CN104792533A - 一种数控机床主轴热误差成因综合试验平台及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数控机床主轴热误差成因综合试验平台，包括主轴固定装置，包括主轴单元箱体，主轴单元箱体内设有轴承，主轴套在轴承中；主轴单元箱体上设有用于给轴承施加预紧力的腔体；驱动系统；传动装置；信号采集模块；轴承预紧力加载系统；轴承预紧力反馈控制系统，用于通过主轴转速和轴承外圈的温度分布获得轴承预紧力理论值，与采集到的施加于轴承上的预紧力相比较，进行PI调节后控制轴承预紧力加载系统调整预紧力大小；轴承安装误差模拟装置；主轴切削力模拟加载装置。本发明平台和测试方法为主轴单元轴承运行特性研究提供了一个综合试验装置，能够探索主轴热误差成因并精确预测其大小。

Description

一种数控机床主轴热误差成因综合试验平台及测试方法

技术领域

本发明涉及数控机床主轴热误差研究，具体涉及一种数控机床主轴热误差成因综合试验平台及测试方法。

背景技术

为了满足现代制造业的发展需求，数控机床主轴以高速、高精度为目标不断发展。主轴作为刀具或者工件的携带者，其热误差与加工工件的表面质量直接相关。而热误差是不可以避免的，只能通过探究其机理完成热误差预测和补偿。影响热误差的因素是多种多样的，主要可划分为轴承运行特性、主轴切削力及轴承安装误差三大类。轴承作为主轴单元内最主要的热源，其运行特性（接触载荷、动态接触角）与主轴热误差密切相关；切削力作为主轴单元唯一的外部负载，其大小与方向影响主轴单元内轴承圆周方向径向游隙分布，影响轴承运行特性，最终表现为主轴热误差；主轴轴承由于其自身结构及加工尺寸限制，不可避免的会出现主轴轴承安装误差，不同的轴承安装误差对轴承接触载荷分布、动态接触角、温度分布和阻尼等产生不同影响，引起热误差，这里的安装误差主要包括轴承内外套圈倾斜、前端后端轴承座孔轴线不同轴、轴承径向游隙周向分布不均匀三种情况。所以针对主轴热误差研究，需要综合考虑影响热误差的各种因素，探索不同因素对热误差的影响程度，从而完善主轴热误差研究内容。

国内外有很多学者致力于主轴热误差的研究，其试验装置大多集中在主轴单元箱体、主轴冷却等方面，如专利：一种用于控制立式数控机床主轴箱热变形的空冷装置（CN101885075A），通过控制主轴箱的热变形完成主轴热误差研究；电主轴冷却装置（CN203557205U）、一种高效内冷却的电主轴（CN102114613A），通过外部冷却减小主轴热误差。存在没有分析研究主轴热误差产生的根本原因，没有建立主轴轴承运行特性、切削力与主轴热误差之间的关系，特别是没有考虑轴承安装误差对热误差的影响，只分析主轴单元热误差的外在表现形式等问题，这些试验装置及测试方法不能从根本上解决热误差研究中存在的问题。

针对现有热误差试验装置测试方法中存在的问题，为了满足主轴热误差成因分析与测试等研究需要，迫切需要设计用于探索热误差产生根本原因的试验装置及测试方法，完成高速主轴热误差的分析、测试及预测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种数控机床主轴热误差成因综合试验平台及测试方法，以探索主轴热误差成因并精确预测其大小。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种数控机床主轴热误差成因综合试验平台，其特征在于：它包括：

主轴固定装置，包括主轴单元箱体，主轴单元箱体内设有轴承，主轴套在轴承中，主轴单元箱体固定在隔振平台上；主轴单元箱体上设有用于给轴承施加预紧力的腔体；主轴前端与刀柄轴连接，另一端为尾端，主轴两端设有端盖；

