本發(fā)明涉及一種氣體流場的測試系統(tǒng)，尤其涉及種非接觸式氣體靜壓主軸氣膜流場測試系統(tǒng)。

背景技術：

氣體靜壓主軸具有高速度、高精密、低摩擦、耐高低溫、少污染等優(yōu)點，在高端機床裝備、精密測量儀器、空間慣性技術等諸多高科技領域有著廣泛應用，尤其是作為超精密切削機床的一類典型關鍵部件，對于保證機床加工精度具有不可替代的作用。相比于其他類型主軸，氣體靜壓主軸的一個重要結構特征是采用壓力氣膜作為工作介質(即氣體軸承)，氣體軸承的靜動態(tài)特性對于主軸綜合性能具有重要影響，一定程度上直接決定了主軸回轉精度，而氣膜流場特性(包括氣體流動狀態(tài)、速度場和壓力場分布等)直接影響了氣體軸承的靜動態(tài)特性。關于氣膜流場特性，目前國內外學者主要采用數(shù)值分析、有限元仿真等手段對其進行研究分析，而實驗研究非常缺乏，主要原因是氣膜流場的測試難度較大且缺乏有效的測試系統(tǒng)。關于氣體靜壓主軸氣膜流場的測量，若采用接觸式測試裝置或系統(tǒng)，其設備維護相對不便，且無法實現(xiàn)真正的無擾測試，而非接觸式測試可以避免上述問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要克服現(xiàn)有技術的上述缺陷，提供一種高效、便捷且測試范圍廣的非接觸式超精密氣體靜壓主軸氣膜流場測試系統(tǒng)，以實現(xiàn)氣體靜壓主軸氣膜流場的無擾測試及相應的實驗研究。

本發(fā)明所述的一種非接觸式氣體靜壓主軸氣膜流場測試系統(tǒng)，其特征在于：包括氣體靜壓主軸、環(huán)形調節(jié)器、水平調節(jié)器、豎直調節(jié)器、激光發(fā)射頭、高速攝像機、像差矯正器、氣源、氣源處理器、示蹤粒子混合器、激光發(fā)生器、激光控制器、工控機以及示蹤粒子回收裝置，所述的氣體靜壓主軸位于環(huán)形調節(jié)器上方且與環(huán)形調節(jié)器同軸安裝；所述的水平調節(jié)器與豎直調節(jié)器互相垂直固定，且安裝于環(huán)形調節(jié)器上方，繞環(huán)形調節(jié)器做圓周運動；所述的激光發(fā)射頭固定于水平調節(jié)器上，做水平方向移動；所述的高速攝像機固定于豎直調節(jié)器上，做豎直方向移動；所述的像差矯正器安裝于高速攝像機前部；所述的激光發(fā)射頭通過光纜連接于激光發(fā)生器，激光頭發(fā)射平面激光，照射氣體靜壓主軸氣膜流場的某一平面，形成一個測試平面，高速攝像機對測試平面進行拍攝；所述的激光發(fā)生器通過電纜連接于激光控制器；所述的激光控制器通過電纜連接于工控機；所述的高速攝像機通過電纜連接于工控機；所述的氣源通過氣管依次連接氣源處理器、示蹤粒子混合器、氣體靜壓主軸；

所述的環(huán)形調節(jié)器包括環(huán)形導軌和安裝在環(huán)形導軌上可沿環(huán)形導軌滑動的第一滑塊；所述的水平調節(jié)器固定于第一滑塊上；所述的水平調節(jié)器包括水平固定板，水平滑塊，水平粗調旋鈕和水平細調旋鈕；所述的水平粗調旋鈕控制水平滑塊在水平固定板上快速水平滑動，所述的水平細調旋鈕控制水平滑塊在水平固定板上慢速水平滑動；所述的豎直調節(jié)器固定于水平固定板上；所述的豎直調節(jié)器包括豎直固定板、豎直滑塊、豎直粗調旋鈕，豎直細調旋鈕，所述的豎直粗調旋鈕控制豎直滑塊在豎直固定板上快速豎直滑動，所述的豎直細調旋鈕控制豎直滑塊在豎直固定板上慢速豎直滑動。

所述的氣體靜壓主軸包括上止推盤、主軸、下止推盤、軸套、氣室外套，所述上止推盤、下止推盤分別與所述主軸的上下兩端面同軸密封固接，三者共同形成用于容納軸套的凹腔；所述軸套套在所述主軸外部，所述軸套與凹腔之間的間隙作為氣膜的容納腔；所述軸套的外壁設有用于容納氣室外套的凹槽，所述軸套外部套裝所述氣室外套，并且所述凹槽的上下槽壁分別與所述氣室外套上下兩端面密封固接；所述軸套設有軸向節(jié)流孔、徑向節(jié)流孔，所述軸向節(jié)流孔和徑向節(jié)流孔貫穿凹槽的槽壁，軸向節(jié)流孔和徑向節(jié)流孔與凹槽內腔連通；所述的氣室外套設有連接示蹤粒子混合器的進氣口；所述的上止推盤、主軸、下止推盤、軸套、氣室外套均采用透明材質；

