发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种可以进行模拟工况载荷条件下机床主轴热误差测试试验方法,用于研究机床主轴在工况载荷下的热态特性和热误差。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:一种模拟工况载荷条件下机床主轴热误差测试试验方法,在机床主轴空载运行的情况下,采用主轴热误差测试试验系统测量机床主轴待测部位的温度和热误差,所述机床主轴待测部位的温度通过安装在待测部位的热电阻来测量,所述机床热误差通过安装在传感器支架上的电涡流位移传感器感应所述电涡流位移传感器与安装在所述机床主轴上的检验棒之间的相对距离变化来实现;机床主轴采用模拟工况载荷主轴加载装置模拟工况载荷进行加载,所述主轴加载装置包括力矩载荷加载装置和径向力载荷加载装置;所述力矩载荷加载装置包括磁粉制动器,所述磁粉制动器安装在加载装置支架上,所述磁粉制动器通过导向键和所述检验棒连接,所述检验棒与所述主轴连接,所述磁粉制动器通过所述导向键和所述检验棒将模拟力矩载荷施加到所述主轴上;所述径向力载荷加载装置包括拉压力计,所述拉压力计安装在径向力加载装置支承体上,所述径向力加载装置支承体与所述加载装置支架固定连接,所述拉压力计设有受拉端和受压端,所述拉压力计的受拉端设有径向力调整螺栓,所述拉压力计受压端设有径向力导杆,所述径向力导杆的远拉压力计端安装有滚动轴承,所述滚动轴承与所述检验棒滚动连接,所述径向力调整螺栓通过挤压所述拉压力计产生模拟径向力载荷并通过所述径向力导杆、所述滚动轴承和所述检验棒施加到所述主轴上;1)在机床主轴空载运行的情况下,在所述机床主轴待测部位的温度超过环境温度并稳定后,所述电涡流位移传感器测得机床主轴在空载状态下的热误差;2)在机床主轴运行的情况下,在所述机床主轴待测部位的温度保持为环境温度时,采用所述力矩载荷加载装置对机床主轴施加模拟力矩载荷,所述电涡流位移传感器测得机床主轴在模拟力矩载荷作用下的载荷变形误差;3)在机床主轴运行的情况下,在所述机床主轴待测部位的温度保持为环境温度时,采用所述径向力载荷加载装置通过所述检验棒对机床主轴施加模拟径向力载荷,所述电涡流位移传感器测得机床主轴在模拟径向力载荷作用下的载荷变形误差;4)在机床主轴运行的情况下,在所述机床主轴待测部位的温度保持为环境温度时,采用所述力矩载荷加载装置和所述径向力载荷加载装置通过所述检验棒对机床主轴同时施加模拟力矩载荷和模拟径向力载荷,所述电涡流位移传感器测得机床主轴在模拟力矩载荷和模拟径向力载荷共同作用下的载荷变形误差;5)在机床主轴运行的情况下,采用所述力矩载荷加载装置对机床主轴施加模拟力矩载荷,在所述机床主轴待测部位的温度超过环境温度并稳定后,所述电涡流位移传感器测得机床主轴在模拟力矩载荷作用下的综合误差;6)在机床主轴运行的情况下,采用所述径向力载荷加载装置对机床主轴施加模拟径向力载荷,在所述机床主轴待测部位的温度超过环境温度并稳定后,所述电涡流位移传感器测得机床主轴在模拟径向力载荷作用下的综合误差;7)在机床主轴运行的情况下,采用所述力矩载荷加载装置和所述径向力载荷加载装置通过所述检验棒对机床主轴同时施加模拟力矩载荷和模拟径向力载荷,在所述机床主轴待测部位的温度超过环境温度并稳定后,所述电涡流位移传感器测得机床主轴在模拟力矩载荷和模拟径向力载荷共同作用下的综合误差;8)用步骤5)测得的综合误差减去步骤2)测得的载荷变形误差获得模拟力矩载荷作用下机床主轴的综合热误差,所述模拟力矩载荷作用下机床主轴的综合热误差减去步骤1)测得的机床主轴空载工况下的主轴热误差获得模拟力矩载荷作用下的机床主轴附加热误差;9)用步骤6)测得的综合误差减去步骤3)测得的载荷变形