本实用新型涉及一种气体静压主轴气膜速度场无扰测量实验装置。
背景技术：
超精密机床是实现超精密加工的重要载体，主轴作为超精密机床的核心部件，其设计精度很大程度上决定了所设计的超精密机床的加工精度。气体静压主轴是超精密机床采用的一类常用主轴，相比于其他类型主轴，气体静压主轴的一个重要结构特征是将压力气膜作为工作介质，它在某些特殊场合中有着不可替代的作用。气膜流场分析是气体静压主轴研究的重要内容，气膜流场分布规律对主轴回转精度及静动态特性有重要影响，然而当下国内外学者主要采用数值分析、有限元仿真等理论和仿真手段对气膜的流场分布规律进行研究分析，而相关的实验研究极其缺乏。
技术实现要素：
为实现气体静压主轴气膜速度场的无扰测量，进一步提升气体静压主轴设计水平，本实用新型提供一种无干扰、可靠性高的气体静压主轴气膜速度场无扰测量实验装置。
本实用新型采用的技术方案是：一种气体静压主轴气膜速度场无扰测量实验装置，包括气体静压主轴系统、主轴驱动系统、flowmaster测试系统、气源系统；
所述气体静压主轴系统包括上止推盘、下止推盘、主轴、轴套组件、气室外套组件、轴套固定套；上止推盘、下止推盘分别与主轴的上下两端面同轴密封固接，三者共同形成用于容纳轴套组件的凹腔；
轴套组件包括径向轴承套和轴向止推轴承板，径向轴承套的上下两端面均设有用于安装轴向止推轴承板的卡槽；轴套组件套设在主轴外部，径向轴承套与主轴之间形成柱形间隙槽，轴向止推轴承板与主轴之间形成环形间隙槽，气流通入柱形间隙槽和环形间隙槽中形成气膜，为主轴提供支撑；轴套组件上贯穿设置有多个轴向节流孔和径向节流孔，轴向节流孔与柱形间隙槽连通，径向节流孔与环形间隙槽连通；径向轴承套的外壁设有用于容纳气室外套组件的凹槽，气室外套组件套设在轴套组件外部，凹槽的上下槽壁与气室外套组件的上下两端面密封连接；气室外套组件与轴套组件之间的间隙形成气腔，气腔与气膜通过轴向节流孔和径向节流孔连通；气室外套组件上还设有进气孔，进气孔与气腔连通；
轴套组件沿同一径向截面贯穿设有若干组细孔，气室外套组件的壁面上设有与所述若干组细孔的位置一一对应的安装通孔；所述每组细孔包含两个细孔，两个细孔分别从外部插入相应的线状激光发生器和ccd相机，激光发生器的头部略低于轴套组件的内壁，ccd相机的头部伸入气膜内；气室外套组件与轴套组件设有贯穿两者的通孔，通孔内设有用于限制气室外套组件与轴套组件发生轴向移动的顶针；轴套固定套套设在下止推盘外部但不接触，且径向轴承套的下端面与轴套固定套固定连接；
所述主轴驱动系统包括电机转子、电机定子、电机轴、电机转子固定挡板、电机定子套；电机定子套套设于电机定子外，且电机定子套内壁上设有用于限制电机定子轴向移动的台阶，电机定子套的上下两端面分别与电机定子固定挡板、径向轴承套固定连接；电机转子与电机定子相对应布置，电机转子套设在电机轴上，电机转子、电机轴的上端面均与电机转子固定挡板固定连接，电机轴的下端面与上止推盘固定连接；
所述flowmaster测试系统包括阵列式传感分布组件、工控分析台和信号采集器；阵列式传感分布组件包括激光发生器和ccd相机，激光发生器、ccd相机均通过屏蔽线缆连接至信号采集器，信号采集器连接至工控分析台；
所述气源系统包括气源产生器、气体净化处理装置、气体示踪粒子混合装置、进气头；进气孔上设有与其相配合的进气头，进气头通过管路依次连接有气体示踪粒子混合装置、气体净化处理装置、气源产生器。
进一步，所述气室外套组件沿同一轴向截面等分为第一气室外套和第二气室外套，且第一气室外套和第二气室外套靠近截面的外侧壁上设有安装耳，紧固件通过安装耳将第一气室外套和第二气室外套组成一个整体。
进一步，所述凹槽的上下槽壁均设有环形的挡阶，挡阶与气室外套组件的接触面上设有环形的密封孔，密封孔内设有密封件。
进一步，所述轴套组件沿其轴向等间距的具有3个径向截面，轴套组件在每个径向截面上沿其周向等间距的设有4组细孔。
进一步，所述的上止推盘、主轴、下止推盘、轴套组件、气室外套组件均采用38crmoal材料制成。
本实用新型的有益效果是：能够实现气体静压主轴中气膜速度场测量，可绘制出气体静压主轴内气膜速度场随时间实时变化云图；本装置基于micro-piv微观流场测试技术，其测量精度得到了有效的保证，完全能够满足工程要求；测试过程无干扰，可靠性高，测量结果可信度高。
附图说明
图1是本实用新型静压主轴及其传动结构的示意图。
图2是本实用新型测试传感及控制流程的示意图。
图3是本实用新型阵列式传感分布组件的布置示意图。
