[发明专利]一种气体静压轴承气膜压力矢量控制装置

说明书

一种气体静压轴承气膜压力矢量控制装置，其包括主轴、轴承，轴承装在主轴外部，两者之间的间隙区域形成气膜，轴承上均布节流孔；气室外套套装于轴承外，气室外套与轴承之间形成的封闭区域为气室，节流孔连通所述的气膜和气室；与节流孔相对的气室外套的壁面上穿设有流量控制阀，流量控制阀与节流孔同轴布置，流量控制阀的阀芯调节节流孔的开度；进气孔贯穿气室外套的壁面，外接进气管；无线压力传感器安装于开设在轴承内壁的凹槽内，其靠近主轴一侧的外形与轴承内壁面的形状一致，即无线压力传感器与气膜流场不发生干涉；流量控制阀与集线终端通过线束连接；所述控制装置与集线终端通过抗干扰总线连接。能够实现气体静压轴承气膜压力的矢量控制。

技术领域

本发明涉及小孔式节流类气体静压轴承领域，尤其涉及一种气体静压轴承气膜压力矢量控制装置。

背景技术

气体静压轴承具有高速度、高精密、低摩擦、耐高低温、少污染等优点，在超精密机床、精密仪器等许多高端装备领域有着广泛而重要的应用。气体静压轴承不同于其他类型轴承的一个重要结构特点就是采用了压力气膜作为轴承工作介质实现气体轴承功能。小孔式节流类的气体静压轴承是较为常用的一类气体静压轴承，结构相对简单。为了提高气体静压轴承的工作适应性，气膜压力的可控性尤为关键。但是，目前国内外关于气体静压轴承的气膜压力控制方法比较缺乏，而且现有的控制方法往往通过调节轴承外部因素来实现气膜压力控制，比如改变外部供气压力。由于气体静压轴承的外部载荷力的方向和大小都会因为工作环境的变化而变化，因此单一调节气膜压力大小难以实现气体静压轴承的最佳工作性能，且适应性和可靠性不足。因此，气体静压轴承的气膜压力在大小和方向上均能实现可控，即实现气膜压力的矢量控制，具有重要的意义和价值。

发明内容

为了弥补当前技术的不足，本发明提出了一种气体静压轴承气膜压力矢量控制装置，能够有效提高气体静压轴承的工作适应性和可靠性、系统整体承载力和刚度以及轴承运动精度和寿命。

本发明所述的一种气体静压轴承气膜压力矢量控制装置，其包括主轴、轴承，轴承装在主轴外部，两者之间的间隙区域形成气膜，特征在于：轴承上均布节流孔；气室外套套装于轴承外，气室外套与轴承之间形成的封闭区域为气室，节流孔连通所述的气膜和气室；与节流孔相对的气室外套的壁面上穿设有流量控制阀，流量控制阀与节流孔同轴布置，流量控制阀的阀芯调节节流孔的开度；进气孔贯穿气室外套的壁面，外接进气管；无线压力传感器安装于开设在轴承内壁的凹槽内，其靠近主轴一侧的外形与轴承内壁面的形状一致，即无线压力传感器与气膜流场不发生干涉；流量控制阀与集线终端通过线束连接；所述控制装置与集线终端通过抗干扰总线连接。

本发明的构思为：

在主轴工作时，高压气体通过进气孔穿过气室外套到达轴承外面的气室；气室内的气体通过节流孔到达主轴和轴承的间隙区域形成高压气膜，高压气膜支撑主轴进行旋转运动；无线压力传感器可以实时测量气膜压力场多个位置的压力大小，并通过无线通信将数据实时发送给控制装置，控制装置通过算法可以得到气膜压力场分布信息，并可以通过控制指令对流量控制阀进行控制；流量控制阀根据控制装置的控制指令，其阀芯沿主轴径向进行往复运动，从而调节节流孔的开度，进一步可控制节流孔的出口压力；每一个流量控制阀均可以实现独立控制，因此其所对应的每一个节流孔的出口压力也可以实现独立控制，最终可实现气膜压力的矢量控制。

当主轴开始工作时，所有节流控制阀均处于中位；当外部载荷作用于主轴时，气膜压力场分布会发生变化，此时，控制装置根据无线压力传感器测得的多点气膜压力大小信息，获得新的气膜压力场分布信息。控制装置进一步通过算法分析得到应对该外部载荷作用的最佳气膜压力场分布和相应的流量控制阀的最佳开度信息，由此产生对应的控制指令，去实现流量控制阀的最佳开度控制。本发明的有益效果在于：

(1)能够实现气体静压轴承气膜压力的矢量控制，提高气体静压轴承的工作适应性和可靠性；

(2)可以优化气体静压轴承气膜压力的分布，提高系统整体承载力和刚度；