CN102426097A - 高速电主轴动态加载装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速电主轴动态加载装置，包括支撑部分和加载部分。支撑部分包括主轴基座、轴向加载支架、径向加载垫板和测功机基座。主轴基座包括主轴垫板、调整垫片与抱夹机构。加载部分包括径向加载机构、轴向加载机构、扭矩加载机构、加载棒和轴承单元。扭矩加载机构包括电力测功机和高速弹簧管联轴器。调整垫片与抱夹机构叠置在主轴垫板上固连，电力测功机固定在测功机基座上，电力测功机通过高速弹簧管联轴器和加载棒右端连接，加载棒左端和安装在抱夹机构中被测高速电主轴右端连接。轴承单元套装在加载棒上，径向加载机构安装在径向加载垫板上并处于轴承单元的正下方，轴向加载机构一端安装在轴向加载支架上，另一端和轴承单元接触连接。

Description

高速电主轴动态加载装置
技术领域
本发明涉及一种加载装置，更确切地说，本发明涉及一种高速电主轴动态加载装置。
背景技术
被测高速电主轴是高速数控机床的关键功能部件，是当代高速加工技术飞速发展的产物，它省去了传动机构，同时控制也更精确，从而提高了机床的响应速度和加工精度。目前，国产被测高速电主轴的静、动态性能以及可靠性水平与国外相比存在显著差异，因此，作为高速数控机床的关键功能部件，被测高速电主轴性能及可靠性水平的提高对于整机性能的提高起着关键作用。研究被测高速电主轴，需要一种可以模拟被测高速电主轴真实工作状况的动态加载装置，在此基础上对电主轴进行测试、试验。
国内有一些功能简单的被测高速电主轴试验台，这种试验台只能对电主轴进行空载情况下的试验，或者是使用液压系统或电机对电主轴进行静态加载，模拟电主轴的受力状况，但即便是这样，与被测高速电主轴的真实受力情况也有很大差距。真实工况下，刀具受到的动态切削力间接作用在电主轴上，切削力还有一定频率，同时主轴还受扭矩作用，这对被测高速电主轴的性能和可靠性有很大影响，而现有的加载装置都不能模拟动态高频切削力对电主轴的影响。因此，急需发明一种新型的高速电主轴动态加载装置，模拟主轴真实工况下的受力，以满足主轴性能及可靠性的研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术不能模拟动态高频切削力对电主轴的影响的问题，提供了一种高速电主轴动态加载装置。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的高速电主轴动态加载装置包括支撑部分和加载部分。
所述的支撑部分包括主轴基座、轴向加载支架、径向加载垫板和测功机基座，其中：主轴基座包括主轴垫板、调整垫片与抱夹机构。
所述的加载部分包括径向加载机构、轴向加载机构、扭矩加载机构、加载棒和轴承单元，其中：扭矩加载机构包括电力测功机、高速弹簧管联轴器和逆变器。
调整垫片与抱夹机构依次叠置在主轴垫板上并采用螺栓固定连接，电力测功机固定在测功机基座上，电力测功机的输出端通过高速弹簧管联轴器和加载棒右端连接，加载棒左端和安装在抱夹机构中的被测高速电主轴的右端连接，电力测功机输出轴、高速弹簧管联轴器、加载棒和抱夹机构主轴通孔的回转轴线同处于一条水平线上。轴承单元套装在加载棒上，安装在径向加载垫板上的径向加载机构处于轴承单元的正下方为接触连接。轴向加载机构的一端安装在轴向加载支架上，另一端和轴承单元接触连接，电力测功机和逆变器电线连接。
技术方案中所述的径向加载机构包括底面支撑板、径向滑块、1号压力传感器、径向双头螺柱、径向加载压电陶瓷驱动器、短销、径向加载机构外壳与径向位置调整机构。竖直地处于径向加载机构外壳内的径向加载压电陶瓷驱动器的上输出端由径向加载机构外壳中的外壳上横梁伸出，径向加载压电陶瓷驱动器的下输出端通过径向双头螺柱连接1号压力传感器的上端，1号压力传感器的下端和径向滑块的顶面接触连接，径向滑块底面和安装在径向加载机构外壳上的径向位置调整机构接触连接，径向加载机构外壳的下端和底面支撑板的顶端螺栓固定连接；所述的径向加载机构外壳由左支撑立柱、右支撑立柱与外壳上横梁组成。