附图标记说明：1、下止推盘；2、轴套固定套；3、轴套组件；3-01、轴向止推轴承板；3-02、径向轴承套；3-03、轴向节流孔；3-04、径向节流孔；4、气腔；5、密封孔；6、上止推盘；7、电机定子套；8、电机定子固定挡板；9、电机转子；10、电机转子固定挡板；11、电机定子；12、气室外套组件；12-01、第一气室外套；12-02、第二气室外套；13主轴；14、气源产生器；15、顶针；16、激光发生器；17、ccd相机；18、工控分析台；19、信号采集器；20、进气头；21、气体示踪粒子混合装置、22、气体净化处理装置。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型进行进一步描述，但本实用新型的保护范围并不仅限于此：
参照附图，一种气体静压主轴气膜速度场无扰测量实验装置，包括气体静压主轴系统、主轴驱动系统、flowmaster测试系统、气源系统；
所述气体静压主轴系统包括上止推盘6、下止推盘1、主轴13、轴套组件3、气室外套组件12、轴套固定套2；上止推盘6、下止推盘1分别与主轴13的上下两端面同轴密封固接，三者共同形成用于容纳轴套组件3的凹腔；轴套组件3包括径向轴承套3-02和轴向止推轴承板3-01，径向轴承套3-02的上下两端面均设有用于安装轴向止推轴承板3-01的卡槽；轴套组件3套设在主轴外部，径向轴承套3-02与主轴13之间形成柱形间隙槽，轴向止推轴承板3-01与主轴13之间形成环形间隙槽，柱形间隙槽和环形间隙槽中形成气膜，为主轴13提供支撑；轴套组件3上贯穿设置有多个轴向节流孔3-03和径向节流孔3-04，轴向节流孔3-03与柱形间隙槽连通，径向节流孔3-04与环形间隙槽连通；
径向轴承套3-02的外壁设有用于容纳气室外套组件12的凹槽，气室外套组件12套设在轴套组件3外部，凹槽的上下槽壁与气室外套组件12的上下两端面密封连接；凹槽的上下槽壁均设有环形的挡阶，挡阶与气室外套组件12的接触面上设有环形的密封孔5，密封孔5内设有密封件；气室外套组件12沿同一轴向截面等分为第一气室外套12-01和第二气室外套12-02，且第一气室外套12-01和第二气室外套12-02靠近截面的外侧壁上设有安装耳，紧固件通过安装耳将第一气室外套12-01和第二气室外套12-02组成一个整体；气室外套组件12与轴套组件3之间的间隙形成气腔4，气腔4与气膜通过轴向节流孔3-03和径向节流孔3-04连通；第一气室外套12-01的壁面还设有进气孔，进气孔与气腔4连通；
轴套组件3沿同一径向截面贯穿设有四组细孔，气室外套组件12的壁面上设有与所述四组细孔的位置一一对应的安装通孔；所述每组细孔包含两个细孔，两个细孔分别从外部插入相应的线状激光发生器16和ccd相机17，激光发生器16的头部略低于轴套组件3的内壁，ccd相机17的头部伸入气膜内；轴套组件3沿其轴向等间距的具有三个径向截面，轴套组件3在每个径向截面沿其周向等间距的设有四组细孔；气室外套组件12与轴套组件3设有贯穿两者的通孔，通孔内设有用于限制气室外套组件12与轴套组件3发生轴向移动的顶针15；轴套固定套2套设在下止推盘1外部，且径向轴承套3-02的下端面与轴套固定套2固定连接；上止推盘6、主轴13、下止推盘1、轴套组件3、气室外套组件12均采用38crmoal材料制成；
所述主轴驱动系统包括电机转子9、电机定子11、电机轴、电机转子固定挡板10、电机定子套7；电机定子套7套设于电机定子11外，且电机定子套7内壁上设有用于限制电机定子11轴向移动的台阶，电机定子套7的上下两端面分别与电机定子固定挡板8、径向轴承套3-02固定连接；电机转子9与电机定子11相对应布置，电机转子9套设在电机轴上，电机转子9、电机轴的上端面均与电机转子固定挡板10固定连接，电机轴的下端面与上止推盘6固定连接；
所述flowmaster测试系统包括阵列式传感分布组件、工控分析台18和信号采集器19；阵列式传感分布组件包括激光发生器16和ccd相机17，激光发生器16、ccd相机17均通过特制屏蔽线缆连接至信号采集器19，信号采集器19连接至工控分析台18；
所述气源系统包括气源产生器14、气体净化处理装置22、气体示踪粒子混合装置21、进气头20；进气孔上设有与其相配合的进气头20，进气头20通过管路依次连接有气体示踪粒子混合装置21、气体净化处理装置22、气源产生器14。
