气浮刚度加载装置、气浮刚度测试设备及气浮刚度测试方法与流程

1.本技术涉及气浮性能测试装置技术领域，具体而言，涉及一种气浮刚度加载装置、气浮刚度测试设备及气浮刚度测试方法。


背景技术：

2.气浮属于高刚度、低摩擦、洁净式支撑件，广泛应用于精密精密气浮运动平台、机床旋转主轴和力补偿系统。在应用场景下，气浮所体现的最重要的性能就是其气膜刚度，该指标保证了运动的高速性和稳定性。故准确地测量气浮的气膜刚度不论是对其承载能力分析，还是系统的性能控制与优化都有着极其重要的意义。气浮的刚度测试加载方法中，加载方式主要有圆柱体加载、大平面加载和球加载。圆柱体加载和大平面加载均属于刚性加载，无法解决加载力作用点偏置的问题，容易造成气浮倾翻，则会出现测试结果误差值增大；球加载属于半自适应式加载方式，能够保证与气浮上表面接触的不偏置，但是无法解决加载设备的出力端的偏置问题，会在影响测试结果。


技术实现要素：

3.本技术的目的在于针对现有气浮的刚度测试加载方式无法解决加载设备的出力端的偏置问题，提供一种气浮刚度加载装置、气浮刚度测试设备及气浮刚度测试方法。
4.为了实现上述目的，本技术采用以下技术方案：
5.本技术实施例的一个方面提供一种气浮刚度加载装置，包括第一加载杆、第一加载座和加载组件，所述第一加载座用于与加载设备的出力端接触，所述加载组件用于与待测气浮接触，在第一方向上所述第一加载座安装于所述第一加载杆的中部，在所述第一方向上所述第一加载杆的两端均安装有所述加载组件，所述第一加载杆与所述第一加载座枢接，以使所述加载组件能够在第二方向上相对所述第一加载座移动，所述第一方向为所述第一加载杆的长度方向上，所述第一加载座、第一加载杆和所述加载组件在第二方向上依次排列，所述第二方向垂直于所述第一方向。
6.可选地，所述第一加载座包括第一销钉和第一槽状本体，所述第一槽状本体套装于所述第一加载杆，所述第一槽状本体与所述第一加载杆间隙配合，在所述第一加载杆上形成有第一销孔，在第三方向上所述第一销钉的一端与所述第一槽状本体固定连接，所述第一销钉的另一端与所述第一销孔间隙配合，所述第一方向和所述第二方向均垂直于所述第三方向。
7.该技术方案的有益效果在于：这样，可以通过第一销钉作为第一加载杆相对第一加载座枢转的转轴。
8.可选地，所述加载组件包括第二加载杆、第二加载座和加载单元，所述第二加载座与所述第一加载杆固定连接，所述第二加载杆平行于第三方向，在所述第三方向上所述第二加载杆的两端均安装有所述加载单元，在所述第三方向上所述第二加载座安装于所述第二加载座的中部，且所述第二加载座与所述第二加载杆枢接，以使所述加载单元能够相对
所述第二加载座在第二方向上移动，所述第一方向和所述第二方向均与所述第三方向垂直。
9.该技术方案的有益效果在于：通过使所述第一加载杆与所述第一加载座枢接，则使本技术实施例所提供的气浮刚度加载装置在第一方向上两端的位置能够根据待测气浮表面进行调整，通过使所述第二加载座与所述第二加载杆枢接，则使本技术实施例所提供的气浮刚度加载装置在第三方向上两端的位置能够根据待测气浮表面进行调整，进而能够改善在加载设备的出力端与待测气浮之间气浮刚度加载装置的偏置问题，使待测结构更加准确。
10.可选地，所述第二加载座包括第二销钉和第二槽状本体，所述第二槽状本体套装于所述第二加载杆，所述第二槽状本体与所述第二加载杆间隙配合，在所述第二加载杆上形成有第二销孔，在第一方向上所述第二销钉的一端与所述第二槽状本体固定连接，所述第二销钉的另一端与所述第二销孔间隙配合。
11.该技术方案的有益效果在于：这样，可以通过第二销钉作为第二加载杆相对第二加载座枢转的转轴。
12.可选地，所述加载单元包括第三加载杆和第三加载座，所述第三加载座固定连接于所述第二加载杆，在第三方向上所述第三加载杆的两端均安装有球型柱，在所述第三方向上所述第三加载座安装于所述第三加载杆的中部，所述第三加载杆与所述第三加载座枢接，以使所述球型柱能够相对所述第三加载座在所述第二方向上移动。
13.该技术方案的有益效果在于：这样，使本技术实施例所提供的气浮刚度加载装置包括八个球型柱，每个球型柱均能够根据气浮表面调整位置，进而加载设备的出力端从加载设备的出力端槽到与气浮接触的一端均能够根据气浮表面调整位置，进而改善气浮刚度加载装置偏置的问题，提高测试效果的准确性。
14.可选地，所述球型柱背离所述第三加载座的一端为圆锥端。
