CN103868693A - 一种机械主轴系统热分析综合测试实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于机械制造技术领域的一种机械主轴系统热分析综合测试实验装置。综合测试实验装置包括机械主轴主体结构、切削载荷模拟加载机构及测量系统；在底板上装有电机支撑座，伺服电机固定在电机支撑座上，伺服电机通过联轴器与机械主轴相连，测量系统包括温度测量、热变形测量及轴承预紧力测量。通过数据采集卡同步采集温度传感器、位移传感器信号及应变片信号，测量机械主轴中关键点的温度、热变形及轴承预紧力情况。本发明结构紧凑，与现有的相关研究装置相比，本装置考虑定位预紧形式下的主轴终端热漂移和在定压预紧形式下会产生的箱体相对于可移动轴套的位移，实现了在一台实验设备上完成定位预紧与定压预紧的变换，操作简便。

Description

一种机械主轴系统热分析综合测试实验装置

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，特别涉及一种机械主轴系统热分析综合测试实验装置。

背景技术

机床又称为“工作母机”，是机加工的基础设备。机床产业是一个国家发展的基础产业，一个国家的机床行业发展水平在一定程度上标志着一个国家工业化程度的高低。高档数控机床更是国家战略层面的基础制造装备。随着机床行业的逐步升级，人们对机床的加工精度及精度保持性提出了更高的要求。在机床的总误差中，热误差占有很大的比例。国外的研究学者认为，热变形引起的制造误差约占总制造误差的40%-70%。

主轴作为机床的加工执行部件，是机床最重要的组成部分。其在运转过程中所产生的温度场及变形场直接影响着机床的加工精度。机械主轴是目前而言最为常用的主轴类型之一，如何能准确模拟机械主轴在工作中的运行状态并准确的测量温度及热变形情况有着重要的意义。

主轴转速、外部载荷、轴承预紧方式、预紧力大小等都是研究机械主轴中热现象的关键因素。其中，如何能够在一个实验平台上实现轴承定位预紧形式与定压预紧形式的变换，如何能够准确的模拟外部载荷实现轴向载荷及旋转径向载荷施加等都是该类实验平台中设计的难点。除此之外，实验平台需要实现对机械主轴中的关键点进行温度测量、热变形测量以及对轴承预紧力的精确测量。目前，尚没有实验平台能够综合全面的考虑这些因素并完成测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种机械主轴系统热分析综合测试实验装置，其特征在于所述的实验装置包括机械主轴主体结构、切削载荷模拟加载机构及测量系统；

所述的机械主轴主体结构是在底板1上装有电机支撑座2，伺服电机3固定在电机支撑座2上，伺服电机3通过联轴器4与机械主轴5相连，并带动机械主轴5实现旋转运动；机械主轴5上安装有后支撑轴承6与前支撑轴承7；后轴承6与前轴承7分别用前轴套8与后轴套9固定各轴承的外圈，前轴套8与后轴套9上贴有应变片10与11。其中前轴套8与可移动轴套12接触，可移动轴套12与箱体13间形成液压缸14，实现轴承预紧力的定量控制；螺钉15沿圆周方向布置6个，用以实现轴承定位预紧与定压预紧的变换；调节螺栓16与螺母17实现箱体固定，其中螺母17位于主轴支撑座19的T型槽18中,实现导向，可以通过拧紧前端或后端的主轴支撑座19上调节螺栓16来决定机械主轴箱的热膨胀方向。

所述模拟加载机构是在底板1上装有伺服电机20，通过传动带21带动旋转构件22旋转，旋转构件22与构件23由螺钉锁紧一起旋转；所述旋转构件22通过螺钉与圆盘24固接。圆盘24与径向推力构件25形成径向第一液压缸26，通过液压推力作用实现旋转径向力的加载；轴套27与构件23通过螺栓固定，推力部件28与轴套27固接；轴套27、推力部件28、旋转构件22间形成第二液压缸29，实现轴向力的施加；精密测试棒30及其固接构件31分别由深沟球轴承32与推力轴承33支撑；精密测试棒30与机械主轴5卡紧，旋转构件22由轴承34与加载机构箱体35连接。

所述测量系统可分为三部分：分别为温度测量装置、热变形测量装置及轴承预紧力测量装置。

所述温度测量装置：在主轴箱箱体13表面布有第一贴片式温度传感器36及第二贴片式温度传感器42；在箱体表面打孔并插入第一温度传感器37测量机械主轴箱内温度；前轴承7的外圈温度由接触式温度传感器38测量，在圆周方向安装有多个同类型传感器，类似还有后轴承6外圈温度测量的第二温度传感器44；前轴承处旋转主轴温度测量由非接触式的红外温度传感器37完成。

所述位移测量装置：其中位移传感器支架40通过紧固螺栓41与机械主轴箱后法兰盘45相连；位移传感器43通过螺母与位移传感器支架40相连，可以用来测定箱体13相对可移动轴套12间的位移情况，可移动轴套（12）相对箱体位移通过构件（46）引出。其中前端的热漂移情况可由支架固定的位移传感器测定精密测试棒30的轴向及径向变形情况。

