喷涂机器人用动静压气体轴承性能检测装置及方法

1.本发明属于气体轴承领域，具体涉及喷涂机器人用动静压气体轴承性能检测装置及方法。


背景技术：

2.气体轴承广泛应用于高速机械、精密机床、电子加工等领域，但由于气体轴承的转子处于气膜支撑的悬浮状态，承载力较低、刚性差，载荷大时容易出现转子碰磨现象。因此研究气体轴承的动静态刚度对于进一步提高气体轴承的性能至关重要。
3.对于喷涂机器人来说，所使用的气体轴承为动静压气体轴承，主要用于喷涂机器人雾化器内，由于喷涂机器人雾化器结构设计的特殊性，不仅轴承的类型为动静压气体轴承，而且轴承的配合设计和安装方式也不同于常规机器设备中气体轴承配合和安装的设计，其运动不稳定，很容易将造成轴承磨损的非常规性，从而加剧轴承的磨损。
4.气体轴承的性能测试装备一般不具有通用性，故一般气体轴承试验机不能用来评价喷涂机器人用动静压气体轴承的动静态刚度性能。并且，对于动静压气体轴承，其涡轮轴在旋转时处于悬浮状态，如何在其转动的过程中向其施加压力，并实时检测位移量变化，成为动静态气体轴承动态刚度检测所必须要解决的技术难题。因此，需要研究一种专门应用于喷涂机器人用动静压气体轴承的性能测试装置，以检测动静压气体轴承的动态刚度和静态刚度。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供喷涂机器人用动静压气体轴承性能检测装置及方法，以实现喷涂机器人用动静压气体轴承的静态刚度和动态刚度的检测。
6.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：喷涂机器人用动静压气体轴承性能检测装置，用于检测喷涂机器人用动静压气体轴承的动静态刚度，该检测装置包括供气系统和试验主体，试验主体包括轴承壳体、安装轴承壳体的安装立板、压力加载装置和位移传感器，气体轴承安装在轴承壳体内，供气系统通过轴承壳体为气体轴承供气，气体轴承内设有一端伸出轴承的涡轮轴；在安装立板的前方设有与之平行的导轨支架，导轨支架开设有竖向导轨槽，滚动轴承通过滑块滑动设置在竖向导轨槽内，滚动轴承的内圈与穿过安装立板的涡轮轴连接，导轨支架顶端还设有与所述竖向导轨槽连通的加载孔，所述的压力加载装置安装在加载孔内，且加载装置通过压力传感器与所述的滚动轴承的外圈接触，所述位移传感器设置在所述的滚动轴承的下方，并与滚动轴承的外圈接触。
7.所述的位移传感器安装在位移传感器支架上，位移传感器支架固定在所述的竖向导轨槽内。
8.所述安装立板和导轨支架均竖直固定在底座上。
9.所述气动轴承和轴承壳体的尾部设有连通的安装孔，以安装光纤传感器。
10.所述光纤传感器设置在光纤传感器安装套内，光纤传感器安装套固定在所述轴承
壳体上。
11.所述的试验主体设置在轴承试验机的试验台上，试验台为一封闭空间。
12.所述轴承试验机上设有数据采集卡和计算机，所述位移传感器和光纤传感器均与数据采集卡连接，以向数据采集卡传递数据。
13.所述的供气系统包括顺次连接的空气压缩机、储气罐、空气冷干机和分流阀，压缩空气经分流阀被分为三路，分别为悬浮气体、驱动气体和制动气体。
14.喷涂机器人用动静压气体轴承性能检测方法，该方法利用所述的检测装置进行，包括：（1）气体轴承静态刚度测试，由供气系统向气体轴承提供悬浮气体，使得涡轮轴处于悬浮状态，然后通过压力加载装置向滚动轴承的外圈施加竖直向下的压力，并记录此时位移传感器的位移值，重复多次后，根据位移变化量和加载压力变化量的关系计算得出气体轴承的静态刚度；（2）气体轴承动态刚度测试，由供气系统向气体轴承提供悬浮气体，使得涡轮轴处于悬浮状态，然后再向气体轴承提供驱动气体，驱动涡轮轴旋转，涡轮轴带动滚动轴承的内圈同步旋转，转速稳定后，通过压力加载装置向滚动轴承的外圈施加竖直向下的压力，并记录此时位移传感器的位移值，重复多次后，根据位移变化量和加载压力变化量的关系计算得出气体轴承的动态刚度。
15.本发明的原理是：本发明对气体轴承静态刚度和动态刚度的检测都是基于刚度的计算来设计的。也就是：刚度=承载力的变化量/位移的变化量。
16.例如：对于动态刚度的检测，涡轮轴安装在滚动轴承的内圈，滚动轴承的外圈只能沿竖向导轨槽滑动，而不能转动，也不能向其他方向移动，涡轮轴旋转后，带动滚动轴承内圈同步旋转，这时向滚动轴承施加向下的压力，使得滚动轴承向下移动一定的位移，从而带动涡轮轴在该方向也产生位移，再根据压力变化量和位移变化量的比值计算得出动静压气体轴承的动态刚度。
17.本发明的有益效果是：本发明结构设计合理，可以模拟喷涂机器人用动静压气体轴承的实际工况，能够实现动静压气体轴承的静态刚度和动态刚度的测试，为寻找影响喷涂机器人及相关零件使用性能的关键因素提供帮助。
