CN107894334B - 基于高压水射流的高速电主轴柔性加载系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高压水射流的高速电主轴柔性加载系统，包括用于产生高压水并形成射流对电主轴进行加载的高压水发生装置以及用于控制射流打击力影响因素的射流控制单元。该加载系统通过利用电主轴切削高压水的方式真实模拟了切削过程，加载过程不受到高转速限制，加载力范围广且精度高；系统持续加载时间长，稳定性好；该加载系统为系统独立，可对任意电主轴加载，通用性好；方便安装，对安装精度要求较低；此外该加载还具有系统结构简单，操作简单等优点。

Description

基于高压水射流的高速电主轴柔性加载系统

技术领域

本发明涉及一种基于高压水射流的高速电主轴柔性加载系统。

背景技术

高速电主轴作为高速加工机床中的核心部件，其动态性能和可靠性一直是设计人员关心的重点，直接影响到机床的加工精度和生产效率。但由于电主轴转速较高，对其进行加载一直是研究电主轴动态性能的一个难点。目前对电主轴的动态性能的研究主要以建仿真、有限元分析为主，动态测试方法也多集中于空载运行试验。

现有对电主轴加载主要包括接触式加载和非接触加载。

常用的接触式加载如压电陶瓷加载、液压加载和滚动轴承外圈加载等；但加载压电陶瓷结构复杂，易损坏；液压加载的加载力大，但存在污染噪声和控制精度不高等缺陷；滚动轴承外圈加载磨损高发热严重，不易长时加载。总而言之，机械接触式加载方法在磨损、发热及动平衡等问题上难以满足高速加载要求。

常用的非接触加载如电磁激振器加载、电磁加载和空气静压加载等，但电磁激振器加载并不能实现连续加载；电磁加载由于电涡流效应导致发热严重和加载力随转速增大而减小；空气静压加载存在气隙调整困难，空气扩散严重，所以加载力较小，不易精确控制。总而言之，非接触加载对技术、设计、加工、安装等要求过高。

此外，上述加载方式均只能单向加载，不能真实模拟切削力。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于高压水射流的高速电主轴柔性加载系统，以解决现有接触加载往往不适用过高转速，结构复杂，加载时间短；非接触加载方式往往加载力对气隙大小过于敏感，对部件设计、加工和安装精度要求过高，实施困难的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于高压水射流的高速电主轴柔性加载系统，包括用于产生高压水并形成射流对电主轴进行加载的高压水发生装置以及用于控制射流打击力影响因素的射流控制单元。

进一步地，所述射流打击力影响因素包括射流流量、射流压力、射流靶距、射流喷口直径和电主轴的外形；所述射流控制单元包括射流流量控制装置、射流压力调节装置和射流靶距调节装置。

进一步地，所述射流流量控制装置包括变频控制柜以及与所述变频控制柜电连接的电机，所述电机通过联轴器总成与所述高压水发生装置连接。

进一步地，所述射流靶距调节装置包括用于调整所述高压水发生装置的喷射口与电主轴之间的距离的模组，所述模组采用梯形丝杠，且所述模组设置有锁死装置。

进一步地，该加载系统还包括用于检测射流打击力的射流检测单元，所述射流检测单元包括涡轮流量计和压力变送器，所述涡轮流量计用于检测所述高压水发生装置内的射流流量，压力变送器用于检测高压水发生装置内的射流压力。

进一步地，该加载系统还包括打击力测试单元，所述打击力测试单元包括压力传感器、数据采集单元和数据处理器；所述压力传感器用于实时检测所述高压水发生装置喷射出的射流的射流打击力；所述数据采集单元用于实时获取所述射流流量、射流压力、射流靶距、射流喷口直径和电主轴的外形信息；所述数据处理器用于根据所述射流流量、射流压力、射流靶距、射流喷口直径和电主轴的外形信息的变化规律对与之对应时刻所检测到的射流打击力进行标定，并建立射流打击力影响因素与射流打击力之间的关联数据库。

