CN108692896A - 一种适用于高速主轴刚度测试的非接触气膜加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于高速主轴刚度测试的非接触气膜加载装置，属于机床动态性能检测技术领域。该装置包括底座、五自由度调节机构、内加载块组件、径向加载组件和轴向加载组件，五自由度调节机构安装在底座上，内加载块组件设置在五自由度调节机构内孔中，径向加载组件和轴向加载组件设置在五自由度调节机构上。本装置相较于现有装置具有可实现高转速工况下加载，发热量远小于电磁式加载，对位移传感器影响小，结构紧凑，操作简单等优点。

Description

一种适用于高速主轴刚度测试的非接触气膜加载装置

技术领域

本发明涉及机床动态性能检测技术领域，特别是指一种适用于高速主轴刚度测试的非接触气膜加载装置。

背景技术

高速化、加工高精度化是机械制造业的发展方向，而工件加工精度的提高依赖于电主轴动态性能的提高。现代先进制造技术要求电主轴在高转速切削时保证主轴保持很高的刚度，需要对高速电主轴的刚度进行检测。

在机床切削加工过程中主轴受径向、轴向和切向三个方向的切削力。需要对旋转的主轴进行加载，模拟实际载荷情况。传统的接触式加载在高转速情况下难以实现。现有方法多采用非接触电磁加载，存在两点不足，一是电磁场在被测主轴表面诱发电涡流损耗产生大量热，引起主轴温升，二是电磁场对位移传感器有一定影响。

因此，如何测试主轴高速旋转情况下，静刚度测试难以实现是目前研究的难点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种适用于高速主轴刚度测试的非接触气膜加载装置。

该装置包括底座、五自由度调节机构、内加载块组件、径向加载组件和轴向加载组件，五自由度调节机构安装在底座上，内加载块组件设置在五自由度调节机构内孔中，径向加载组件和轴向加载组件设置在五自由度调节机构上；

其中：五自由度调节机构包括底部框架、下拉弹簧、直线滑轨、直线滑块、直线导轨、外框右板、外框上板、X向框架上板、Z向框架左板、转轴、外框左板、转轴框架、X向框架、Z向框架、调高板和高度调节旋钮；内加载块组件包括内加载块-气路、气动快速接头、内加载块-止推、内加载块-轴瓦和内加载块；径向加载组件包括力传感器外套、径向力传感器和径向加载轴；轴向加载组件包括轴向止推横梁、轴向加载轴、轴向加载横梁、轴向力传感器外套和轴向力传感器；

底座上安装底座滑轨、底座滑块和宽度调节块，底座上部支撑底部框架，底座和底部框架之间设置下拉弹簧，底部框架上部中心位置设置直线滑轨，直线滑轨上方连接直线滑块，直线滑块上方为Z向框架，Z向框架上方设置直线导轨，直线导轨上方连接X向框架，X向框架内部包裹转轴框架，转轴框架内部设置内加载块-气路，内加载块-气路通过转轴与转轴框架相连，内加载块-气路上方有X向框架上板，X向框架左侧设置Z向框架左板，Z向框架左板左侧设置外框左板，外框左板对称位置设置外框右板，外框左板和外框右板上方通过外框上板密封，内加载块-气路右侧设置径向力传感器，径向力传感器外部包有力传感器外套，径向力传感器连接径向加载轴；调高板设置在底座上，调高板连接高度调节旋钮，内加载块-气路连接气动快速接头、内加载块-气路上方连接内加载块-止推，内加载块-气路中间为内加载块-轴瓦，内加载块-气路下方为内加载块；轴向止推横梁连接在内加载块-气路后方，轴向止推横梁一侧连接轴向加载轴，轴向加载轴外部环绕轴向加载横梁，轴向止推横梁另一侧连接轴向力传感器外套，轴向力传感器外套包裹轴向力传感器。

在加载过程中，加压气体从内加载块-轴瓦排出至内加载块-轴瓦的内孔中，并在测试假轴轴颈上形成小于180°的部分瓦气体静压轴承，实现对被测试的高速主轴的径向非接触加载；加压气体从内加载块-止推排出至内加载块-止推的端面，并在测试假轴轴肩形成环形的单向气体静压轴承。

测试假轴一端与被测试的高速主轴刚性连接，另一端插入内加载块-轴瓦的内孔中。

五自由度调节机构能够实现对内加载块组件的五个自由度微调，分别为上下、左右、前后、绕水平轴的转动和绕竖直轴的转动。

直线滑轨和直线导轨能够改变径向和轴向轴承气膜间隙，从而改变加载力大小。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本装置相较于现有装置具有可实现高转速工况下加载，发热量远小于电磁式加载，对位移传感器影响小，结构紧凑，操作简单等优点。

