CN104880308B - 一种主轴轴向力等静压加载装置 - Google Patents

Abstract

一种主轴轴向力等静压加载装置，包括固定基座模块以及设置在固定基座模块内的加载力施加及测量模块和加载力传递及方向保持模块；加载力传递及方向保持模块中的等静压橡胶片安装在力加载盘的左右两侧，加载力施加及测量模块中的力传感器连接到力进给螺杆导向元件上，导向元件与进给螺杆连接，进给螺杆采用差动螺纹的传动原理，实现微小位移的进给，进给螺杆外端可与电动机相连，实现对主轴的连续可控加载；本主轴轴向加载装置可输出轴向拉压载荷，结构简单，操作便捷，加载均匀，自动准确，适用范围广测试精确准确度高。

Description

一种主轴轴向力等静压加载装置

技术领域

本发明属于机械装置技术领域，特别是涉及一种主轴轴向力等静压加载装置。

背景技术

机床是制造业中最重要的基础机械装备和工作母机，是工业现代化的基石，是国民经济发展中不可或缺的支柱。主轴部件是机床的关键部件，其负载运行的可靠性和性能的优劣直接影响机床的最终加工功能，因此需要对其负载运行的可靠性以及性能进行实验研究。同时，在测试主轴动、静刚度等性能时也往往需要对主轴施加一定的轴向拉压载荷，这就对力加载装置提出了更高的要求：不仅加载过程要稳定均匀，而且加载力的方向也要准确，同时还应具有对工作中的主轴实现动态加载的功能。这就要求力加载装置既要有较好的控制性，又要有较高的精度和灵敏度。

在主轴的某些动态试验中，为了模拟主轴的真实受力状态，不仅要实现轴向力的动态加载，而且要保证加载轴向力大小和方向的准确性。通过对现有技术的文献检索发现，目前已有的大多加载试验台，鲜有施加轴向载荷的具体结构，而已有的主轴轴向力加载装置也多是属于刚性加载范畴，主要包括以下三种方式：机械加载，液压加载，电磁力加载。如东方振动研究所的单跨及双跨柔性转子试验台，力加载机构采用机械加载方式。机构虽然使用了柔性联轴器，利用弹性元件的变形来补偿加载机构与主轴的偏斜和位移，但即使在加载机构与主轴安装完全同轴的情况，由于机床振动等因素，此种刚性加载的方法也会导致施加的轴向载荷产生偏斜，且联轴器所能传递的轴向力非常有限；在发明103355565A中，东北大学发明的一种轴向力加载系统，利用液压加载的原理，在液压机构前端连接压力传感器实现轴向力的加载、卸载与测量，但没能考虑加载力本身会发生偏斜因素，同时由于加载中作动液的可压缩性非常低，加载过程近似于刚性加载，加载力的精度下降；在发明10581733A中，西安电子科技大学发明的利用电磁力进行主轴非接触加载试验台，虽然具有非接触加载的优点，但其加载结构复杂，占用空间大，电磁力控制困难，因此加载力范围有限、操作复杂、加载平稳性也较差。

综上所述，上述试验台只能在试验条件完全理想的情况下才能准确完成对主轴轴向力的准确施加，适用范围窄，结构复杂，加载精度低，同时试验台本身也不具有调整加载力发生偏斜的自适应性。随着主轴向高速、高精度的方向发展，传统的轴向加载装置很难满足准确测试主轴性能的要求。

因此，急需发明一种新型的主轴轴向动态加载装置，要求结构简单，操作方便，精度高，适用范围广，加载均匀，对轴向加载力方向发生偏斜具有一定的自适应性，实现轴向力大小和方向的准确加载。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，解决目前现有主轴轴向加载装置结构复杂，控制难度大，轴向加载力方向不准确的问题，保证加载力稳定准确均匀的施加；本发明的目的在于提供一种主轴轴向力等静压加载装置，适用范围广，结构简单，操作便捷，控制难度低，测试精度高。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种主轴轴向力等静压加载装置，包括固定基座模块以及设置在固定基座模块内的加载力施加及测量模块和加载力传递及方向保持模块；

所述的固定基座模块包括箱体4，箱体4的左右两端分别通过第一锁紧螺母3固定有左外端盖2和右外端盖19，箱体4的内表面与滚珠导套11的外表面配合连接，滚珠导套11的内表面与加载力传递及方向保持模块的内套筒10外表面配合连接；

