CN101458157B - 高速主轴动态性能综合测试的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速主轴动态性能综合测试的实验装置，包括主轴，其被安装在一个主轴定位座上，主轴定位座与主轴安装板固连，主轴安装板在平行于主轴轴向的两侧边由限位及固定组件实现主轴安装板的固定和限位；主轴安装板通过密珠支撑结构与铸造基台连接使主轴安装板在水平面内自由；主轴安装板上设有振动测件，铸造基台上设有振动支架，主轴前端连接一个HSK测试头，相对该HSK测试头的主轴安装板上设置带有传感器端盖的传感器支座，通过安装在其上的分度盘可连接三个位移传感器，在垂直于HSK测试头端面的传感器端盖上可连接一个位移传感器。采用本发明实验台可同时完成主轴多个测试项目，大大提高了高速主轴性能测试的集成程度和使用灵活性。

Description

高速主轴动态性能综合测试的实验装置 

技术领域

本发明涉及一种高速主轴动态性能综合测试的实验装置。 

背景技术

目前高速(转速超过10000r/min)主轴动态性能测试的试验装置存在如下缺点： 

1、现有高速主轴动态性能测试平台往往只能测试高速主轴某一项性能，功能过于单一，其集成度有待提高； 

2、数据采集过程复杂，数据处理过于粗糙，且不能在线处理、显示，提高主轴动态性能测试系统的自动化程度是当务之急； 

3、主轴动态性能测试平台结构设计不完善，无法实现主轴多方位安装，并测试在不同安装方式下主轴动态性能，无法完成主轴侧边振动实验，且平台精度不够，引入误差较大。 

4、对于主轴最关键性能参数之一的轴心轨迹的测试，传统方法受高精度的测试基准(精密心棒、标准球等)的限制，并不适用于高精度主轴的测试，而反向法和多步法等误差分离技术(Error Separation Technique，即EST)只能测试主轴一个方向的回转误差，其操作过程也并不适用于高速回转下的主轴。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种适于高速主轴动态性能综合测试的试验装置，可克服现有的高速主轴性能测试自动化程度不够，集成度太低的缺点，可同时进行多项实验，显著提高了高速主轴动态性能测试的集成程度和使用灵活性。 

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的： 

一种高速主轴动态性能综合测试的实验装置，包括主轴，其特征在于，主轴被安装在一个主轴定位座上，主轴定位座与主轴安装板固连，主轴安装板在平行于主轴轴向的两侧边由限位及固定组件实现不测试侧边振动时主轴安装板的固定和测试侧边振动时主轴安装板的限位；主轴安装板通过密珠支撑结构与铸造基台连接使测试侧边振动时主轴安装板在水平面内自由；主轴安装板上设有振动测件，铸造基台上设有振动支架，其上可安装用以检测主轴侧边振动的位移传感器与振动测件相接触；主轴前端连接一个HSK测试头，相对该HSK测试头的主轴安装板上设置带有传感器端盖的传感器支座，通过安装在其上的分度盘可连接三个测试回转误差的位移传感器，用于以HSK测试头作为测试基准通过误差分离测试主轴圆度误差及轴心轨迹；在垂直于HSK测试头端面的传感器端盖上可连接一个热位移传感器用于测试主轴轴向热位移。 

上述方案中，所述主轴表面沿轴向设有七个不同的环形测温区域，每个环形测温区域可贴装一至四路热电偶触头，七个不同的环形测温区域具体位置为主轴前端轴承、后端轴承的位置各分布两个；主轴主体轴向分布三个。所述主轴被安装在主轴定位座上是通过安装法兰后端面与定位座前端面的配合、主轴外圆柱面与安装座的安装内孔的配合实现的。所述分度盘在一个圆截面内加工三个夹角满足 

