布在同一个第二轴套轴截面上，不同组径向细孔位于彼此平行的第二轴套轴截面上；所述气室外套的壁面上设有进气孔以及与径向细孔位置一一对应的安装通孔；所述轴向细孔和所述径向细孔均从外部插入相应的线状传感器，且线状传感器的头部都伸入气模内；所述主轴保持架设有用于卡入上止推盘和/或下止推盘的卡槽。

所述轴套设有两组径向节流孔和两组径向细孔不同组的径向节流孔一一对应，不同组的径向细孔一一对应，所述第一轴套轴截面、所述第二轴套轴截面从轴套两端向中间对称布置，所述第一轴套轴截面、所述第二轴套轴截面均与轴套中心轴垂直。

轴向节流孔中心轴与轴套中心轴的距离相等，即同一轴截面上的轴向节流孔中心落在以轴套中心轴第一基圆上；轴向细孔中心轴与轴套中心轴的距离相等，即同一轴截面上的轴向节流孔中心落在以轴套中心轴第二基圆上；上述的轴截面与轴套中心轴垂直。

部分线状传感器从气室外套和轴套上均布的径向细孔插入，线状传感器的头部伸入气膜且不与主轴接触；部分线状传感器从轴套上均布的轴向细孔插入，线状传感器的头部伸入气膜且不与相应的上止推盘或下止推盘接触；所述线状传感器的头部伸出轴套的距离相等。

所述线状传感器与轴套的径向细孔、气室外套上的径向安装通孔、轴向细孔之间通过填料进行密封，所述的填料为密封胶。

所述的线状传感器为光纤气流速度传感器。

本发明的构思为：超精密气体静压主轴在工作时，轴套、气室外套处于静止状态，上止推盘、主轴、下止推盘处于旋转状态。高压气体通过气室外套的进气孔穿过径向节流孔在主轴与轴套之间形成气膜，从而使主轴保持径向稳定。高压气体穿过轴向节流孔在上止推盘与轴套和下止推盘与轴套间分别形成气膜，从而使主轴轴向保持稳定。线状传感器通过轴套上的轴向细孔和径向细孔分别穿过轴套，线状传感器头部伸入气膜，线状传感器与轴套、气室外套细孔之间的缝隙通过填料的方式进行密封，确保超精密气体静压主轴在工作时不产生漏气现象。检测时气体通过轴向节流孔和径向节流孔进入轴套与上止推盘、主轴、下止推盘之间的空隙，形成气膜，安装于轴向节流孔和径向节流孔一侧的线状传感器由于气流作用产生一定的微小变形，通过线状传感器头部变形的大小可测得改点的气流大小。通过轴向和径向的细孔布置轴向和径向的线状传感器，可检测轴向和径向气膜的速度场。

超精密气体静压主轴在非工作状态下由于停止高压气体进入，上止推盘、主轴、下止推盘会由于重力作用自然下降至与轴套接触状态，主轴或上止推盘会碰撞分布在轴套上的线状传感器，导致线状传感器损坏。通过主轴保持架固定上止推盘、主轴、下止推盘，使得超精密气体静压主轴在非工作状态下依旧保持工作状态的空间位置，确保线状传感器不会受损。在实际使用中，检测前先通过高压气体使主轴稳定于工作状态，再取下主轴保持架。检测完成后先安装主轴保持架，再停止高压气体进入，从而保证上止推盘、主轴、下止推盘无论在任何状态下均保持在工作状态的空间位置。

本发明的有益效果在于：

(1)可实现超精密气体静压主轴气膜速度场的高效测试。

(2)可根据需求布置测点，使用便捷；

(3)测试过程干扰小，可靠性高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的第一轴套轴截面的A-A截面图；

图3是本发明的第一轴套轴截面的B-B截面图；

图4是本发明的轴套靠近止推盘端部截面图；

图5是本发明的线状传感器头部放大图；

图6是本发明的水平工作状态的超精密气体静压主轴气膜速度场测试装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

