CN105067234B - 高速电主轴综合实验平台与实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速电主轴综合实验平台与实验方法，解决了现有高速电主轴检测仅在空载下进行测试，难以模拟复杂受理状态下的电主轴工作状态，不能检测电主轴振动、发热等问题；方案是，包括底板，底板上依次固定有滑移机构和移动导轨，移动导轨上滑动装有可更换电主轴的装夹结构，滑移机构通过旋转轴控制可更换电主轴的装夹结构的前后运动，所述底板上还固定有轴向力加载机构、径向力加载机构和制动器，高速电主轴上安装有振动传感器和温度传感器，轴向力加载机构和径向力加载机构通过轴承加载单元对高速电主轴加载，所述转矩转速传感器经轴承加载单元与高速电主轴同轴连接，所述制动器通过转矩转速传感器与高速电主轴同轴连接。

Description

高速电主轴综合实验平台与实验方法

技术领域

本发明涉及检测设备技术领域，尤其是一种高速电主轴综合试验平台与试验方法。

背景技术

以高速电主轴为核心的高速机床已广泛用于加工制造业，大大提高了数控机床的加工速度和精度。为保证高速数控机床加工精度和可靠性，需要完成高速电主轴负载时的性能分析试验，以研究、改进高速电主轴结构设计，优化相关设计参数；现在有不少电主轴厂家和高校都在研究电主轴的可靠性问题，大多数都是运用静态加载或者是采用空载运转试验，这些并不能模拟电主轴在实际切削过程中的工作状况。在实际的切削过程中，铣刀受到切削力，在理论上主要分为轴向力和径向力。CN102426097A公布了一种高速电主轴动态加载装置，采用压力传感器、扭矩传感器、转速传感器测量电主轴的动态特征；CN102109416B公布了一种高速电主轴非接触电磁加载装置，采用电磁加载的方式施加径向力和扭矩；CN101975659B公布了一种用于电主轴轴承的高速动态模拟试验方法，试验过程能够对实验轴承施加轴向力和径向力，并采集储存轴承的转速、轴向和径向载荷、轴承振动、温度等。

以上几个专利可以看出，目前高速电主轴试验平台存在的不足有：（1）目前的高速电主轴试验平台存在只测试轴承性能或电主轴转矩、轴向和径向载荷等少数几个参数，不能够全面反映电主轴的综合性能；（2）传统主轴加载只能通过测功机实现扭矩加载，并且测试的主要参数为扭矩、加载力；（3）非接触式加载方案一般采用电磁试验系统加载，电磁系统的稳定性、加载力一般达不到预定的要求，并且存在磁场干涉；（4）缺少对电主轴整体的试验方法的研究。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种高速电主轴综合实验平台与实验方法，解决了现有高速电主轴检测仅在空载下进行测试，难以模拟复杂受理状态下的电主轴工作状态，不能检测电主轴振动、发热等问题。

本发明的技术方案是，一种高速电主轴综合试验平台，包括底板，底板上依次固定有滑移机构和移动导轨，移动导轨上滑动装有可更换电主轴的装夹结构，滑移机构通过旋转轴控制可更换电主轴的装夹结构的前后运动，所述底板上还固定有轴向力加载机构、径向力加载机构和制动器，高速电主轴上安装有振动传感器和温度传感器，轴向力加载机构和径向力加载机构通过轴承加载单元对高速电主轴加载，所述转矩转速传感器经轴承加载单元与高速电主轴同轴连接，所述制动器通过转矩转速传感器与高速电主轴同轴连接。

所述滑移机构包括固定在底板上的滑移轴承座，滑移轴承座上通过滑移轴承端盖固定有滑移双向推力轴承，滑移双向推力轴承内穿设有旋转轴，旋转轴和可更换电主轴的装夹结构经螺纹连接。

所述可更换电主轴的装夹结构包括滑动设置在移动导轨上的夹具，夹具内安装有配模，配模内安装有高速电主轴。

所述的轴向加载机构包括固定在底板上的支架和设置在支架上的轴向加载单元，支架内横向滑动设有滑块，滑块滑动方向的一侧设有杠杆，所述轴向加载单元可经转动推动杠杆旋转，杠杆另一端将力传递给轴承加载单元，所述杠杆为一矩形框，矩形框的上下两端之间的中间部分经转轴固定在支架上。