外壳上横梁的中心位置设置有一个用于伸出径向加载压电陶瓷驱动器上输出端的驱动器通孔，驱动器通孔左上方设置一个短销，左支撑立柱上端与右支撑立柱上端和外壳上横梁的左右端面螺栓固定连接，左支撑立柱与右支撑立柱结构相同，左支撑立柱与右支撑立柱的中部沿纵向分别设置有长条形通孔，左支撑立柱与右支撑立柱的下端均布有螺栓通孔，螺栓通孔的上方设置有用于安装径向位置调整机构的左调整通孔与右调整通孔，左调整通孔与右调整通孔的回转轴线共线并和外壳上横梁中心位置的驱动器通孔的回转轴线垂直相交；所述的径向位置调整机构包括1号螺栓、无螺纹滑块、有螺纹滑块、螺母、防松螺母和弹簧。1号螺栓安装在径向加载机构外壳中的左支撑立柱与右支撑立柱下端的左调整通孔与右调整通孔内，无螺纹滑块和有螺纹滑块套装在径向加载机构外壳的左支撑立柱与右支撑立柱之间1号螺栓上，无螺纹滑块的底面和有螺纹滑块的底面和径向加载机构中的底面支撑板的顶端面接触连接，弹簧套装在无螺纹滑块和有螺纹滑块之间的1号螺栓上，螺母与防松螺母依次拧紧固定在伸出右支撑立柱的1号螺栓上；所述的轴向加载机构包括轴向位置调整机构、轴向滑块、侧垫板、2号压力传感器、轴向双头螺柱、摆臂机构、轴向加载压电陶瓷驱动器与轴向加载机构框架。轴向加载机构框架采用螺栓固定在垂直放置的侧垫板上，轴向加载机构框架的纵向对称面呈水平位置，轴向位置调整机构安装在轴向加载机构框架之内的左端，轴向位置调整机构与右侧的轴向滑块接触连接，轴向滑块的右端面与2号压力传感器的左端接触连接，2号压力传感器的右端通过轴向双头螺柱连接轴向加载压电陶瓷驱动器的左输出端，轴向加载压电陶瓷驱动器的右输出端由轴向加载机构框架中的右立柱中心位置处的加载通孔伸出并和套装在轴向加载机构框架的右端成转动连接的摆臂机构中的摆臂竖梁的左端面接触连接；所述的轴向加载机构框架由上横梁、下横梁、左立柱与右立柱组成。上横梁、下横梁、左立柱与右立柱固定安装成一个封闭的长方形的框架，右立柱的上端设置一个上支腿，右立柱的下端设置一个下支腿，上支腿与下支腿和轴向加载机构框架所在的平面垂直，上支腿与下支腿上设置有回转轴线共线与垂直的上通孔与下通孔，轴向加载机构框架的左端设置有回转轴线共线与垂直的用于安装轴向位置调整机构的上螺栓通孔与下螺栓通孔，右立柱的中心位置处设置有回转轴线为水平的轴向加载通孔；所述的摆臂机构由上摆臂、下摆臂与摆臂竖梁组成。上摆臂与下摆臂结构相同并呈L形状的结构件，上摆臂由矩形横截面的上摆臂长臂与矩形横截面的上摆臂短臂组成。下摆臂由矩形横截面的下摆臂长臂与矩形横截面的下摆臂短臂组成。上摆臂长臂的一端与上摆臂短臂的一端成直角的固定连接，下摆臂长臂的一端与下摆臂短臂的一端成直角的固定连接。上摆臂长臂加工有回转轴线垂直的上长臂通孔，下摆臂长臂上加工有回转轴线垂直的下长臂通孔，上长臂通孔的回转轴线与下长臂通孔的回转轴线共线。上摆臂短臂的右端面与矩形横截面的摆臂竖梁上端的左端面固定连接，下摆臂短臂的右端面与矩形横截面的摆臂竖梁下端的左端面固定连接，矩形横截面的摆臂竖梁和上摆臂短臂与下摆臂短臂垂直；所述的轴承单元包括轴承套、左侧密封圈、左端盖、挡圈、左侧轴承、套筒、内隔圈、右侧轴承、右端盖和右侧密封圈。其中：左侧轴承与右侧轴承结构相同，左侧密封圈与右侧密封圈结构相同。右侧轴承、内隔圈、套筒、左侧轴承与挡圈依次装入轴承套的中心孔内。左侧轴承内圈右端面和套筒的左端面接触连接，套筒的右端面和右侧轴承内圈左端面接触连接，左侧轴承外圈的左端面和挡圈右侧的凸圆环体接触连接，右侧轴承外圈的右端面和轴承套中心孔的右端圆环体接触连接。内隔圈套装在左侧轴承与右侧轴承之间的套筒上。安装有右侧密封圈的右端盖(46)和轴承套的右端面固定连接。安装有左侧密封圈)的左端盖和轴承套的左端面固定连接；所述的轴承套的中心处设置有安装左侧轴承、右侧轴承、套筒与内隔圈的轴承通孔，轴承通孔的右端设置有起定位作用的圆环体，轴承通孔左端的孔口处设置有安装挡圈的圆环形槽，轴承套的左端面与右端面的四角处设置有螺纹盲孔，轴承套顶面左侧的中间位置设置一个加工有进油孔的矩形凸台。轴承套底面的右侧设置一个用于放置摆臂机构中下摆臂的矩形通槽，轴承套底面的左侧设置一个起加载作用的半球形圆槽，半球形圆槽的回转轴线和轴承套(6)上的轴承通孔的回转轴线垂直相交，轴承套(6)半球形圆槽前方的底面上设置一个和轴承通孔的回转轴线平行的圆头滑槽，圆头滑槽的宽度和径向加载机构中外壳上横梁的短销直径相同。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1.本发明所述的高速电主轴动态加载装置将真实工况中的动态切削力对被测高速电主轴的静、动态性能以及可靠性的影响考虑进去，创造性地使用压电陶瓷驱动器对电主轴进行轴向和径向加载，可达到较高的振动频率，模拟各种不同加工方式的切削力和频率，同时使用电力测功机对主轴进行扭矩加载，很好地还原了电主轴在机械加工中的各种不同类型的受力状况，从而使进一步研究中获得的实验数据更为真实可信。