附图说明

图1为本发明的适用于高速主轴刚度测试的非接触气膜加载装置配合实验台架的整体示意图；

图2为本发明加载装置内加载块径向气膜工作原理示意图；

图3为本发明加载装置内加载块轴向气膜工作原理示意图；

图4为本发明加载装置结构示意图；

图5为本发明加载装置右视图。

其中：1-底座；2-底座滑轨；3-底座滑块；4-底部框架；5-下拉弹簧；6-宽度调节块；7-直线滑轨；8-直线滑块；9-直线导轨；10-力传感器外套；11-径向力传感器；12-径向加载轴；13-外框右板；14-外框上板；15-X向框架上板；16-Z向框架左板；17-转轴；18-外框左板；19-内加载块-气路；20-转轴框架；21-X向框架；22-Z向框架；23-调高板；24-高度调节旋钮；25-气动快速接头；26-轴向止推横梁；27-轴向加载轴；28-轴向加载横梁；29-轴向力传感器外套；30-轴向力传感器；31-内加载块-止推；32-内加载块-轴瓦；33-内加载块。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种适用于高速主轴刚度测试的非接触气膜加载装置。

该装置包括底座1、五自由度调节机构、内加载块组件、径向加载组件和轴向加载组件，五自由度调节机构安装在底座1上，内加载块组件设置在五自由度调节机构内孔中，径向加载组件和轴向加载组件设置在五自由度调节机构上；

其中：五自由度调节机构包括底部框架4、下拉弹簧5、直线滑轨7、直线滑块8、直线导轨9、外框右板13、外框上板14、X向框架上板15、Z向框架左板16、转轴17、外框左板18、转轴框架20、X向框架21、Z向框架22、调高板23和高度调节旋钮24；内加载块组件包括内加载块-气路19、气动快速接头25、内加载块-止推31、内加载块-轴瓦32和内加载块33；径向加载组件包括力传感器外套10、径向力传感器11和径向加载轴12；轴向加载组件包括轴向止推横梁26、轴向加载轴27、轴向加载横梁28、轴向力传感器外套29和轴向力传感器30。

如图4和图5所示，该装置底座1上安装底座滑轨2、底座滑块3和宽度调节块6，底座1上部支撑底部框架4，底座1和底部框架4之间设置下拉弹簧5，底部框架4上部中心位置设置直线滑轨7，直线滑轨7上方连接直线滑块8，直线滑块8上方为Z向框架22，Z向框架22上方设置直线导轨9，直线导轨9上方连接X向框架21，X向框架21内部包裹转轴框架20，转轴框架20内部设置内加载块-气路19，内加载块-气路19通过转轴17与转轴框架20相连，内加载块-气路19上方有X向框架上板15，X向框架21左侧设置Z向框架左板16，Z向框架左板16左侧设置外框左板18，外框左板18对称位置设置外框右板13，外框左板18和外框右板13上方通过外框上板14密封，内加载块-气路19右侧设置径向力传感器11，径向力传感器11外部包有力传感器外套10，径向力传感器11连接径向加载轴12；调高板23设置在底座1上，调高板23连接高度调节旋钮24，内加载块-气路19连接气动快速接头25、内加载块-气路19上方连接内加载块-止推31，内加载块-气路19中间为内加载块-轴瓦32，内加载块-气路19下方为内加载块33；轴向止推横梁26连接在内加载块-气路19后方，轴向止推横梁26一侧连接轴向加载轴27，轴向加载轴27外部环绕轴向加载横梁28，轴向止推横梁26另一侧连接轴向力传感器外套29，轴向力传感器外套29包裹轴向力传感器30。

本发明装置工作的原理如下：

1.本发明通过静压气膜来实现径向和轴向加载。在加载过程中，加压气体进入内加载块组件的部分轴瓦和测试假轴的间隙，形成小于180°的部分瓦气体静压轴承，实现对被测主轴的径向非接触加载。类似的，加压气体进入内加载块止推面和测试假轴止推面的间隙，形成环形的单向气体静压止推轴承，实现对被测主轴的轴向非接触加载。

2.本发明的内加载块组件由部分瓦气体静压径向轴承和单侧止推轴承组成。轴承尺寸、腔深，节流孔直径和个数以及轴承与测试假轴之间的间隙等是决定最大加载力大小的重要因素。加载装置工作时的最大承载力大小可以根据实际情况通过具体的参数设计来实现。

需要注意的，在部分瓦气体径向轴承和单侧止推气体轴向轴承的结构设计上，节流孔和浅腔的形状和数量有多种设计方案，本发明保护的不局限于上述试验中所选用的方案，类似的用于轴承供气的结构设计均属于本发明的保护之列。