所述轴承加载单元包括壳体、加载棒、左侧固定螺母和右侧固定螺母，壳体内装有加载轴承座，加载轴承座开有圆周水槽，加载轴承座内设有右侧角接触球轴承和左侧角接触球轴承，加载棒穿设在两角接触球轴承内，右侧角接触球轴承和左侧角接触球轴承之间经隔垫隔开且背靠背安装，两角接触球轴承外分别经左轴承端盖和右轴承端盖将其固定在加载轴承座内，左轴承端盖和右轴承端盖的外侧分别设有左密封盖和右密封盖，左侧固定螺母和右侧固定螺母分别压紧左侧角接触球轴承和右侧角接触球轴承的内圈，并与其相对应的左密封盖和右密封盖对角接触球轴承形成迷宫密封，其中右密封盖上带有两个用于进出循环冷水的铜嘴。

所述径向力加载机构包括转动固定的加载轴和置于加载轴上方的托盘，托盘下方的加载轴上经右螺旋连接有左顶块、经右螺旋连接有右顶块，左顶块和右顶块分别与托盘经斜锲面接触，托盘上固定有拉压力传感器，拉压力传感器上端竖向固定有压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器的上端固定有上盖，上盖上固定有定位柱，压电陶瓷驱动器的球头经上盖伸出到其上方。

通过ER20夹心将高速电主轴与加载棒连接，ER20夹心与高速电主轴的主轴孔采用锥度配合，高速电主轴的主轴旋转时带动加载棒旋转，加载棒通过弹性联轴器与转矩转速传感器连接，转矩转速传感器通过联轴器与制动器连接，制动器安装在制动器夹具座上。

高速电主轴综合试验方法，逆时针转动旋转轴，将可更换电主轴的装夹结构向左移动，让出高速电主轴的安装位置，将高速电主轴安装到夹具之上，并将振动传感器和温度传感器安放在电主轴轴承位外表面，顺时针转动旋转轴，将可更换电主轴的装夹结构向右移动，将加载棒与高速电主轴连接，将高速电主轴尾部的进水接口和出水接口分别于冷却循环水站的进水管和出水管接通，调整加载棒与转矩转速传感器的同轴度，先进行粗调后进行微调，将同轴度的误差数值控制在0.01mm以内，打开工控机开关，进入系统操作界面之后，首先打开高速电主轴、制动器和轴承加载单元的水冷却系统，打开变频器，调整变频器输出频率，让高速电主轴以试验速度空转五分钟左右，进行跑合预热；待从转矩转速传感器采集的数据稳定后，按照模拟试验要求加载轴向力、径向力、扭矩和压电陶瓷驱动器频率的大小，旋转径向方向加载扳手和轴向方向加载扳手进行加载，并通过在工控机界面上调节制动器的参数来调节加载扭矩的大小，振动传感器和温度传感器将数据传输回工控机，整个试验过程显示器上实时显示电主轴转速、轴向载荷、径向载荷、扭矩大小、电主轴温度、振动、功耗电流、电主轴试验时间等参数，并自动保存；对于试验时出现异常情况，试验平台根据的监控程序能够自动发出报警并自动停机，停机后应检查异常，重做试验，异常试验不作为试验结果。