2.本发明所述的高速电主轴动态加载装置通过压力传感器、扭矩传感器和转速传感器采集加载力和扭矩的数值，控制系统根据数值的变化进行调节，使装置具有较高的加载精度。
3.本发明所述的高速电主轴动态加载装置的基座各部分可进行位置和高度的调节，使得高速电主轴动态加载装置对不同型号和尺寸的被测高速电主轴进行加载，增加了高速电主轴动态加载装置的适用性与灵活性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为本发明所述的高速电主轴动态加载装置结构组成的轴测投影图；
图2为本发明所述的高速电主轴动态加载装置中径向加载机构结构组成的轴测投影图；
图3为本发明所述的高速电主轴动态加载装置中轴向加载机构结构组成的轴测投影图；
图4为本发明所述的高速电主轴动态加载装置中加载棒上的轴承单元结构组成的分解轴测投影图；
图5为本发明所述的高速电主轴动态加载装置控制原理的流程框图；
图中：1.主轴垫板，2.调整垫片，3.抱夹机构，4.被测高速电主轴，5.加载棒，6.轴承套，7.轴向散热风扇，8.进油口，9.轴向加载支架，10.径向散热风扇，11.高速弹簧管联轴器，12.安全防护罩，13.电力测功机，14.转速传感器，15.测功机基座，16.径向加载垫板，18.底面支撑板，19.1号螺栓，20.无螺纹滑块，21.径向滑块，22.1号压力传感器，23.径向双头螺柱，24.径向加载压电陶瓷驱动器，25.短销，26.径向加载机构外壳，27.有螺纹滑块，28.螺母，29.防松螺母，30.径向位置调整机构，31.弹簧，32.轴向位置调整机构，33.轴向滑块，34.侧垫板，35.2号压力传感器，36.轴向双头螺柱，37.摆臂机构，38.轴向加载压电陶瓷驱动器，39.左侧密封圈，40.左端盖，41.挡圈，42.左侧轴承，43.套筒，44.内隔圈，45.右侧轴承，46.右端盖，47.右侧密封圈。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
参阅图1，本发明所述的高速电主轴动态加载装置包括支撑部分、加载部分和自动控制系统。
1.支撑部分
所述的支撑部分包括主轴基座、径向加载垫板16、轴向加载支架9和测功机基座15。
所述主轴基座包括主轴垫板1、调整垫片2与抱夹机构3。主轴垫板1使用螺栓固定在地平铁上，可使被测高速电主轴4沿着地平铁的纵向梯形槽进行轴向调整，通过调整主轴垫板1的结构尺寸可使被测高速电主轴4进行高度调整。径向加载垫板16为长方体形的板式结构件，径向加载垫板16使用螺栓固定在地平铁上，径向加载垫板16的上工作面设置有T形槽，可使径向加载机构进行横向(径向)调整。由两个互相垂直的平板所构成的轴向加载支架9的底座使用螺栓固定在地平铁上，轴向加载支架9另一垂直安装板的侧面有T形槽，可使安装其上的轴向加载机构进行轴向和高度方向调整。测功机基座15也是为长方体形的板式结构件，测功机基座15使用螺栓固定在地平铁上，使测功机基座15的纵向对称面和地平铁的纵向对称面平行，测功机基座15可沿地平铁的纵向梯形槽进行(轴向)调整。通过对支撑部分各零件的调整，必要时更换不同厚度(高度)的主轴垫板1与调整垫片2，可适应不同型号的被测高速电主轴4，增加了高速电主轴动态加载装置的通用性。
2.加载部分
所述的加载部分包括径向加载机构、轴向加载机构、扭矩加载机构和代替刀柄固定于被测高速电主轴4上的加载棒5，加载棒5上安装有轴承单元。
参阅图2，所述的径向加载机构包括底面支撑板18、径向滑块21、1号压力传感器22、径向双头螺柱23、径向加载压电陶瓷驱动器24、短销25、径向加载机构外壳26与径向位置调整机构30。