进一步地，该加载系统还包括流体循环系统，所述流体循环系统包括蓄水箱、第一防护罩和回收箱；所述蓄水箱与高压水发生装置的进水端连通，用于存储水源；所述第一防护罩设置在所述电主轴的外侧，用于将射向电主轴的射流进行收集；所述回收箱设置在所述第一防护罩的下方并用于回收所述第一防护罩收集到的液体；所述回收箱与所述蓄水箱之间设有抽水泵，用于将所述回收箱中回收的液体抽到蓄水箱中实现流体循环。

进一步地，高压水发生装置包括用于产生高压水的高压柱塞泵总成和用于使所述高压水形成射流的喷嘴。

进一步地，所述射流压力调节装置为设置在所述高压柱塞泵总成内的调压阀。

进一步地，所述高压水发生装置包括高压柱塞泵总成，所述高压柱塞泵总成的高压水出口端设有将其产生的高压水分为第一高水支路和第二高压水支路的高压分流器，所述第一高水支路通过轴向喷嘴形成轴向加载射流对电主轴的轴向进行加载，所述第二高水支路通过径向喷嘴形成径向加载射流对电主轴的径向进行加载。

本发明的有益效果为：

1、该加载系统通过利用电主轴切削高压水的方式真实模拟了切削过程，加载过程不受到高转速限制，加载力范围广且精度高；

2、该加载系统持续加载时间长，稳定性好；此外，该加载系统为系统独立，可对任意电主轴加载，通用性好；

3、该加载系统方便安装，对安装精度要求较低。

4、该加载系统结构简单，操作方便。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明一个实施例的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的结构框图；

图3为本发明一个实施例的各部件之间的连接布局图；

图4为本发明一个实施例的轴向力和径向力联合加载示意图；

图5为本发明一个实施例的扭矩和径向力联合加载示意图。

其中：1、实验平台台架；2、电主轴；3、模组；31、支架；4、高压胶管；41、涡轮流量计；42、压力变送器；5、第一防护罩；51、第二防护罩；6、回收水箱；7、径向喷嘴；71、轴向喷嘴；64、高压喷嘴。

具体实施方式

一种基于高压水射流的高速电主轴2柔性加载系统，包括用于固定和布置整套系统的实验平台台架1，用于产生高压水并形成射流对电主轴2进行加载的高压水发生装置以及用于控制射流打击力影响因素的射流控制单元。该加载系统利用高压水发生装置产生高压水并形成射流对电主轴2进行加载，利用电主轴2切削高压水的方式真实模拟了切削过程，加载过程不受到高转速限制，加载力范围广且精度高。

根据本申请的一个实施例，高压水发生装置包括用于产生高压水的高压柱塞泵总成和用于使所述高压水形成射流的喷嘴。其中，该喷嘴即为高压水发生装置的喷射口，喷嘴与高压柱塞泵总成之间通过高压胶管4和钢管连接。

根据本申请的一个实施例，所述射流打击力影响因素主要包括射流流量、射流压力、射流靶距、射流喷口直径和电主轴2的外形；所述射流控制单元包括射流流量控制装置、射流压力调节装置和射流靶距调节装置。

根据本申请的一个实施例，射流流量控制装置用于控制高压水发生装置的喷射口的射流流量，其包括变频控制柜以及与所述变频控制柜电连接的电机(如变频电机)，所述电机的输出端通过联轴器总成与所述高压柱塞泵总成的输入轴连接。变频控制柜通过控制电机的转速控制高压水流量，进一步达到控制射流流量的目的。增大电机的转速，可增大高压水发生装置的流量，从而可有效的提高射流打击力的上限值。

根据本申请的一个实施例，所述射流压力调节装置为设置在所述高压柱塞泵总成内的调压阀，通过在高压柱塞泵上设置调压阀(调压溢流阀和调压截止阀)和耐震压力表可以有效的控制高压水的压力，从而有效的调控打击力的大小。