進一步，示蹤粒子回收裝置安裝于氣體靜壓主軸氣膜的出氣口外側；所述的示蹤粒子回收裝置為一環(huán)形套，上部有出氣孔，環(huán)內側與氣體靜壓主軸氣膜出氣口相通；示蹤粒子回收裝置采用透明材料。

本發(fā)明采用的技術方案是：氣體靜壓主軸工作時，軸套、氣室外套處于靜止狀態(tài)，上止推盤、主軸、下止推盤處于旋轉狀態(tài)。氣源產生的高壓氣體經過氣源處理器的過濾和干燥之后，通過示蹤粒子混合器，將示蹤粒子與高壓氣體均勻混合，通過氣室外套的進氣口穿過節(jié)流孔在上止推盤、主軸、下止推盤與軸套之間形成氣膜，從而使氣體靜壓主軸保持穩(wěn)定。

高壓氣體經過干燥和過濾后，通過示蹤粒子混合器將其均勻混入示蹤粒子；示蹤粒子隨高壓氣體通過氣室外套的進氣口和軸套的節(jié)流孔進入氣膜流場；通過安裝在水平調節(jié)器上的激光發(fā)射頭發(fā)射平面激光照射氣體靜壓主軸氣膜流場的某一平面，形成一個測試平面，通過安裝在豎直調節(jié)器上的高速攝像機對測試平面進行拍攝；通過位于高速攝像機前方的像差矯正器對光路進行矯正，消除軸套和氣室外套對光路產生的影響；通過工控機將高速攝像機多次拍攝得到的圖片進行分析處理，得到示蹤粒子的運動速度和運動軌跡，通過分析最終獲得氣體靜壓主軸的氣膜流場分布情況；

通過位于氣體靜壓主軸下方的環(huán)形調節(jié)器調節(jié)激光發(fā)射頭和高速攝像機相對于氣體靜壓主軸的相對位置，通過水平調節(jié)器調節(jié)激光發(fā)射器相對氣體靜壓主軸的相對截面，通過豎直調節(jié)器調節(jié)高速攝像機相對氣體靜壓主軸的相對高度，從而實現(xiàn)對氣體靜壓主軸不同徑向位置、不同截面、不同軸向位置的氣膜流場的測量；

通過安裝在氣體靜壓主軸氣膜外側的示蹤粒子回收裝置，將氣膜內隨高壓氣體噴出的示蹤粒子進行回收，示蹤粒子回收裝置通過出氣孔與外部大氣連通；由于高壓氣體進入示蹤粒子回收裝置后氣壓迅速下降，示蹤粒子通過自身重力掉落到示蹤粒子回收裝置內，氣體通過出氣孔進入大氣，示蹤粒子不隨氣體一同進入大氣。

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)可實現(xiàn)氣體靜壓主軸氣膜流場的高效測試。

(2)測試范圍廣，使用便捷；

(3)測試過程無干擾，可靠性高，系統(tǒng)維護方便。

附圖說明

圖1是本發(fā)明整體結構示意圖示意圖。

圖2是本發(fā)明結構俯視圖。

圖3是本發(fā)明實施例二的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖進一步說明本發(fā)明

參照附圖：

實施例1本發(fā)明所述的一種非接觸式氣體靜壓主軸氣膜流場測試系統(tǒng)，包括氣體靜壓主軸01、環(huán)形調節(jié)器02、水平調節(jié)器03、豎直調節(jié)器04、激光發(fā)射頭05、高速攝像機06、像差矯正器07、氣源08、氣源處理器09、示蹤粒子混合器10、激光發(fā)生器11、激光控制器12、工控機13以及示蹤粒子回收裝置14，所述的氣體靜壓主軸01位于環(huán)形調節(jié)器02上方且與環(huán)形調節(jié)器02同軸安裝；所述的水平調節(jié)器03與豎直調節(jié)器04互相垂直固定，且安裝于環(huán)形調節(jié)器02上方，可繞環(huán)形調節(jié)器02做圓周運動；所述的激光發(fā)射頭05固定于水平調節(jié)器03上，可做水平方向移動；所述的高速攝像機06固定于豎直調節(jié)器04上，可做豎直方向移動；所述的像差矯正器07安裝于高速攝像機06前部；所述的激光發(fā)射頭05通過光纜連接于激光發(fā)生器11，激光發(fā)射頭05發(fā)射平面激光，照射氣體靜壓主軸氣膜流場的某一平面，形成一個測試平面，高速攝像機06對測試平面進行拍攝；所述的激光發(fā)生器11通過電纜連接于激光控制器12；所述的激光控制器12通過電纜連接于工控機13；所述的高速攝像機06通過電纜連接于工控機13；所述的氣源08通過氣管依次連接氣源處理器09、示蹤粒子混合器10、氣體靜壓主軸01；所述的示蹤粒子回收裝置14安裝于氣體靜壓主軸01外側。