本发明所提供的高速电主轴综合试验平台与试验方法具有以下优点及功效：

1、本发明能够加载轴向力、径向力、扭矩，较为真实的模拟高速电主轴的实际工况。

2、本发明试验过程的试验转速、轴向力、径向力、扭矩、电主轴温度、振动、功耗电流、电主轴试验时间等均自动记录保存，为科学试验分析提供数据依据。

3、本发明的试验平台通用性好，可更换电主轴的装夹结构根据不同电主轴可适配不同配模，并具有移动导轨，便于装夹测试电主轴。

4、本发明的试验方法由监控程序进行记录与检测，试验出现异常能够报警并自动停机。

附图说明

图1是本发明试验平台的二维结构图。

图2是本发明试验平台的侧视剖面图。

图3是本发明试验平台的整体轴测图。

图4是本发明试验平台的滑移机构示意图。

图5是本发明试验平台的可更换电主轴的装夹机构示意图。

图6是本发明试验平台的轴向力加载机构示意图。

图7是本发明试验平台的轴承加载单元剖面图。

图8为本发明试验平台的轴承加载单元立体分解图。

图9是本发明试验平台的径向力加载机构示意图；

上述图中：1-底板；2-滑移机构；3-移动导轨；4-可更换电主轴的装夹结构；5-振动传感器；6-温度传感器；7-轴向力加载机构；8-轴承加载单元；9-径向力加载机构；10-弹性联轴器；11-转矩转速传感器；12-转矩转速传感器夹具座；13-制动器；14-制动器夹具座；201-GB70螺钉；202-垫片；203-手轮；204-前密封圈；205-滑移轴承端盖；206-固定螺母；207-紧定螺丝；208-滑移双向推力轴承；209-滑移轴承座；210-后密封圈；211-旋转轴；401-法兰盘；402-夹具；403-配模；404-高速电主轴；405-ER20夹心；406-螺母；701-加载单元；702-长螺柱；703-杠杆；704-支撑板；705-支架；706-滑块；801-加载棒；802-左密封盖；803-左轴承端盖；804-左侧固定螺母；805-加载轴承座；806-左侧角接触球轴承；807-隔垫；808-右侧角接触球轴承；809-壳体；810-右侧轴承端盖；811-右侧固定螺母；812-右密封盖；901-加载扳手；902-加载轴延长棒；903-前密封圈；904-轴承端盖；905-固定螺母；906-径向双向推力轴承；907-左侧盖；908-上盖；909-压电陶瓷驱动器；910-拉压力传感器；911-加载轴；912-左顶块；913-托盘；914-右顶块；915-深沟球轴承；916-右侧盖；917-定位柱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

本发明高速电主轴综合试验平台与试验方法包含试验装置和试验方法。

Ⅰ、试验装置

结合图1和图3，本试验装置由底板1、滑移机构2、移动导轨3、可更换电主轴的装夹结构4、振动传感器5、温度传感器6、轴向力加载机构7、轴承加载单元8、径向力加载机构9、弹性联轴器10、转矩转速传感器11、转矩转速传感器夹具座12、制动器13和制动器夹具座14构成。滑移机构2、移动导轨3、轴向力加载机构7、径向力加载机构9、转矩转速传感器夹具座12和制动器夹具座14固定在底板1之上。电主轴上安装有温度传感器6和振动传感器5。

结合图1和图4，本装置的滑移机构2由GB70螺钉201、垫片202、手轮203、前密封圈204、轴承端盖205、固定螺母206、紧定螺丝207、滑移双向推力轴承208、滑移轴承座209、后密封圈210和旋转轴211构成。轴承端盖205压紧滑移双向推力轴承208一侧座圈将其固定于滑移轴承座209内；旋转轴211的轴肩顶在滑移双向推力轴承208的轴圈上，并通过固定螺母206压紧滑移双向推力轴承208；滑移双向推力轴承使手轮203能够带动旋转轴211旋转；旋转轴211与可更换电主轴的装夹结构4连接的轴段为传动螺纹；手轮203通过键与旋转轴211连接；GB70螺钉201将手轮203固定在旋转轴之上；前密封圈204放置于轴承端盖205的凹槽内，后密封圈210放置于滑移轴承座209后端的凹槽内，用于防止外界灰尘或者水污染滑移双向推力轴承，影响其使用寿命。

结合图1和图5，本装置的可更换电主轴的装夹结构4由法兰盘401、夹具402、配模403、高速电主轴404、ER20夹心405和螺母406构成；法兰盘401固定在夹具402之上；配模403通过键与夹具402连接，通过GB70螺栓固定；高速电主轴404通过GB70螺栓固定在配模403之上，通过6个螺栓对其进行周向定位。旋转轴211的右端通过螺纹与法兰盘401连接，旋转轴正反向旋转时，法兰盘带动整个电主轴装夹装置一起前后移动；不同高速电主轴404配有不同配模403，更换电主轴时同时更换。