附图说明
18.图1为本发明所述轴承试验机整体结构示意图；图2为本发明轴承试验机控制面板的结构示意图；图3为本发明所述轴承试验机的系统原理图；图4为本发明检测装置中试验主体的结构爆炸图；图5为本发明检测装置中试验主体的主视图；图6为本发明检测装置中试验主体的左视图；图7为本发明检测装置中试验主体的右视图；图8为本发明检测装置中试验主体的俯视图；图中标记：1、控制面板，2、检测装置，3、试验台，4、电气安装箱；101、急停按钮；102、急停指示灯；103、电源指示灯；104、悬浮气体气阀按钮；105、驱动气体气阀按钮；106、制动气体气阀按钮；107、悬浮气体压力表；108、驱动气体压力表；109、制动气体压力表；110、悬浮气体调压旋钮；111、驱动气体调压旋钮；112、制动气体调压
旋钮；113、安装螺钉；114、空气压缩机；115、储气罐；116、空气冷干机；117、分流阀；118、悬浮气体压力阀；119、制动气体压力阀；120、驱动气体压力阀；121、数据采集卡；122、计算机；201、光纤传感器；202、光纤传感器安装套；203、轴承壳体；204、气体轴承；205、安装立板；206、导轨支架；207、压力加载装置；208、滚动轴承；209、位移传感器安装支架；210、位移传感器；211、螺栓；212、底座；213、压力传感器；214、涡轮轴；215、悬浮气体入口；216、制动气体入口；217、驱动气体入口。
具体实施方式
19.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
20.实施例1：参照附图1所示，喷涂机器人用动静压气体轴承性能检测装置，该检测装置2安装在轴承试验机的试验台3上，所述的试验台3为轴承试验机上的一个独立的空间，在试验台3的门盖上设置有便于观察试验过程的透明的观察窗，该独立的空间还可以减少外部环境对试验的干扰，确保检测结果的准确度；轴承试验机上还设有控制面板1和安装电气元件等设备的电气安装箱4，电气安装箱4内的设备为所述的检测装置2的运行提供保障，通过控制面板4的开关可以控制试验的进程。
21.如图2所示，所述的控制面板1的上排设有急停按钮101、急停指示灯102、电源指示灯103、悬浮气体气阀按钮104、驱动气体气阀按钮105和制动气体气阀按钮106；控制面板的中排设有悬浮气体压力表107、驱动气体压力表108和制动气体压力表109；控制面板的下排设有悬浮气体调压旋钮110、驱动气体调压旋钮111和制动气体调压旋钮112；控制面板通过安装螺钉113固定在轴承试验机上。
22.悬浮气体气阀按钮104、驱动气体气阀按钮105和制动气体气阀按钮106打开后可以分别向气体轴承内通入悬浮气体、驱动气体和制动气体。通过悬浮气体调压旋钮110、驱动气体调压旋钮111和制动气体调压旋钮112可以分别调整悬浮气体、驱动气体和制动气体的压力。
23.本发明所述的轴承试验机的工作原理如图3所示，由空气压缩机114、储气罐115、空气干冷机116、分流阀117、悬浮气体压力阀118、制动气体压力阀119、驱动气体压力阀120组成本发明所述检测装置的供气系统，为试验主体的气体轴承提供悬浮气体、驱动气体和制动气体；空气压缩机114将空气压缩到储气罐115中，储气罐115内的压缩空气经空气干冷机116后被分流阀117分成三路，分别由悬浮气体压力阀118、制动气体压力阀119、驱动气体压力阀120控制，当某个压力阀打开后，气体就经此进入气体轴承，实现对应的功能，包括涡轮轴的悬浮、旋转和制动。
24.本发明所述的检测装置2中的试验主体的具体结构如图4-8所示，包括光纤传感器201、光纤传感器安装套202、轴承壳体203、气体轴承204、安装立板205、导轨支架206、压力加载装置207、滚动轴承208、位移传感器安装支架209、位移传感器210、螺栓211、底座212和压力传感器213。
25.所述的气体轴承204为待检测的安装在喷涂机器人雾化器上的动静压气体轴承，气体轴承204安装在轴承壳体203内，气体轴承204内装配有涡轮轴214，涡轮轴214的前端从气体轴承204及轴承壳体203的前端面伸出，气体轴承204表面设有悬浮气体进气口、驱动气
体进气口和制动气体进气口，相应的，在轴承壳体203上也设有与其分别连通的进气口，包括悬浮气体入口215、驱动气体入口217和制动气体入口216，悬浮气体入口215和制动气体入口216设置在轴承壳体203的后端面，分别与气体轴承204的悬浮气体进气口和制动气体进气口连通，驱动气体入口设置在轴承壳体203的侧面，供气系统的各个气体管路分别通过悬浮气体入口215、驱动气体入口217和制动气体入口216向气体轴承204供气。气体轴承204上各个进气孔的布置、相应气道的设置以及对涡轮轴214悬浮、驱动和制动均为本领域的现有技术，不在本发明的技术改进范围之内，故在此只做以上简略说明。
