力及位移量的氣浮式測量系統的製作方法

2023-04-27 02:29:26 2

專利名稱：力及位移量的氣浮式測量系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種力及位移量的測量系統。
背景技術：
目前，氣浮技術的應用主要在氣體軸承中，氣體軸承作為氣浮系統"承載"功能的應用 取得了極大的成功。但是，氣體軸承只能用於承受載荷，而不能測量浮動體所受載荷的大小 以及浮動體的位移量。
現有的測力方式包括應變片式、壓電元件式、差動變壓器式、電容位移式等。但是對於
多維力的測量，此類測量方法不可避免地存在有維間耦合，解耦設置不僅結構複雜，而且無
法實現完全的解藕，各種解耦方法都只是在一定精度上減少耦合的影響。 迄今為止，利用氣力浮動實現力及位移量的測量還沒有相關報導。

實用新型內容
本實用新型是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種能有效避免多維力作用 時的維間耦合、準確實施多維力測量，能夠使氣體軸承同時作為力及位移量傳感器的力及位 移量的氣浮式測量系統。
本實用新型解決技術問題採用如下技術方案
本實用新型力及位移量的氣浮式測量系統的結構特點是設置浮動體，並設置以氣流支撐 浮動體的氣浮系統，氣浮系統是由與氣源相通的節流器件與浮動體的表面形成承壓腔，在節 流器件的尾部設置測壓腔；以承壓腔或測壓腔的壓力信號為檢測輸出信號，或以節流器件的 流量或流速信號為檢測輸出信號。
本實用新型通過測量氣浮系統中的氣體壓力、流量或流速信號獲得作用在浮動體上的外 力或在所述外力作用下的浮動體的位移量，氣浮系統中的壓力、流量及流速與作用於浮動體 上的被測外力或在外力作用下的浮動體的位移量之間一一對應的關係通過實驗標定的方法 進行確定。
與已有技術相比，本實用新型的有益效果體現在
1、 本實用新型為非接觸測量系統，能有效避免多維力作用時維間耦合帶來的誤差，提 高測量精度，準確實施一維力測量。
2、 本實用新型可以應用於氣體軸承，使氣體軸承不但能承受載荷，而且可實時自主檢 測負載的大小、位移和振動情況，使得氣體軸承兼有力及位移量傳感器的功能。
3、 本實用新型可以得到廣泛應用，包括通過對氣體軸承自身工作運轉情況的實時監測，及時發現故障和隱患；在精密切削加工生產中，可以通過氣浮主軸或氣浮導軌實時檢測切削 力的變化，從而對刀具工況進行實時監測。