结合图6，本装置的轴向力加载机构7由加载单元701、长螺柱702、杠杆703、支撑板704、支架705组成，本试验装置的轴向力与径向力加载单元相同，均通过加载扳手施加力。此处仅解释轴向力传力结构，旋转扳手使与径向力相同的压电陶瓷驱动器909向前传力，推动杠杆703旋转，如图2和图3所示，杠杆另一端将力传递给轴承加载单元8，进而将力传递给高速电主轴404。其中，此杠杆为1:1传力，支撑板704和长螺柱702构成杠杆703的支点，整个轴向力加载机构由支架705支撑并固定于底板中后部。轴向加载单元的结构也可以是：竖向固定的长螺柱702，长螺柱702向下旋拧在支架705上，然后长螺柱702上套装有棍子，滑块706和棍子接触的地方的截面大概呈三角形，这样长螺柱702带动棍子向下运动的时候，棍子顺着三角形的倾斜边向右推动三角形。

结合图7和图8，本装置的轴承加载单元8由加载棒801、左密封盖802、左轴承端盖803、左侧固定螺母804、加载轴承座805、左侧角接触球轴承806、隔垫807、右侧角接触球轴承808、壳体809、右侧轴承端盖810、右侧固定螺母811、右密封盖812构成。加载轴承座805放置于壳体809中，加载轴承座805开有圆周水槽；右侧角接触球轴承808、隔垫807与左侧角接触球轴承806依次放入加载轴承座805的孔内，角接触球轴承为背靠背安装；两轴承外均有轴承盖将轴承固定在加载轴承座805的内；左侧固定螺母804和右侧固定螺母811分别压紧左侧角接触球轴承806的内圈和右侧角接触球轴承808的内圈，并起到迷宫密封作用；左密封盖802和右密封盖812对轴承加载单元进行密封，其中右密封盖812上带有两个铜嘴，用于进出循环冷却水，对轴承进行冷却。本装置的轴向力和径向力的施加由轴承加载单元进行传递。

结合图2和图9，本装置的径向力加载机构9由加载扳手901、加载轴延长棒902、前密封圈903、轴承端盖904、固定螺母905、径向双向推力轴承906、左侧盖907、上盖908、压电陶瓷驱动器909、拉压力传感器910、加载轴911、左顶块912、托盘913、右顶块914、深沟球轴承915、右侧盖916构成。径向双向推力轴承906放置于左侧板907的孔内，深沟球轴承915放置于右侧盖916孔内，加载轴911右侧依靠深沟球轴承915支撑，左侧依靠径向双向推力轴承906支撑。加载轴911的轴肩顶在径向双向推力轴承906的轴圈上，并通过固定螺母905压紧于径向双向推力轴承906；轴承端盖904将径向双向推力轴承906固定在左侧盖907的孔内；加载轴911左侧有右旋螺纹，与带有右旋螺纹孔的左顶块912螺纹连接；加载轴911右侧有左旋螺纹，与带有左旋螺纹孔的右顶块914螺纹连接；托盘913的斜锲面分别与左顶块912和右顶块914的斜锲面接触；拉压力传感器910放置于托盘（913）上，采用双头螺柱连接，压电陶瓷驱动器909放置于拉压力传感器910上，采用双头螺柱连接；加载轴延长棒902与加载轴911采用型面连接，加载扳手901与加载轴延长棒902采用型面连接，即加载扳手901开有四边形槽与加载延长棒902四边形轴面配合，以上为与径向力相同的加载单元。上盖908上的定位柱917插在轴承加载单元7的壳体809凸缘的定位孔内；压电陶瓷驱动器909的球头顶在壳体809球形槽上。

结合图1、图5、图7和图8，通过ER20夹心405将高速电主轴404与后面测试部分连接，ER20夹心405与高速电主轴404的主轴孔采用锥度配合，高速电主轴404的主轴旋转时带动加载棒801从而带动测试装置旋转。结合图1和图3，加载棒801通过弹性联轴器10与转矩转速传感器11连接，转矩转速传感器11通过联轴器与制动器13连接，制动器13安装在制动器夹具座14上。

