本發(fā)明涉及氣體軸承心軸裝置和套件，以及包括這樣的裝置的機器。

空氣(或氣體)軸承心軸的長期可靠性依賴于在操作期間施加到軸的負載低于會造成軸承表面之間的機械接觸的負載。這意味著，在服務時施加的負載需要被管控在極限內(nèi)。這些極限通常由使用空氣軸承的過程限定。

有時空氣軸承心軸將被用于如下情形中，其中在正常使用時，它們所經(jīng)歷的負載接近于最大可允許負載。在其它情況下，空氣軸承所承受的負載會隨時間變化，這是由于未預期的事件或者一個或另一個部件的磨損。

因此，期望提供一種系統(tǒng)，其中空氣軸承上的負載，特別是空氣軸承中的軸上的徑向負載，能夠以某種方式被監(jiān)控，以使得過度的負載可以被檢測和/或被避免。

當徑向負載被施加到在空氣軸承內(nèi)運行的軸上時，將傾向于使該軸相對于該軸承徑向位移。然而，由于該軸被限定為相對于該軸承旋轉(zhuǎn)，因此試圖直接測量該軸相對于該軸承的這樣的徑向位移可能存在困難。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種負載感測氣體軸承心軸裝置，其包括一個氣體軸承組件和一個軸頸支撐在該氣體軸承組件內(nèi)的軸，該軸承組件包括一個殼體部分和一個布置在該殼體部分內(nèi)并且相對于該殼體部分彈性安裝的內(nèi)部徑向軸承部分，該內(nèi)部徑向軸承部分包括一個具有面向該軸的軸承面的部分，

其中該軸承組件被安排成使得，由于彈性安裝，該內(nèi)部徑向軸承部分響應于該軸上的徑向負載而經(jīng)歷相對于該殼體部分的徑向位移，并且該心軸裝置包括感測裝置，用于感測所述徑向位移，從而感測該軸承上的負載。

此裝置允許感測該氣體軸承上的負載，同時避免直接檢測相對旋轉(zhuǎn)的零件——即，該內(nèi)部徑向軸承部分和該軸——之間的徑向位移的需要。

接觸式或非接觸式換能器可以被方便地用來感測徑向位移，并且因此允許感測負載。例如，應變儀、光學標尺(opticalscale)、lvdt(線性可變差動變壓器)、渦電流傳感器可以被使用。

該感測裝置可以被用來測量位移或僅被用來感測位移。

該感測裝置可以被安排成，確定徑向位移是否已經(jīng)達到一個或多個預定水平。

因此，應理解，一般來說，給予該軸承心軸裝置有關(guān)該心軸上的負載的反饋可以是數(shù)字的或模擬的、漸進改變的或階躍改變的。

該殼體部分和該內(nèi)部徑向軸承部分可以具有相應的接觸表面，所述接觸表面被安排成，當該軸上的徑向負載達到預定值時彼此機械接觸，并且當該徑向負載在所述預定值以下時彼此間隔，并且該感測裝置可以被安排成用于感測這樣的接觸何時發(fā)生。

這可以促進一種特別簡單且有效的感測該心軸上的負載的方式。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種負載感測氣體軸承心軸裝置，其包括一個氣體軸承組件和一個軸頸支撐在該氣體軸承組件內(nèi)的軸，該軸承組件包括一個殼體部分和一個布置在該殼體部分內(nèi)并且相對于該殼體部分彈性安裝的內(nèi)部徑向軸承部分，該內(nèi)部徑向軸承部分包括一個具有面向該軸的軸承面的部分，

其中該殼體部分和該內(nèi)部徑向軸承部分具有相應的接觸表面，所述接觸表面被安排成，當該軸上的徑向負載達到預定值時彼此機械接觸，并且當該徑向負載在所述預定值以下時彼此間隔，并且該心軸裝置包括感測裝置，用于感測這樣的接觸何時發(fā)生。

當沒有所述接觸時，該殼體部分和該內(nèi)部徑向軸承部分可以彼此電隔離，并且當所述接觸發(fā)生時，該殼體部分和該內(nèi)部徑向軸承部分可以彼此電接觸。

該感測裝置可以包括被安排成用于在接觸發(fā)生時感測電參數(shù)的變化的電感測裝置。

該感測裝置可以包括被安排成用于聲學感測接觸發(fā)生的聲學感測裝置。

在該感測裝置包括一個電感測裝置的情況下，一個電信號可以被施加到該殼體部分和該內(nèi)部徑向軸承部分中的一個，并且當接觸發(fā)生時，此信號被檢測到存在于該殼體部分和該內(nèi)部徑向軸承部分中的另外一個中。在一些情況下，該電信號可以主要出于其它目的而被施加并且出于此目的而被附帶地使用。