15.该技术方案的有益效果在于：相应的，可以在待测气浮上设置八个具有圆锥孔的垫片，在本技术实施例所提供的气浮刚度加载装置使用时，各圆锥孔与各球型柱的圆锥端一一对应的配合，这样，在本技术实施例所提供的气浮刚度加载装置根据待测气浮调整位置时，不易与待测气浮分离，减小因调整位置使球型柱与气浮分离，导致测试无法进行的风险。
16.本技术的另一个方面提供一种气浮刚度测试设备，包括本技术实施例所提供的气浮刚度加载装置；所述气浮刚度测试设备还包括龙门架、加载气缸、传感器安装座、力传感器和位移传感器，所述加载气缸安装于所述龙门架，所述气浮刚度加载装置位于所述加载气缸的下方，所述力传感器安装在所述加载气缸的作用力输出端，所述力传感器与所述第一加载座固定连接，所述位移传感器安装于所述传感器安装座，所述位移传感器用于获取所述气浮刚度加载装置在竖直方向上的位移参数。
17.可选地，还包括平台和至少两个柔性限位件，所述柔性限位件、所述龙门架和所述传感器安装座均安装于所述平台的顶面，各所述柔性限位件之间限定待测气浮的放置范围。
18.该技术方案的有益效果在于：通过柔性限位件对待测气浮的放置范围的限定，进一步提高了测试结果的准确性。
19.本技术的第三个方面提供一种气浮刚度测试方法，应用所述气浮刚度测试设备实现，所述气浮刚度测试方法包括：
20.向所述待测气浮和所述加载气缸分别内分别通入气体直至所述气浮刚度加载装置与所述待测气浮接触，停止向所述待测气浮内通入气体，并将所述位移传感器的示数归零；
21.再次向所述待测气浮内通入气体，并获取所述位移传感器采集的位移数据以作为所述待测气浮当前的气膜厚度；
22.连续多次改变所述加载气缸的压力以改变所述待测气浮每次所受的负载力，并基于所述力传感器每次采集的所述待测气浮所受的负载力和所述位移传感器采集的气膜厚度，生成所述负载力与所述气膜厚度之间的关系数据；
23.基于所述负载力与所述气膜厚度之间的关系数据确定所述待测气浮的刚度测量结果。
24.该技术方案的有益效果在于：加载机构会根据力作用点和质心的位置自适应调整，保证加载力垂直于待测气浮上表面，能够有效解决针对待测气浮的刚度测试过程中的偏置问题，进而能够有效提高待测气浮的刚度测试过程的可靠性以及测试结果的准确性及有效性。
25.可选地，所述负载力与所述气膜厚度之间的关系数据包括：所述负载力与所述气膜厚度之间的关系曲线；
26.相对应的，所述基于所述负载力与所述气膜厚度之间的关系数据确定所述待测气浮的刚度测量结果，包括：
27.对所述负载力与所述气膜厚度之间的关系曲线进行一阶求导，得到所述待测气浮的刚度与所述气膜厚度之间的关系曲线；
28.将所述待测气浮的刚度与所述气膜厚度之间的关系曲线确定为所述待测气浮的刚度测量结果。
29.该技术方案的有益效果在于：通过对负载力与所述气膜厚度之间的关系曲线进行一阶求导，能够进一步提高待测气浮的刚度测量结果的有效性。
30.本技术提供的技术方案可以达到以下有益效果：
31.本技术实施例所提供的气浮刚度加载装置、气浮刚度测试设备及气浮刚度测试方法，在使用时，使第二方向为竖直方向，并使所述第一加载座、第一加载杆和所述加载组件从上到下依次排列，使第一加载座与加载设备的出力端接触，加载组件与待测气浮接触，由于所述第一加载杆与所述第一加载座枢接，且所述加载组件能够在第二方向上相对所述第一加载座移动，在加载设备的出力端输出作用力时，在加载组件适应待测气浮表面的过程中带动第一加载杆一同相对第一加载座在第二方向上摆动，进而改善加载设备的出力端的偏置问题。
32.本技术的附加技术特征及其优点将在下面的描述内容中阐述地更加明显，或通过本技术的具体实践可以了解到。
附图说明
33.为了更清楚地说明本技术具体实施方式的技术方案，下面将对具体实施方式描述
中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本技术实施例提供的气浮刚度测试设备的一种实施方式的立体结构示意图；
35.图2为本技术实施例提供的气浮刚度加载装置的一种实施方式的立体结构示意图；
36.图3为本技术实施例所提供的气浮刚度测试方法的一种实施方式的流程示意图。
37.附图标记：
38.100-柔性限位件；
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200-位移传感器；
39.300-传感器安装座；