误差获得模拟径向力载荷作用下机床主轴的综合热误差,所述模拟径向力载荷作用下机床主轴的综合热误差减去步骤1)测得的机床主轴空载工况下的主轴热误差获得模拟径向力载荷作用下的机床主轴附加热误差;10)用步骤7)测得的综合误差减去步骤4)测得的载荷变形误差获得模拟力矩载荷和模拟径向力载荷共同作用下机床主轴的综合热误差,所述模拟力矩载荷和模拟径向力载荷共同作用下机床主轴的综合热误差减去步骤1)测得的机床主轴空载工况下的主轴热误差获得模拟力矩载荷和模拟径向力载荷共同作用下的机床主轴附加热误差。
所述传感器支架设置有立式安装面和水平安装面;所述加载装置支架设置有立式安装面和水平安装面。
所述热电阻通过磁座安装在所述主轴的待测部位,所述磁座包括固定套和磁套,所述热电阻与所述固定套螺纹连接,所述磁座通过所述磁套的磁力吸附在所述主轴表面;所述热电阻的测试端与主轴被测部位表面接触,或者嵌装在所述主轴被测部位设置的测量孔内,并与所述测量孔底面接触。
所述径向力导杆装在径向力导套内,所述径向力导套固接在所述径向力加载装置支承体上。
本发明具有的优点和积极效果是:
1)主轴模拟工况载荷加载与主轴的待测部位温度、热误差测量同步进行,可获得近似真实加工工况条件下的主轴热态特性和热误差模型,为机床主轴的精度预测、精度设计和误差补偿提供了一种切实可行的试验方法;
2)由磁粉制动器产生的模拟力矩载荷可以通过励磁电流来调节载荷大小,由拉压力计产生的模拟径向力载荷可以通过径向力调整螺栓的位移变化调节载荷大小,通过模拟力矩载荷和模拟径向力载荷的组合,可以模拟出机床主轴的多种工况载荷;
3)通过空载工况下的机床主轴热误差测试试验结果和多种模拟工况载荷下的机床主轴热误差测试试验结果的对比分析,为研究机床主轴载荷-结构-热耦合效应提供了一种有效的试验研究方法。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效,兹例举以下实施例,并配合附图详细说明如下:
一种模拟工况载荷条件下机床主轴热误差测试试验方法,采用模拟工况载荷主轴加载装置进行加载,采用主轴热误差测试试验系统测量机床主轴待测部位的温度和热误差;请参阅图1~图8,上述模拟工况载荷主轴加载装置和主轴热误差测试试验系统,试验时,安装在主轴试验台2上或机床工作台10上。其中,模拟工况载荷主轴加载装置包括模拟力矩载荷加载装置8和模拟径向力载荷加载装置7两部分。
上述模拟力矩载荷加载装置包括磁粉制动器13,磁粉制动器13安装在加载装置支架11上,通过导向键12和检验棒6连接,检验棒6与主轴1连接,磁粉制动器13通过导向键12、检验棒6将模拟力矩载荷施加到主轴1上;通过调节磁粉制动器13励磁电流的大小,可以线性调节模拟力矩载荷的大小。
上述模拟径向力载荷加载装置包括拉压力计16,拉压力计16安装在径向力加载装置支承体19内,拉压力计16设有受拉端和受压端,拉压力计16的受拉端设有径向力调整螺栓14,拉压力计16的受压端设有径向力导杆17,径向力导杆17的另一端通过销轴21安装有滚动轴承20,滚动轴承20与检验棒6滚动连接。为了使径向力调整螺栓14施加给拉压力计16的径向力均匀传递,在径向力调整螺栓14和拉压力计16之间设有活动挡板15,活动挡板15滑动连接在径向力加载装置支承体19上。通过旋转径向力调整螺栓14,可以线性调节模拟径向力载荷的大小。为了稳定可靠的传递模拟径向力载荷,径向力导杆17装在径向力导套18内,径向力导套18固接在径向力加载装置支承体19上。
主轴热误差测试试验系统包括传感器安装子系统和试验数据采集分析子系统。其中传感器安装子系统包括安装在主轴1待测部位的热电阻5和安装在传感器支架3上的电涡流位移传感器9。