該負載感測氣體軸承心軸裝置可以包括電信號裝置，用于將電信號施加到該殼體部分和該內(nèi)部徑向軸承部分中的一個。

該負載感測氣體軸承心軸裝置可以包括電信號檢測裝置，用于檢測該殼體部分和該內(nèi)部徑向軸承部分中的一個中的電信號，作為所述接觸的指示符。

該內(nèi)部徑向軸承部分可以具有一個連接到其的電引線，用于施加信號和/或檢測施加的信號時使用。

該聲學感測裝置可以包括一個加速計，該加速劑被安排成用于檢測該心軸中的振動作為所述接觸發(fā)生的結(jié)果。該聲學感測裝置可以包括處理裝置，該處理裝置被安排成分析檢測的振動，并且基于檢測的振動中的預定特性的存在來確定接觸的發(fā)生。

至少一個o形環(huán)可以被布置在該殼體部分和該內(nèi)部徑向軸承部分之間，以便提供其間的彈性安裝。

該負載感測氣體軸承心軸裝置可以包括一個控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)被安排成根據(jù)該感測裝置的輸出來該控制心軸裝置的操作。

根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種氣體軸承組件，其包括一個殼體部分和一個內(nèi)部徑向軸承部分，該內(nèi)部徑向軸承部分被布置在該殼體部分內(nèi)并且通過布置在該殼體部分和該內(nèi)部徑向軸承部分之間的至少兩個o形環(huán)相對于該殼體部分彈性安裝，該內(nèi)部徑向軸承部分包括一個具有用于面向軸的軸承面的部分，并且包括一個用于附接電引線的引線附接點。

根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種用于與具有軸頸支撐在氣體軸承組件內(nèi)的軸的氣體軸承心軸一起使用的負載感測氣體軸承心軸套件，該套件包括，感測裝置和改進的氣體軸承組件，其中，該改進的軸承組件包括一個殼體部分和一個布置在該殼體部分內(nèi)并且相對于該殼體部分彈性安裝的內(nèi)部徑向軸承部分，該內(nèi)部徑向軸承部分包括一個具有用于面向該軸的軸承面的部分，其中

該軸承組件被安排成使得，由于該彈性安裝，該內(nèi)部徑向軸承部分將響應于該軸上的徑向負載而經(jīng)歷相對于該殼體部分的徑向位移，以及

該感測裝置被安排成用于感測所述徑向位移。

根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供一種用于與具有軸頸支撐在氣體軸承組件內(nèi)的軸的氣體軸承心軸一起使用的負載感測氣體軸承心軸套件，該套件包括，

感測裝置和改進的氣體軸承組件，其中，

該改進的軸承組件包括一個殼體部分和一個布置在該殼體部分內(nèi)并且相對于該殼體部分彈性安裝的內(nèi)部徑向軸承部分，該內(nèi)部徑向軸承部分包括一個具有用于面向該軸的軸承面的部分，以及

該殼體部分和該內(nèi)部徑向軸承部分具有相應的接觸表面，用于當該軸上的徑向負載達到閾值時彼此機械接觸，并且當該徑向負載在所述閾值以下時彼此間隔，以及

該感測裝置被安排成用于感測這樣的接觸何時發(fā)生。

根據(jù)本發(fā)明的第六方面，提供包括控制系統(tǒng)和如上文所限定的負載感測氣體軸承心軸裝置的機械加工設(shè)備，其中該軸被安排成承載一個機械加工工具，并且該控制系統(tǒng)被安排成控制該設(shè)備的機械加工操作，根據(jù)感測裝置的輸出，使用一個承載的工具執(zhí)行所述機械加工操作。

該機械加工設(shè)備可以是研磨機器。

根據(jù)本發(fā)明的第七方面，提供一種感測氣體軸承心軸中的負載的方法，該心軸包括一個氣體軸承組件和一個軸頸支撐在該氣體軸承組件內(nèi)的軸，該軸承組件包括一個殼體部分和一個布置在該殼體部分內(nèi)并且相對于該殼體部分彈性安裝的內(nèi)部徑向軸承部分，該內(nèi)部徑向軸承部分包括一個具有面向該軸的軸承面的部分，