根据本申请的一个实施例，所述射流靶距调节装置包括用于调整所述高压水发生装置的喷射口与电主轴2之间的距离的模组3，所述模组3采用梯形丝杠，以提高自锁性能，同时该模组3设置了必要的锁死装置，以克服高压水射流较大的反作用力。

根据本申请的一个实施例，该加载系统还包括用于检测射流打击力的射流检测单元，所述射流检测单元包括涡轮流量计41和压力变送器42。所述涡轮流量计41用于检测所述高压水发生装置的喷射口(即喷嘴)内的射流流量，所述压力变送器42用于检测所述高压水发生装置的喷射口内的射流压力。涡轮流量计41和压力变送器42主要用于测量喷嘴的流体流量和流体压力，有助于实现加载力的定量控制和检测。提高测量的准确性，应将涡轮流量计41和压力变送器42尽量安装在靠近喷嘴的位置。

涡轮流量计41和压力变送器42将测量数据传送给显示仪表进行实时监测并显示，再通过USB转RS485型通讯转换器将数据信号传递给电脑，最后通过数据采集管理软件对数据信号进行处理、显示和储存。其中显示仪器包括流量积算仪、智能数显仪表和冲击力显示仪表。

根据本申请的一个实施例，该加载系统还包括打击力测试单元，该加载系统还包括打击力测试单元，所述打击力测试单元包括压力传感器、数据采集单元和数据处理器；所述压力传感器用于实时检测所述高压水发生装置喷射出的射流的射流打击力；所述数据采集单元用于实时获取所述射流流量、射流压力、射流靶距、射流喷口直径和电主轴的外形信息；所述数据处理器用于根据所述射流流量、射流压力、射流靶距、射流喷口直径和电主轴的外形信息的变化规律对与之对应时刻所检测到的射流打击力进行标定，并建立射流打击力影响因素与射流打击力之间的关联数据库。打击力测试单主要目的是对射流的打击力进行标定；针对不同射流靶距、射流流量、射流压力、喷嘴直径和标靶的形状(不同直径的圆柱)对打击力的影响规律，建立射流打击力和射流打击力影响因素之间的关联数据库，可有效的研究各因素对打击力的影响规律，为定量加载提供依据。

根据本申请的一个实施例，该加载系统还包括流体循环系统，所述流体循环系统包括蓄水箱、第一防护罩5和回收箱。所述蓄水箱与高压水发生装置的进水端连通，用于存储水源；所述第一防护罩5设置在所述电主轴2的外侧，用于将射向电主轴2的射流进行收集；第一防护罩5的外侧把底部设有第二防护罩51，用于回收第一防护罩5溢出的少量液体。所述回收箱设置在所述第一防护罩5的下方并用于回收所述第一防护罩5收集到的液体；所述回收箱与所述蓄水箱之间设有抽水泵，用于将所述回收箱中回收的液体抽到蓄水箱中实现流体循环。

该流体循环系统主要用于防护和水的收集回收，通过透明防护罩将射流水收集到回收水箱6，再通过回收抽水泵将水抽回到蓄水箱实现水的重复利用，减小水对环境和设备的影响。此外，所述第一防护罩5和第二防护罩51均为透明防护罩。

根据本申请的一个实施例，所述高压水发生装置包括高压柱塞泵总成，所述高压柱塞泵总成的高压水出口端设有将其产生的高压水分为第一高水支路和第二高压水支路的高压分流器，所述第一高水支路通过轴向喷嘴71形成轴向加载射流对电主轴2的轴向进行加载，所述第二高水支路通过径向喷嘴7形成径向加载射流对电主轴2的径向进行加载。高压球阀可控制第一高水支路和第二高压水支路的通断，实现对电主轴2径向力和轴向力的单独加载，使该加载系统可实现扭矩、径向力、轴向力、切削振动等多种切削力加载。

