CN105588718A - 机床主轴综合性能检测/监测试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机床主轴综合性能检测/监测试验系统及方法，属于机械领域。机床主轴通用支撑部分为支撑结构，用于固定被检测的机床主轴，通用测试工具箱内的测试工具实现机床主轴静态和几何性能的检测；自动控制部分完成信号采集装置、电液伺服和测功机混合模拟加载部分的检测和运行的操作系统，通过这三部分的密切配合完成对机床主轴综合性能的检测/监测。优点在于：构思新颖，结构简单，使用方便。实现了对于各系列型号机床主轴的通用检测试验；实现了对机床主轴进行综合性能的检测试验；且能够快速、准确地检测/监测机床主轴的各项性能指标和主要的技术参数；大大提高了检测效率，降低的生产成本；且自身可靠性高、稳定。实用性强。

Description

机床主轴综合性能检测/监测试验系统及方法

技术领域

本发明涉及机械领域，特别涉及一种机床主轴综合性能检测/监测试验系统及方法。用于机床主轴在加载模拟典型工况下进行综合性能检测/监测。

背景技术

机床主轴是数控机床的关键功能部件之一，其可靠性水平直接影响整机的可靠性水平和加工效率。为此，无论对数控机床主机企业还是机床用户企业，快速、准确地检测/监测机床主轴的各项性能指标和主要的技术参数都显得尤为重要。然而，目前针对机床主轴性能参数的检测主要依靠现场技术人员的评价检测和一些静态单一性能的人工检测，这大大降低了检测效率，增加了生产成本。少数已有的主轴试验台存在自身可靠性差、高速动态监测性能不稳定、检测指标简单、一定程度上无法实现通用检测以及仅能实现空载和简单径向加载下的指标检测等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机床主轴综合性能检测/监测试验系统及方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明从检测/监测高效性和通用性的角度出发，设计了一套机床主轴综合性能检测系统和方法。此系统检测效率高、通用性能好，极大满足了企业和用户的一站式检测监测要求，同时本系统可以对机床主轴在加载模拟典型工况下进行综合性能检测/监测，对于研究不同典型工况下的机床主轴可靠性、综合性及参数精度衰退规律的影响有重要的意义，同时为机床主轴远程监控及故障预警提供基础数据，具有重要的工程应用价值。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

机床主轴综合性能检测/监测试验系统，包括机床主轴通用支撑部分、信号采集装置、通用测试工具箱27、电液伺服和测功机混合模拟加载部分、自动控制部分；其中机床主轴通用支撑部分为支撑结构，用于固定被检测的机床主轴，通用测试工具箱内的测试工具实现机床主轴静态和几何性能的检测；自动控制部分完成信号采集装置、电液伺服和测功机混合模拟加载部分的检测和运行的操作系统，通过这三部分的密切配合完成对机床主轴综合性能的检测/监测。

所述的机床主轴通用支撑部分包括滑轨3、分块轴向可移动抱夹机构6和机床主轴套筒7，所述滑轨3由左侧滑轨和右侧滑轨组成，其上表面开有均匀的沉头螺纹通孔，左侧滑轨和右侧滑轨分别与分块轴向可移动抱夹机构6底面的燕尾型通槽形成间隙配合，使分块轴向可移动抱夹机构6沿滑轨3滑动，并通过锁紧螺母将分块轴向可移动抱夹机构6和导轨3相互锁紧固定，滑轨3通过螺栓与机床主轴箱垫板24上端锁紧固定；

所述分块轴向可移动抱夹机构6为分块式箱体类结构件，由若干块小抱夹组成，小抱夹呈Ω型，小抱夹轴心处有一个中心通孔，中心通孔周围均匀的布有若干个螺纹孔，小抱夹底面左右两侧开有燕尾型通槽，燕尾型通槽的两个侧面开有锁紧螺纹通孔；小抱夹的中心通孔和燕尾型通槽是通过镗铣加工一次成型，保证每块小抱夹中心通孔的同轴度及燕尾型通槽底面和侧面的平行度，燕尾型通槽与滑轨3配合，锁紧螺母穿过燕尾型通槽侧面的螺纹通孔顶在滑轨3的表面，相互固定并防止小抱夹倾斜，中心通孔周围均布的螺纹孔与机床主轴套筒7左侧法兰端面固定连接，分块轴向可移动抱夹机构6中的小抱夹的位置根据不同型号的机床主轴4的长度，沿滑轨3方向进行调整；

所述机床主轴套筒7为套筒类结构件，机床主轴套筒7一端为法兰端面，沿圆周方向钻有螺纹孔，机床主轴套筒7的内径与机床主轴4的外径相配合，机床主轴套筒7在机床主轴4前后轴承支撑位置沿圆周均匀分布有三个安装孔，安装压电式振动传感器B28，机床主轴套筒7的法兰端面沿外圆周均匀分布有多个螺纹孔，与分块轴向可移动抱夹机构6固定连接，滑轨3、分块轴向可移动抱夹机构6和机床主轴套筒7组合在一起实现对不同型号的机床主轴4的固定安装，并对其进行性能参数的检测；