驱动系统，包括伺服驱动器和伺服电机；

传动装置，用于连接电机和主轴尾端；

信号采集模块，包括光纤光栅温度传感器、力传感器、应变传感器、电涡流传感器、压力变送器、位移传感器；其中光纤光栅温度传感器设置在所述轴承的外套圈，用于测量轴承外套圈的温度分布；力传感器设置于主轴前端，用于测量并控制施加于主轴的径向力与轴向力大小；所述应变传感器安装于轴承外隔圈上，用于测量轴承外隔圈轴向应变；所述电涡流传感器安装于主轴端盖上，用于测量轴承滑座的轴向位移；所述压力变送器用来测量施加于轴承上的预紧力；所述位移传感器安装于主轴前端刀柄轴位置处，用于测量主轴在不同轴承安装误差及运行特性下的主轴热误差；

轴承预紧力加载系统，通过主轴单元箱体上的腔体给轴承施加预紧力；

轴承预紧力反馈控制系统，用于通过主轴转速和轴承外套圈的温度分布获得轴承预紧力理论值，与采集到的施加于轴承上的预紧力相比较，进行PI调节后控制轴承预紧力加载系统调整预紧力大小； 

轴承安装误差模拟装置，为设置在轴承与主轴单元箱体之间的轴承滑座；

主轴切削力模拟加载装置，包括主轴轴向力加载装置和径向力加载装置，主轴轴向力加载装置通过刀柄轴与主轴连接，径向力加载装置通过角接触球轴承与主轴轴向力加载装置连接，主轴轴向力加载装置和径向力加载装置上分别设有拉压力传感器。

按上述平台，所述的传动装置为弹性联轴器。

按上述平台，所述的轴承预紧力加载系统为液压预紧方式，包括液压站，液压站中的液压油通过油泵、高压过滤器和单向阀后一部分进入所述的给轴承施加预紧力的腔体，其余部分通过溢流阀回到液压站；所述的压力变送器用于采集腔体中液压油的压力。

按上述平台，所述的溢流阀包括手动可调溢流阀和比例溢流阀，二者通过电磁换向阀切换；比例溢流阀的进口压力通过所述的轴承预紧力反馈控制系统控制。

按上述平台，所述的主轴轴向力加载装置包括支撑座，支撑座上安装有所述的角接触球轴承，角接触球轴承的轴向依次连接有加载套筒、拉压力传感器、滑块和丝杆， 丝杆通过后端的手轮调节。

按上述平台，所述的径向力加载装置包括与支撑座径向连接的皮带，皮带后端依次与第一滑块、拉压力传感器、第二滑块和丝杆连接， 丝杆通过后端的手轮调节。

一种利用上述数控机床主轴热误差成因综合试验平台实现的测试方法，其特征在于：它包括：

轴承外套圈温度场测量：利用设置在轴承外套圈的光纤光栅温度传感器，测量轴承外套圈的温度分布；

轴承动态接触角测试：在获取轴承外隔圈轴向应变、轴承外套圈的温度分布及轴承滑座的轴向位移数据基础上，计算轴承滚动体与内外套圈的动态接触角；

轴承在不同预紧力下运行特性测试：通过压力变送器测量施加于轴承上的预紧力，通过调整驱动系统调节主轴转速、同时利用光纤光栅温度传感器完成在不同转速下轴承温度场，计算动态接触角，实现轴承运行特性测试；

主轴的热误差测试：通过布置的激光位移传感器测量各向主轴热误差；

轴承预紧力的反馈控制：通过完成不同预紧力下，轴承温升、热误差的测试，然后建立轴承预紧力与轴承温升、热误差的映射关系，最终实现轴承预紧力的反馈控制；

主轴轴承不同安装误差模拟测试：通过改变轴承滑座的几何尺寸，模拟出主轴前后端轴承孔轴线偏移、轴承内外套圈倾斜及轴承座孔轴线歪斜三种情况，定量分析不同安装误差及大小情况下主轴热误差的表现形式。