圖1為本實用新型具體實施方式
原理示意圖。
圖2為圖1所示具體實施方式
立面結構示意圖。
圖3為圖1所示具體實施方式
平面結構示意圖。
圖4為圖1所示具體實施方式
中噴嘴檔板原理示意圖。
圖5為本實用新型氣浮測量原理圖。
圖l、圖2、圖3及圖4中的標號l矩形浮板、la浮板頂面、lb浮板底面、lc浮板左 面、ld浮板右面、le浮板前側、lf浮板後側、2a頂面噴嘴、2b底面噴嘴、2c左側噴嘴、2d 右側噴嘴、2e前側噴嘴、2f後側噴嘴、3工作檯、4噴嘴支架、5進氣口、 6承壓腔、7測壓 口、 51浮動體、52節流器件、53承壓腔、54測壓腔。
以下通過具體實施方式
，結合附圖對本實用新型作進一步說明。
具體實施方式
參見圖5，設置浮動體51為浮板，並設置以氣流支撐浮板的氣浮系統，氣浮系統是由 與氣源相通的節流器件52與浮板的表面形成承壓腔53，在節流器件52的尾部設置測壓腔 54;以承壓腔53或測壓腔54的壓力信號為檢測輸出信號，或以節流器件52的流量或流速 信號為檢測輸出信號。各檢測輸出信號與作用於浮板上的被測外力以及在外力作用下的浮板 的位移量一一對應，其對應關係通過實驗標定的方法進行確定。
參見圖l，為實現六維力的測量，本實施例中設置六面體矩形浮板l，對應於矩形浮板l 的每一個面，分別設置噴嘴，以各噴嘴與矩形浮板1相對應的面構成噴嘴擋板式壓力傳感器， 並且，作為擋板的矩形浮板1在各噴嘴氣壓的作用下完全懸浮，以各噴嘴的氣腔壓力信號為 檢測輸出信號。
參見圖2、圖3和圖4，具體實施中的相應設置為
在浮板頂面la和浮板底面lb的四角位置上，各有一隻噴嘴，在浮板左面lc、浮板右面 ld、浮板前側le和浮板後側lf的每個面上，位於兩端各有一隻噴嘴，即共有四隻頂面噴嘴 2a、四隻底面噴嘴2b、兩隻左側噴嘴2c、兩隻右側噴嘴2d、兩隻前側噴嘴2e和兩隻後側噴 嘴2f，所有各噴嘴的軸線與對應作為其擋板的矩形浮板1的板面相垂直。
如圖2和圖3所示，設置矩形浮板1相對的兩個面中對應位置上的兩隻噴嘴處在同一軸線位置上，以處在同一軸線位置上的兩個噴嘴的氣腔壓力之差作為差動測量的檢測信號。 測量方式如下
通過矩形浮板1的中心O建立坐標系如圖1所示。頂面噴嘴2a和底面噴嘴2b的作用力 與Z軸平行，其它各噴嘴的作用力在XOY平面內，且分別與X軸和Y軸平行。
設作用在矩形浮板1上的外力分解為沿各坐標軸的分力Fx、 Fy、 Fz、及繞各坐標軸 的力矩Mx、 My、 Mz;浮板每個拐角處與坐標軸平行的三個噴嘴作用於浮板上的浮力交匯 於一點，四個拐角處的交匯點分別為A、 B、 C、 D;在坐標系中，A、 B、 C、 D各點的坐標 分別為A (1/2,-1/2,0)、 B (1/2,1/2,0)、 C (-1/2,-1/2,0)、 D (-1/2,1/2,0);作用在矩形浮板上的外 力引起的各噴嘴作用在浮板上的力的變化量分別為
A點Fax (X軸方向)、Fay (Y軸方向)、Faz+ (Z軸正方向)、Faz— (Z軸負方向)； B點Fbx (X軸方向)、Fby (Y軸方向)、Fbz+ (Z軸正方向)、Fbz— (Z軸負方向)； C點Fcx (X軸方向)、Fey (Y軸方向)、Fcz+ (Z軸正方向)、Fez— (Z軸負方向)； D點Fdx (X軸方向)、Fdy (Y軸方向)、Fdz+ (Z軸正方向)、Fdz— (Z軸負方向)； 則各組噴嘴浮力之差為 Fcax=Fcx—Fax Fdbx=Fdx—Fbx Faby=Fay—Fby Fcdy=Fcy — Fdy Faz= Faz+—Faz— Fbz= Fbz+—Fbz— Fcz= Fcz+—Fez— Fdz= Fdz+—Fdz— 於是
Fx= —(Fcax + Fdbx) (1)
Fy= — (Faby + Fcdy) (2)
Fz= —(Faz + Fbz+Fcz+Fdz) (3)
Mx=(Faz+Fcz—Fbz—Fdz) 1/2 (4)
My= (Faz+Fbz—Fcz—Fdz) 1/2 (5)
Mz= (Fdbx—Fcax+Fcdy—Faby) 1/2 (6)
具體實施中，在工作檯3上設置噴嘴支架4，四隻底面噴嘴2b固定設置在工作檯3的 檯面上，其它各噴嘴均設置在噴嘴支架4上。
5圖4所示是由噴嘴和浮板對應的板面所構成的壓力傳感器。工作時，恆定壓力的壓縮空 氣通向各個噴嘴的進氣口 5，浮板l被完全浮起，在噴嘴與擋板之間形成承壓腔6，通過承 壓腔的測壓口 7可以測量出承壓腔6的氣體壓力。如果在浮板1上作用一個外力，將會引起 各個壓力傳感器的承壓腔壓力變化，根據每個承壓腔氣壓變化量，即可按上式計算出作用在 浮板上的沿各坐標軸的分力Fx、 Fy、 Fz、及繞各坐標軸的力矩Mx、 My、 Mz。
權利要求1、力及位移量的氣浮式測量系統，其特徵是設置浮動體(51)，並設置以氣流支撐浮動體(51)的氣浮系統，所述氣浮系統是由與氣源相通的節流器件(52)與浮動體(51)的表面形成承壓腔(53)，在節流器件(52)的尾部設置測壓腔(54)；以所述承壓腔(53)或測壓腔(54)的壓力信號為檢測輸出信號，或以節流器件(52)的流量或流速信號為檢測輸出信號。
專利摘要力及位移量的氣浮式測量系統，其特徵是設置浮動體，並設置以氣流支撐浮動體的氣浮系統，氣浮系統是由與氣源相通的節流器件與浮動體的表面形成承壓腔，在節流器件的尾部設置測壓腔；以承壓腔或測壓腔的壓力信號為檢測輸出信號，或以節流器件的流量或流速信號為檢測輸出信號。本實用新型能夠有效避免多維力作用時的維間耦合、準確實施多維力測量，能夠使氣體軸承同時作為力及位移量傳感器。
文檔編號G01L3/00GK201163225SQ20082003280
公開日2008年12月10日 申請日期2008年3月7日 優先權日2008年3月7日
發明者斌 黃 申請人:合肥工業大學