測(cè)量用空氣主軸高精度加載系統(tǒng)

胡英貝，韓濤，楊晨，閆偉，張辛

(洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

砝碼加載通過(guò)其自身重量構(gòu)成精密加載器件，一般運(yùn)用于天平秤或?qū)d荷系統(tǒng)的校準(zhǔn)，雖然加載精度可以精確控制，但加載方向只能向下，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)變載，而且自身無(wú)法施加較大的載荷。另外，砝碼的加載精度會(huì)隨著加載質(zhì)量的增大而降低，具有很大的局限性。

氣缸加載與液壓缸加載結(jié)構(gòu)類似，均通過(guò)改變介質(zhì)壓強(qiáng)實(shí)現(xiàn)加載，一般應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、載荷輸出及動(dòng)力轉(zhuǎn)換等場(chǎng)合。兩者均可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)加載，且加載方向靈活、加載能力較強(qiáng)，但因其結(jié)構(gòu)中的活塞和缸壁間存在密封件，使二者存在一定的摩擦力，影響加載精度，而且氣缸和液壓缸不可隨被測(cè)件旋轉(zhuǎn)，應(yīng)用范圍受限。

為滿足精度達(dá)到微米級(jí)或更高要求的連續(xù)測(cè)量，設(shè)計(jì)了一種空氣主軸高精度加載系統(tǒng)，并對(duì)其設(shè)計(jì)過(guò)程及徑向承載和加載精度進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 技術(shù)指標(biāo)

軸向加載范圍：1～400 N。

加載精度：±0.2%Fa，F(xiàn)a為軸向加載實(shí)時(shí)載荷。

徑向承載：60 N。

主軸轉(zhuǎn)速：10～30 r/min。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，空氣主軸加載系統(tǒng)主要由徑向空氣主軸、加載氣缸、動(dòng)作氣缸、動(dòng)作氣缸限位裝置及壓力傳感器等5部分組成，使用時(shí)為立式放置。

1—基準(zhǔn)頂板；2—底座；3—主軸轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)；4—空氣主軸；5—主軸上蓋板；6—空氣軸套；7—外鋼套；8—加載缸體； 9—壓力傳感器；10—壓力傳感器接頭；11—加載氣缸蓋；12—限位調(diào)整手輪；13—限位鎖緊手輪； 14—?jiǎng)幼鳉飧咨w；15—?jiǎng)幼鳉飧祝?6—?jiǎng)幼鳉飧纵S；17—主向拖動(dòng)架

加載系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為一個(gè)空氣軸承結(jié)構(gòu)，供氣孔直徑越小軸承剛度越大[1]。軸承承載力通常隨著供氣孔個(gè)數(shù)的增加而增大，以空氣軸套徑向中線為基準(zhǔn)，上下每間隔一段距離分為若干節(jié)圓，每個(gè)節(jié)圓均布設(shè)置節(jié)流孔。主軸氣浮部分充當(dāng)氣缸導(dǎo)向桿及活塞體，空氣軸套充當(dāng)氣缸體，通入壓縮空氣使空氣主軸與空氣軸套之間形成剛性氣膜，氣膜支承空氣主軸在空氣軸套內(nèi),消除了兩者間的摩擦力，使空氣主軸可以進(jìn)行高精度旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由靜壓氣體軸承徑向靜態(tài)承載力近似計(jì)算式求得軸承承載力為[1]

W=CiLD(Ps-Pa)，

(1)

式中：Ci為承載系數(shù)；L為氣浮部分長(zhǎng)度；D為徑向軸承內(nèi)徑；Ps為進(jìn)氣壓力;Pa為噴嘴出口壓力。

如圖2所示，空氣主軸分為3部分，其中活塞部分充當(dāng)氣缸活塞，氣浮部分充當(dāng)無(wú)摩擦的引導(dǎo)活塞桿，使用部分用來(lái)連接加載端附件。

圖2 空氣主軸結(jié)構(gòu)示意圖

空氣主軸利用活塞部分形成加載端，向加載氣缸通入一定壓力的壓縮氣體，通過(guò)精密調(diào)壓閥調(diào)節(jié)供給加載氣缸的壓力，實(shí)現(xiàn)連續(xù)變化的軸向載荷，利用壓力傳感器測(cè)量加載氣缸腔體中的壓力，根據(jù)壓力與氣缸活塞的面積換算出氣缸輸出力，再減去空氣主軸的自重，即可得到精確的輸出軸向載荷，即

F=PS-G1,

(2)

式中：F為施加到軸承上的載荷；P為壓力傳感器測(cè)值；S為汽缸活塞面積；G1為導(dǎo)向主軸的重力。

為保證空氣主軸加載系統(tǒng)加載的平穩(wěn)性，特別在空氣主軸下端設(shè)計(jì)了動(dòng)作氣缸及限位裝置。通過(guò)主向拖動(dòng)架連接，加載時(shí)動(dòng)作氣缸先動(dòng)作，將空氣主軸和被加載組件預(yù)啟動(dòng)，通過(guò)限位裝置將被加載組件頂至距離基準(zhǔn)面一定位移的位置，縮小空氣主軸加載過(guò)程中的行程，避免加載過(guò)程中因行程過(guò)大造成沖擊。此時(shí)再通過(guò)加載氣缸進(jìn)行加載，脫離限位裝置可使動(dòng)作氣缸和空氣主軸相互脫離，從而保證軸向載荷的準(zhǔn)確性和整個(gè)加載過(guò)程平穩(wěn)無(wú)沖擊。