本发明的有益效果为：

1、本发明平台和测试方法为主轴单元轴承运行特性研究提供了一个包含转速调整、轴承预紧力调整、切削力大小及方向调整的试验装置，能够探索主轴热误差成因并精确预测其大小，从根本上分析主轴热误差或者控制热误差。

2、液压预紧方式的轴承预紧力调整系统能够根据不同号对腔体压力进行调整，包括主轴轴承温升及转速两种信号，并且能够扩展。

3、通过不同尺寸的轴承滑座，巧妙的模拟了主轴单元轴承安装误差。

4、通过选用弹性联轴器消除电机安装带来的附加误差，提高测试精度。

附图说明

图1是本发明的主轴单元整体剖视图。

图2是本发明的轴承液压预紧系统原理图。

图3是本发明的轴承预紧力反馈控制系统原理图。

图4是本发明的切削力模拟加载装置结构示意图。

图5是本发明的滑动轴承座结构示意图。

图6为图5的剖面图。

图中：101-伺服电机，102-弹性联轴器，103-锁紧螺母，104-轴承滑座，105-腔体，106-密封圈，107-主轴单元箱体，108-主轴，109-拉杆，110-光纤光栅温度传感器安装槽，111-端盖，201-液压站，202-压力变送器，203-手动可调溢流阀，204-比例溢流阀，401-手轮，402-支座，403-丝杆，404-滑块，405-压力传感器，406-加载套筒，407-皮带，408-支撑座，409-刀柄轴，410-拉力传感器，411-第一滑块、412-第二滑块，413-丝杆，414-支座，415-手轮，501-应变传感器安装槽，502-拆卸螺钉，503-轴承滑座定位孔，504-引线孔。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

一种数控机床主轴热误差成因综合试验平台，如图1所示，它包括：

主轴固定装置，包括主轴单元箱体107，主轴单元箱体107内设有轴承，主轴108套在轴承中，使用锁紧螺母103固定后端轴承内圈，本实施例中还设有防止液压油外泄的密封圈106，主轴单元箱体107固定在隔振平台上；主轴单元箱体107上设有用于给轴承施加预紧力的腔体105，；主轴前端与刀柄轴409连接（本实施例中通过拉杆109与刀柄轴409连接），另一端为尾端，主轴两端设有端盖111。

驱动系统，包括伺服驱动器和伺服电机101。

传动装置，用于连接电机101和主轴108尾端，本实施例中选用弹性联轴器102，防止电机轴与主轴安装偏心引入附加误差。

信号采集模块，包括光纤光栅温度传感器、力传感器、应变传感器、电涡流传感器、压力变送器、位移传感器；其中光纤光栅温度传感器设置在所述轴承的外套圈的光纤光栅温度传感器安装槽110内，用于测量轴承外套圈的温度分布；力传感器设置于主轴前端，用于测量并控制施加于主轴的径向力与轴向力大小；所述应变传感器安装于轴承外隔圈上的应变传感器安装槽501内，如图5和图6所示，用于测量轴承外隔圈轴向应变；所述电涡流传感器安装于主轴端盖111上，用于测量轴承滑座的轴向位移；所述压力变送器用来测量施加于轴承上的预紧力；所述位移传感器安装于主轴前端刀柄轴位置处，用于测量主轴在不同轴承安装误差及运行特性下的主轴热误差。

轴承预紧力加载系统，通过主轴单元箱体107上的腔体105给轴承施加预紧力。本实施例中，它为液压预紧方式，如图2所示，包括液压站201，液压站201中的液压油通过油泵、高压过滤器和单向阀后一部分进入所述的给轴承施加预紧力的腔体105，其余部分通过溢流阀回到液压站；所述的压力变送器202用于采集腔体中液压油的压力。优选的，所述的溢流阀包括手动可调溢流阀203和比例溢流阀204，二者通过电磁换向阀切换；比例溢流阀204的进口压力通过所述的轴承预紧力反馈控制系统控制。