所述机床主轴箱垫板24为长方形板类底座部件，下端面通过两块垫铁25垫起与电力测功机27中心相同高度，上表面沿滑轨3固定的轴向方向开有均匀的螺纹孔，下端面两侧设有与地平铁1的T型槽方向垂直的U型开口，机床主轴箱垫板24上端面固定连接滑轨3，下端通过T型螺栓和螺母固定在地平铁1上。

所述的信号采集装置包括动平衡测试机构、振动测试机构、回转误差测试机构、温度测试机构和噪声测试机构；所述动平衡测试机构具体结构为：在线动平衡分析仪13固定在矩型夹持头可调安装支架8上，位于机床主轴4一侧距离机床主轴中心轴线500mm处，在主轴加载棒15末端粘贴反光纸，矩型夹持头可调安装支架8对准反光点，分别进行空载和加载工况下的机床主轴4的动平衡测试；所述矩型夹持头可调安装支架8通过调整高度的垫块22或者直接安装在地平铁1上，由支架底座29、支架顶丝30和支架滑块31组成，所述可调安装支架底座29为倒立的T型结构件，由长方形钢板的底座和竖直方向带有量尺的立柱焊接固定而成，立柱表面刻有刻度，支架滑块31沿竖直方向进行高度调整；所述支架滑块31呈8字型，由左侧方框型滑块和右侧矩形夹持机构组成，左侧方框型滑块的侧面开有支架顶丝30的螺纹孔，左侧方框型滑块穿过支架底座29的立柱，与立柱间隙配合，支架滑块31沿立柱上下滑动，通过安装支架顶丝30将支架滑块31锁紧在支架底座29上，右侧矩形夹持机构的底座四角设有锁紧螺纹孔；

所述振动测试机构具体结构为：振动传感器A5安装在机床主轴4的外壳前端，振动传感器B28内置于机床主轴套筒7中间对应前后轴承的支承位置；

所述回转误差测试机构具体结构为：三个电涡流传感器9分别固定在两个孔型水平夹持头可调安装支架35、一个孔型垂直夹持头可调安装支架36上，使三个电涡流传感器9在转轴端面内互成90°角；所述孔型水平夹持头可调安装支架35、孔型垂直夹持头可调安装支架36分别通过调整高度的垫块22或者直接安装在分块轴向可移动抱夹机构6的顶端平面上，且位于机床主轴4端面两侧；

所述温度测试机构具体结构为：在线热成像仪21通过矩型夹持头可调安装支架8安装在地平铁1上，位于机床主轴4一侧且距离机床主轴4中心轴线500mm；

所述噪声测试机构具体结构为：三个精密噪声仪23分别通过矩型夹持头可调安装支架8安装在地平铁1上，且位置分别距离机床主轴4的几何中心X、Y、Z三个方向各1000mm±10mm处。

所述的通用测试工具箱27安装在地平铁1的一端，内部设置数显千分表32、标准塞规33和主轴拉力计34，所述数显千分表32检测机床主轴4的静刚度和几何精度，所述标准塞规33检测机床主轴4前端锥孔锥度和卡盘定位锥孔的锥度，所述主轴拉力计34与被测机床主轴型号相对应。

所述的电液伺服和测功机混合模拟加载部分包括扭矩加载部分和切削力加载部分，所述扭矩加载部分包括机床主轴加载棒15、弹性膜片联轴器16和电力测功机17，所述电力测功机17通过螺栓和T型螺母连接在地平铁1上，其输出端通过两个对称布置的平键与弹性膜片联轴器16连接，弹性膜片联轴器16的另一端与机床主轴加载棒15小端相连，实现了扭矩的传递和加载，机床主轴加载棒15大端和机床主轴箱的三爪卡盘配合；同时，机床主轴4的转速和功率也由电力测功机17内部的转速和扭矩传感器一同测出；

所述切削力加载部分包括径向力加载部分、轴向力加载部分和加载单元14，所述径向力加载部分具体结构为：尾部支座2为矩形板类结构件，矩形底板的两侧分别开有三个矩形延长孔，侧面三块肋板呈工字型焊接在矩形底板上，所述尾部支座2通过螺栓和T型螺母与地平铁1相连，肋板通过销轴与直线伺服作动器18尾部相连；所述直线伺服作动器18前端装有液压位移传感器内芯，当直线伺服作动器18的活塞杆移动时位移传感器的内芯也随着移动，位移传感器便能测得活塞杆的位移，活塞杆与加载单元14的凹坑接触实现径向加载；直线伺服作动器18安装在前端支腿19上，所述前端支腿19为门型框架支撑结构，通过长螺栓与地平铁1固定；

所述轴向力加载部分具体结构为：尾部支座2、直线伺服作动器18和前端支腿19的结构同径向力加载部分所述，但安装方向变为轴向方向，直线伺服作动器18的活塞杆与摆臂机构的右端凹坑相接触以实现轴向加载；所述摆臂机构属于框架型结构，由两侧的支腿底座12、中间横梁11和板型摆臂10组成，支腿底座12通过螺栓和T型螺母与地平铁1连接，板型摆臂10和中间横梁11间隙配合以实现摆动，板型摆臂10一端经凹坑与直线伺服作动器18的活塞杆接触，另一端的U型结构与加载单元14接触实现轴向加载。