和 

的螺纹孔，用以安装测试轴心轨迹的位移传感器。所述传感器支座侧面的主轴安装板上设置定位块，用以减小和消除偏心误差和偏角误差。所述限位及固定组件包括与铸造基台连接的支块、与主轴安装板连接的侧边定位块，通过一个压板将侧边定位块压紧在定位块上。主轴定位座上设有吊环螺钉，当主轴安装板竖直立起时，通过吊环螺钉及吊索提供拉力，使实验台可模拟高速主轴竖立模式下的工作状态。所述密珠支撑结构，包括与主轴安装板连接的密珠上板、与铸造基台连接密 珠下板、密珠上、下板之间的密珠轴承板。所述HSK测试头的一端为标准的HSK-E63刀柄结构，另一端为测试主轴回转误差和轴向位移的圆柱部分。刀柄部分设计采用了DIN标准，其动平衡按ISO1940-1 G2.5标准。 

本发明与现有技术相比，具有以下优点： 

1、采用本发明高速主轴动态性能综合测试的实验装置可同时进行多项(检测轴心轨迹位移、检测轴向位移、检测侧边振动、主轴轴承温升、整体温升)实验，显著提高了测试系统的集成度。 

2、采用高速主轴动态性能综合测试的实验装置有效提高了高速主轴性能测试的自动化程度和使用灵活性。 

3、克服了现有主轴性能测试实验台结构精度不高的缺点，本发明试验装置可以模拟高速主轴在水平或竖立模式下的工作状态，且在测试主轴侧边振动时，主轴平台能实现在水平面内自由运动。 

附图说明

图1为本发明高速主轴动态性能综合测试的实验装置结构图。图中：1、主轴；2、主轴定位座；3、适配HSK测试头；4分度盘；5、传感器支座；6、位移传感器；7、传感器端盖；8、定位块；9、定位销；10、主轴安装板；11、铸造基台；12、密珠上板；13、密珠下板；14、限位块；15、密珠轴承板；16、支块；17、侧边定位块；18、压板；19、侧边传感器支座；20、振动测件；21、吊环螺钉。 

图2为图1中的HSK-E63测试头的结构图。 

图3为图1中的主轴安装座的结构图。 

图4为图1中的传感器支座的结构图。 

图5为图1中的位移传感器6的安装图。 

图6为本发明图1实验装置的测试系统原理图。 

图7为图1中的主轴1外部温度测量测温点分布示意图。图中TR1-TR7为主轴温升不同的环形测温区域。 

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。 

参照图1所示，测试实验台主要用来安装和支撑测试对象和测试传感器，并保证其相对位置满足测试所需的要求。测试对象的固定和安装由主轴定位座2实现，而测试回转误差的位移传感器6的安装则由传感器支座5实现，其中，位移传感器6的安装和定位由传感器支座上的分度盘4实现。 

主轴实验台可分为以下四个部分： 

1)限位及悬吊部分：包括支块16、侧边定位块17、压板18、吊环螺钉21以及安装螺钉等，实现在不测试侧边振动时主轴部分的固定、测试振动时主轴部分的限位以及在竖立试验台时主轴定位座2的承拉装配； 

2)平移部分：采用密珠支撑结构，包括密珠上板12、密珠轴承板15、密珠下板13和限位块14等，保证主轴运转时可在水平面内自由，以便测试振动； 

3)振动测试部分：包括振动支架19和振动测件20。在振动支座19上安装测试传感器，振动测件20为探头检测元件，由测试传感器的标定材料加工而成； 

4)误差测试部分：包括HSK测试头3、分度盘4、传感器支座5、传感器端盖6等。HSK测试头3安装在主轴1的前端，通过安装在分度盘4上的三个位移传感器6测试主轴的回转误差；通过安装在传感器端盖7上的一个轴向热位移传感器测试主轴轴向位移。该测试实验台具有测试精度高、测试功能扩展性好的特点。 

参照图2所示，由于主轴前端为HSK-E63刀具接口，考虑到频域三点法对测试基准的要求，普通刀具上的刀柄部分并不能满足，所以根据需要设计了HSK(空心短锥刀柄)测试头作为测试基准。该测试头的一端为标准的HSK-E63刀柄结构(图2方框中的部分)，另一端为测试主轴回转误差和轴向位移圆柱部分。由于高速主轴的回转精度较高，就必须对该圆柱部分的圆柱面跳动和端面跳动提出较高的加工要求，以保证测试主轴的回转误差和轴向误 差时，测试传感器采集到的信号不被被测试圆截面的圆度误差和端面的制造误差所湮没，应用三点法时能较好的将其分离出来。 