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400-平台；
40.500-龙门架；
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600-加载气缸；
41.700-力传感器；
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800-气浮刚度加载装置；
42.810-第一加载座；
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811-第一销钉；
43.820-第一加载杆；
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830-第二加载座；
44.831-第二销钉；
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840-第二加载杆；
45.850-第三加载座；
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851-第三销钉；
46.860-第三加载杆；
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870-球型柱；
47.880-垫片；
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900-待测气浮。
具体实施方式
48.下面将结合附图对本技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
49.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
50.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
51.如图1和图2所示，本技术实施例的一个方面提供一种气浮刚度加载装置800，包括第一加载杆820、第一加载座810和加载组件，所述第一加载座810用于与加载设备的出力端接触，所述加载组件用于与待测气浮900接触，在第一方向上所述第一加载座810安装于所述第一加载杆820的中部，在所述第一方向上所述第一加载杆820的两端均安装有所述加载组件，所述第一加载杆820与所述第一加载座810枢接，以使所述加载组件能够在第二方向
上相对所述第一加载座810移动，所述第一方向为所述第一加载杆820的长度方向上，所述第一加载座810、第一加载杆820和所述加载组件在第二方向上依次排列，所述第二方向垂直于所述第一方向。
52.本技术实施例所提供的气浮刚度加载装置800，在使用时，使第二方向为竖直方向，并使所述第一加载座810、第一加载杆820和所述加载组件从上到下依次排列，使第一加载座810与加载设备的出力端接触，加载组件与待测气浮900接触，由于所述第一加载杆820与所述第一加载座810枢接，且所述加载组件能够在第二方向上相对所述第一加载座810移动，在加载设备的出力端输出作用力时，在加载组件适应待测气浮900表面的过程中带动第一加载杆820一同相对第一加载座810在第二方向上摆动，进而改善加载设备的出力端的偏置问题。
53.可选地，所述第一加载座810包括第一销钉811和第一槽状本体，所述第一槽状本体套装于所述第一加载杆820，所述第一槽状本体与所述第一加载杆820间隙配合，在所述第一加载杆820上形成有第一销孔，在第三方向上所述第一销钉811的一端与所述第一槽状本体固定连接，所述第一销钉811的另一端与所述第一销孔间隙配合，所述第一方向和所述第二方向均垂直于所述第三方向。这样，可以通过第一销钉811作为第一加载杆820相对第一加载座810枢转的转轴；当然，也可以使第一销钉811与第一加载杆820固定连接，并在第一槽状本体上形成销孔，使第一销钉811与第一槽状本体上的销孔间隙配合；还可以采用一个贯穿第一加载杆820的销轴，并使销轴的两端均与第一槽状本体固定连接。