26.所述的轴承壳体203通过螺钉安装固定在安装立板205上，安装立板205上设有供涡轮轴214穿过的通孔，且通孔不影响涡轮轴214的旋转和径向的移动，安装立板205底部通过螺栓垂直固定在底座212上。所述底座212上设有两条定位槽，安装立板205底部设有两个与定位槽对应的螺栓孔，安装立板205可以沿定位槽滑动，并由螺栓211紧固。
27.在安装立板205的前方还设有一个与安装立板205平行的导轨支架206，导轨支架206为板状，底部通过螺栓211固定在所述的底座212上，且固定的方式与安装立板205的固定方式相同，可以通过滑动调整安装立板205和导轨支架206的间距，以适应不同尺寸的气体轴承。在导轨支架206的中心设有垂直于底座212的竖向导轨槽，竖向导轨槽内滑动设置安装有滚动轴承208的滑块，所述滑块滑动设置在输送导轨槽的两侧，滚动轴承208的外圈与滑块固定连接，滚动轴承外圈的顶部和底部分别从所述滑块上下两端的开槽中露出，所述气体轴承204的涡轮轴214的轴头与滚动轴承208的内圈配合连接。由于此类气体轴承204的涡轮轴214的轴头设置有外螺纹，因此为了与之匹配，在滚动轴承208的内圈加工有内螺纹，以实现涡轮轴214和滚动轴承208的装配，在涡轮轴214旋转时，轴承内圈和涡轮轴214同步旋转，保持相对的静止。所述导轨支架206的顶部开设有与竖向导轨槽连通的加载孔，压力加载装置207安装在该加载孔内，且压力加载装置207的下端安装有压力传感器213，压力传感器213能够与滚动轴承208的外圈的顶面相接触。所述竖向导轨槽内还设有位移传感器210，位移传感器210装在一个位移传感器安装支架209上，位移传感器安装支架209固定在竖向导轨槽内，并位于滚动轴承208的下方，使得位移传感器210的测量端与滚动轴承208的底部相接触。
28.所述的气体轴承204的测速孔还安装有光纤传感器201，涡轮轴214位于气体轴承204内的部分安装有与光纤传感器201配合使用的反光片，以实现对涡轮轴214转速的检测。为了便于光纤传感器201的安装，将光纤传感器201装在一个光纤传感器安装套202内，再将光纤传感器安装套202固定在轴承壳体203的测速孔。
29.本发明所述的检测装置中的压力传感器213、位移传感器210和光纤传感器201分别与数据采集卡121连接，以上传检测数据，数据采集卡121与计算机122连接，将收集到的检测数据上传至计算机122。
30.实施例2：采用以上检测装置和轴承试验机对喷涂机器人用动静压气体轴承进行静态刚度和动态刚度的检测，包括如下步骤：步骤一，按照实施例1进行检测装置的安装，接通电源；步骤二，气体轴承静态刚度的检测，按下悬浮气体气阀按钮104，供气系统向气体轴承204提供悬浮气体，通过调节悬浮气体调压旋钮110，调整悬浮气压，使得涡轮轴214悬浮并保持稳定；然后通过压力加载装置207向滚动轴承208施加向下的压力，并记录此时的
压力值和相应的位移传感器210的位移值；重复几次压力加载和压力值以及位移值的记录；相关数值的记录可由对应传感器上传数据至数据采集卡121和计算机122来完成；最后计算机122显示测试过程中的实时数据及生成相关动态曲线，并完成数据记录、提取和处理，得到相应的刚度值，实验完成后可利用计算机122回放动态曲线；步骤三，气体轴承动态刚度的检测，在涡轮轴214悬浮状态下，按下驱动气体气阀按钮105，供气系统向气体轴承204提供驱动气体，控制涡轮轴214开始旋转，通过调节驱动气体调压旋钮111，调整涡轮轴214的转速至设计速度；然后通过压力加载装置207向滚动轴承208施加向下的压力，并记录此时的压力值和相应的位移传感器210的位移值；重复几次压力加载和压力值以及位移值的记录；相关数值的记录可由对应传感器上传数据至数据采集卡121和计算机122来完成；最后计算机122显示测试过程中的实时数据及生成相关动态曲线，并完成数据记录、提取和处理，得到相应的刚度值，实验完成后可利用计算机122回放动态曲线。
31.步骤四，动态刚度检测结束后，向气体轴承204通入制动气体，对涡轮轴214制动，最后依次关闭驱动气体气阀按钮105、制动气体气阀按钮106和悬浮气体气阀按钮104，将控制面板1上各个按钮恢复到初始位，关闭电源。
32.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。