加载过程主要包括三种工况：第一，轴向力或径向力单向加载，利用高压球阀将其中一条支路关闭，单独研究轴向力或者径向力对电主轴2性能的影响。第二，轴向力和径向力联合加载(如图4所示)，两条支路的流量和压力是相等的，此时通过喷嘴直径和靶距调控分别调整两条支路的打击力。第三，扭矩和径向力联合加载(如图5所示)，利用高压扇形喷嘴64对高速刀具圆周方向射流，高速刀具切削扇形高压水柱的过程可有效模型切削工件过程中的受力情况。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于高压水射流的高速电主轴柔性加载系统，其特征在于，包括用于产生高压水并形成射流对电主轴进行加载的高压水发生装置以及用于控制射流打击力影响因素的射流控制单元；所述射流打击力影响因素包括射流流量、射流压力、射流靶距、射流喷口直径和电主轴的外形；所述射流控制单元包括射流流量控制装置、射流压力调节装置和射流靶距调节装置。

2.根据权利要求1所述的基于高压水射流的高速电主轴柔性加载系统，其特征在于，所述射流流量控制装置包括变频控制柜以及与所述变频控制柜电连接的电机，所述电机通过联轴器总成与所述高压水发生装置连接。

3.根据权利要求1所述的基于高压水射流的高速电主轴柔性加载系统，其特征在于，所述射流靶距调节装置包括用于调整所述高压水发生装置的喷射口与电主轴之间的距离的模组，所述模组采用梯形丝杠，且所述模组设置有锁死装置。

4.根据权利要求1-3任一所述的基于高压水射流的高速电主轴柔性加载系统，其特征在于，该加载系统还包括用于检测射流打击力的射流检测单元，所述射流检测单元包括涡轮流量计和压力变送器，所述涡轮流量计用于检测所述高压水发生装置内的射流流量，压力变送器用于检测高压水发生装置内的射流压力。

5.根据权利要求4所述的基于高压水射流的高速电主轴柔性加载系统，其特征在于，该加载系统还包括打击力测试单元，所述打击力测试单元包括压力传感器、数据采集单元和数据处理器；所述压力传感器用于实时检测所述高压水发生装置喷射出的射流的射流打击力；所述数据采集单元用于实时获取所述射流流量、射流压力、射流靶距、射流喷口直径和电主轴的外形信息；所述数据处理器用于根据所述射流流量、射流压力、射流靶距、射流喷口直径和电主轴的外形信息的变化规律对与之对应时刻所检测到的射流打击力进行标定，并建立射流打击力影响因素与射流打击力之间的关联数据库。

6.根据权利要求1所述的基于高压水射流的高速电主轴柔性加载系统，其特征在于，该加载系统还包括流体循环系统，所述流体循环系统包括蓄水箱、第一防护罩和回收箱；所述蓄水箱与高压水发生装置的进水端连通，用于存储水源；所述第一防护罩设置在所述电主轴的外侧，用于将射向电主轴的射流进行收集；所述回收箱设置在所述第一防护罩的下方并用于回收所述第一防护罩收集到的液体；所述回收箱与所述蓄水箱之间设有抽水泵，用于将所述回收箱中回收的液体抽到蓄水箱中实现流体循环。

7.根据权利要求1所述的基于高压水射流的高速电主轴柔性加载系统，其特征在于，高压水发生装置包括用于产生高压水的高压柱塞泵总成和用于使所述高压水形成射流的喷嘴。

8.根据权利要求7所述的基于高压水射流的高速电主轴柔性加载系统，其特征在于，所述射流压力调节装置为设置在所述高压柱塞泵总成内的调压阀。

9.根据权利要求1所述的基于高压水射流的高速电主轴柔性加载系统，其特征在于，所述高压水发生装置包括高压柱塞泵总成置，所述高压柱塞泵总成的高压水出口端设有将其产生的高压水分为第一高压水支路和第二高压水支路的高压分流器，所述第一高压水支路通过轴向喷嘴形成轴向加载射流对电主轴的轴向进行加载，所述第二高压水支路通过径向喷嘴形成径向加载射流对电主轴的径向进行加载。

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