54.可选地，所述加载组件包括第二加载杆840、第二加载座830和加载单元，所述第二加载座830与所述第一加载杆820固定连接，所述第二加载杆840平行于第三方向，在所述第三方向上所述第二加载杆840的两端均安装有所述加载单元，在所述第三方向上所述第二加载座830安装于所述第二加载座830的中部，且所述第二加载座830与所述第二加载杆840枢接，以使所述加载单元能够相对所述第二加载座830在第二方向上移动，所述第一方向和所述第二方向均与所述第三方向垂直。通过使所述第一加载杆820与所述第一加载座810枢接，则使本技术实施例所提供的气浮刚度加载装置800在第一方向上两端的位置能够根据待测气浮900表面进行调整，通过使所述第二加载座830与所述第二加载杆840枢接，则使本技术实施例所提供的气浮刚度加载装置800在第三方向上两端的位置能够根据待测气浮900表面进行调整，进而能够改善在加载设备的出力端与待测气浮900之间气浮刚度加载装置800的偏置问题，使待测结构更加准确。
55.可选地，所述第二加载座830包括第二销钉831和第二槽状本体，所述第二槽状本体套装于所述第二加载杆840，所述第二槽状本体与所述第二加载杆840间隙配合，在所述第二加载杆840上形成有第二销孔，在第一方向上所述第二销钉831的一端与所述第二槽状本体固定连接，所述第二销钉831的另一端与所述第二销孔间隙配合。这样，可以通过第二销钉831作为第二加载杆840相对第二加载座830枢转的转轴；当然，也可以使第二销钉831与第二加载杆840固定连接，并在第二槽状本体上形成销孔，使第二销钉831与第二槽状本体上的销孔间隙配合；还可以采用一个贯穿第二加载杆840的销轴，并使销轴的两端均与第二槽状本体固定连接。
56.可选地，所述加载单元包括第三加载杆860和第三加载座850，所述第三加载座850固定连接于所述第二加载杆840，在第三方向上所述第三加载杆860的两端均安装有球型柱
870，在所述第三方向上所述第三加载座850安装于所述第三加载杆860的中部，所述第三加载杆860与所述第三加载座850枢接，以使所述球型柱870能够相对所述第三加载座850在所述第二方向上移动。这样，使本技术实施例所提供的气浮刚度加载装置800包括八个球型柱870，每个球型柱870均能够根据待测气浮900表面调整位置，进而加载设备的出力端从加载设备的出力端槽到与气浮接触的一端均能够根据气浮待测气浮900表面调整位置，进而改善气浮刚度加载装置800偏置的问题，提高测试效果的准确性。本技术实施例中，可以使第三加载座850包括第三槽状本体和第三销钉851，使第三加载杆860和第三槽状本体之间通过第三销钉851连接。
57.可选地，所述球型柱870背离所述第三加载座850的一端为圆锥端。相应的，可以在待测气浮900上设置八个具有圆锥孔的垫片880，在本技术实施例所提供的气浮刚度加载装置800使用时，各圆锥孔与各球型柱870的圆锥端一一对应的配合，这样，在本技术实施例所提供的气浮刚度加载装置800根据待测气浮900调整位置时，不易与待测气浮900分离，减小因调整位置使球型柱870与气浮分离，导致测试无法进行的风险。
58.本技术的另一个方面提供一种气浮刚度测试设备，包括本技术实施例所提供的气浮刚度加载装置800；所述气浮刚度测试设备还包括龙门架500、加载气缸600、传感器安装座300、力传感器700和位移传感器200，所述加载气缸600安装于所述龙门架500，所述气浮刚度加载装置800位于所述加载气缸600的下方，所述力传感器700安装在所述加载气缸600的作用力输出端，所述力传感器700与所述第一加载座810固定连接，所述位移传感器200安装于所述传感器安装座300，所述位移传感器200用于获取所述气浮刚度加载装置800在竖直方向上的位移参数。
59.本技术实施例所提供的气浮刚度测试设备，采用了本技术实施例所提供的气浮刚度加载装置800，在使用时，使第二方向为竖直方向，并使所述第一加载座810、第一加载杆820和所述加载组件从上到下依次排列，使所述力传感器700与所述第一加载座810固定连接，加载组件与待测气浮900接触，由于所述第一加载杆820与所述第一加载座810枢接，且所述加载组件能够在第二方向上相对所述第一加载座810移动，在加载设备的出力端输出作用力时，在加载组件适应待测气浮900表面的过程中带动第一加载杆820一同相对第一加载座810在第二方向上摆动，进而改善加载设备的出力端的偏置问题。