径向加载机构外壳26由左支撑立柱、右支撑立柱与外壳上横梁组成。外壳上横梁的中心位置设置有一个用于伸出径向加载压电陶瓷驱动器(24)上输出端的驱动器通孔，驱动器通孔左上方设置一个短销25。左支撑立柱上端的右端面与右支撑立柱上端的左端面和外壳上横梁的左右端面螺栓固定连接。左支撑立柱与右支撑立柱结构相同，左支撑立柱与右支撑立柱的中部沿纵向分别设置有长条形通孔(左长条形通孔与右长条形通孔)，左支撑立柱与右支撑立柱的下端均布有用于穿过螺栓的螺栓通孔。径向加载机构外壳26的下端即左支撑立柱与右支撑立柱的下端和底面支撑板18的顶端螺栓固定连接成能够固定在径向加载垫板16上的封闭的矩形框架。左支撑立柱与右支撑立柱下端均布的螺栓通孔的上方设置有用于安装径向位置调整机构(30)的左调整通孔与右调整通孔，左支撑立柱上的左调整通孔与右支撑立柱上的右调整通孔的回转轴线共线并和外壳上横梁中心位置的驱动器通孔的回转轴线垂直相交。
竖直地处于径向加载机构外壳26内的径向加载压电陶瓷驱动器24的上输出端由径向加载机构外壳26中的上横梁伸出，径向加载压电陶瓷驱动器24的上输出端和安装在径向加载机构外壳26中上横梁上方的加载棒5上的轴承套6底端(面)的半球形圆槽接触连接，对被测高速电主轴4加载径向力，径向加载压电陶瓷驱动器24的下输出端通过径向双头螺柱23连接1号压力传感器22的上端，1号压力传感器22的下端和一个V型的径向滑块21的顶面(大平面)接触连接，V型的径向滑块21的底面为对称的成V字形的两个斜面和安装在径向加载机构外壳26上的径向位置调整机构30接触连接。
所述的径向位置调整机构30包括(一端有螺栓头的)1号螺栓19、无螺纹滑块20、有螺纹滑块27、螺母28、防松螺母29和弹簧31。1号螺栓19安装在径向加载机构外壳26中的左支撑立柱与右支撑立柱下端的左调整通孔与右调整通孔内，1号螺栓19的回转轴线和径向加载压电陶瓷驱动器24的回转轴线垂直相交。无螺纹滑块20和有螺纹滑块27套装在径向加载机构外壳26的左支撑立柱与右支撑立柱之间1号螺栓19上，无螺纹滑块20和有螺纹滑块27相当一个V型块从中间分割为两部分，无螺纹滑块20右上方和有螺纹滑块27左上方设置成能构成V字形槽的斜面，无螺纹滑块20右上方和有螺纹滑块27左上方的两个构成V字形槽的斜面和所述的径向滑块21底端面对称的两个斜面接触连接，无螺纹滑块20的底面和有螺纹滑块27的底面和底面支撑板18的顶端面接触连接。弹簧31套装在无螺纹滑块20和有螺纹滑块27之间的1号螺栓19上。当旋紧安装在径向加载系统外壳26上的径向位置调整机构30中的1号螺栓19时，无螺纹滑块20和有螺纹滑块27会在底面支撑板18的顶端面上滑动而向中间移动，给上方的径向滑块21向上的作用力，使径向滑块21向上移动；当旋松1号螺栓19时，无螺纹滑块20和有螺纹滑块27由于弹簧31的作用力会在底面支撑板18的顶端面上滑动而向两侧移动，径向滑块21由于重力作用下移；通过1号螺栓19调整好无螺纹滑块20和有螺纹滑块27向中间或向两侧移动的距离即径向加载后，采用螺母28拧紧固定再拧紧防松螺母29在伸出径向加载机构外壳26中的右支撑立柱的1号螺栓19上；通过径向位置调整机构30可使径向加载机构消除配合间隙，并进行预紧。
参阅图3，所述的轴向加载机构包括轴向位置调整机构32、轴向滑块33、侧垫板34、2号压力传感器35、轴向双头螺柱36、摆臂机构37、轴向加载压电陶瓷驱动器38与轴向加载机构框架。
所述的侧垫板34是一个矩形板类结构件，侧垫板34的四角处加工有圆头滑槽，四个圆头滑槽的内侧沿侧垫板34的纵向均布有安装轴向加载机构框架的框架通孔。
所述的轴向加载机构框架由上横梁、下横梁、左立柱与右立柱组成，上横梁、下横梁、左立柱与右立柱固定安装成一个封闭的长方形的框架。右立柱的上下两端分别设置一个支腿(上支腿与下支腿)，上支腿与下支腿结构相同并和轴向加载机构框架所在的平面垂直，上支腿与下支腿(的中部)上设置有回转轴线共线的回转轴线垂直的用于安装摆臂机构37的上通孔与下通孔。轴向加载机构框架的左端即结构相同的上横梁与下横梁的左端设置有回转轴线共线的回转轴线垂直的用于安装轴向位置调整机构32的通孔(上螺栓通孔与下螺栓通孔)。右立柱的中心位置处设置有回转轴线为水平的轴向加载通孔。
所述的摆臂机构37由上摆臂、下摆臂与摆臂竖梁组成。上摆臂与下摆臂结构相同并呈L形状的结构件，上摆臂由矩形横截面的上摆臂长臂与矩形横截面的上摆臂短臂组成。下摆臂由矩形横截面的下摆臂长臂与矩形横截面的下摆臂短臂组成。上摆臂长臂的一端与上摆臂短臂的一端成直角的固定连接，下摆臂长臂的一端与下摆臂短臂的一端成直角的固定连接。上摆臂长臂加工有回转轴线垂直的上长臂通孔，下摆臂长臂上加工有回转轴线垂直的下长臂通孔，上长臂通孔的回转轴线与下长臂通孔的回转轴线共线。上摆臂短臂的右端面与矩形横截面的摆臂竖梁上端的左端面固定连接，下摆臂短臂的右端面与矩形横截面的摆臂竖梁下端的左端面固定连接，矩形横截面的摆臂竖梁和上摆臂短臂与下摆臂短臂垂直。整个摆臂机构37从上面看呈直角的L形，从侧面看成门字形。摆臂机构37套装在轴向加载机构框架的右端，摆臂机构37中的摆臂竖梁位于轴向加载机构框架中右立柱的右侧，摆臂机构37中的摆臂竖梁与轴向加载机构框架中右立柱平行。