本发明的另一目的在于提供一种机床主轴综合性能检测/监测试验方法，包括以下步骤：

步骤1：静态检测：

1.1、根据机床主轴4的型号和几何尺寸调整分块轴向可移动抱夹机构6的轴向位置、选择相应内径的主轴套筒7，使机床主轴4固定安装在机床主轴综合性能检测/监测试验系统上；

1.2、确定安装无误后，打开通用测试工具箱27，使用标准塞规33的大端接触且采用着色法对主轴锥孔锥度进行检测；

1.3、使用配重块对机床主轴4端部加载静态力，所选重量为机床主轴许用最大径向或轴向力的2/3，检验主轴静刚度时，测量径向刚度的施力点规定为靠近主轴伸出端，即安装刀具端的极限位置，使用数显千分表32手动反复进行至少三次测量，每次测量前转动机床主轴4一圈或两圈，取三次测量结果的平均值作为最终测量结果；

1.4、选择相对应的拉力计34完成拉刀力的检测。

步骤2：动态加载检测：

2.1、根据机床主轴4的长度和直径尺寸要求分别在轴端布置好振动传感器A5、调整好电涡流传感器9和可调安装支架滑块31的高度，到达测量高度时拧紧可调安装支架顶丝30定位，使电涡流传感器保持平稳，调整在线热成像仪21的高度，移动三个方位的精密噪音计，使精密噪声仪的高度与机床主轴4轴线高度保持一致，分别距离测试机床主轴1000mm；

2.2、打开机床主轴变频器开关，并打开各信号采集装置的开关，调节控制台26，通过变频器依次调高机床主轴4的转速，待测试机床主轴4的转速稳定后启动各采集装置和自动控制系统开始进行空载测试，空载测试不得少于30min；

2.3、空载测试完毕后，依次调节变频器降低机床主轴转速，直至主轴停止；根据模拟加载的动态切削力大小及方向，调整好加载单元14的位置和角度，通过上位机控制模块输入相应的参数，开始进行模拟加载条件下的机床主轴动态性能的检测，通过采集装置获得的温度、噪声、振动信号，最终传输至分析模块。

本发明的有益效果在于：

1、本发明构思新颖，结构简单，使用方便。解决了现有机床主轴检测设备功能单一的问题，实现了对于各系列型号机床主轴的通用检测试验；

2、本发明实现了对机床主轴进行综合性能（振动、温升、回转误差、噪声等）的检测试验；且能够快速、准确地检测/监测机床主轴的各项性能指标和主要的技术参数；

3、本发明实现了动态监测主轴运行状态性能，大大提高了检测效率，降低的生产成本；且自身可靠性高、稳定。

4、本发明在现有仅对机床主轴进行空载检测的基础上，提出了一种可模拟真实工况进行加载状态下检测/监测的试验系统。实用性强。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的轴侧结构示意图；

图2为本发明的分块轴向可移动抱夹机构轴侧结构示意图；

图3为本发明的主轴套筒轴侧结构示意图；

图4为本发明的矩型夹持头可调安装支架轴侧结构示意图；

图5为本发明的通用测试工具箱轴测结构示意图；

图6为本发明的自动控制系统图；

图7为本发明的孔型水平夹持头可调安装支架轴测结构示意图；

图8为本发明的孔型垂直夹持头可调安装支架轴测结构示意图。

图中：1、地平铁；2、尾部支座；3、滑轨；4、机床主轴；5、振动传感器A；6、分块轴向可移动抱夹机构；7、机床主轴套筒；8、矩型夹持头可调安装支架；9、电涡流传感器；10、板型摆臂；11、中间横梁；12、支腿底座；13、在线动平衡分析仪；14、加载单元；15、机床主轴加载棒；16、弹性膜片联轴器；17、电力测功机；18、直线伺服作动器；19、前端支腿；20、油气润滑设备；21、在线热成像仪；22、垫块；23、精密噪音计；24、机床主轴箱垫板；25、垫铁；26、控制台；27、通用测试工具箱；28、压电式振动传感器B；29、可调安装支架底座；30、可调安装支架顶丝；31、可调安装支架滑块；32、数显千分表；33、标准塞规；34、机床主轴拉力计；35、孔型水平夹持头可调安装支架；36、孔型垂直夹持头可调安装支架。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图3所示，本发明的机床主轴综合性能检测/监测试验系统，包括机床主轴通用支撑部分、信号采集装置、通用测试工具箱27、电液伺服和测功机混合模拟加载部分、自动控制部分；其中机床主轴通用支撑部分为该系统主要支撑结构，用于固定被检测的机床主轴，通用测试工具箱内的测试工具可实现机床主轴静态和几何性能的检测；自动控制部分完成信号采集装置、电液伺服和测功机混合模拟加载部分的检测和运行的操作系统，通过这三部分的密切配合完成对机床主轴综合性能的检测/监测。