60.可选地，本技术实施例所提供的气浮刚度测试设备，还包括平台400和至少两个柔性限位件100，所述柔性限位件100、所述龙门架500和所述传感器安装座300均安装于所述平台400的顶面，各所述柔性限位件100之间限定待测气浮900的放置范围。通过柔性限位件100对待测气浮900的放置范围的限定，进一步提高了测试结果的准确性。柔性限位件100的个数优选为两个，当然，也可以为四个或六个等数量。本技术实施例中，平台400和龙门架500优选为大理石材质。
61.基于前述的各个实施例，本技术还提供一种气浮刚度测试方法，应用前述提及的所述气浮刚度测试设备实现，参见图3，所述气浮刚度测试方法具体包含有如下内容：
62.步骤10：向所述待测气浮和所述加载气缸分别内分别通入气体直至所述气浮刚度加载装置与所述待测气浮接触，停止向所述待测气浮内通入气体，并将所述位移传感器的示数归零。
63.步骤20：再次向所述待测气浮内通入气体，并获取所述位移传感器采集的位移数
据以作为所述待测气浮当前的气膜厚度。
64.步骤30：连续多次改变所述加载气缸的压力以改变所述待测气浮每次所受的负载力，并基于所述力传感器每次采集的所述待测气浮所受的负载力和所述位移传感器采集的气膜厚度，生成所述负载力与所述气膜厚度之间的关系数据。
65.步骤40：基于所述负载力与所述气膜厚度之间的关系数据确定所述待测气浮的刚度测量结果。
66.具体来说，待测气浮与气缸均通入气体，调整气缸压力，使自适应式加载机构的球型柱与待测气浮的圆锥孔接触。然后断开待测气浮的高压气体供应，将位移传感器置零；再次给待测气浮通气，读取此时位移传感器读数，即为气膜厚度；通过改变气缸的压力来增加气浮所受的负载力，此过程中加载机构会根据力作用点和质心的位置自适应调整，保证加载力垂直于待测气浮上表面；基于所述负载力与所述气膜厚度之间的关系数据确定所述待测气浮的刚度测量结果。
67.在上述气浮刚度测试方法的一个举例中，所述负载力与所述气膜厚度之间的关系数据包括：所述负载力与所述气膜厚度之间的关系曲线；所述步骤40具体包含有如下内容：
68.步骤41：对所述负载力与所述气膜厚度之间的关系曲线进行一阶求导，得到所述待测气浮的刚度与所述气膜厚度之间的关系曲线。
69.步骤42：将所述待测气浮的刚度与所述气膜厚度之间的关系曲线确定为所述待测气浮的刚度测量结果。
70.具体来说，通过改变气缸内的压力来改变待测气浮所受的负载力，通过位移传感器和力传感器读数可以得到此时负载力和气膜厚度之间的关系数据，
71.基于上述内容，为了进一步说明本方案，本技术还提供一种气浮刚度测试方法的完整应用实例，具体包含有如下内容：
72.步骤一、将加载气缸固定到大理石横梁上，连接自适应式加载机构与气缸底部力传感器，保证两者中心轴线重合；放置待测气浮到大理石平台上的由限位机构所确定的区域内；待测气浮与气缸均通入气体，调整气缸压力，使自适应式加载机构的球型柱与待测气浮的圆锥孔接触；
73.步骤二、断开待测气浮的高压气体供应，将位移传感器置零；再次给待测气浮通气，读取此时位移传感器读数h，即为气膜厚度；通过改变气缸的压力来增加气浮所受的负载力，此过程中加载机构会根据力作用点和质心的位置自适应调整，保证加载力垂直于待测气浮上表面；
74.步骤三、测量气浮刚度，通过改变气缸内的压力来改变待测气浮所受的负载力，通过位移传感器和力传感器读数可以得到此时负载力和气膜厚度之间的关系曲线图，并且通过电脑对拟合的负载力和气膜厚度关系曲线进行一阶求导，即可得到待测气浮的刚度与气膜厚度的关系曲线。
75.步骤四、先断开气缸端的供气，让气缸恢复原位；再断开气浮的供气，完成测试。
76.所述的h在3～25微米中取值，步进值为1微米。
77.所述的限位机构为大理石平台的柔性限位机构、防止气浮在加载下发生横向移动等情况。
78.所述的自适应式加载机构的传动机构由加载杆与销连接组成，连接处一侧销孔使
用过盈配合，使销与该侧加载杆无相对位移，另一侧销孔使用大间隙配合，可实现该侧加载杆可以绕销中心线进行旋转，3处及3处以上(奇数)此种连接即可形成自适应式加载机构的传动机构；
79.所述的加载机构(气浮刚度加载装置)端采用球型柱，底部被测试的气浮有圆锥孔，球型柱和圆锥孔接触为圆环线接触。
80.通过位移传感器和力传感器读数可以得到此时负载力和气膜厚度之间的关系曲线图，并且通过电脑对拟合的负载力和气膜厚度关系曲线进行一阶求导，即可得到待测气浮的刚度与气膜厚度的关系曲线。
81.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。