3 試驗(yàn)分析

3.1 徑向靜態(tài)承載試驗(yàn)

徑向靜態(tài)承載方式如圖3所示，將空氣主軸水平放置在2個(gè)剛性支撐面上，利用水平儀調(diào)整兩端高度，確保放置后外鋼套上方為水平并通入壓縮空氣，將空氣主軸和空氣軸套分別連接萬(wàn)用表表筆并將萬(wàn)用表置于通斷檔，加載后通過(guò)觀察萬(wàn)用表的通斷判斷軸承是否正常浮起。在外軸套中線部位連接一根懸掛砝碼的鋼絲，通過(guò)逐漸增加砝碼數(shù)量驗(yàn)證空氣主軸徑向承載能力[2]。

1—砝碼；2—支承點(diǎn)；3—空氣主軸；4—空氣軸套；5—外鋼套；6—萬(wàn)用表

將Ci=0.25[3]，Ps=0.5 MPa，Pa=0.1 MPa；L=180 mm，D=50 mm[4-5]代入(1)式計(jì)算得軸承理論徑向承載力為90 N，大于設(shè)計(jì)的60 N要求。實(shí)際測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 空氣主軸徑向承載能力試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表可知，在掛上5 kg砝碼時(shí)萬(wàn)用表通斷檔為通，表明此時(shí)空氣主軸與主軸鋼套相接觸，壓縮氣膜已無(wú)法支承主軸所受的徑向載荷。在4.5 kg時(shí)空氣主軸仍保持浮起狀態(tài)，而空氣主軸自身質(zhì)量為3.8 kg，所以可以判斷軸承徑向承載力不小于80 N，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。徑向載荷產(chǎn)生誤差的原因可能是零件加工誤差，如節(jié)流孔徑及節(jié)流孔的布局等。

3.2 軸向動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)

軸向動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)如圖4所示。空氣主軸立式放置，將經(jīng)標(biāo)定的S型測(cè)力傳感器放置在空氣主軸頂端，啟動(dòng)空氣主軸上升鍵，通過(guò)精密調(diào)壓閥控制通向加載氣缸內(nèi)的氣壓改變空氣主軸的軸向載荷，壓力傳感器顯示加載氣缸的加載值，測(cè)力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣主軸軸端輸出的載荷值，通過(guò)壓力傳感器和測(cè)力傳感器相互之間的比較，驗(yàn)證空氣主軸加載系統(tǒng)的精確性[4]。

圖4 軸向加載載荷及精度測(cè)試圖

試驗(yàn)采用中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院提供的BK-2FD型測(cè)力傳感器，滿量程500N；輸出靈敏度1.5～2.0 mV/V；精度等級(jí)±0.05%FS，測(cè)力傳感器的精度等級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于壓力傳感器的精度等級(jí)，從而保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。軸向動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 軸向加載載荷及實(shí)測(cè)值的對(duì)比 N

由表可知，空氣主軸加載系統(tǒng)可以達(dá)到400 N的軸向加載載荷，此時(shí)的精度可達(dá)0.125%，而且滿量程內(nèi)最大誤差均達(dá)到預(yù)期要求。另外，5～95 N時(shí)加載值與實(shí)測(cè)值完全相同，說(shuō)明此時(shí)供氣量遠(yuǎn)大于泄氣量。之后加載值與實(shí)測(cè)值相差逐漸增大可能是由于零件加工誤差的原因?？諝庵鬏S與氣缸之間的結(jié)構(gòu)為間隙配合，供氣量的增加同時(shí)泄氣量也在加大，導(dǎo)致95 N后加載值與實(shí)測(cè)值相差逐漸增大。

3.3 空氣主軸旋轉(zhuǎn)精度驗(yàn)證

空氣主軸徑向旋轉(zhuǎn)精度測(cè)試方式如圖5所示，將空氣主軸水平放置并通入壓縮氣體，在空氣主軸軸端放置千分表，旋轉(zhuǎn)空氣主軸，即可通過(guò)千分表來(lái)驗(yàn)證空氣主軸的旋轉(zhuǎn)精度[4]。

1—空氣主軸；2—空氣軸套；3—外鋼套；4—千分表

使用的千分表分辨力為1 μm，測(cè)試過(guò)程中千分表表針均在1個(gè)刻度，未發(fā)現(xiàn)明顯跳動(dòng)，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3(數(shù)據(jù)為估讀值)。由表可知，空氣主軸在運(yùn)行中自身具有較高的旋轉(zhuǎn)精度。

表3 空氣主軸旋轉(zhuǎn)精度驗(yàn)證數(shù)據(jù) μm

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的空氣主軸加載系統(tǒng)可以提供較高的加載能力，而且具有高旋轉(zhuǎn)精度和加載精度，可無(wú)級(jí)加載。試驗(yàn)表明，空氣主軸加載系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，完全可以滿足儀器的使用要求?？諝庵鬏S加載系統(tǒng)可應(yīng)用于軸承凸出量檢測(cè)、軸系載荷檢測(cè)、軸承軸系軸向剛度測(cè)試等，具有良好的實(shí)用性和推廣性。