所述的机床主轴通用支撑部分包括滑轨3、分块轴向可移动抱夹机构6和机床主轴套筒7，所述滑轨3由左侧滑轨和右侧滑轨组成，其上表面开有均匀的沉头螺纹通孔，左侧滑轨和右侧滑轨分别与分块轴向可移动抱夹机构6底面的燕尾型通槽形成间隙配合，使分块轴向可移动抱夹机构6沿滑轨3滑动，并通过锁紧螺母将分块轴向可移动抱夹机构6和导轨3相互锁紧固定，滑轨3通过螺栓与机床主轴箱垫板24上端锁紧固定；

所述分块轴向可移动抱夹机构6为分块式箱体类结构件，由若干块小抱夹组成（本实施例以3块为例），小抱夹呈Ω型，小抱夹轴心处有一个中心通孔，中心通孔周围均匀的布有若干个螺纹孔，小抱夹底面左右两侧开有燕尾型通槽，燕尾型通槽的两个侧面开有锁紧螺纹通孔；小抱夹的中心通孔和燕尾型通槽是通过镗铣加工一次成型，保证每块小抱夹中心通孔的同轴度及燕尾型通槽底面和侧面的平行度，燕尾型通槽与滑轨3配合，锁紧螺母穿过燕尾型通槽侧面的螺纹通孔顶在滑轨3的表面，相互固定并防止小抱夹倾斜，中心通孔周围均布的螺纹孔用于与机床主轴套筒7左侧法兰端面固定连接，分块轴向可移动抱夹机构6中的小抱夹的位置根据不同型号的机床主轴4的长度沿滑轨3方向进行调整；

所述机床主轴套筒7为套筒类结构件，机床主轴套筒7一端为法兰端面，沿圆周方向钻有螺纹孔，机床主轴套筒7的内径有多种规格，根据机床主轴4的外径不同可以选择相应规格内径的机床主轴套筒7，机床主轴套筒7在机床主轴4前后轴承支撑位置沿圆周均匀分布有三个安装孔，用于安装压电式振动传感器B28，以便能够准确机床主轴轴承处的振动信号，机床主轴套筒7的法兰端面沿外圆周均匀分布有多个螺纹孔（本实施例以6个为例），与分块轴向可移动抱夹机构6固定连接，滑轨3、分块可移动抱夹机构6和机床主轴套筒7组合在一起实现对不同型号的机床主轴4的固定安装，并对其进行性能参数的检测；

所述机床主轴箱垫板24为长方形板类底座部件，下端面通过两块垫铁25垫起与电力测功机27中心相同高度，上表面沿滑轨3固定的轴向方向开有均匀的螺纹孔，下端面两侧设有与地平铁1的T型槽方向垂直的U型开口，机床主轴箱垫板24上端面固定连接滑轨3，下端通过T型螺栓和螺母固定在地平铁1上。

参见图1、图4、图7及图8所示，本发明所述的信号采集装置包括动平衡测试机构、振动测试机构、回转误差测试机构、温度测试机构和噪声测试机构；

所述动平衡测试机构具体结构为：在线动平衡分析仪13（本实施例以KMbalancer-60000型在线动平衡分析仪为例）固定在矩型夹持头可调安装支架8上，位于机床主轴4一侧距离机床主轴中心轴线500mm处，在主轴加载棒15末端粘贴反光纸，矩型夹持头可调安装支架8对准反光点，分别进行空载和加载工况下的机床主轴4的动平衡测试；所述矩型夹持头可调安装支架8通过调整高度的垫块22或者直接安装在地平铁1上，由支架底座29、支架顶丝30和支架滑块31组成，所述可调安装支架底座29为倒立的T型结构件，由长方形钢板的底座和竖直方向带有量尺的立柱焊接固定而成，立柱表面刻有刻度，支架滑块31沿竖直方向进行高度调整；所述支架滑块31呈8字型，由左侧方框型滑块和右侧矩形夹持机构组成，左侧方框型滑块的侧面开有支架顶丝30的螺纹孔，左侧方框型滑块穿过支架底座29的立柱，与立柱间隙配合，支架滑块31沿立柱上下滑动，通过安装支架顶丝30将支架滑块31锁紧在支架底座29上，右侧矩形夹持机构的底座四角设有锁紧螺纹孔，实现固定检测仪器的目的。此外，根据检测原件的安装要求、调整方式和尺寸大小的不同，还有孔型水平夹持头可调安装支架35和孔型垂直夹持头可调安装支架36两种形式；

所述振动测试机构具体结构为：振动传感器A5（本实施例以3个6TZS-B-D型振动传感器为例）安装在机床主轴4的外壳前端，用以测试机床主轴4的振动情况，振动传感器B28（本实施例以4个CA-YD-107型压电式振动传感器为例）内置于机床主轴套筒7中间对应前后轴承的支承位置，用于测试轴承处的振动情况，每次测试前须对传感器进行标定，机床主轴4在工作转速内运转至转速稳定状态开始进行测试；