轴承预紧力反馈控制系统，如图3所示，用于通过主轴转速和轴承外套圈的温度分布获得轴承预紧力理论值，与采集到的施加于轴承上的预紧力相比较，进行PI调节后控制轴承预紧力加载系统调整预紧力大小。 

轴承安装误差模拟装置，为设置在轴承与主轴单元箱体之间的轴承滑座104；如图5和图6所示，在轴承上设置有轴承外套圈光纤光栅温度传感器安装槽，这里主要考虑光纤光栅传感器测量精度高，体积小的特点；并设有轴承外隔圈应变测量槽501，这里使用应变片是因为其自身有温度补偿的功能。通过设置轴承滑座内孔与轴承不同的配合公差、轴承座孔偏斜程度及轴承座孔轴线偏移大小，完成对轴承安装误差的调整，设置数值时需要考虑轴承的径向游隙、主轴转速等因素。通过拆卸螺钉502完成轴承的更换；轴承滑座定位孔503对轴承滑座的定位，防止轴承滑座意外转动；引线孔504的设置是为了传感器布线。

主轴切削力模拟加载装置如图4所示，包括主轴轴向力加载装置和径向力加载装置，主轴轴向力加载装置通过刀柄轴409与主轴108连接，径向力加载装置通过角接触球轴承与主轴轴向力加载装置连接，主轴轴向力加载装置和径向力加载装置上分别设有压力传感器405和拉力传感器410。

所述的主轴轴向力加载装置包括支撑座408，支撑座408上安装有所述的角接触球轴承，角接触球轴承的轴向依次连接有加载套筒406、拉压力传感器405、滑块404和丝杆403， 丝杆403通过后端的手轮401调节，丝杆403与手轮401之间设有支座402。

所述的径向力加载装置包括与支撑座408径向连接的皮带407，皮带407后端依次与第一滑块411、拉压力传感器410、第二滑块412和丝杆413连接， 丝杆413通过后端的手轮415调节，丝杆413与手轮415之间设有支座。

一种利用上述数控机床主轴热误差成因综合试验平台实现的测试方法，包括：

轴承外套圈温度场测量：利用设置在轴承外套圈的光纤光栅温度传感器，测量轴承外套圈的温度分布；

轴承动态接触角测试：在获取轴承外隔圈轴向应变、轴承外套圈的温度分布及轴承滑座的轴向位移数据基础上，计算轴承滚动体与内外套圈的动态接触角；

轴承在不同预紧力下运行特性测试：通过压力变送器测量施加于轴承上的预紧力，通过调整驱动系统调节主轴转速、同时利用光纤光栅温度传感器完成在不同转速下轴承温度场，计算动态接触角，实现轴承运行特性测试；

主轴的热误差测试：通过布置的激光位移传感器测量各向主轴热误差；

轴承预紧力的反馈控制：通过完成不同预紧力下，轴承温升、热误差的测试，然后建立轴承预紧力与轴承温升、热误差的映射关系，最终实现轴承预紧力的反馈控制；

主轴轴承不同安装误差模拟测试：通过改变轴承滑座的几何尺寸，模拟出主轴前后端轴承孔轴线偏移、轴承内外套圈倾斜及轴承座孔轴线歪斜三种情况，定量分析不同安装误差及大小情况下主轴热误差的表现形式。

该测试方法能够囊括所有影响热误差的因素，主轴转速、轴承预紧力、主轴切削力，并且给出了一种模拟轴承安装误差的新方法，通过传感器完成所需参数的测量，经过数据分析，我们能够得出轴承预紧力及主轴转速对轴承运行特性的影响；主轴轴承安装误差与主轴轴承温度场分布、主轴热误差之间的关系。