所述的環(huán)形調節(jié)器02包括環(huán)形導軌021和安裝在環(huán)形導軌021上可沿環(huán)形導軌021滑動的第一滑塊022；所述的水平調節(jié)器03固定于第一滑塊022上；所述的水平調節(jié)器03包括水平固定板031，水平滑塊032，水平粗調旋鈕033和水平細調旋鈕034；所述的水平粗調旋鈕034控制水平滑塊032在水平固定板031上快速水平滑動，所述的水平細調旋鈕034控制水平滑塊032在水平固定板031上慢速水平滑動；所述的豎直調節(jié)器04固定于水平固定板上031；所述的豎直調節(jié)器04包括豎直固定板041、豎直滑塊042、豎直粗調旋鈕043，豎直細調旋鈕044，所述的豎直粗調旋鈕043控制豎直滑塊042在豎直固定板041上快速豎直滑動，所述的豎直細調旋鈕044控制豎直滑塊042在豎直固定板041上慢速豎直滑動。

所述的氣體靜壓主軸01包括上止推盤011、主軸012、下止推盤013、軸套014、氣室外套015，所述上止推盤011、下止推盤013分別與所述主軸012的上下兩端面同軸密封固接，三者共同形成用于容納軸套的凹腔；所述軸套014套在所述主軸012外部，所述軸套014與主軸012之間的間隙作為氣膜的容納腔；所述軸套014的外壁設有用于容納氣室外套015的凹槽，所述軸套014外部套裝所述氣室外套015，并且所述凹槽的上下槽壁分別與所述氣室外套015上下兩端面密封固接；所述軸套014設有節(jié)流孔0141，所述的氣室外套015設有進氣口0151；所述的上止推盤011、主軸012、下止推盤013、軸套014、氣室外套015均采用透明材質；

所述的示蹤粒子回收裝置14為一環(huán)形套，上部有若干出氣孔141，環(huán)內側與氣體靜壓主軸氣膜的出氣口相通；示蹤粒子回收裝置14為透明材料。

本發(fā)明的構思為：氣體靜壓主軸01工作時，軸套014、氣室外套015處于靜止狀態(tài)，上止推盤011、主軸012、下止推盤013處于旋轉狀態(tài)。氣源08產生的高壓氣體經過氣源處理器09的過濾和干燥之后，通過示蹤粒子混合器10，將示蹤粒子與高壓氣體均勻混合，通過氣室外套015的進氣口0151穿過軸向節(jié)流孔0141、徑向節(jié)流孔在上止推盤011、主軸012、下止推盤013與軸套014之間形成氣膜，從而使氣體靜壓主軸01保持穩(wěn)定。

高壓氣體經過干燥和過濾后，通過示蹤粒子混合器10將其均勻混入示蹤粒子；示蹤粒子隨高壓氣體通過氣室外套015的進氣口0151和軸套014的軸向節(jié)流孔0141和徑向節(jié)流孔進入軸套014與主軸012之間的間隙，形成氣膜；通過安裝在水平調節(jié)器03上的激光發(fā)射頭05發(fā)射平面激光，照射透明的氣體靜壓主軸01氣膜流場的某一平面，形成一個測試平面，通過安裝在豎直調節(jié)器04上的高速攝像機06對測試平面進行拍攝；通過位于高速攝像機06前方的像差矯正器07對光路進行矯正，消除軸套014和氣室外套015對光路產生的影響；通過工控機13將高速攝像機06多次拍攝得到的圖片進行分析處理，得到示蹤粒子的運動速度和運動軌跡，通過分析最終獲得氣體靜壓主軸01的氣膜流場分布情況；

通過位于氣體靜壓主軸01下方的環(huán)形調節(jié)器02調節(jié)激光發(fā)射頭05和高速攝像機06相對于氣體靜壓主軸01的位置，通過水平調節(jié)器03調節(jié)激光發(fā)射器05相對氣體靜壓主軸01的截面，通過豎直調節(jié)器04調節(jié)高速攝像機06相對氣體靜壓主軸01的高度，從而實現(xiàn)對氣體靜壓主軸01不同徑向位置、不同截面、不同軸向位置的氣膜流場的測量；

通過安裝在氣體靜壓主軸01氣膜外側的示蹤粒子回收裝置14，將氣膜出氣口隨氣體一起流出的示蹤粒子進行回收，示蹤粒子回收裝置14通過出氣孔141與外部大氣連通；由于高壓氣體進入示蹤粒子回收裝置14后氣壓迅速下降，示蹤粒子通過自身重力掉落到示蹤粒子回收裝置14內，氣體通過出氣孔141進入大氣，示蹤粒子不隨氣體一同進入大氣。

實施例2本實施例與實施例1的不同之處在于：由圖3所示，將所述的激光發(fā)射頭05安裝在豎直調節(jié)器04上，將高速攝像機06和像差矯正器07安裝在水平調節(jié)器03上，從而對氣體靜壓主軸01進行軸向的拍攝，通過工控機13將高速攝像機06多次拍攝得到的圖片進行分析處理，最終獲得氣膜軸向流場分布情況。

本說明書實施例所述內容僅僅是對發(fā)明構思所實現(xiàn)形式的部分列舉，本發(fā)明的保護范圍不應當僅局限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護范圍及于本領域技術人員根據本發(fā)明的技術構思所能想到的等同技術手段。