其中該軸承組件被安排成使得，由于該彈性安裝，該內(nèi)部徑向軸承部分響應于該軸上的徑向負載而經(jīng)歷相對于該殼體部分的徑向位移，并且該方法包括感測所述徑向位移從而感測該軸承上的負載的步驟。

按照本發(fā)明的第一和第二方面所描述的可選特征，能夠同樣地可應用作為用于彼此的可選特征和用于本發(fā)明的任何或所有其他方面的可選特征，必要時通過措辭的改變。僅為了簡明起見，這些特征在本發(fā)明的每個方面之后未被重復。

現(xiàn)將參考附圖僅通過實施例的方式描述本發(fā)明的實施方案，其中：

圖1以高度示意的形式示意性地示出了包括負載感測氣體軸承心軸裝置的研磨機器；

圖2示出了穿過圖1中示出的研磨機器的負載感測氣體軸承心軸裝置的截面；

圖3a示意性地示出了未在過度負載下時在圖2中示出的心軸中包括的一個徑向氣體軸承的部分；

圖3b示出了未在過度負載下時在圖3a中示出的徑向氣體軸承的部分的放大細節(jié)；

圖3c示出了當在超過預定值的負載下時在圖3a中示出的相同的氣體軸承部分；

圖3d示出了當在超過預定值的負載下時在圖3c中示出的徑向軸承的部分的放大細節(jié)；以及

圖4示出了是圖3a到圖3d的主題的徑向氣體軸承的內(nèi)部徑向軸承部分(其中省略了o形環(huán))。

圖1以高度示意的形式示出了研磨機器1，其包括負載感測氣體軸承心軸裝置2(在此實施方案中，空氣軸承心軸裝置)和控制系統(tǒng)8，用于控制該負載感測氣體軸承心軸裝置2的操作。此外，研磨機器1包括典型的部件，諸如，用于驅(qū)動相對于機器1的其余部分驅(qū)動負載感測氣體軸承心軸裝置2的馬達和驅(qū)動系統(tǒng)、一個用于接受工件的平臺等。然而，該研磨機器的這些常規(guī)部件不與本發(fā)明特別相關(guān)，因此省略對這些部件的詳細敘述和描述。

負載感測氣體軸承心軸裝置2包括軸3，用于承載加工工具，在此實例中為磨盤4。軸3被軸頸支撐用以在心軸的剩余部分內(nèi)旋轉(zhuǎn)。在圖2中更詳細地示出了該氣體軸承心軸裝置本身。心軸裝置2包括一對軸向間隔的徑向空氣靜壓空氣軸承組件5、5’(在圖1中僅以高度示意的形式示出了其中一個，但在圖2中可以更詳細地看到兩個)。馬達6被設(shè)置在徑向空氣軸承5、5’之間，用于相對于該心軸的剩余部分旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動軸3。馬達6的構(gòu)造和操作是常規(guī)的并且在本發(fā)明中不具有特別相關(guān)性，因此省略對其進一步的描述。

在本實施方案中，每個徑向空氣軸承組件5、5’彼此略微不同，并且因此它們中的朝向該心軸的鼻狀物(nose)設(shè)置的第一個用參考數(shù)字5指定，而它們中的朝向該心軸的后部的第二個用參考數(shù)字5’指定。此外，使用相同的參考數(shù)字指示這些軸承組件中的每個上的對應的部分，除了撇號(’)被來指示屬于設(shè)置在該心軸的后部處的空氣軸承組件5’的那些部件。

每個徑向空氣軸承5、5’具有殼體部分51、51’，在所述殼體部分內(nèi)彈性安裝內(nèi)部徑向軸承部分52、52’。內(nèi)部徑向軸承部分52、52’具有面向軸3的軸承面52a、52a’。在使用時，在軸承面52a、52a’和軸3之間形成空氣(或氣體)膜以在軸3旋轉(zhuǎn)時支撐該軸3。

在內(nèi)部徑向軸承部分52、52’和殼體部分51、51’之間的彈性安裝由多個o形環(huán)53、53’提供。在空氣軸承組件5朝向心軸的鼻狀物設(shè)置的情況下，設(shè)置四個o形環(huán)53以給予殼體部分51和內(nèi)部徑向軸承部分52之間的彈性安裝。