所述回转误差测试机构具体结构为：三个电涡流传感器9（本实施例以IN-081型电涡流传感器为例）分别固定在两个孔型水平夹持头可调安装支架35、一个孔型垂直夹持头可调安装支架36上，使三个电涡流传感器9在转轴端面内互成90°角，完成对电主轴径向振动量的测试，轴心轨迹通过三个传感器测量到的位移值合成得到；所述孔型水平夹持头可调安装支架35、孔型垂直夹持头可调安装支架36分别通过垫块22或者直接安装在分块轴向可移动抱夹机构6的顶端平面上，通过垫块22调整高度，位置在机床主轴4端面两侧；

所述温度测试机构具体结构为：在线热成像仪21（本实施例以FLIRE-E40系列红外热成像仪为例）通过矩型夹持头可调安装支架8安装在地平铁1上，位于机床主轴4一侧且距离机床主轴4中心轴线500mm；机床主轴在低、中、高转速下运行，打开在线热成像仪21开始进行测试，同时完成表面温度分布的数据记录，整个测试过程在规定冷却润滑条件下进行（测试温度不高于30℃）。

所述噪声测试机构具体结构为：三个精密噪声仪23（本实施例以CasellaCEL-621型精密噪音计为例）分别通过矩型夹持头可调安装支架8安装在地平铁1上，且位置分别距离机床主轴4的几何中心X、Y、Z三个方向各1000mm±10mm处，调整矩型夹持头可调安装支架8的高度至与主轴中心轴线高度相同，测试在空运转至转速稳定状态下进行，以各测点测得的最大值记为主轴的噪声值。

参见图5所示，本发明所述的通用测试工具箱27放置在地平铁1的一端，内有数显千分表32、标准塞规(标准环规)33和主轴拉力计（BT30/40/50型各一个）34，所述数显千分表32等，用于检测机床主轴4的静刚度和几何精度；静刚度检测时，分别施加径向负荷或轴向负荷，径向静刚度测试时加载位置应靠近安装卡盘的端面，轴向静刚度测试时加载位置应位于转轴的中心线处，至少进行三次测量，每次测量前转动主轴1-2圈，取三次测量结果的平均值作为最终测量结果。所述的几何精度检测一般包含卡盘定位端面、锥孔轴线和转轴后伸出端的轴径向跳动量的测量。所述标准塞规33检测机床主轴4前端锥孔锥度和卡盘定位锥孔的锥度，所述主轴拉力计34与被测机床主轴型号相对应，测试前将拉力计及主轴前端锥度部位擦拭干净，夹持好拉力计，开始拉刀力的检测，为确保测量数值的正确性，拉力计须在有预拉的情况下使用。

所述的电液伺服和测功机混合模拟加载部分包括扭矩加载部分和切削力加载部分，所述扭矩加载部分包括机床主轴加载棒15、弹性膜片联轴器16和电力测功机17，所述电力测功机17（本实施例以型号为DL662电力测功机为例）通过螺栓和T型螺母连接在地平铁1上，其输出端通过两个对称布置的平键与弹性膜片联轴器16（本实例以M116型弹性膜片联轴器为例）连接，弹性膜片联轴器16的另一端与机床主轴加载棒15小端相连，实现了扭矩的传递和加载，机床主轴加载棒15大端和机床主轴箱的三爪卡盘配合；同时，机床主轴4的转速和功率也由电力测功机17内部的转速和扭矩传感器一同测出；

所述切削力加载部分包括径向力加载部分、轴向力加载部分和加载单元14，所述径向力加载部分具体结构为：尾部支座2为矩形板类结构件，矩形底板的两侧分别开有三个矩形延长孔，侧面三块肋板呈工字型焊接在矩形底板上，所述尾部支座2通过螺栓和T型螺母与地平铁1相连，肋板通过销轴与直线伺服作动器18尾部相连；所述直线伺服作动器18前端装有液压位移传感器内芯，当直线伺服作动器18的活塞杆移动时位移传感器的内芯也随着移动，位移传感器便能测得活塞杆的位移，活塞杆与加载单元14的凹坑接触实现径向加载；直线伺服作动器18安装在前端支腿19上，所述前端支腿19为门型框架支撑结构，通过长螺栓与地平铁1固定，调整横梁上端的螺母可以起到调节支撑高度的作用。

所述轴向力加载部分具体结构为：尾部支座2、直线伺服作动器18和前端支腿19的结构同径向力加载部分所述，但安装方向变为轴向方向，直线伺服作动器18的活塞杆与摆臂机构的右端凹坑相接触以实现轴向加载；所述摆臂机构属于框架型结构，由两侧的支腿底座12、中间横梁11和板型摆臂10组成，支腿底座12通过螺栓和T型螺母与地平铁1连接，板型摆臂10和中间横梁11间隙配合以实现摆动，板型摆臂10一端经凹坑与直线伺服作动器18的活塞杆接触，另一端的U型结构与加载单元14接触实现轴向加载。