所述轴承预紧力的测量装置：前轴套8与后轴套9内表面沿轴向贴有应变片，用于测量轴套沿轴向的应变情况，从而间接得到轴承的预紧力；后轴套9上有通孔以方便应变片引线，前轴套8上的应变片引线通过后轴套9的内表面沟槽引出。

本发明有益效果是本发明结构紧凑，与现有的相关研究装置相比，实现了在一台实验设备上完成定位预紧与定压预紧的变换，操作简单。本装置针对机械主轴热变形的考虑更加全面，不仅考虑定位预紧形式下的主轴终端热漂移，更考虑了定压预紧形式下会产生的箱体相对于可移动轴套的位移。可以用于研究轴承预紧力、转速、轴承预紧方式及不同切削载荷对轴承发热功率的影响、轴承组预紧力的变化情况、机械主轴的稳态及瞬态温度场与热变形情况等。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的机械主轴主体结构的半剖视图。

图3是本发明的模拟加载装置的剖视图。

图4是本发明的部分结构示意图，主示热变形的测量机构。

图5是机械主轴主体结构半剖示意图。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种机械主轴系统热分析综合测试实验装置，下面结合附图与实施例对本发明提出的机械主轴系统热分析综合测试实验装置进行详细说明。

图1所示为综合测试实验装置整体结构示意图，图所示2为机械主轴主体结构的半剖视图。图中，机械主轴系统热分析综合测试实验装置包括机械主轴主体结构、切削载荷模拟加载机构及测量系统；图中，机械主轴主体结构是在底板1上装有电机支撑座2，伺服电机3固定在电机支撑座2上，伺服电机3通过联轴器4与机械主轴5相连，并带动机械主轴5实现旋转运动；机械主轴5上安装有后支撑轴承6与前支撑轴承7；后轴承6与前轴承7分别用前轴套8与后轴套9固定各轴承的外圈，前轴套8与后轴套9上贴有应变片10与11。其中前轴套8与可移动轴套12接触，可移动轴套12与箱体13间形成液压缸14，实现轴承预紧力的定量控制；螺钉15沿圆周方向布置6个，用以实现轴承定位预紧与定压预紧的变换；调节螺栓16与螺母17实现箱体固定，其中螺母17位于主轴支撑座19的T型槽18中,实现导向，可以通过拧紧前端或后端的主轴支撑座19上调节螺栓16来决定机械主轴箱的热膨胀方向。

所述模拟加载机构是在底板1上装有伺服电机20，通过传动带21带动旋转构件22旋转，旋转构件22与构件23由螺钉锁紧一起旋转；所述旋转构件22通过螺钉与圆盘24固接。圆盘24与径向推力构件25形成径向第一液压缸26，通过液压推力作用实现旋转径向力的加载；轴套27与构件23通过螺栓固定，推力部件28与轴套27固接；轴套27、推力部件28、旋转构件22间形成第二液压缸29，实现轴向力的施加；精密测试棒30及其固接构件31分别由深沟球轴承32与推力轴承33支撑；精密测试棒30与机械主轴5卡紧，旋转构件22由轴承34与加载机构箱体35连接（如图3、4所示）。

所述测量系统可分为三部分：分别为温度测量装置、热变形测量装置及轴承预紧力测量装置。（如图3、4、5所示）

所述温度测量装置：在主轴箱箱体13表面布有第一贴片式温度传感器36及第二贴片式温度传感器42；在箱体表面打孔并插入第一温度传感器37测量机械主轴箱内温度；前轴承7的外圈温度由接触式温度传感器38测量，在圆周方向安装有多个同类型传感器，类似还有后轴承6外圈温度测量的第二温度传感器44；前轴承处旋转主轴温度测量由非接触式的红外温度传感器39完成（如图4、5所示）。

所述位移测量装置：其中位移传感器支架40通过紧固螺栓41与机械主轴箱后法兰盘45相连；位移传感器43通过螺母与位移传感器支架40相连，可以用来测定箱体13相对可移动轴套12间的位移情况，可移动轴套（12）相对箱体位移通过构件（46）引出。其中前端的热漂移情况可由支架固定的位移传感器测定精密测试棒30的轴向及径向变形情况。

所述轴承预紧力的测量装置：前轴套8与后轴套9内表面沿轴向贴有应变片，用于测量轴套沿轴向的应变情况，从而间接得到轴承的预紧力；后轴套9上有通孔以方便应变片引线，前轴套8上的应变片引线通过后轴套9的内表面沟槽引出。

本发明的工作原理

如图1-5所示，松开周向匀布螺栓15，轴承组为定压预紧状态，定压装置为液压缸；拧紧螺钉15并撤出液压缸14中的液压油，轴承组由定压预紧形式变换为定位预紧。调整液压缸14的液压力大小，液压力通过可移动轴套12与前轴套8压紧轴承6外圈，从而产生一定的轴向预紧力。通过前轴套8与后轴套9上的应变片计算各自轴承的预紧力大小。当应变片读数为ε，可得到相应轴承的预紧力为F=AEε，其中A为轴套的横截面积，E为弹性模量。