另一方面，在軸承組件5’朝向心軸的后部設(shè)置的情況下，提供兩個o形環(huán)53’用于給予該彈性安裝。

心軸的后部處的空氣軸承組件5’與心軸的鼻狀物處的空氣軸承組件5的不同之處在于，它包括中間套筒部分54。因此，在心軸的后部處的空氣軸承組件5’中，內(nèi)部徑向軸承部分52’包括此中間套筒部分54和內(nèi)殼軸承部分55。冷卻劑通道56被設(shè)置在中間套筒部分54和內(nèi)殼軸承部分55之間。這些特征與本申請的主要主題不直接相關(guān)，而是用于例示可以在本發(fā)明技術(shù)中使用的空氣軸承裝置的一些不同形式。

在圖3a到圖3d中示意性地并且以放大的形式示出了朝向心軸的鼻狀物設(shè)置的空氣軸承組件5的部分，以使得可以更好地理解負載感測氣體軸承心軸裝置的操作。圖3a示出了殼體部分51的部分和內(nèi)部徑向軸承部分52的部分，并且圖3b示出了進一步放大的那些部分的一個更小的部分。圖3a和圖3b示出了空氣軸承上沒有負載或空氣軸承上僅有正常負載的情形。在這些情況下，借助于o形環(huán)53，內(nèi)部徑向軸承部分52與殼體部分51間隔并且機械地和電氣地隔離。在內(nèi)部徑向軸承部分52和殼體部分51之間的對應的空隙僅可以在圖3b中被清楚地看到。o形環(huán)53是彈性體材料的，諸如以提供電絕緣以及彈性安裝。應注意，內(nèi)部徑向軸承部分52的一些部分比其它部分更為朝向殼體部分51突出。在本實施方案中，這些部分表現(xiàn)為設(shè)置在o形環(huán)53的區(qū)域中的環(huán)狀突出部52b的形式。這些環(huán)狀突出部充當接觸表面，如果且當o形環(huán)53內(nèi)的彈力被克服時，所述接觸表面將與殼體部分51上的相對的接觸表面51b接觸。換句話說，當足夠的負載被傳遞到內(nèi)部徑向軸承部分52以將o形環(huán)53壓縮到預定程度時，設(shè)置在內(nèi)部徑向軸承部分52上的接觸部分52b將與殼體部分上的對應的接觸部分51b接觸。實際上，這在軸3經(jīng)受足夠的負載時發(fā)生，并且這通過軸3和軸承面52a之間的空氣膜傳輸?shù)絻?nèi)部徑向軸承部分52。此情形被例示在圖3c和3d中。

應理解，導致這樣的接觸發(fā)生所需的負載將由o形環(huán)53的性質(zhì)確定，包括它們的尺寸和制造它們的材料以及在靜止時設(shè)置在接觸表面51b、52b之間的空隙。此外，內(nèi)部徑向軸承部分52和殼體部分51之間的這樣的接觸是否發(fā)生在軸3和內(nèi)部徑向軸承部分52之間存在接觸之前由空氣軸承的相對剛度和彈性安裝的剛度連同相應的空隙確定。

實際上，這意味著，空氣軸承心軸可以被設(shè)計成使得，當軸3上的徑向負載在不足以導致軸3和軸承面52a之間的機械接觸的水平時，在內(nèi)部徑向軸承部分52和殼體部分51之間發(fā)生接觸。

在本實施方案中，負載感測氣體軸承心軸裝置2包括感測裝置7，用于感測內(nèi)部徑向軸承部分52和殼體部分51之間何時發(fā)生這樣的接觸。該感測裝置具有一個連接到研磨機器的控制系統(tǒng)8的輸出。這意味著，當感測裝置7感測到接觸時，控制系統(tǒng)8可以向操作者給予已經(jīng)發(fā)生接觸的指示符，或者在其他實施方案中可以導致該機器停止操作。

在另一些替代方案中，控制系統(tǒng)8可以被安排成記錄接觸事件，并且在已經(jīng)發(fā)生預定數(shù)目的接觸之后或者在已經(jīng)發(fā)生超過特定持續(xù)時間的接觸之后等，導致該機器的操作停止。

在本實施方案中，感測裝置7是電感測裝置。如僅在圖1和圖2中以示意的形式例示的，感測裝置7被安排成用于向心軸的主體施加電信號(實際連接可以是許多不同位置中的任何一個)，并且用于檢測電信號在內(nèi)部徑向軸承部分52中的存在。如上文提及的，在如圖3a和3b中示出的正常狀態(tài)下，內(nèi)部徑向軸承部分52與殼體部分51電氣隔離，并且因此與心軸的剩余部分電氣隔離。因此，當已經(jīng)發(fā)生接觸事件時，將僅在內(nèi)部徑向軸承部分52中感測到施加到心軸的主體的電信號。