参见图6所示，本发明所述的自动控制部分人机交互模块、信号传输模块、信号采集模块、模拟加载模块和分析模块。所述人机交互模块包括控制单元和分析单元，主要硬件为高性能工控机（本发明以IPC-610-L型工控机为例），控制界面是基于Labview开发平台编制，包括在控制界面选择加载频率和加载波形等参数后，控制信号经信号传输模块发送给模拟加载模块；所述的分析单元可在线对采集数据完成校准、数字滤波和抽样、阶次跟踪、谐波提取等前期处理工作，并进一步与标准值进行校验，整个人机交互模块完成对模拟加载的控制和信号的实时分析及监测。

所述信号传输模块主要硬件由I/O接口设备(本文以NIPXIe-1082DC为例)、伺服放大器和信号放大器组成，前述的人机操作模块发出的控制信号经D/A转换后通过伺服放大器发送给模拟加载模块，实现上位机的控制功能，同样采集回的信号通过信号传输模块传回上位机。信号采集模块采集所述的信号采集模块主要硬件由前述的动平衡测试装置、振动测试装置、回转误差测试装置、温度测试装置和噪声测试装置组成，采集的振动、位移、温度和噪声等信号经A/D转换后通过信号放大器传回上位机分析模块，完成分析工作。

模拟加载模块主要硬件由前述电液伺服阀、加载油缸和测功机控制仪等组成，经信号传输模块输出的模拟信号首先通过伺服服放大器，然后对加载油缸中电液伺服阀的位置进行调节，从而实现直线伺服作动器18的力和位移的输出；直线伺服作动器18前端的压力传感器和位移传感器采集的反馈信号经信号放大器传回到信号传输模块，对液压电液伺服阀实现闭环控制；扭矩加载控制部分通过调节测功机控制仪完成转速和扭矩的信号反馈。

本发明所述的机床主轴综合性能检测/监测试验系统的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：静态检测：

1.1、根据机床主轴4的型号和几何尺寸调整分块轴向可移动抱夹机构6的轴向位置、选择相应内径的主轴套筒7，使机床主轴4固定安装在机床主轴综合性能检测/监测试验系统上；

1.2、确定安装无误后，打开通用测试工具箱27，使用标准塞规33的大端接触且采用着色法对主轴锥孔锥度进行检测；

1.3、使用配重块对机床主轴4端部加载静态力，所选重量为机床主轴许用最大径向或轴向力的2/3，检验主轴静刚度时，测量径向刚度的施力点规定为靠近主轴伸出端，即安装刀具端的极限位置，使用数显千分表32手动反复进行至少三次测量，每次测量前转动机床主轴4一圈或两圈，取三次测量结果的平均值作为最终测量结果；

1.4、选择相对应的拉力计34完成拉刀力的检测。

步骤2：动态加载检测：

2.1、根据机床主轴4的长度和直径尺寸要求分别在轴端布置好振动传感器A5、调整好电涡流传感器9和可调安装支架滑块31的高度，到达测量高度时拧紧可调安装支架顶丝30定位，使电涡流传感器保持平稳，调整在线热成像仪21的高度，移动三个方位的精密噪音计，使精密噪声仪的高度与机床主轴4轴线高度保持一致，分别距离测试机床主轴1000mm；

2.2、打开机床主轴变频器开关，并打开各信号采集装置的开关，调节控制台26，通过变频器依次调高机床主轴4的转速，待测试机床主轴4的转速稳定后启动各采集装置和自动控制系统开始进行空载测试，空载测试不得少于30min；

2.3、空载测试完毕后，依次调节变频器降低机床主轴转速，直至主轴停止；根据模拟加载的动态切削力大小及方向，调整好加载单元14的位置和角度，通过上位机控制模块输入相应的参数，开始进行模拟加载条件下的机床主轴动态性能的检测，通过采集装置获得的温度、噪声、振动信号，最终传输至分析模块；整个测试过程中油气润滑设备20和冷却条件要符合机床主轴若干技术要求，保证被测机床主轴4能够长时间正常运转。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种机床主轴综合性能检测/监测试验系统，其特征在于：包括机床主轴通用支撑部分、信号采集装置、通用测试工具箱（27）、电液伺服和测功机混合模拟加载部分、自动控制部分；其中机床主轴通用支撑部分为支撑结构，用于固定被检测的机床主轴，通用测试工具箱内的测试工具实现机床主轴静态和几何性能的检测；自动控制部分完成信号采集装置、电液伺服和测功机混合模拟加载部分的检测和运行的操作系统，通过这三部分的密切配合完成对机床主轴综合性能的检测/监测。

2.根据权利要求1所述的机床主轴综合性能检测/监测试验系统，其特征在于：所述的机床主轴通用支撑部分包括滑轨（3）、分块轴向可移动抱夹机构（6）和机床主轴套筒（7），所述滑轨（3）由左侧滑轨和右侧滑轨组成，其上表面开有均匀的沉头螺纹通孔，左侧滑轨和右侧滑轨分别与分块轴向可移动抱夹机构（6）底面的燕尾型通槽形成间隙配合，使分块轴向可移动抱夹机构（6）沿滑轨（3）滑动，并通过锁紧螺母将分块轴向可移动抱夹机构（6）和导轨（3）相互锁紧固定，滑轨（3）通过螺栓与机床主轴箱垫板（24）上端锁紧固定；