该刀柄部分设计有ISO12164和DIN69693两种标准，其中按ISO标准制造的HSK工具系统性能更稳定、更适合重载加工；按DIN标准制造的HSK工具系统则更适合轻载、高速加工。在测试中并不进行实际加工，所以设计中采用了DIN标准，其动平衡按ISO1940-1 G2.5标准，这也是高速工具系统推荐的动平衡精度等级。 

参照图3所示，实验台必须首先保证被测高速主轴的固定可靠。主轴1采用8个M8的螺钉固定到主轴定位座2上，依靠安装法兰后端面与定位座2前端面的配合、主轴外圆柱面与定位座2的安装内孔的配合实现主轴到主轴安装座2的完全定位。主轴定位座2则用4个M12的螺钉固定于主轴安装板10上，并在两侧打销钉固定。 

参照图4、图5所示，传感器支座5用以安装和支撑分度盘4和传感器端盖7，并在装配中进行调整以保证分度盘4轴线和主轴1轴线一致。配做与主轴1轴线等高的传感器支座5并在侧面设置定位块8(图1)得到减小和消除偏心误差和偏角误差。 

3个测试回转误差的位移传感器6采用电涡流位移传感器，安装角度须满足 ${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{BA}}=\frac{\mathrm{\π}}{2}$ 和 ${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{CA}}=\frac{31\mathrm{\π}}{32};$ 位移传感器6的安装由分度盘4、传感器端盖7和传感器支座5三个零件完成；根据三点法要求，在分度盘4的一个圆截面内加工三个满足上述安装角度要求的、精确夹角的螺纹孔，用以安装回转测试传感器。理想情况下，位移传感器6的定位有轴向、径向和角度三个要求。轴向要求传感器的安装轴线必须在与主轴轴线垂直的同一个圆截面内，径向要求传感器的安装轴线必须相交于主轴轴线和该圆截面的交点，角度要求是三个传感器间的夹角必须精确而确定。因此，对传感器支座和分度盘的加工和装配要达到尽可能高的精度。 

参照图6所示，基于图1本发明实验装置的高速主轴动态性能综合测试 系统以高速主轴运行时随主轴电机转子回转的空心主轴为被测对象，通过五路电涡流位移传感器测量空心主轴表面到探头表面的间隙变化，并将采集到的模拟电压信号通过信号调理模块与高速数据采集卡接线端子相连，通过高速数据采集卡进行A/D转换，变为数字位移信号后通过PCI插槽送入工控机进行数据分析处理和显示。五路电涡流位移传感器中，将三个用以检测轴心轨迹的电涡流位移传感器安装在分度盘4上，以HSK测试头3作为测试基准，采集电涡流传感器信号，通过误差分离得出主轴圆度误差及轴心轨迹。在传感器端盖7上，垂直于HSK测试头端面安装用以检测轴向位移的一个电涡流位移传感器，并采集该传感器信号，与主轴温升分布共同得到轴向热位移，轴向热位移测试与温升实验同时开始、同步采集。通过水平仪将主轴安装板10调整至水平，并去除限位组件，使主轴安装板10可以在平面上自由振动，然后将一个电涡流位移传感器固定在侧边传感器支座19上，对振动测件20进行测试，采集传感器的信号，得到主轴的侧边振动信息。 

图6测试系统中，选用米铱Micro-Epsilon电涡流系列精密位移传感器作为测试传感器、研华PCI系列高速型多功能数据采集卡作为主要测试工具，并结合自主开发的测控软件，应用基于误差分离技术的频域三点法对高速主轴进行径向回转误差的测试与分析。可完成传感器采集数据的滤波处理、传感器的动态标定、圆周采样点数的识别、传感器间夹角的精确测量，减小了由于测试系统设计、硬件性能和环境干扰引入的误差。 