Ⅱ、试验方法

逆时针旋转手轮203，将可更换电主轴的装夹结构4向左移动，让出高速电主轴404的安装位，将高速电主轴404安装到夹具之上，并将振动传感器5和温度传感器6安放在电主轴轴承位外表面，顺时针旋转手轮203，将可更换电主轴的装夹结构4向右移动，通过ER20夹心405将加载棒801与高速电主轴404连接，将高速电主轴404尾部的进水接口和出水接口分别与冷却循环水站的进水管和出水管接通，将轴承加载单元7上的进水接口和出水接口分别与冷却循环水站的进水管和出水管接通，调整加载棒801与转矩转速传感器10同轴度，先进行粗调后进行微调，将同轴度的误差数值控制在0.01mm以内，打开工控机开关，进入系统操作界面之后，首先打开高速电主轴404、制动器13和轴承加载单元8的水冷却系统，打开变频器，调整变频器输出频率，让高速电主轴404以试验速度空转五分钟左右，进行跑合预热；待从转矩转速传感器10采集的数据稳定后，按照模拟试验要求加载轴向力、径向力、扭矩和压电陶瓷驱动器频率的大小，旋转径向方向加载扳手901和轴向方向加载扳手701进行加载，并通过在工控机界面上调节制动器13的参数来调节加载扭矩的大小，振动传感器5和温度传感器6将数据传输回工控机，整个试验过程显示器上实时显示电主轴转速、轴向载荷、径向载荷、扭矩大小、电主轴温度、振动、功耗电流、电主轴试验时间等参数，并自动保存；对于试验时出现异常情况，试验平台的监控程序能够自动发出报警并自动停机，停机后应检查异常，重做试验，异常试验不作为试验结果。

本发明试验装置主要用来测试高速电主轴的负载特性，能够施加轴向力、径向力、扭矩，并能够采集振动、温度、电流信号。通过轴向力、径向力、扭矩的加载，采集电主轴的轴向力、径向力、加载扭矩、输入输出功率等参数，最后对数据进行分析。以铣削加工为例说明测试方法，铣削可分为粗铣和精铣。粗铣要求电主轴低转速、高转矩，精铣要求电主轴高转速、低转矩。根据铣削力的计算公式分别计算出高速电主轴在粗铣和高精铣状态下的切削力大小，将高速电主轴的转速分为2000r/min、4000r/min、6000r/min、8000r/min、10000r/min五个转速段，根据相应公式计算得到，分别在各个转速下加载1.93N·m~4.8N·m的扭矩、加载92.6N~230.4N的轴向力、加载168.6N~419.3N的径向力；试验时加载压电陶瓷驱动器909的数值大小根据公式f=n/60计算得出；依次在每个速度状态下保持运行一个小时，并每隔十分钟记录一次温度传感6采集到的高速电主轴404前轴承的温度值、转矩转速传感器11的数值及高速电主轴404的定子线圈的电流值，记录振动传感器5采集到的振动数值。每次在更改转速值时，将加载的轴向力、径向力、扭矩卸载，使电主轴处于空运行状态，然后再加载相对应的轴向力、径向力、扭矩。依次循环下去；根据转矩转速传感器11的数值计算高速电主轴404的输出功率，根据输入电压、高速电主轴404的定子线圈电流计算输入功率，根据输入功率、输出功率计算功率因数；根据记录的数据绘制出不同转速下的加载扭矩/电流曲线、加载扭矩/转速曲线、加载扭矩/功率曲线、加载扭矩/功率因数曲线、前轴承温度/轴向力径向力曲线和振动值/轴向力径向力曲线等能反应电主轴负载特性的曲线。

Claims (3)

1.一种高速电主轴综合试验平台，包括底板，底板上依次固定有滑移机构和移动导轨，移动导轨上滑动装有可更换电主轴的装夹结构，滑移机构通过旋转轴控制可更换电主轴的装夹结构的前后运动，其特征在于，所述底板上还固定有轴向力加载机构、径向力加载机构和制动器，高速电主轴上安装有振动传感器和温度传感器，轴向力加载机构和径向力加载机构通过轴承加载单元对高速电主轴加载，转矩转速传感器经轴承加载单元与高速电主轴同轴连接，所述制动器通过转矩转速传感器与高速电主轴同轴连接；