上述热电阻5安装在磁座4内,磁座4包括磁套22和固定套23,磁套22固装在固定套23内的下部,固定套23内的上部设有螺纹,用于连接热电阻5,热电阻5的测试端与主轴被测部位接触或嵌装在主轴被测部位设置的测量孔内,实现主轴被测部位的温度测量。磁座4通过磁套22的磁力吸附在主轴上。上述热电阻5与数据采集系统连接,数据采集系统将数据传输到计算机进行分析处理。
上述电涡流位移传感器9安装在传感器支架3上,5个电涡流位移传感器9的安装位置参照国家标准《GB/T 17421.3-2009机床检验通则第3部分:热效应的确定》确定,上述5个电涡流位移传感器9与位移测试仪连接,位移测试仪与数据采集系统连接,数据采集系统将数据传输到计算机进行分析处理。上述主轴热误差测试系统与主轴空载状态下的热误差测试系统相同,在此不再详述。
上述主轴热误差测试试验系统通过安装在传感器支架3上的电涡流位移传感器9与检验棒6非接触测量主轴热误差,传感器支架3设置有立式安装面3-1和水平安装面3-2;加载装置支架11设置有立式安装面11-1和水平安装面11-2。因此,本发明不需要其它辅助安装支架,即可适用于立式安装或者卧式安装的机床主轴的模拟工况载荷条件下的模拟加载和热误差测量;通过将传感器支架的水平安装面3-2和加载装置支架的水平安装面11-2与机床工作台或主轴试验台固定连接安装,本发明可适用于卧式安装机床主轴的模拟工况载荷条件下热误差试验;通过将传感器支架的立式安装面3-1和加载装置支架的立式安装面11-1与机床工作台或主轴试验台固定连接安装,本发明可适用于立式安装机床主轴的模拟工况载荷条件下热误差试验。
本发明的主轴热误差测试试验系统通过安装在主轴待测部位的热电阻5测量温度,通过安装在传感器支架3上的电涡流位移传感器9与检验棒6非接触测量主轴热误差,模拟工况载荷主轴加载装置与主轴热误差测试试验系统同时安装在机床工作台10或主轴试验台上2,模拟工况载荷主轴加载装置通过与检验棒6接触对主轴1施加模拟工况载荷,在主轴热误差测试试验过程中,采用模拟工况载荷主轴加载装置同时对所述机床主轴施加模拟工况载荷,使得所述机床主轴模拟工况载荷加载和热误差测量可以同步进行。
本发明用于模拟工况载荷条件下机床主轴热误差试验方法包括以下步骤:
1)使机床主轴1在真实加工过程中所采用的转速进行运转,而不增加模拟力矩载荷和模拟径向力载荷,使机床在空载工况下连续运行,用热电阻5测量机床主轴待测部位的温度,用安装在传感器支架3上的电涡流位移传感器9测量检验棒6待测部位的热偏移,直至机床主轴1待测部位温度和检验棒6待测部位三个方向的热偏移处于一种不再变化的稳定状态,然后让机床主轴1停止运转,自然冷却到机床主轴1待测部位温度与环境温度相同,获得机床主轴1空载工况下的主轴热场分布和热误差;
在机床主轴空载运行的情况下,采用主轴热误差测试试验系统测量机床主轴待测部位的温度和热误差,机床主轴待测部位的温度通过安装在待测部位的热电阻来测量,机床热误差通过安装在传感器支架上的电涡流位移传感器感应电涡流位移传感器与安装在机床主轴上的检验棒之间的相对距离变化来实现;
2)在机床主轴1刚开始以真实加工过程中所采用的转速运转,在机床主轴待测部位的温度保持为环境温度时,利用力矩载荷加载装置8通过导向键11和检验棒6对机床主轴1施加模拟力矩载荷,测量检验棒6三个方向的误差,获得机床主轴1在模拟力矩载荷作用下的载荷变形误差;
3)在机床主轴1刚开始以真实加工过程中所采用的转速运转,在机床主轴待测部位的温度保持为环境温度时,利用径向力载荷加载装置7通过检验棒6对机床主轴1施加模拟径向力载荷、测量检验棒6三个方向的误差,获得机床主轴1在模拟径向力载荷作用下的载荷变形误差;