所述分块轴向可移动抱夹机构（6）为分块式箱体类结构件，由若干块小抱夹组成，小抱夹呈Ω型，小抱夹轴心处有一个中心通孔，中心通孔周围均匀的布有若干个螺纹孔，小抱夹底面左右两侧开有燕尾型通槽，燕尾型通槽的两个侧面开有锁紧螺纹通孔；小抱夹的中心通孔和燕尾型通槽是通过镗铣加工一次成型，保证每块小抱夹中心通孔的同轴度及燕尾型通槽底面和侧面的平行度，燕尾型通槽与滑轨（3）配合，锁紧螺母穿过燕尾型通槽侧面的螺纹通孔顶在滑轨（3）的表面，相互固定并防止小抱夹倾斜，中心通孔周围均布的螺纹孔与机床主轴套筒（7）左侧法兰端面固定连接，分块轴向可移动抱夹机构（6）中的小抱夹的位置根据不同型号的机床主轴（4）的长度，沿滑轨（3）方向进行调整；

所述机床主轴套筒（7）为套筒类结构件，机床主轴套筒（7）一端为法兰端面，沿圆周方向钻有螺纹孔，机床主轴套筒（7）的内径与机床主轴（4）的外径相配合，机床主轴套筒（7）在机床主轴（4）前后轴承支撑位置沿圆周均匀分布有三个安装孔，安装压电式振动传感器B（28），机床主轴套筒（7）的法兰端面沿外圆周均匀分布有多个螺纹孔，与分块轴向可移动抱夹机构（6）固定连接，滑轨（3）、分块轴向可移动抱夹机构（6）和机床主轴套筒（7）组合在一起实现对不同型号的机床主轴（4）的固定安装，并对其进行性能参数的检测；

所述机床主轴箱垫板（24）为长方形板类底座部件，下端面通过两块垫铁（25）垫起与电力测功机（27）中心相同高度，上表面沿滑轨（3）固定的轴向方向开有均匀的螺纹孔，下端面两侧设有与地平铁（1）的T型槽方向垂直的U型开口，机床主轴箱垫板（24）上端面固定连接滑轨（3），下端通过T型螺栓和螺母固定在地平铁（1）上。

3.根据权利要求1所述的机床主轴综合性能检测/监测试验系统，其特征在于：所述的信号采集装置包括动平衡测试机构、振动测试机构、回转误差测试机构、温度测试机构和噪声测试机构；所述动平衡测试机构具体结构为：在线动平衡分析仪（13）固定在矩型夹持头可调安装支架（8）上，位于机床主轴（4）一侧距离机床主轴中心轴线500mm处，在主轴加载棒（15）末端粘贴反光纸，矩型夹持头可调安装支架（8）对准反光点，分别进行空载和加载工况下的机床主轴（4）的动平衡测试；所述矩型夹持头可调安装支架（8）通过调整高度的垫块（22）或者直接安装在地平铁（1）上，由支架底座（29）、支架顶丝（30）和支架滑块（31）组成，所述可调安装支架底座（29）为倒立的T型结构件，由长方形钢板的底座和竖直方向带有量尺的立柱焊接固定而成，立柱表面刻有刻度，支架滑块（31）沿竖直方向进行高度调整；所述支架滑块（31）呈8字型，由左侧方框型滑块和右侧矩形夹持机构组成，左侧方框型滑块的侧面开有支架顶丝（30）的螺纹孔，左侧方框型滑块穿过支架底座（29）的立柱，与立柱间隙配合，支架滑块（31）沿立柱上下滑动，通过安装支架顶丝（30）将支架滑块（31）锁紧在支架底座（29）上，右侧矩形夹持机构的底座四角设有锁紧螺纹孔；

所述振动测试机构具体结构为：振动传感器A（5）安装在机床主轴（4）的外壳前端，振动传感器B（28）内置于机床主轴套筒（7）中间对应前后轴承的支承位置；

所述回转误差测试机构具体结构为：三个电涡流传感器（9）分别固定在两个孔型水平夹持头可调安装支架（35）、一个孔型垂直夹持头可调安装支架（36）上，使三个电涡流传感器（9）在转轴端面内互成90°角；所述孔型水平夹持头可调安装支架（35）、孔型垂直夹持头可调安装支架（36）分别通过调整高度的垫块（22）或者直接安装在分块轴向可移动抱夹机构（6）的顶端平面上，且位于机床主轴（4）端面两侧；

所述温度测试机构具体结构为：在线热成像仪（21）通过矩型夹持头可调安装支架（8）安装在地平铁（1）上，位于机床主轴（4）一侧且距离机床主轴（4）中心轴线500mm；

所述噪声测试机构具体结构为：三个精密噪声仪（23）分别通过矩型夹持头可调安装支架（8）安装在地平铁（1）上，且位置分别距离机床主轴（4）的几何中心X、Y、Z三个方向各1000mm±10mm处。