启动伺服电机3，通过联轴器4带动主轴5及测试棒30旋转。由于轴承的内部摩擦产生热，使得主轴系统产生相应的温度场与变形场。定压预紧条件下，由于主轴箱体与主轴的热膨胀量不平均，导致可移动轴套12产生轴向窜动，通过位移传感器43测量相应的位移量；定位预紧条件下，预紧力产生的瞬态变化通过应变片测量。

调整第一液压缸26的液压力大小，液压力通过径向推力构件25与深沟球轴承32的传递压紧于测试棒30上，产生一定的径向力载荷。启动伺服电机20后，经过传动带21，带动构件22、23、24、25、26同速转动，使得径向力的施加机构旋转，产生转动的径向力。调整第二液压缸29的液压力，通过轴向推力构件28、推力轴承33及构件31的力传递压紧测试棒30，产生一定的轴向力载荷。通过数据采集卡同步采集温度传感器、位移传感器信号及应变片信号，测量机械主轴中关键点的温度、热变形及轴承预紧力情况。

Claims (4)

1.一种机械主轴系统热分析综合测试实验装置，其特征在于，所述的实验装置包括机械主轴主体结构、切削载荷模拟加载机构及测量系统组成。

2.根据权利要求1所述一种机械主轴系统热分析综合测试实验装置，其特征在于，所述的机械主轴主体结构是在底板（1）上装有电机支撑座（2），伺服电机（3）固定在电机支撑座（2）上，伺服电机（3）通过联轴器（4）与机械主轴（5）相连，并带动机械主轴（5）实现旋转运动；机械主轴（5）上安装有后支撑轴承（6）与前支撑轴承（7）；后轴承（6）与前轴承（7）分别用前轴套（8）与后轴套（9）固定各轴承的外圈，前轴套（8）与后轴套（9）上贴有应变片（10）与（11）；其中前轴套（8）与可移动轴套（12）接触，可移动轴套（12）与箱体（13）间形成液压缸（14），实现轴承预紧力的定量控制；螺钉（15）沿圆周方向布置6个，用以实现轴承定位预紧与定压预紧的变换；调节螺栓（16）与螺母（17）实现箱体固定，其中螺母（17）位于主轴支撑座（19）的T型槽（18）中,实现导向，可以通过拧紧前端或后端的主轴支撑座（19）上调节螺栓（16）来决定机械主轴箱的热膨胀方向。

3.根据权利要求1所述一种机械主轴系统热分析综合测试实验装置，其特征在于，所述模拟加载机构是在底板（1）上装有伺服电机（20），通过传动带（21）带动旋转构件（22）旋转，旋转构件（22）与构件（23）由螺钉锁紧一起旋转；所述旋转构件（22）通过螺钉与圆盘（24）固接，圆盘（24）与径向推力构件（25）形成径向第一液压缸（26），通过液压推力作用实现旋转径向力的加载；轴套（27）与构件（23）通过螺栓固定，推力部件（28）与轴套（27）固接；轴套（27）、推力部件（28）、旋转构件（22）间形成第二液压缸（29），实现轴向力的施加；精密测试棒（30）及其固接构件（31）分别由深沟球轴承（32）与推力轴承（33）支撑；精密测试棒（30）与机械主轴（5）卡紧，旋转构件（22）由轴承（34）与加载机构箱体（35）连接。

4.根据权利要求1所述一种机械主轴系统热分析综合测试实验装置，其特征在于，所述测量系统包括温度测量装置、热变形测量装置及轴承预紧力测量装置；

所述温度测量装置：在主轴箱箱体（13）表面布有第一贴片式温度传感器（36）及第二贴片式温度传感器（42）；在箱体表面打孔并插入第一温度传感器（37）测量机械主轴箱内温度；前轴承（7）的外圈温度由接触式温度传感器（38）测量，在圆周方向安装有多个同类型传感器，类似还有后轴承（6）外圈温度测量的第二温度传感器（44）；前轴承处旋转主轴温度测量由非接触式的红外温度传感器（39）完成；

所述位移测量装置：其中位移传感器支架（40）通过紧固螺栓（41）与机械主轴箱后法兰盘（45）相连；位移传感器（43）通过螺母与位移传感器支架（40）相连，可以用来测定箱体（13）相对可移动轴套（12）间的位移情况，可移动轴套（12）相对箱体位移通过构件（46）引出；其中前端的热漂移情况可由支架固定的位移传感器测定精密测试棒（30）的轴向及径向变形情况；

所述轴承预紧力的测量装置：前轴套（8）与后轴套（9）内表面沿轴向贴有应变片，用于测量轴套沿轴向的应变情况，从而间接得到轴承的预紧力；后轴套（9）上有通孔以方便应变片引线，前轴套（8）上的应变片引线通过后轴套（9）的内表面沟槽引出。

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