4)在机床主轴1刚开始以真实加工过程中所采用的转速运转,在机床主轴待测部位的温度保持为环境温度时,分别利用力矩载荷加载装置8和径向力载荷加载装置7同步施加模拟力矩载荷和模拟径向力载荷,测量检验棒6三个方向的误差,获得机床主轴1在模拟力矩载荷和模拟径向力载荷综合作用下的载荷变形误差;
5)使机床主轴1以真实加工过程中所采用的转速运转,利用力矩载荷加载装置8通过导向键11和检验棒6对机床主轴1施加模拟力矩载荷,利用步骤1)的方法测量机床主轴在模拟力矩载荷作用下待测部位的温度变化和检验棒6待测部位三个方向的综合误差;
6)让机床主轴1以真实加工过程中所采用的转速运转,利用径向力载荷加载装置7通过检验棒6对机床主轴1施加模拟径向力载荷,利用步骤1)的方法测量机床主轴在模拟径向力载荷作用下待测部位的温度变化和检验棒6待测部位三个方向的综合误差;
7)让机床主轴1以真实加工过程中所采用的转速运转,利用力矩载荷加载装置8和径向力载荷加载装置7通过检验棒6同时对机床主轴1施加模拟力矩载荷和模拟径向力载荷,利用步骤1)的方法测量机床主轴在模拟力矩载荷和模拟径向力载荷综合作用下待测部位的温度变化和检验棒6待测部位三个方向的综合误差;
8)用步骤5)所获得的机床主轴综合误差结果,减去步骤2)所获得的模拟力矩载荷引起的机床主轴的载荷变形误差,即为模拟力矩载荷作用下机床主轴1的综合热误差,用综合热误差与步骤1)所获得的机床主轴1空载工况下的主轴热场分布和热误差进行对比分析,可以获得由于模拟力矩载荷作用所引起的附加热误差,此为力矩载荷与主轴电机发热耦合效应作用所引起;
9)用步骤6)所获得的机床主轴综合误差结果,减去步骤3)所获得的模拟径向力载荷引起的机床主轴的载荷变形误差,即为模拟径向力载荷作用下机床主轴1的综合热误差,用综合热误差与步骤1)所获得的机床主轴1空载工况下的主轴热场分布和热误差进行对比分析,可以获得由于模拟径向力载荷作用所引起的附加热误差,此为径向力载荷与主轴轴承发热耦合效应作用所引起;
10)用步骤7)所获得的机床主轴综合误差结果,减去步骤4)所获得的模拟力矩载荷和模拟径向力载荷综合作用下的载荷变形误差,即为模拟工况载荷作用下机床主轴1的综合热误差,用综合热误差与步骤1)所获得的机床主轴1空载工况下的主轴热场分布和热误差进行对比分析,可以获得由于模拟工况载荷作用所引起的附加热误差,此为机床主轴1载荷-结构-热耦合效应作用所引起。
本发明利用模拟工况载荷主轴加载装置对机床主轴进行加载,利用主轴热误差测试试验系统在加载过程中同步测量机床主轴温升和热变形,主要适用于模拟工况载荷下主轴的热误差测试试验和机床主轴热误差补偿。其主要特点是利用磁粉制动器模拟力矩载荷,利用拉压力计模拟径向力载荷,模拟载荷通过安装在主轴上的检验棒传递至主轴系统,采用热电阻测量主轴待测部位温度变化,采用电涡流位移传感器测量主轴变形,可以实现主轴模拟工况载荷加载与主轴的热误差测量同步进行;通过磁粉制动器励磁电流调节模拟力矩载荷,通过拉压力受压端变形调节模拟径向力载荷,可以模拟多种工况条件下机床主轴的载荷;通过空载条件下的机床主轴热误差试验、模拟工况载荷条件下机床主轴热误差试验、模拟工况载荷条件下机床主轴的载荷误差试验结果对比分析,可以获得由于模拟工况载荷所引起的机床主轴热误差。该方法为研究机床主轴在工况载荷下的热态特性和热误差提供了一种切实可行的试验研究方法。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述,但是本发明并不局限于上述的具体实施方式,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,并不是限制性的,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下,还可以作出很多形式,这些均属于本发明的保护范围之内。