所述的加载力施加及测量模块包括力传感器6，力传感器6左端与进给螺杆导向元件5的右端配合连接，进给螺杆导向元件5的左端与进给螺杆1的右端连接，进给螺杆1的中间段与左外端盖2上的螺纹配合连接；

所述的加载力传递及方向保持模块包括力加载盘9，力加载盘9通过螺纹连接加载力施加及测量模块的力传感器6右端，力加载盘9两端装有等静压橡胶片8，力加载盘9和等静压橡胶片8一起安装在内套筒10内，且力加载盘9与左内端盖7间隙配合连接，左内端盖7通过锁紧螺母固定在内套筒10上，内套筒10右端内装有加力轴20，加力轴20上装配有两个背对背安装的角接触球轴承17，两个角接触球轴承17中间装有与其配合的轴承内套筒16和轴承外套筒15，角接触轴承17左端装有套圈14，套圈14通过止动垫圈13和第二锁紧螺母12固定在加力轴20上，加力轴20的右端伸出箱体4，加力轴20分别与右内端盖18和右外端盖19间隙配合连接，右内端盖18通过锁紧螺母固定在内套筒10上，

所述的等静压橡胶片8和内套筒10为间隙配合。

所述的进给螺杆1的左右两端螺纹为螺距不同的同向螺纹。

所述的箱体4的内表面与滚珠导套11的外表面为间隙配合连接。

本发明等静压橡胶片8的配合使用，是实现柔性均布压力加载和控制加载轴向力方向准确的关键，等静压橡胶片具有硬度低(柔软)、易变形(超弹性)、能承受高压等特性，同时橡胶材料的泊松比接近0.5，体积几乎不可压缩，类似液体加载囊，当加载力的方向由于振动、安装误差等原因发生微小偏斜时，也能将力均匀地方向准确地传递到模型的表面，并能随模型表面变形而变形，因此可以保证加载力在传递过程中保持加载力轴向方向的准确(如图6)，同时，等静压橡胶片8能吸收机构的部分振动，保证加载力的稳定施加，同时它还具有很高的拉伸强度、撕裂强度，弹性极好，且具有耐油性、耐磨性、耐老化性好的优点，因此，本机构可满足对具有不平整及倾斜表面进行柔性加载的要求；配合开发的软件测试模块可以有效实现拉压的均匀连续可控加载，并且可以实现拉压力的实时曲线显示，直观清晰。

本发明能够适应卧式和立式主轴测试环境(参照图5)，安装调试方便，使用时不管配立式或卧式固定支座，均能保证立式和卧式情况下机构重心始终在主轴中心线上，确保机构加力更加稳定准确。

本发明可以外接转速、转向可控的直流伺服减速电机，实现拉压力的均匀、可控施加。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下优点和效果：

1.结构简单、体积小、操作方便、使用安全、实用性强。

2.能够比较精确的施加轴向载荷，并且能够保证施力方向的稳定性与准确性。

附图说明

图1为本发明的结构半剖视图。

图2为本发明的装配图。

图3为加载力传递及方向保持模块半剖示意图。

图4滚珠导套示意图。

图5为本发明装置卧式和立式安装图；其中，图5(a)为立式安装图；图5(b)为卧式安装图。

图6为等静压材料受加载盘偏斜力示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的解释说明。

参照图1和图2，一种主轴轴向力等静压加载装置，包括固定基座模块以及设置在固定基座模块内的加载力施加及测量模块和加载力传递及方向保持模块；

所述的固定基座模块包括箱体4，箱体4的左右两端分别通过第一锁紧螺母3固定有左外端盖2和右外端盖19，箱体4的内表面与滚珠导套11的外表面配合连接，滚珠导套11(参照图4)的内表面与加载力传递及方向保持模块的内套筒10外表面配合连接；

所述的加载力施加及测量模块包括力传感器6，力传感器6左端与进给螺杆导向元件5的右端配合连接，进给螺杆导向元件5的左端与进给螺杆1的右端连接，进给螺杆1的中间段与左外端盖2上的螺纹配合连接；进给螺杆1的左输出端与直流伺服电机的输出轴连接，需要施加轴向拉压力时，首先对直流伺服电机的转速、转向等参数进行设置，然后开启电机，直流电机带动进给螺杆1旋转，随着图1中力传感器6等零件的传递将拉压力传递给等静压橡胶片8，整个加力模块在滚珠导套11中滑动，将施加的力传递给待测主轴。另外，通过控制软件，可对拉压力的施加顺序、施加次数以及电机转速等进行设置；