所述的V型的轴向滑块33和径向滑块21的结构形状相同，只不过径向滑块21是水平放置即大平面(顶面)向上放置，而轴向滑块33是竖立地放置即大的平面向右放置，轴向滑块33的左侧设置了上下对称的成V字形的两个斜面。
所述的轴向位置调整机构32包括2号螺栓、上无螺纹滑块、下有螺纹滑块、2号螺母、2号防松螺母和2号弹簧。轴向位置调整机构32和径向位置调整机构30结构相同，即2号螺栓与1号螺栓19、上无螺纹滑块与无螺纹滑块20、下有螺纹滑块与有螺纹滑块27、2号螺母与螺母28、2号防松螺母与防松螺母29和2号弹簧与弹簧31结构相同，轴向位置调整机构32中各零件之间的装配关系和径向位置调整机构30中各零件之间的装配关系也相同，只不过径向位置调整机构30是水平放置即由无螺纹滑块20右上方的斜面和有螺纹滑块27左上方的斜面所构成的V形槽向上，而轴向位置调整机构32是竖立地放置在轴向加载机构框架之内的左端或者说竖立地安装在结构相同的上横梁与下横梁左端之间，由上无螺纹滑块右下方的斜面和下有螺纹滑块右上方的斜面所构成的V形槽向右。
轴向加载机构框架采用螺栓固定在垂直放置的侧垫板34上(因为侧垫板34是安装在轴向加载支架9的设置有T形槽的垂直安装板的侧面上)，轴向加载机构框架的纵向对称面呈水平状态，即轴向加载机构框架右端的上支腿与下支腿和侧垫板34垂直。摆臂机构37通过长螺栓轴套装在轴向加载机构框架的右端成转动连接，更准确地说，摆臂机构37通过长螺栓轴套装在轴向加载机构框架右端的上支腿与下支腿上成转动连接，水平地置于轴向加载机构框架内的轴向加载压电陶瓷驱动器38的右输出端由轴向加载机构框架中的右立柱中心位置处的加载通孔伸出并顶在摆臂机构37中的摆臂竖梁的左端面上，摆臂机构37中上摆臂的长臂端部的左侧面和加载棒5上的轴承套6顶端面上的凸台的右侧面接触连接，同时，摆臂机构37中下摆臂的长臂端部的左侧面和加载棒5上的轴承套6底端面上的长凸台的右侧面接触连接。轴向加载压电陶瓷驱动器38的左输出端通过轴向双头螺柱36连接2号压力传感器35的右端，2号压力传感器35的左端和竖立地放置在轴向加载机构框架内的轴向滑块33的右端面接触连接，轴向滑块33左端成V字形的两斜面和轴向位置调整机构32中由上无螺纹滑块右下方的斜面与下有螺纹滑块右上方的斜面所构成的V形槽接触连接。轴向位置调整机构32中的上无螺纹滑块与下有螺纹滑块的左端面和轴向加载机构框架中左立柱的右端面接触连接。如前所述，轴向位置调整机构32与径向位置调整机构30结构相同，但由于安装方式不同，对轴向滑块33施加的作用力是轴向的，通过轴向位置调整机构32可使轴向加载机构消除配合间隙，并进行预紧。
所述的扭矩加载机构包括电力测功机13、高速弹簧管联轴器11、安全防护罩12、逆变器。电力测功机上安装扭矩传感器(因在电力测功机的内部图中没有画出扭矩传感器)和转速传感器14，用来实时检测加载的扭矩值和主轴转速。
电力测功机13安装在测功机基座15上，测功机基座15安装在地平铁上，电力测功机13的输出端通过高速弹簧管联轴器11与套装有轴承单元的加载棒5的右端连接，加载棒5的左端与被测高速电主轴4的右端固定连接，电力测功机13输出轴的回转轴线、高速弹簧管联轴器11的回转轴线、加载棒5的回转轴线与被测高速电主轴4的回转轴线同在一条水平线上，轴向加载机构和电力测功机13的输出轴、高速弹簧管联轴器11、加载棒5和抱夹机构3上主轴通孔的回转轴线平行，电力测功机13通过逆变器与电网连接，逆变器可将电力测功机13产生的电能反馈回电网。
参阅图4，所述的轴承单元包括轴承套6、左侧密封圈39、左端盖40、挡圈41、左侧轴承42、两轴承中间设置的套筒43、内隔圈44、右侧轴承45、右端盖46和右侧密封圈47，其中：左侧轴承42与右侧轴承45结构相同，左侧密封圈39与右侧密封圈47结构相同。右侧轴承45、内隔圈44、套筒43、左侧轴承42与挡圈41依次装入轴承套6的中心孔内，左侧轴承42内圈的左端面和加载棒5上的轴肩接触连接，左侧轴承42内圈右端面和套筒43的左端面接触连接，套筒43的右端面和右侧轴承45内圈左端面接触连接，左侧轴承42外圈的左端面和挡圈41右侧的凸圆环体接触连接，右侧轴承45外圈的右端面和轴承套6中心孔右端的圆环体接触连接。安装有右侧密封圈47的右端盖46和轴承套6的右端面固定连接，安装有左侧密封圈39的左端盖40和轴承套6的左端面固定连接。