本实用新型的构思为：气体静压主轴13工作时，首先气源系统工作并产生含有均匀示踪粒子且处理合理的高压气体，气体进入轴套组件3后，通过轴套组件3上的径向节流孔3-04和轴向节流孔3-03，在轴套组件3与主轴13之间的间隙内形成高压气膜，高压气膜作用于主轴13，起到承载与润滑的作用；然后通过无框电机转子9带动电机轴旋转，从而带动主轴13、上止推盘6及下止推盘7进入高速旋转状态。激光发生器16发射激光照射于气膜表面，示踪粒子与流场内其他气体粒子表现出不同的反射特性，ccd相机17高频采集照射表面光线并成像储存于内存中。工控分析台18对得到的图像进行处理，通过快速傅里叶变换分析，计算两幅连续图像中相应的小区域的互相关函数，可以得到连续两幅图像中示踪粒子图像的平均位移和速度大小。示踪粒子的速度信息反映了气膜流场的速度信息，据此最终可获得气膜速度场的分布规律。
本实用新型工控分析台18的图像处理、分析、计算的工作原理采用如下参考文献公开的技术方案：王凌,罗锐,王补宣.micro-piv三维测量图像处理及优化研究[j].热能动力工程,2012,27(4):442-448。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也及于本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。
1.一种气体静压主轴气膜速度场无扰测量实验装置，其特征在于：包括气体静压主轴系统、主轴驱动系统、flowmaster测试系统、气源系统；
所述气体静压主轴系统包括上止推盘、下止推盘、主轴、轴套组件、气室外套组件、轴套固定套；上止推盘、下止推盘分别与主轴的上下两端面同轴密封固接，三者共同形成用于容纳轴套组件的凹腔；
轴套组件包括径向轴承套和轴向止推轴承板，径向轴承套的上下两端面均设有用于安装轴向止推轴承板的卡槽；轴套组件套设在主轴外部，径向轴承套与主轴之间形成柱形间隙槽，轴向止推轴承板与主轴之间形成环形间隙槽，气流通入柱形间隙槽和环形间隙槽中形成气膜，为主轴提供支撑；轴套组件上贯穿设置有多个轴向节流孔和径向节流孔，轴向节流孔与柱形间隙槽连通，径向节流孔与环形间隙槽连通；径向轴承套的外壁设有用于容纳气室外套组件的凹槽，气室外套组件套设在轴套组件外部，凹槽的上下槽壁与气室外套组件的上下两端面密封连接；气室外套组件与轴套组件之间的间隙形成气腔，气腔与气膜通过轴向节流孔和径向节流孔连通；气室外套组件上还设有进气孔，进气孔与气腔连通；
轴套组件沿同一径向截面贯穿设有若干组细孔，气室外套组件的壁面上设有与所述若干组细孔的位置一一对应的安装通孔；所述每组细孔包含两个细孔，两个细孔分别从外部插入相应的线状激光发生器和ccd相机，激光发生器的头部略低于轴套组件的内壁，ccd相机的头部伸入气膜内；气室外套组件与轴套组件设有贯穿两者的通孔，通孔内设有用于限制气室外套组件与轴套组件发生轴向移动的顶针；轴套固定套套设在下止推盘外部但不接触，且径向轴承套的下端面与轴套固定套固定连接；
所述主轴驱动系统包括电机转子、电机定子、电机轴、电机转子固定挡板、电机定子套；电机定子套套设于电机定子外，且电机定子套内壁上设有用于限制电机定子轴向移动的台阶，电机定子套的上下两端面分别与电机定子固定挡板、径向轴承套固定连接；电机转子与电机定子相对应布置，电机转子套设在电机轴上，电机转子、电机轴的上端面均与电机转子固定挡板固定连接，电机轴的下端面与上止推盘固定连接；
所述flowmaster测试系统包括阵列式传感分布组件、工控分析台和信号采集器；阵列式传感分布组件包括激光发生器和ccd相机，激光发生器、ccd相机均通过屏蔽线缆连接至信号采集器，信号采集器连接至工控分析台；
所述气源系统包括气源产生器、气体净化处理装置、气体示踪粒子混合装置、进气头；进气孔上设有与其相配合的进气头，进气头通过管路依次连接有气体示踪粒子混合装置、气体净化处理装置、气源产生器。
2.如权利要求1所述的一种气体静压主轴气膜速度场无扰测量实验装置，其特征在于：所述气室外套组件沿同一轴向截面等分为第一气室外套和第二气室外套，且第一气室外套和第二气室外套靠近截面的外侧壁上设有安装耳，紧固件通过安装耳将第一气室外套和第二气室外套组成一个整体。
3.如权利要求1所述的一种气体静压主轴气膜速度场无扰测量实验装置，其特征在于：所述凹槽的上下槽壁均设有环形的挡阶，挡阶与气室外套组件的接触面上设有环形的密封孔，密封孔内设有密封件。
4.如权利要求1所述的一种气体静压主轴气膜速度场无扰测量实验装置，其特征在于：所述轴套组件沿其轴向等间距的具有3个径向截面，轴套组件在每个径向截面上沿其周向等间距的设有4组细孔。
5.如权利要求1所述的一种气体静压主轴气膜速度场无扰测量实验装置，其特征在于：所述的上止推盘、主轴、下止推盘、轴套组件、气室外套组件均采用38crmoal材料制成。
技术总结