参照图7所示，基于图1本发明实验台的测试系统通过温度采集模块和热电偶对主轴表面的温度进行采集，并将采集到的模拟电压信号通过温度数据采集模块，将温度信号通过RS485送入工控机进行数据处理和显示。在针对高速主轴的温升实验中，主轴1外表面共贴装了28路K型热电偶触头，分别监测主轴前端轴承、主轴主体、主轴后端轴承及实验环境的温度变化。通过ANSYS软件分析了高速主轴在高速运转情况下，其内部温度的变化以及由热引起的结构变化情况得出，对主轴的温度，若不拆卸，仅限于外部测量，外部温升不会超过40摄氏度。在仅对主轴外表面测量时，因其为高导热材料，温度梯度不大，所以可以分7个测温区域TR1-TR7，具体分布如图7。每个 测量区域均为一个绕主轴径向的环形圆周区，所以在布置热电偶触头的时候，可以将电偶触头布置在各温度区圆周上对称主轴轴线的任一位置(图中温度测点)，获得这个圆周截面的温度。这样就增强了测点布置的灵活性。 

Claims (9)

1.一种高速主轴动态性能综合测试的实验装置，包括主轴(1)，其特征在于，主轴(1)被安装在一个主轴定位座(2)上，主轴定位座(2)与主轴安装板(10)固连，主轴安装板(10)在平行于主轴轴向的两侧边由限位及固定组件实现不测试侧边振动时主轴安装板(10)的固定和测试侧边振动时主轴安装板(10)的限位；主轴安装板(10)通过密珠支撑结构与铸造基台(11)连接使测试侧边振动时主轴安装板(10)在水平面内自由；主轴安装板(10)上设有振动测件(20)，铸造基台上设有振动支架(19)，其上安装用以检测主轴侧边振动的位移传感器与振动测件(20)相接触；主轴(1)前端连接一个空心短锥刀柄测试头(3)，相对该空心短锥刀柄测试头(3)的主轴安装板(10)上设置带有传感器端盖(7)的传感器支座(5)，通过安装在其上的分度盘(4)可连接三个测试回转误差的位移传感器(6)，用于以空心短锥刀柄测试头(3)作为测试基准通过误差分离测试主轴圆度误差及轴心轨迹；在垂直于空心短锥刀柄测试头(3)端面的传感器端盖(7)上连接一个热位移传感器用于测试主轴轴向热位移。

2.根据权利要求1所述的高速主轴动态性能综合测试的实验装置，其特征在于：所述主轴(1)表面沿轴向设有七个不同的环形测温区域，每个环形测温区域贴装一至四路热电偶触头，七个不同的环形测温区域具体位置为主轴前端轴承、后端轴承的位置各分布两个；主轴主体轴向分布三个。

3.根据权利要求1所述的高速主轴动态性能综合测试的实验装置，其特征在于：所述主轴(1)被安装在主轴定位座(2)上是通过安装法兰后端面与定位座前端面的配合、主轴外圆柱面与安装座的安装内孔的配合实现的。

4.根据权利要求1所述的高速主轴动态性能综合测试的实验装置，其特征在于：所述分度盘(4)在一个圆截面内加工三个夹角满足

和

的螺纹孔，用以安装测试回转误差的位移传感器。

5.根据权利要求1所述的高速主轴动态性能综合测试的实验装置，其特征在于：所述传感器支座(5)侧面的主轴安装板(10)上设置定位块(8)，用以减小和消除偏心误差和偏角误差。

6.根据权利要求1所述的高速主轴动态性能综合测试的实验装置，其特征在于：主轴定位座(2)上设有吊环螺钉(21)，当主轴安装板(10)竖直立起时，通过吊环螺钉(21)及吊索提供拉力，使实验台可模拟高速主轴竖立模式下的工作状态。

7.根据权利要求1所述的高速主轴动态性能综合测试的实验装置，其特征在于：所述密珠支撑结构，包括与主轴安装板(10)连接的密珠上板(12)、与铸造基台(11)连接密珠下板(13)，密珠上、下板(12、13)之间通过密珠轴承板(15)连接。

8.根据权利要求1所述的高速主轴动态性能综合测试的实验装置，其特征在于：所述空心短锥刀柄测试头的一端为标准的HSK-E63刀柄结构，另一端为测试主轴回转误差和轴向位移的圆柱部分。

9.根据权利要求8所述的高速主轴动态性能综合测试的实验装置，其特征在于：所述空心短锥刀柄测试头的刀柄部分设计采用了DIN标准，其动平衡按IS01940-1 G2.5标准。

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