加载棒5右端设置为阶梯轴式结构，所述的左侧轴承42与右侧轴承45为角接触陶瓷球轴承，在被测高速电主轴4高速运转时产生的摩擦热较小，可靠性较高。轴承单元的左侧通过加载棒5上的轴肩定位，轴承单元的右侧通过轴向加载机构上的摆臂机构37压紧定位。套筒43外的内隔圈44起均匀分配润滑油的作用，右端盖46、右侧密封圈47和左端盖40、左侧密封圈39起密封与防尘作用。
轴承套6的中心处设置有安装左侧轴承42、右侧轴承45、套筒43与内隔圈44的由左至右的轴承通孔，轴承通孔的右端设置有起定位作用的圆环体，轴承通孔左端的孔口处设置有安装挡圈41的圆环形槽，轴承套6的左端面与右端面的四角处设置有螺纹盲孔，轴承套6顶面左侧的中间位置设置一个加工有进油孔8的矩形凸台。轴承套6底面的右侧设置一个用于放置摆臂机构37中下摆臂的矩形通槽，轴承套6底面的左侧设置一个起加载作用的半球形圆槽，半球形圆槽的回转轴线和轴承套6上由左至右的轴承通孔的回转轴线垂直相交，或者说，半球形圆槽的回转轴线和通过左侧轴承42与右侧轴承45装入轴承通孔中的加载棒5的回转轴线垂直相交并处于垂直平面内。工作时轴承套6底面上的半球形圆槽和径向加载压电陶瓷驱动器24的由径向加载机构外壳26中外壳上横梁伸出的上输出端接触连接，实现径向加载机构向加载棒5加载径向力。轴承套6半球形圆槽前方的底面上设置一个和轴承通孔的回转轴线平行的圆头滑槽，圆头滑槽的宽度和径向加载机构中外壳上横梁的短销25直径相同。也就是说，径向加载机构外壳26(即径向加载机构外壳26中外壳上横梁)顶面上的短销25与所述的起加载作用的圆头滑槽配合，轴承套6可在轴向方向有相对移动，但限制轴承套6绕其轴承通孔的回转轴线转动。安装在加载棒5上的轴承套6的底面和径向加载机构外壳26的(即径向加载机构外壳26中外壳上横梁的)顶面并不接触，如前所述，径向加载机构外壳26(即径向加载机构外壳26中外壳上横梁)顶面上的短销25与所述的起定位作用的圆头滑槽配装在一起。
根据具体工作需要进行径向力加载时，调整径向位置调整机构30使径向加载压电陶瓷驱动器24上移，进行预紧，对径向加载压电陶瓷驱动器24发送电信号，对加载棒5进行径向动态加载。进行轴向力加载时，调整轴向位置调整机构32使轴向加载压电陶瓷驱动器38右移，推动摆臂机构37进行预紧，对轴向加载压电陶瓷驱动器38发送电信号，对加载棒5进行轴向加载。进行扭矩加载时，通过自动控制系统对电力测功机13发送控制命令，即可进行加载。在径向和轴向加载时，可通过控制径向和轴向位置调整机构施加预紧力的大小对加载力进行大幅度地手动调节；径向力、轴向力和扭矩的加载可同时进行，也可分别进行。
本发明中所述轴向加载机构与径向加载机构均设置有冷却装置，径向加载压电陶瓷驱动器24与轴向加载压电陶瓷驱动器38外设置散热片和散热套，另外，径向加载压电陶瓷驱动器24与轴向加载压电陶瓷驱动器38所对应的外壳上均设置轴向散热风扇7、径向散热风扇10与通风口。
本发明为所述的左侧轴承42与右侧轴承45设置油气润滑系统，油气润滑系统包括润滑系统支架和油气发生器，设置两个油气喷嘴通过进油口8分别对应左侧轴承42与右侧轴承45，油气发生器由所述自动控制系统发出命令控制。
3.自动控制系统
参阅图5，图中为本发明所述的高速电主轴动态加载装置中自动控制系统的原理图。1号压力传感器22、2号压力传感器35、扭矩传感器、转速传感器14对加载的径向力、轴向力、扭矩以及被测高速电主轴4的转速进行实时检测，检测信号经放大、模/数转换传输至上位工控机，在控制界面中显示，控制界面使用VB编写。上位工控机将控制命令输出至被测高速电主轴4、电力测功机13、径向加载压电陶瓷驱动器24与轴向加载压电陶瓷驱动器38，对高速电主轴动态加载装置进行实时控制。
所述的高速电主轴动态加载装置在使用时，通过自动控制系统的控制，被测高速电主轴4可实现启动、停止、高速、低速、以及恒功率、恒扭矩转动等功能。对被测高速电主轴4进行径向力和轴向力加载时，可实时改变加载力和频率的大小，也可以根据设定好的曲线、波形进行的加载。对被测高速电主轴4进行扭矩加载时，可实现恒功率和恒扭矩两种加载方式，电力测功机13将产生的电能回馈电网，节省能源。