本实施例中试验平台可完成主轴热误差及其相关参数测试，其测试及计算方法如下：

1. 轴承外套圈温度场测试计算：本发明采用体积小、精度高的光纤光栅温度传感器，首次获得轴承外套圈圆周方向的完整数据，再结合数据拟合求得轴承外套圈的温度场。

轴承温度场分布主轴转速、主轴切削力大小及方向及轴承安装误差相关，而且其在轴承外套圈上的呈现的分布函数所需的最小拟合点数也不一致。采用光纤光栅温度传感器，不但能够精确测温，而且能够实现“一线多点”测量，对于求解轴承外套圈温度场是准确可靠的。通过调整电机、轴承预紧力加载系统、主轴切削力模拟加载装置及模拟不同轴承安装误差的轴承滑座，我们能够求得真实工况下轴承的温度场。

2. 轴承动态接触角测试计算：由理论可知，轴承接触角随着转速的增大而改变，这也是需要兼顾轴承刚度及温升的原因。在一定转速下，能够获得轴承外套圈的温度、轴承滑座轴向位移及外隔圈的应变数据，再结合材料的热膨胀系数，能够求得轴承外套圈的轴向位移，然后合理的结合套圈理论，完成轴承动态接触角计算。

通过调整电机、轴承预紧力加载系统、主轴切削力模拟加载装置及模拟不同轴承安装误差轴承滑座，能够测量得到真实工况下轴承内外套圈的位移，再结合轴承分析中的理论知识，可以得出轴承动态接触角，从而实现主轴单元轴承运行特性分析。

3. 轴承在不同预紧力下的运动特性测试：本发明所设计的带反馈的轴承预紧力控制系统是现有试验装置所没有的，可以根据主轴转速、轴承温升及热误差，甚至是某一方向上的热误差完成轴承预紧，并能够获得轴承良好的运动特性。

通过调整电机、轴承外套圈温度测量光纤光栅温度传感器及轴承预紧力加载系统，改变不同转速下轴承的预紧力，测试得出轴承不同转速、不同预紧力下轴承的刚度及温升，再结合测试得到的轴承动态接触角，用于得到轴承在不同工况下的运行特性。

4. 主轴热误差测试：主轴热误差作为试验平台贯穿始终的研究对象，其重要性是不言而喻的。本发明采用高精度激光位移传感器实现在主轴高速运转的情况下，对其热误差的测量，通过数据分析，对热误差与其影响因素之间的映射关系建立起着关键性作用。

5. 轴承预紧力与各向热误差、轴承温升反馈关系测试：结合主轴热误差测试及使用光纤光栅温度传感器获得的轴承温升数据，通过溢流阀完成轴承预紧力的手动调节，获得不同轴承预紧力下主轴轴承的运行特性数据，并最终建立主轴各向热误差、轴承温升与轴承预紧力之间的映射关系。

6. 主轴轴承不同安装误差的模拟测试：主轴单元的实际加工及装配过程中，安装误差是不可避免的，这也是限制主轴向高速、高精度发展的重大制约条件。本发明巧妙地利用设置不同轴承滑座几何尺寸完成了轴承安装误差的模拟，并能通过测试系统完成在不同安装误差及大小下，轴承的运行特性及主轴热误差的外在表现，再结合数据解耦处理方法，我们能够建立不同安装误差之间的映射关系。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种数控机床主轴热误差成因综合试验平台，其特征在于：它包括：

主轴固定装置，包括主轴单元箱体，主轴单元箱体内设有轴承，主轴套在轴承中，主轴单元箱体固定在隔振平台上；主轴单元箱体上设有用于给轴承施加预紧力的腔体；主轴前端与刀柄轴连接，另一端为尾端，主轴两端设有端盖；

驱动系统，包括伺服驱动器和伺服电机；

传动装置，用于连接电机和主轴尾端；

信号采集模块，包括光纤光栅温度传感器、力传感器、应变传感器、电涡流传感器、压力变送器、位移传感器；其中光纤光栅温度传感器设置在所述轴承的外套圈，用于测量轴承外套圈的温度分布；力传感器设置于主轴前端，用于测量并控制施加于主轴的径向力与轴向力大小；所述应变传感器安装于轴承外隔圈上，用于测量轴承外隔圈轴向应变；所述电涡流传感器安装于主轴端盖上，用于测量轴承滑座的轴向位移；所述压力变送器用来测量施加于轴承上的预紧力；所述位移传感器安装于主轴前端刀柄轴位置处，用于测量主轴在不同轴承安装误差及运行特性下的主轴热误差；

