专利名称：能自主测量主轴受力的气浮主轴及测量方法
技术领域：
本发明涉及主轴结构及主轴受力的测量方法，更具体地说是一种气浮主轴及气浮主轴受 力的测量方法。
背景技术：
以气体轴承做支承的主轴系统称为气浮主轴，广泛用于精密制造等领域。在精密切削加 工中，往往需要对刀具的磨损和破损情况进行监测，所采用的方法大多是通过测量切削力的 变化情况判断刀具的磨损和破损。但现有的气浮主轴只能用于承受载荷，而不能自主测量主 轴上所受载荷的大小或主轴的位移量，因此，目前的方式是另外设置一套测量装置，用于对 切削力的变化进行监测，这种方式显然增加了系统的复杂程度。发明内容本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种能自主测量主轴受力的气浮 主轴，增加气浮主轴的自主测量功能。本发明同时提供一种简单而行之有效的自主测量气浮主轴受力的方法。 本发明解决技术问题采用如下技术方案本发明能自主测量主轴受力的气浮主轴，是以主轴为浮动体，以主轴气浮系统中通过节 流元件输出的气流为主轴全浮支撑体，在节流元件的出口与主轴支承面之间形成承压腔，结 构特点是设置气体压力或气体流量测量机构，所述气体压力测量机构是以承压腔的气体压力 或节流元件的背压为检测信号；气体流量测量机构是以承压腔或节流元件中气流流动速度或 流量为检测信号。本发明气浮主轴的结构特点也在于在主轴的一端设置主轴轴环，主轴气浮系统包括在主 轴的圆周面上设置径向气浮承载单元，在主轴轴环的两侧设置轴向气浮承载单元。本发明自主测量气浮主轴受力的方法的特点是测量主轴气浮系统中的气体压力或气体 流量各气流参数，气体压力或气体流量各气流参数与作用于主轴上的被测外力以及在所述外 力作用下的主轴的位移量一一对应，其对应关系通过实验标定的方法确定。与已有技术相比，本发明的有益效果体现在本发明气浮主轴对载荷的自主测量有着十分广泛的应用前景。包括可以对气体轴承自 身的运转情况进行实时监测，及时发现故障和隐患；在精密切削加工领域，实时测量切削力 的变化，对刀具工况进行监测，为提高加工精度提供保障。
图1为本发明测量原理示意图。图2为本发明气浮主轴测量原理示意图。图3为本发明气浮主轴应用在车床中结构示意图。图4本发明受力分析示意图。图中标号l承压腔、2浮动体、3节流元件、4背压腔、5气流通道、6主轴、7径向 气浮承载单元、8轴向气浮承载单元、9皮带轮、IO主轴箱、ll夹具、12工件、13车刀、 14主轴轴环。以下通过具体实施方式
，结合附图对本发明作进一步说明。
具体实施方式
参见图l，以主轴为浮动体2，以主轴气浮系统中通过节流元件3输出的气流为主轴全 浮支撑体，在节流元件3的出口与主轴2的支承面之间形成承压腔1，设置气体压力或气体 流量测量机构，以气体压力测量机构检测承压腔1的气体压力或检测节流元件3的背压腔4 的压力；气体流量测量机构用于检测承压腔1或节流元件3中气流的流动速度或流量。当作用在浮动体2上的外力改变时，会引起气流通道5中的气流压力、流量和流速的变 化。因此，通过测量气路中特定部位的气体压力、流量或流速，可知作用在浮动体2上的外 力大小。具体实施中，浮动体2上的所受外力与被测的各气流参量之间的关系可以通过实验 标定的方法确定。参见图2，具体实施中，主轴6分别具有径向气浮承载单元7和轴向气浮承载单元8， 各气浮承载单元将主轴6支承呈完全浮起的状态。参见图3，应用在车床中的气浮主轴6是设置在主轴箱10内，主轴伸出主轴箱的一端 安装有皮带轮9，另一端安装夹具ll，作为气浮支承机构，在气浮主轴6的支承面分别设置 径向气浮承载单元7和轴向气浮承载单元8，工件12安装在夹具11中，由车刀13形成对 工件12的切削。图3中， 一组径向气浮承载单元7分别布置在I截面和II截面，两组轴向气浮承载单元 8对称布置在主轴轴环14的两侧。受力计算方法如下图4是主轴受力简图，以I截面和主轴轴线的交点为原点建立空间坐标系，I截面和II 截面上的径向力可以通过各自截面上的径向气浮承载单元测出，设其在XOZ平面和YOZ平 面上的分力分别为Fw、 Fir、 F^、 F2y ，车刀作用在工件上的径向力在XOZ平面和YOZ平面上的未知分力分别为F^、 F3y， i截面和n截面之间的距离丄,由轴承结构确定，为已知量，设车刀径向力与主轴轴线交点到11截面的距离为丄2，丄2为未知量，则可用下式计算车刀作用在工件上的径向力F^ 、 i^和作用力的位置A 。巧y 二尸2y —丄2 (尸2% -尸1% ) = A尸1X各个轴向气浮承载单元8产生的浮力的合力与车刀产生的轴向力是一对平衡力，所以车 刀产生的轴向力与各个轴向气浮承载单元8产生的浮力的合力大小相等方向相反。根据力的大小和变化情况，可以对气体轴承自身的运转情况进行实时监测，及时发现故 障和隐患，对刀具工况进行监测。例如，空运转时轴承上测出的力过大或波动较大，可能是 轴承出了故障；加工时轴承上测出的力持续过大可能是刀具磨损了，轴承上测出的力突然波 动较大，可能是刀具破损了。监测到问题后，应立即处理。
权利要求
1、一种能自主测量主轴受力的气浮主轴，以主轴(6)为浮动体(2)，以主轴气浮系统中通过节流元件(3)输出的气流为主轴全浮支撑体，在节流元件(3)的出口与主轴支承面之间形成承压腔(1)，其特征是设置气体压力或气体流量测量机构，所述气体压力测量机构是以承压腔(1)的气体压力或节流元件(3)的背压为检测信号；所述气体流量测量机构是以承压腔(1)或节流元件(3)中气流流动速度或流量为检测信号。
2、 根据权利要求l所述的能自主测量主轴受力的气浮主轴，其特征是在所述主轴(6) 的一端设置主轴轴环(14)，所述主轴气浮系统包括在主轴(6)的圆周面上设置径向气浮承 载单元(7)，在主轴轴环(14)的两侧设置轴向气浮承载单元(8)。
3、 自主测量气浮主轴受力的方法，其特征是测量主轴气浮系统中的气体压力或气体流 量各气流参数，所述气体压力或气体流量各气流参数与作用于主轴上的被测外力以及在所述 外力作用下的主轴的位移量一一对应，其对应关系通过实验标定的方法确定。
全文摘要
能自主测量主轴受力的气浮主轴及测量方法，以主轴为浮动体，以主轴气浮系统中通过节流元件输出的气流为主轴全浮支撑体，在节流元件的出口与主轴支承面之间形成承压腔，其特征是设置气体压力或气体流量测量机构，气体压力测量是以承压腔的气体压力或节流元件的背压为检测信号；气体流量测量是以承压腔或节流元件中气流流动速度或流量为检测信号。本发明可用于对气体轴承自身的运转情况进行实时监测，及时发现故障和隐患；也可在精密切削加工中实时测量切削力的变化，对刀具工况进行监测，提高加工精度。
文档编号B23B19/02GK101249569SQ200810020469
公开日2008年8月27日 申请日期2008年3月7日 优先权日2008年3月7日
发明者斌 黄 申请人:合肥工业大学