因此，感測裝置7可以被安排成檢測任何這樣的信號，并且當在內(nèi)部徑向軸承部分52中檢測到任何信號時，輸出接觸事件已經(jīng)發(fā)生的指示符信號。

在本實施方案中，來自感測裝置7的電感測引線71被饋送通過空氣軸承的排氣口，并且經(jīng)由設(shè)置在內(nèi)部軸承部分的端部中的螺紋孔中的螺釘72連接，如圖4中例示的。

應理解，可以使用其他類似的檢測設(shè)置來實現(xiàn)相同的目的。此外，類似的檢測技術(shù)可以被用于檢測朝向心軸的后部設(shè)置的空氣軸承組件5’中的接觸事件。

空氣軸承組件的設(shè)計和安排，且特別是空氣軸承本身的相對剛度和空隙以及內(nèi)部徑向軸承部分52和殼體部分51之間的彈性安裝可以被選擇和被校準，以使得接觸事件是需要立即注意的重大負載的確認或者僅作為如果負載進一步增加會對該空氣軸承造成損害的早期警告信號。

在申請人考慮的一個具體實施例中，使用具有以下特性的空氣軸承心軸。軸3具有25mm的直徑，并且被支撐在一個具有100n的工作負載能力以及8n/μm的中心線剛度的空氣軸承內(nèi)。內(nèi)部徑向軸承部分52通過一個彈性體安裝件(一組o形環(huán))安裝，該彈性體安裝件具有2n/μm的徑向剛度，并且與殼體部分51的徑向空隙為40μm。使該軸以50,000rpm的速度旋轉(zhuǎn)來執(zhí)行研磨操作，其中側(cè)向負載是材料移除速率和研磨輪的鋒利度的乘積。在恒定的材料移除速率的情況下，隨著該輪因使用而退化，施加到旋轉(zhuǎn)軸3的徑向力增加。

徑向負載在新制成的輪和最佳饋送的情況下會有20n的徑向負載。這很好地在支撐軸3的空氣軸承的操作極限內(nèi)，并且導致內(nèi)部徑向軸承部分52相對于殼體部分51的徑向位移為10μm(20/2)，表示內(nèi)部徑向軸承部分52和殼體部分51之間的局部空隙的減小。

當研磨輪磨損時，由恒定的材料饋送速率造成的徑向力增加，以使得最終警告輪需要達到80n的負載。在這些條件下，內(nèi)部軸承部分52在彈性體安裝件中的徑向位移達到40μm(80/2)，并且徑向空隙下降到0，導致內(nèi)部徑向軸承部分52和殼體部分51之間的實際機械接觸。在這樣的情況下，當檢測到此接觸時，控制系統(tǒng)8可以被安排成插入以在電流切斷完成之后暫停操作，并且可以生成用于更換新制成的研磨輪的指令。

在此實施例中，空氣軸承從未負載超過其徑向容量的80％，并且因此被保護避免將在操作中由過載導致的損害。該研磨輪被消耗到由實際磨損而非預測確定的水平，從而使輪使用最大化而不損害生產(chǎn)率。

應理解，上文僅是一個實施例，并且在其它實施例中可以使用不同的尺寸、速度等，并且可以用在本發(fā)明中體現(xiàn)的心軸裝置來執(zhí)行除了研磨之外的操作。

在另一些替代方案中，不是提供感測內(nèi)部徑向軸承部分52和殼體部分51之間的接觸的簡單感測機構(gòu)，而是可以提供替代形式的感測裝置，該感測裝置被安排成測量內(nèi)部徑向軸承部分52相對于靜止位置的徑向位移，并且被安排成使用這些測量值來給出軸承正經(jīng)受的負載的指示。用這樣的裝置，控制系統(tǒng)8可以被安排成響應于得到的測量值發(fā)出不同水平的警告信號或操作改變。

在另一個替代方案中，不是使用電感測系統(tǒng)，而是可以使用替代的感測系統(tǒng)來檢測接觸事件并且，例如，可以使用聲學感測技術(shù)。在此，放置在心軸上的加速計可以被校準，以基于使用該加速計檢測到的振動來檢測和識別在內(nèi)部徑向軸承部分52和殼體部分51之間發(fā)生的接觸事件。此外，控制系統(tǒng)8在這樣的情況下可以包括分析模塊，用于分析所接收的振動并且使它們與接觸事件的已知特性匹配。