本发明所述的高速电主轴动态加载装置中的控制界面可输出径向加载力、轴向加载力和加载扭矩的曲线，还可输出被测高速电主轴4各种模拟工况下的动力性曲线。当加载力、加载扭矩、主轴转速等数值超过正常范围时，控制系统报警并采取相应安全措施。
本发明所述的高速电主轴动态加载装置中的实施例是为了便于该技术领域的技术人员能够理解和应用本发明，如果相关的技术人员在坚持本发明基本技术方案的情况下做出不需要经过创造性劳动的等效结构变化或各种修改都在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高速电主轴动态加载装置，其特征在于，所述的高速电主轴动态加载装置包括支撑部分和加载部分；
所述的支撑部分包括主轴基座、轴向加载支架(9)、径向加载垫板(16)和测功机基座(15)，其中：主轴基座包括主轴垫板(1)、调整垫片(2)与抱夹机构(3)；
所述的加载部分包括径向加载机构、轴向加载机构、扭矩加载机构、加载棒(5)和轴承单元，其中：扭矩加载机构包括电力测功机(13)、高速弹簧管联轴器(11)和逆变器；
调整垫片(2)与抱夹机构(3)依次叠置在主轴垫板(1)上并采用螺栓固定连接，电力测功机(13)固定在测功机基座(15)上，电力测功机(13)的输出端通过高速弹簧管联轴器(11)和加载棒(5)右端连接，加载棒(5)左端和安装在抱夹机构(3)中的被测高速电主轴(4)的右端连接，电力测功机(13)输出轴、高速弹簧管联轴器(11)、加载棒(5)和抱夹机构(3)主轴通孔的回转轴线同处于一条水平线上，轴承单元套装在加载棒(5)上，安装在径向加载垫板(16)上的径向加载机构处于轴承单元的正下方为接触连接，轴向加载机构的一端安装在轴向加载支架(9)上，另一端和轴承单元接触连接，电力测功机(13)和逆变器电线连接。
2.按照权利要求1所述的高速电主轴动态加载装置，其特征在于，所述的径向加载机构包括底面支撑板(18)、径向滑块(21)、1号压力传感器(22)、径向双头螺柱(23)、径向加载压电陶瓷驱动器(24)、短销(25)、径向加载机构外壳(26)与径向位置调整机构(30)；
竖直地处于径向加载机构外壳(26)内的径向加载压电陶瓷驱动器(24)的上输出端由径向加载机构外壳(26)中的外壳上横梁伸出，径向加载压电陶瓷驱动器(24)的下输出端通过径向双头螺柱(23)连接1号压力传感器(22)的上端，1号压力传感器(22)的下端和径向滑块(21)的顶面接触连接，径向滑块(21)底面和安装在径向加载机构外壳(26)上的径向位置调整机构(30)接触连接，径向加载机构外壳(26)的下端和底面支撑板(18)的顶端螺栓固定连接。
3.按照权利要求2所述的高速电主轴动态加载装置，其特征在于，所述的径向加载机构外壳(26)由左支撑立柱、右支撑立柱与外壳上横梁组成；
外壳上横梁的中心位置设置有一个用于伸出径向加载压电陶瓷驱动器(24)上输出端的驱动器通孔，驱动器通孔左上方设置一个短销(25)，左支撑立柱上端与右支撑立柱上端和外壳上横梁的左右端面螺栓固定连接，左支撑立柱与右支撑立柱结构相同，左支撑立柱与右支撑立柱的中部沿纵向分别设置有长条形通孔，左支撑立柱与右支撑立柱的下端均布有螺栓通孔，螺栓通孔的上方设置有用于安装径向位置调整机构(30)的左调整通孔与右调整通孔，左调整通孔与右调整通孔的回转轴线共线并和外壳上横梁中心位置的驱动器通孔的回转轴线垂直相交。
4.按照权利要求2所述的高速电主轴动态加载装置，其特征在于，所述的径向位置调整机构(30)包括1号螺栓(19)、无螺纹滑块(20)、有螺纹滑块(27)、螺母(28)、防松螺母(29)和弹簧(31)；
1号螺栓(19)安装在径向加载机构外壳(26)中的左支撑立柱与右支撑立柱下端的左调整通孔与右调整通孔内，无螺纹滑块(20)和有螺纹滑块(27)套装在径向加载机构外壳(26)的左支撑立柱与右支撑立柱之间1号螺栓(19)上，无螺纹滑块(20)的底面和有螺纹滑块(27)的底面和径向加载机构中的底面支撑板(18)的顶端面接触连接，弹簧(31)套装在无螺纹滑块(20)和有螺纹滑块(27)之间的1号螺栓(19)上，螺母(28)与防松螺母(29)依次拧紧固定在伸出右支撑立柱的1号螺栓(19)上。