轴承预紧力加载系统，通过主轴单元箱体上的腔体给轴承施加预紧力；

轴承预紧力反馈控制系统，用于通过主轴转速和轴承外套圈的温度分布获得轴承预紧力理论值，与采集到的施加于轴承上的预紧力相比较，进行PI调节后控制轴承预紧力加载系统调整预紧力大小；

轴承安装误差模拟装置，为设置在轴承与主轴单元箱体之间的轴承滑座；

主轴切削力模拟加载装置，包括主轴轴向力加载装置和径向力加载装置，主轴轴向力加载装置通过刀柄轴与主轴连接，径向力加载装置通过角接触球轴承与主轴轴向力加载装置连接，主轴轴向力加载装置和径向力加载装置上分别设有拉压力传感器。

2.根据权利要求1所述的一种数控机床主轴热误差成因综合试验平台，其特征在于：所述的传动装置为弹性联轴器。

3.根据权利要求1所述的一种数控机床主轴热误差成因综合试验平台，其特征在于：所述的轴承预紧力加载系统为液压预紧方式，包括液压站，液压站中的液压油通过油泵、高压过滤器和单向阀后一部分进入所述的给轴承施加预紧力的腔体，其余部分通过溢流阀回到液压站；所述的压力变送器用于采集腔体中液压油的压力。

4.根据权利要求3所述的一种数控机床主轴热误差成因综合试验平台，其特征在于：所述的溢流阀包括手动可调溢流阀和比例溢流阀，二者通过电磁换向阀切换；比例溢流阀的进口压力通过所述的轴承预紧力反馈控制系统控制。

5.根据权利要求1所述的一种数控机床主轴热误差成因综合试验平台，其特征在于：所述的主轴轴向力加载装置包括支撑座，支撑座上安装有所述的角接触球轴承，角接触球轴承的轴向依次连接有加载套筒、拉压力传感器、滑块和丝杆， 丝杆通过后端的手轮调节。

6.根据权利要求1所述的一种数控机床主轴热误差成因综合试验平台，其特征在于：所述的径向力加载装置包括与支撑座径向连接的皮带，皮带后端依次与第一滑块、拉压力传感器、第二滑块和丝杆连接， 丝杆通过后端的手轮调节。

7.一种利用权利要求1所述的一种数控机床主轴热误差成因综合试验平台实现的测试方法，其特征在于：它包括：

轴承外套圈温度场测量：利用设置在轴承外套圈的光纤光栅温度传感器，测量轴承外套圈的温度分布；

轴承动态接触角测试：在获取轴承外隔圈轴向应变、轴承外套圈的温度分布及轴承滑座的轴向位移数据基础上，计算轴承滚动体与内外套圈的动态接触角；

轴承在不同预紧力下运行特性测试：通过压力变送器测量施加于轴承上的预紧力，通过调整驱动系统调节主轴转速、同时利用光纤光栅温度传感器完成在不同转速下轴承温度场，计算动态接触角，实现轴承运行特性测试；

主轴的热误差测试：通过布置的激光位移传感器测量各向主轴热误差；

轴承预紧力的反馈控制：通过完成不同预紧力下，轴承温升、热误差的测试，然后建立轴承预紧力与轴承温升、热误差的映射关系，最终实现轴承预紧力的反馈控制；

主轴轴承不同安装误差模拟测试：通过改变轴承滑座的几何尺寸，模拟出主轴前后端轴承孔轴线偏移、轴承内外套圈倾斜及轴承座孔轴线歪斜三种情况，定量分析不同安装误差及大小情况下主轴热误差的表现形式。