4.根据权利要求1所述的机床主轴综合性能检测/监测试验系统，其特征在于：所述的通用测试工具箱（27）安装在地平铁（1）的一端，内部设置数显千分表（32）、标准塞规（33）和主轴拉力计（34），所述数显千分表（32）检测机床主轴（4）的静刚度和几何精度，所述标准塞规（33）检测机床主轴（4）前端锥孔锥度和卡盘定位锥孔的锥度，所述主轴拉力计（34）与被测机床主轴型号相对应。

5.根据权利要求1所述的机床主轴综合性能检测/监测试验系统，其特征在于：所述的电液伺服和测功机混合模拟加载部分包括扭矩加载部分和切削力加载部分，所述扭矩加载部分包括机床主轴加载棒（15）、弹性膜片联轴器（16）和电力测功机（17），所述电力测功机（17）通过螺栓和T型螺母连接在地平铁（1）上，其输出端通过两个对称布置的平键与弹性膜片联轴器（16）连接，弹性膜片联轴器（16）的另一端与机床主轴加载棒（15）小端相连，实现了扭矩的传递和加载，机床主轴加载棒（15）大端和机床主轴箱的三爪卡盘配合；同时，机床主轴（4）的转速和功率也由电力测功机（17）内部的转速和扭矩传感器一同测出；

所述切削力加载部分包括径向力加载部分、轴向力加载部分和加载单元（14），所述径向力加载部分具体结构为：尾部支座（2）为矩形板类结构件，矩形底板的两侧分别开有三个矩形延长孔，侧面三块肋板呈工字型焊接在矩形底板上，所述尾部支座（2）通过螺栓和T型螺母与地平铁（1）相连，肋板通过销轴与直线伺服作动器（18）尾部相连；所述直线伺服作动器（18）前端装有液压位移传感器内芯，当直线伺服作动器（18）的活塞杆移动时位移传感器的内芯也随着移动，位移传感器便能测得活塞杆的位移，活塞杆与加载单元（14）的凹坑接触实现径向加载；直线伺服作动器（18）安装在前端支腿（19）上，所述前端支腿（19）为门型框架支撑结构，通过长螺栓与地平铁（1）固定；

所述轴向力加载部分具体结构为：尾部支座（2）、直线伺服作动器（18）和前端支腿（19）的结构同径向力加载部分所述，但安装方向变为轴向方向，直线伺服作动器（18）的活塞杆与摆臂机构的右端凹坑相接触以实现轴向加载；所述摆臂机构属于框架型结构，由两侧的支腿底座（12）、中间横梁（11）和板型摆臂（10）组成，支腿底座（12）通过螺栓和T型螺母与地平铁（1）连接，板型摆臂（10）和中间横梁（11）间隙配合以实现摆动，板型摆臂（10）一端经凹坑与直线伺服作动器（18）的活塞杆接触，另一端的U型结构与加载单元（14）接触实现轴向加载。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的机床主轴综合性能检测/监测试验系统的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：静态检测：

1.1、根据机床主轴（4）的型号和几何尺寸调整分块轴向可移动抱夹机构（6）的轴向位置、选择相应内径的主轴套筒（7），使机床主轴（4）固定安装在机床主轴综合性能检测/监测试验系统上；

1.2、确定安装无误后，打开通用测试工具箱（27），使用标准塞规（33）的大端接触且采用着色法对主轴锥孔锥度进行检测；

1.3、使用配重块对机床主轴（4）端部加载静态力，所选重量为机床主轴许用最大径向或轴向力的2/3，检验主轴静刚度时，测量径向刚度的施力点规定为靠近主轴伸出端，即安装刀具端的极限位置，使用数显千分表（32）手动反复进行至少三次测量，每次测量前转动机床主轴（4）一圈或两圈，取三次测量结果的平均值作为最终测量结果；

1.4、选择相对应的拉力计（34）完成拉刀力的检测；

步骤2：动态加载检测：

2.1、根据机床主轴（4）的长度和直径尺寸要求分别在轴端布置好振动传感器A（5）、调整好电涡流传感器（9）和可调安装支架滑块（31）的高度，到达测量高度时拧紧可调安装支架顶丝（30）定位，使电涡流传感器保持平稳，调整在线热成像仪（21）的高度，移动三个方位的精密噪音计，使精密噪声仪的高度与机床主轴（4）轴线高度保持一致，分别距离测试机床主轴1000mm；

2.2、打开机床主轴变频器开关，并打开各信号采集装置的开关，调节控制台（26），通过变频器依次调高机床主轴（4）的转速，待测试机床主轴（4）的转速稳定后启动各采集装置和自动控制系统开始进行空载测试，空载测试不得少于30min；

2.3、空载测试完毕后，依次调节变频器降低机床主轴转速，直至主轴停止；根据模拟加载的动态切削力大小及方向，调整好加载单元（14）的位置和角度，通过上位机控制模块输入相应的参数，开始进行模拟加载条件下的机床主轴动态性能的检测，通过采集装置获得的温度、噪声、振动信号，最终传输至分析模块。