測量用空氣主軸高精度加載系統

胡英貝，韓濤，楊晨，閆偉，張辛

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

砝碼加載通過其自身重量構成精密加載器件，一般運用于天平秤或對載荷系統的校準，雖然加載精度可以精確控制，但加載方向只能向下，不能實現連續變載，而且自身無法施加較大的載荷。另外，砝碼的加載精度會隨著加載質量的增大而降低，具有很大的局限性。

氣缸加載與液壓缸加載結構類似，均通過改變介質壓強實現加載，一般應用于運動機構、載荷輸出及動力轉換等場合。兩者均可實現無級加載，且加載方向靈活、加載能力較強，但因其結構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件旋轉，應用范圍受限。

為滿足精度達到微米級或更高要求的連續測量，設計了一種空氣主軸高精度加載系統，并對其設計過程及徑向承載和加載精度進行了理論分析和試驗驗證。

1 技術指標

軸向加載范圍：1～400 N。

加載精度：±0.2%Fa，Fa為軸向加載實時載荷。

徑向承載：60 N。

主軸轉速：10～30 r/min。

2 結構設計

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

1—基準頂板；2—底座；3—主軸轉動環；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—限位調整手輪；13—限位鎖緊手輪； 14—動作氣缸蓋；15—動作氣缸；16—動作氣缸軸；17—主向拖動架

加載系統可簡化為一個空氣軸承結構，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數的增加而增大，以空氣軸套徑向中線為基準，上下每間隔一段距離分為若干節圓，每個節圓均布設置節流孔。主軸氣浮部分充當氣缸導向桿及活塞體，空氣軸套充當氣缸體，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,消除了兩者間的摩擦力，使空氣主軸可以進行高精度旋轉和往復運動。由靜壓氣體軸承徑向靜態承載力近似計算式求得軸承承載力為[1]

W=CiLD(Ps-Pa)，

(1)

式中：Ci為承載系數；L為氣浮部分長度；D為徑向軸承內徑；Ps為進氣壓力;Pa為噴嘴出口壓力。

如圖2所示，空氣主軸分為3部分，其中活塞部分充當氣缸活塞，氣浮部分充當無摩擦的引導活塞桿，使用部分用來連接加載端附件。

圖2 空氣主軸結構示意圖

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，通過精密調壓閥調節供給加載氣缸的壓力，實現連續變化的軸向載荷，利用壓力傳感器測量加載氣缸腔體中的壓力，根據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為壓力傳感器測值；S為汽缸活塞面積；G1為導向主軸的重力。

為保證空氣主軸加載系統加載的平穩性，特別在空氣主軸下端設計了動作氣缸及限位裝置。通過主向拖動架連接，加載時動作氣缸先動作，將空氣主軸和被加載組件預啟動，通過限位裝置將被加載組件頂至距離基準面一定位移的位置，縮小空氣主軸加載過程中的行程，避免加載過程中因行程過大造成沖擊。此時再通過加載氣缸進行加載，脫離限位裝置可使動作氣缸和空氣主軸相互脫離，從而保證軸向載荷的準確性和整個加載過程平穩無沖擊。

3 試驗分析

3.1 徑向靜態承載試驗

徑向靜態承載方式如圖3所示，將空氣主軸水平放置在2個剛性支撐面上，利用水平儀調整兩端高度，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用表表筆并將萬用表置于通斷檔，加載后通過觀察萬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，通過逐漸增加砝碼數量驗證空氣主軸徑向承載能力[2]。

1—砝碼；2—支承點；3—空氣主軸；4—空氣軸套；5—外鋼套；6—萬用表

將Ci=0.25[3]，Ps=0.5 MPa，Pa=0.1 MPa；L=180 mm，D=50 mm[4-5]代入(1)式計算得軸承理論徑向承載力為90 N，大于設計的60 N要求。實際測量結果見表1。

表1 空氣主軸徑向承載能力試驗數據

由表可知，在掛上5 kg砝碼時萬用表通斷檔為通，表明此時空氣主軸與主軸鋼套相接觸，壓縮氣膜已無法支承主軸所受的徑向載荷。在4.5 kg時空氣主軸仍保持浮起狀態，而空氣主軸自身質量為3.8 kg，所以可以判斷軸承徑向承載力不小于80 N，達到設計指標要求。徑向載荷產生誤差的原因可能是零件加工誤差，如節流孔徑及節流孔的布局等。

3.2 軸向動態加載試驗

軸向動態加載試驗如圖4所示。空氣主軸立式放置，將經標定的S型測力傳感器放置在空氣主軸頂端，啟動空氣主軸上升鍵，通過精密調壓閥控制通向加載氣缸內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，測力傳感器實時監測空氣主軸軸端輸出的載荷值，通過壓力傳感器和測力傳感器相互之間的比較，驗證空氣主軸加載系統的精確性[4]。

圖4 軸向加載載荷及精度測試圖

試驗采用中國航天空氣動力技術研究院提供的BK-2FD型測力傳感器，滿量程500N；輸出靈敏度1.5～2.0 mV/V；精度等級±0.05%FS，測力傳感器的精度等級遠遠高于壓力傳感器的精度等級，從而保證測量的準確性。軸向動態加載試驗結果見表2。

表2 軸向加載載荷及實測值的對比 N

由表可知，空氣主軸加載系統可以達到400 N的軸向加載載荷，此時的精度可達0.125%，而且滿量程內最大誤差均達到預期要求。另外，5～95 N時加載值與實測值完全相同，說明此時供氣量遠大于泄氣量。之后加載值與實測值相差逐漸增大可能是由于零件加工誤差的原因。空氣主軸與氣缸之間的結構為間隙配合，供氣量的增加同時泄氣量也在加大，導致95 N后加載值與實測值相差逐漸增大。

3.3 空氣主軸旋轉精度驗證

空氣主軸徑向旋轉精度測試方式如圖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，旋轉空氣主軸，即可通過千分表來驗證空氣主軸的旋轉精度[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，測試過程中千分表表針均在1個刻度，未發現明顯跳動，測量結果見表3(數據為估讀值)。由表可知，空氣主軸在運行中自身具有較高的旋轉精度。

表3 空氣主軸旋轉精度驗證數據 μm

4 結束語

設計的空氣主軸加載系統可以提供較高的加載能力，而且具有高旋轉精度和加載精度，可無級加載。試驗表明，空氣主軸加載系統的各項參數指標均達到設計要求，完全可以滿足儀器的使用要求。空氣主軸加載系統可應用于軸承凸出量檢測、軸系載荷檢測、軸承軸系軸向剛度測試等，具有良好的實用性和推廣性。