5.按照权利要求1所述的高速电主轴动态加载装置，其特征在于，所述的轴向加载机构包括轴向位置调整机构(32)、轴向滑块(33)、侧垫板(34)、2号压力传感器(35)、轴向双头螺柱(36)、摆臂机构(37)、轴向加载压电陶瓷驱动器(38)与轴向加载机构框架；
轴向加载机构框架采用螺栓固定在垂直放置的侧垫板(34)上，轴向加载机构框架的纵向对称面呈水平位置，轴向位置调整机构(32)安装在轴向加载机构框架之内的左端，轴向位置调整机构(32)与右侧的轴向滑块(33)接触连接，轴向滑块(33)的右端面与2号压力传感器(35)的左端接触连接，2号压力传感器(35)的右端通过轴向双头螺柱(36)连接轴向加载压电陶瓷驱动器(38)的左输出端，轴向加载压电陶瓷驱动器(38)的右输出端由轴向加载机构框架中的右立柱中心位置处的加载通孔伸出并和套装在轴向加载机构框架的右端成转动连接的摆臂机构(37)中的摆臂竖梁的左端面接触连接。
6.按照权利要求5所述的高速电主轴动态加载装置，其特征在于，所述的轴向加载机构框架由上横梁、下横梁、左立柱与右立柱组成；
上横梁、下横梁、左立柱与右立柱固定安装成一个封闭的长方形的框架，右立柱的上端设置一个上支腿，右立柱的下端设置一个下支腿，上支腿与下支腿和轴向加载机构框架所在的平面垂直，上支腿与下支腿上设置有回转轴线共线与垂直的上通孔与下通孔，轴向加载机构框架的左端设置有回转轴线共线与垂直的用于安装轴向位置调整机构(32)的上螺栓通孔与下螺栓通孔，右立柱的中心位置处设置有回转轴线为水平的轴向加载通孔。
7.按照权利要求5所述的高速电主轴动态加载装置，其特征在于，所述的摆臂机构(37)由上摆臂、下摆臂与摆臂竖梁组成；
上摆臂与下摆臂结构相同并呈L形状的结构件，上摆臂由矩形横截面的上摆臂长臂与矩形横截面的上摆臂短臂组成，下摆臂由矩形横截面的下摆臂长臂与矩形横截面的下摆臂短臂组成，上摆臂长臂的一端与上摆臂短臂的一端成直角的固定连接，下摆臂长臂的一端与下摆臂短臂的一端成直角的固定连接，上摆臂长臂加工有回转轴线垂直的上长臂通孔，下摆臂长臂上加工有回转轴线垂直的下长臂通孔，上长臂通孔的回转轴线与下长臂通孔的回转轴线共线，上摆臂短臂的右端面与矩形横截面的摆臂竖梁上端的左端面固定连接，下摆臂短臂的右端面与矩形横截面的摆臂竖梁下端的左端面固定连接，矩形横截面的摆臂竖梁和上摆臂短臂与下摆臂短臂垂直。
8.按照权利要求1所述的高速电主轴动态加载装置，其特征在于，所述的轴承单元包括轴承套(6)、左侧密封圈(39)、左端盖(40)、挡圈(41)、左侧轴承(42)、套筒(43)、内隔圈(44)、右侧轴承(45)、右端盖(46)和右侧密封圈(47)，其中：左侧轴承(42)与右侧轴承(45)结构相同，左侧密封圈(39)与右侧密封圈(47)结构相同；
右侧轴承(45)、内隔圈(44)、套筒(43)、左侧轴承(42)与挡圈(41)依次装入轴承套(6)的中心孔内，左侧轴承(42)内圈右端面和套筒(43)的左端面接触连接，套筒(43)的右端面和右侧轴承(45)内圈左端面接触连接，左侧轴承(42)外圈的左端面和挡圈(41)右侧的凸圆环体接触连接，右侧轴承(45)外圈的右端面和轴承套(6)中心孔的右端圆环体接触连接，内隔圈(44)套装在左侧轴承(42)与右侧轴承(45)之间的套筒(43)上，安装有右侧密封圈(47)的右端盖(46)和轴承套(6)的右端面固定连接，安装有左侧密封圈(39)的左端盖(40)和轴承套(6)的左端面固定连接。
9.按照权利要求8所述的高速电主轴动态加载装置，其特征在于，所述的轴承套(6)的中心处设置有安装左侧轴承(42)、右侧轴承(45)、套筒(43)与内隔圈(44)的轴承通孔，轴承通孔的右端设置有起定位作用的圆环体，轴承通孔左端的孔口处设置有安装挡圈(41)的圆环形槽，轴承套(6)的左端面与右端面的四角处设置有螺纹盲孔，轴承套(6)顶面左侧的中间位置设置一个加工有进油孔(8)的矩形凸台，轴承套(6)底面的右侧设置一个用于放置摆臂机构(37)中下摆臂的矩形通槽，轴承套(6)底面的左侧设置一个起加载作用的半球形圆槽，半球形圆槽的回转轴线和轴承套(6)上的轴承通孔的回转轴线垂直相交，轴承套(6)半球形圆槽前方的底面上设置一个和轴承通孔的回转轴线平行的圆头滑槽，圆头滑槽的宽度和径向加载机构中外壳上横梁的短销(25)直径相同。
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