参照图3，所述的加载力传递及方向保持模块包括力加载盘9，力加载盘9通过螺纹连接加载力施加及测量模块的力传感器6右端，力加载盘9两端装有等静压橡胶片8，力加载盘9和等静压橡胶片8一起安装在内套筒10内，且力加载盘9与左内端盖7间隙配合连接，左内端盖7通过锁紧螺母固定在内套筒10上，内套筒10右端内装有加力轴20，加力轴20上装配有两个背对背安装的角接触球轴承17，两个角接触球轴承17中间装有与其配合的轴承内套筒16和轴承外套筒15，增大支承距离，角接触轴承17左端装有套圈14，套圈14通过止动垫圈13和第二锁紧螺母12固定在加力轴20上，加力轴20的右端伸出箱体4，加力轴20分别与右内端盖18和右外端盖19间隙配合连接，右内端盖18通过锁紧螺母固定在内套筒10上，加力轴20的输出轴与主轴的刀柄连接，实现与主轴的连接，从而完成轴向拉压力的施加。

所述的等静压橡胶片8和内套筒10为间隙配合。

所述的进给螺杆1的左右两端螺纹为螺距不同的同向螺纹，能够实现差动螺旋传动，实现利用较大螺纹产生微小位移的功能，实现力的精确加载。

所述的箱体4的内表面与滚珠导套11的外表面为间隙配合连接。

参见图1、图2、图3，本发明的工作原理为：主轴轴向加载装置的安装使用步骤如下，首先，通过轴向加载装置左端的进给螺杆1输出端与直流电机输出轴相连，然后将机构的箱体4固定在工作台上，再将加载机构右端加力轴20的输出轴与机床主轴的刀柄连接，实现加载机构与机床的连接，最后将力传感器6连入电脑，打开测试软件，对电机运转参数、测试工况等进行设置，旋转主轴，开启力加载模块的直流伺服电机，进给螺杆1对进给螺杆导向元件5产生轴向力传递到力传感器6，力传感器6右端对力加载盘9施加轴向力，力加载盘9对等静压橡胶片8施加轴向力，轴向力在加载力传递及方向保持模块内完成力的传递，最后通过加力轴20完成自动对主轴进行拉压力的施加；测试软件实时记录拉压力的大小并对数据进行显示；保存数据后，完成对主轴轴向加载的过程。

Claims (3)

1.一种主轴轴向力等静压加载装置，其特征在于，包括固定基座模块以及设置在固定基座模块内的加载力施加及测量模块和加载力传递及方向保持模块；

所述的固定基座模块包括箱体(4)，箱体(4)的左右两端分别通过第一锁紧螺母(3)固定有左外端盖(2)和右外端盖(19)，箱体(4)的内表面与滚珠导套(11)的外表面配合连接，滚珠导套(11)的内表面与加载力传递及方向保持模块的内套筒(10)外表面配合连接；

所述的加载力施加及测量模块包括力传感器(6)，力传感器(6)左端与进给螺杆导向元件(5)的右端配合连接，进给螺杆导向元件(5)的左端与进给螺杆(1)的右端连接，进给螺杆(1)的中间段与左外端盖(2)上的螺纹配合连接；

所述的加载力传递及方向保持模块包括力加载盘(9)，力加载盘(9)通过螺纹连接加载力施加及测量模块的力传感器(6)右端，力加载盘(9)两端装有等静压橡胶片(8)，力加载盘(9)和等静压橡胶片(8)一起安装在内套筒(10)内，且力加载盘(9)与左内端盖(7)间隙配合连接，左内端盖(7)通过锁紧螺母固定在内套筒(10)上，内套筒(10)右端内装有加力轴(20)，加力轴(20)上装配有两个背对背安装的角接触球轴承(17)，两个角接触球轴承(17)中间装有与其配合的轴承内套筒(16)和轴承外套筒(15)，角接触轴承(17)左端装有套圈(14)，套圈(14)通过止动垫圈(13)和第二锁紧螺母(12)固定在加力轴(20)上，加力轴(20)的右端伸出箱体(4)，加力轴(20)分别与右内端盖(18)和右外端盖(19)间隙配合连接，右内端盖(18)通过锁紧螺母固定在内套筒(10)上；

所述的进给螺杆(1)的左右两端螺纹为螺距不同的同向螺纹。

2.根据权利要求1所述的一种主轴轴向力等静压加载装置，其特征在于，所述的等静压橡胶片(8)和内套筒(10)为间隙配合。

3.根据权利要求1所述的一种主轴轴向力等静压加载装置，其特征在于，所述的箱体(4)的内表面与滚珠导套(11)的外表面为间隙配合连接。