超精密静压气浮主轴性能检测装置的研制

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超精密静压气浮主轴具有精度高、转速快、低摩擦、无磨损、低发热、无污染等优点,作为重要的转动支撑部件,广泛应用于高速切削、PCB钻孔、航空航天等领域。随着制造领域对精度要求的不断提高,超精密气浮主轴的性能显得愈发重要。然而,目前气浮主轴性能检测尚没有成熟完善的检测标准与方便实用的检测装置为气浮主轴的设计研发提供准确可靠的测试数据。因此,本文研制了超精密静压气浮主轴性能检测装置实现对主轴振动、噪声、轴端跳动、承载能力、刚度和温升等的性能检测,为进一步提高气浮主轴理论研究和性能测试提供基本测试平台。论文的主要内容和研究成果如下:(1)在分析了国内外超精密静压气浮主轴性能检测方法和技术发展现状的基础上,提出了超精密静压气浮主轴性能检测的技术方案:采用空气压缩机、水冷机、干燥机、变频器等驱动静压气浮主轴运转,利用非接触电磁加载方式对主轴施加测试载荷,力、位移、振动、温度等传感器获取相应的实验参数,通过数据采集与控制系统实现数据采集与处理。(2)检测装置整体结构为:气浮自平衡隔振台,上安装单轴滚珠丝杠升降台、步进电机、限位开关和抱夹装置,将待测主轴安装抱夹并升降锁紧。T型槽隔振台上安装三轴升降台及其驱动锁紧装置,三维测力计、激光位移传感器、加速度传感器、红外测温仪等测试传感器,分别用于非接触加载装置的位姿调整和待测主轴的承载力、位移、振动、温度等参数测量。(3)基于电磁铁加载力稳定且可控可调等优点,提出了电磁非接触加载方案,通过电磁力理论计算和性能仿真,设计了满足实验要求的电磁铁。考虑到静压气浮主轴转速高、刚度小和无抱死防护等特点,为了获得电磁加载力与励磁电流、加载距离、加载盘直径、主轴转速等的关系,采用伺服电机驱动测试轴和加载盘进行了加载实验。结果表明:Maxwell电磁仿真和实验均验证了理论计算的正确性,电磁加载力可达130N,能够满足加载需求,且电磁加载力随着励磁安匝数和加载盘直径的增大而增大,随着气隙和转速的增大而减小。(4)采用NI四通道通用数据采集卡和三通道声音振动采集卡搭建虚拟硬件数据采集平台,基于LabVIEW软件编制了检测装置的常规性能、振动、噪声和刚度四个测试子程序并将其进行了软件集成。结果表明:数据采集程序能够将采集到的各项数据进行集成与处理,方便了主轴性能检测实验的开展。(5)基于所搭建的非接触电磁加载实验装置对主轴进行了振动及噪声、轴端跳动、刚度和温升实验,实验表明检测装置能够方便和准确地进行主轴模拟加工工况下的非接触加载测试。通过本文的研究,提出了一种超精密静压气浮主轴性能检测装置,设计并搭建了主轴非接触电磁加载实验装置,研究了电磁加载力与励磁电流、加载距离、加载盘直径、主轴转速之间的关系,进行了主轴振动及噪声、轴端跳动、刚度和温升实验。研究表明,所提出的主轴非接触电磁加载实验装置能够满足预期的加载要求,为超精密静压气浮主轴的非接触加载测试提供了参考。
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