实施例1本发明所述的一种超精密气体静压主轴气膜速度场测试装置，包括上止推盘1、主轴2、下止推盘3、轴套4、气室外套5、用于测定气体流速的线状传感器6以及主轴保持架7，所述上止推盘1、下止推盘3分别与所述主轴2的上下两端面同轴密封固接，三者共同形成用于容纳轴套的凹腔；所述轴套4套在所述主轴2外部，所述轴套4与凹腔之间的间隙作为气模8的容纳腔；所述轴套4的外壁设有用于容纳气室外套5的凹槽，所述轴套4外部套装所述气室外套5，并且所述凹槽的上下槽壁分别与所述气室外套上下两端面密封固接；所述轴套4设有轴向节流孔431、轴向细孔441、多组径向节流孔411和多组径向细孔421，所述轴向节流孔431和轴向细孔331均贯穿凹槽上下槽壁，轴向节流孔431与凹槽内腔连通，轴向细孔441与外腔连通；同组径向节流孔411分布在同一个第一轴套轴截面41上，不同组径向节流孔所在的第一轴套轴截面相互平行；同组径向细孔421分布在同一个第二轴套轴截面42上，不同组径向细孔位于彼此平行的第二轴套轴截面上；所述气室外套5的壁面上设有进气孔51以及与径向细孔位置一一对应的径向安装通孔；所述轴向细孔441和所述径向细孔421均从轴套4外部插入相应的线状传感器6，且线状传感器6的头部61都伸入气模8内；所述主轴保持架7设有用于卡入上止推盘1和/或下止推盘3的卡槽。

所述轴套4设有两组径向节流孔和两组径向细孔不同组的径向节流孔一一对应，不同组的径向细孔一一对应，所述第一轴套轴截面、所述第二轴套轴截面从轴套两端向中间对称布置，所述第一轴套轴截面、所述第二轴套轴截面均与轴套中心轴垂直。

轴向节流孔431中心轴与轴套中心轴的距离相等，即同一轴截面上的轴向节流孔中心落在以轴套中心轴第一基圆43上；轴向细孔中心轴与轴套中心轴的距离相等，即同一轴截面上的轴向节流孔中心落在以轴套中心轴第二基圆44上；上述的轴截面与轴套中心轴垂直。

部分线状传感器6从气室外套5和轴套4上均布的径向细孔421插入，线状传感器6的头部61伸入气膜8且不与主轴2接触；部分线状传感器6从轴套2上均布的轴向细孔441插入，线状传感器6的头部61伸入气膜8且不与相应的上止推盘1或下止推盘3接触；所述线状传感器6的头部61伸出轴套4的距离相等。

所述线状传感器6与轴套4的径向细孔421、气室外套5上的径向安装通孔、轴向细孔441之间通过填料进行密封，所述的填料为密封胶。

所述的线状传感器6为光纤气流速度传感器。

本发明的构思为：超精密气体静压主轴2在工作时，轴套4、气室5外套处于静止状态，上止推盘1、主轴2、下止推盘3处于旋转状态。高压气体通过气室外套5的进气孔51穿过径向节流孔411在主轴2与轴套4之间形成气膜8，从而使主轴2保持径向稳定。高压气体穿过轴向节流孔431在上止推盘1与轴套4和下止推盘3与轴套4间分别形成气膜8，从而使主轴2轴向保持稳定。线状传感器6通过轴套4上的轴向细孔441和径向细孔421分别穿过轴套4，线状传感器头部61伸入气膜8，线状传感器6与轴套4、气室外套5细孔之间的缝隙通过填料的方式进行密封，确保超精密气体静压主轴在工作时不产生漏气现象。检测时气体通过轴向节流孔431和径向节流孔411进入轴套4与上止推盘1、主轴2、下止推盘3之间的空隙，形成气膜8，安装于轴向节流孔431和径向节流孔411一侧的线状传感器6由于气流作用产生一定的微小变形，通过线状传感器头部61变形的大小可测得改点的气流大小。通过轴向和径向的细孔布置轴向和径向的线状传感器6，可检测轴向和径向气膜的速度场。

超精密气体静压主轴在非工作状态下由于停止高压气体进入，上止推盘1、主轴2、下止推盘3会由于重力作用自然下降至与轴套4接触状态，主轴2或上止推盘1会碰撞分布在轴套4上的线状传感器6，导致线状传感器6损坏。通过主轴保持架7固定上止推盘1、主轴2、下止推盘3，使得超精密气体静压主轴在非工作状态下依旧保持工作状态的空间位置，确保线状传感器6不会受损。在实际使用中，检测前先通过高压气体使主轴稳定于工作状态，再取下主轴保持架7。检测完成后先安装主轴保持架7，再停止高压气体进入，从而保证上止推盘1、主轴2、下止推盘3无论在任何状态下均保持在工作状态的空间位置。

实施例2本实施例与实施例一的不同之处在于：由图6所示，当超精密气体静压主轴处于水平工作状态时，所述的主轴保持架7支撑上止推盘1和下止推盘2，将上止推盘1、主轴2、下止推盘3保持在工作位置。其余结构和功能都相同。

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包括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。