所述滑移机构包括固定在底板上的滑移轴承座，滑移轴承座上通过滑移轴承端盖固定有滑移双向推力轴承，滑移双向推力轴承内穿设有旋转轴，旋转轴和可更换电主轴的装夹结构经螺纹连接；

所述可更换电主轴的装夹结构包括滑动设置在移动导轨上的夹具，夹具内安装有配模，配模内安装有高速电主轴；

所述轴向加载机构包括固定在底板上的支架和设置在支架上的轴向加载单元，支架内横向滑动设有滑块，滑块滑动方向的一侧设有杠杆，所述轴向加载单元可经转动推动杠杆旋转，杠杆另一端将力传递给轴承加载单元，所述杠杆为一矩形框，矩形框的上下两端之间的中间部分经转轴固定在支架上；

所述轴承加载单元包括壳体、加载棒、左侧固定螺母和右侧固定螺母，壳体内装有加载轴承座，加载轴承座开有圆周水槽，加载轴承座内设有右侧角接触球轴承和左侧角接触球轴承，加载棒穿设在两角接触球轴承内，右侧角接触球轴承和左侧角接触球轴承之间经隔垫隔开且背靠背安装，两角接触球轴承外分别经左轴承端盖和右轴承端盖将其固定在加载轴承座内，左轴承端盖和右轴承端盖的外侧分别设有左密封盖和右密封盖，左侧固定螺母和右侧固定螺母分别压紧左侧角接触球轴承和右侧角接触球轴承的内圈，并与其相对应的左密封盖和右密封盖对角接触球轴承形成迷宫密封，其中右密封盖上带有两个用于进出循环冷水的铜嘴；

所述径向力加载机构包括转动固定的加载轴和置于加载轴上方的托盘，托盘下方的加载轴上经右螺旋连接有左顶块、经右螺旋连接有右顶块，左顶块和右顶块分别与托盘经斜锲面接触，托盘上固定有拉压力传感器，拉压力传感器上端竖向固定有压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器的上端固定有上盖，上盖上固定有定位柱，压电陶瓷驱动器的球头经上盖伸出到其上方。

2.根据权利要求1所述的高速电主轴综合试验平台，其特征在于，通过ER20夹心将高速电主轴与加载棒连接，ER20夹心与高速电主轴的主轴孔采用锥度配合，高速电主轴的主轴旋转时带动加载棒旋转，加载棒通过弹性联轴器与转矩转速传感器连接，转矩转速传感器通过联轴器与制动器连接，制动器安装在制动器夹具座上。

3.根据权利要求1所述的一种高速电主轴综合试验平台的试验方法，其特征在于，逆时针转动旋转轴，将可更换电主轴的装夹结构向左移动，让出高速电主轴的安装位置，将高速电主轴安装到夹具之上，并将振动传感器和温度传感器安放在电主轴轴承位外表面，顺时针转动旋转轴，将可更换电主轴的装夹结构向右移动，将加载棒与高速电主轴连接，将高速电主轴尾部的进水接口与冷却循环水站的出水管接通，将高速电主轴尾部的出水接口与冷却循环水站的进水管接通，调整加载棒与转矩转速传感器的同轴度，先进行粗调后进行微调，将同轴度的误差数值控制在0.01mm以内，打开工控机开关，进入系统操作界面之后，首先打开高速电主轴、制动器和轴承加载单元的水冷却系统，打开变频器，调整变频器输出频率，让高速电主轴以试验速度空转五分钟左右，进行跑合预热；待从转矩转速传感器采集的数据稳定后，按照模拟试验要求加载轴向力、径向力、扭矩和压电陶瓷驱动器频率的大小，旋转径向方向加载扳手和轴向方向加载扳手进行加载，并通过在工控机界面上调节制动器的参数来调节加载扭矩的大小，振动传感器和温度传感器将数据传输回工控机，整个试验过程显示器上实时显示电主轴转速、轴向载荷、径向载荷、扭矩大小、电主轴温度、振动、功耗电流、电主轴试验时间参数，并自动保存；对于试验时出现异常情况，试验平台根据的监控程序能够自动发出报警并自动停机，停机后应检查异常，重做试验，异常试验不作为试验结果。