3.本发明的五自由度调节机构能实现对内加载块组件进行五个自由度的微调。即上下(通过斜面滑动导轨副(包括底座滑轨2、宽度调节块6)的前后移动而实现)、左右(直线导轨9)；和前后(直线滑轨7)三个方向的平动以及绕水平轴和竖直轴的转动(转轴17、内加载块-气路19、转轴框架20)。通过五自由度微调机构以及相应的锁紧机构，最终实现对气膜加载块和被测假轴间同轴度的高精度调节，从而减小内加载块和被测假轴的间隙，使加载力提高，并实现自适应主轴加载变形要求。

需要注意的，在五自由度调节框架的结构设计上，各个自由度调节功能所对应框架结构的设置顺序和具体形式多种设计方案，本发明保护的不局限于上述试验中所选用的方案，类似的具有五自由度(分别为上下，左右，前后，绕水平轴的转动和绕竖直轴的转动)调节功能的结构设计均属于本发明的保护之列。

4.本发明通过直线导轨(直线滑轨7、直线导轨9)改变径向和轴向轴承气膜间隙的方式来改变加载力大小。在气膜加载块外部框架(X向框架21、Z向框架22)上沿水平方向和轴向安装有直线导轨，以使气膜加载块在径向和轴向均能自由地滑动。这样，作用在测试假轴上的径向力和轴向力的反力可以准确地传递给径向力传感器11和轴向力传感器30。通过改变气膜加载块和测试假轴之间的径向间隙和轴向间隙，能改变相应轴承副中静压气膜压力的大小，达到改变加载力大小的目的。

5.本发明的位移传感器组件设置在主轴端面(如图1)，使传感器采集的数据不包含主轴受力变形所产生的位移。配合数据采集系统和测试软件工作，获取加载过程中测试假轴的实时位移。并结合力传感器采集的实时载荷，计算的主轴高速旋转时的静刚度。

如图1所示，为本发明研制的试验台架。由非接触气膜加载装置、被测电主轴、位移传感器和其他部件等组成。被测电主轴夹持在主轴箱体中，被测电主轴伸出端与测试假轴高刚性连接。由于被测电主轴伸出端的尺寸和连接方式存在差异，故测试假轴需要相应特定设计，使其一端与被测主轴相匹配，而另一端为标准结构，从而以便于气膜加载装置形成部分瓦静压气体轴承副和止推气体轴承副实现加载。同时，为了保证所测刚度有效性，测试假轴应尽可能短且粗。

内加载块的加载力的大小可以由气体径向轴承及单侧止推轴承的承载力计算而得。轴承尺寸、腔深，节流孔直径和个数以及轴承与测试假轴之间的间隙等是决定最大加载力大小的重要因素。同时，在结构设计上还需考虑气体流量因素以及容积效应的影响，避免在加载过程中发生气锤震荡现象。

如图2所示，为气膜加载块中部分瓦气体径向轴承的结构，表示内加载块径向气膜工作原理。类似的，如图3所示，为气膜加载块中气体止推轴承的结构。

需要注意的，在部分瓦气体径向轴承和单侧止推气体轴向轴承的结构设计上，节流孔和浅腔的形状和数量有多种设计方案，本发明保护的不局限于上述试验中所选用的方案，类似的用于轴承供气的结构设计均属于本发明的保护之列。

同时，为了尽可能提高气膜承载力，需要保证内加载块和被测假轴的间隙尽可能小，这对在结构上如何保证气膜加载块与测试假轴间有较好的同轴度提出了严格要求。

在实际应用中，加载装置整体与底座固定，通过高度调节旋钮24实现加载装置主体中心高度的微调，并通过下拉弹簧5保证高度调节旋钮24与底部框架4始终接触。Z向框架22外侧的滑块，与最外层框架上的滚动直线导轨可以实现Z向框架22的前后调节，以改变加载装置和假轴轴肩的轴向间隙，改变轴向加载力的大小。Z向框架22内侧的滚动直线导轨与X向框架21外侧的滑块配合，可以实现X向框架21的左右调节，以改变加载装置内孔与测试假轴轴承副的径向间隙，改变径向加载力的大小。同时Z向框架22上还固定了轴向力传感器30和径向力传感器11，实现轴向和径向气膜承载力数据的实时采集。转轴框架20由一对竖直对置的转轴17固定在X向框架21内，内加载块组件通过一对水平对置的转轴17固定在转轴框架20内。实现内加载块绕水平轴和竖直轴的转动调节。上述的五自由度调节机构可以满足加载所需的同轴度要求，并实现自适应主轴加载变形要求。

本发明加载装置可调节径向和轴向加载力的大小。加载装置的上述结构保证了轴向和径向加载力不干涉，可以径向-轴向加载，以模拟被测电主轴实际工作时的载荷情况。加载时，气膜承载力的反力作用在径向和轴向力传感器上，即可实现轴向径向载荷的实时采集。本发明使用电容式位移传感器，可以测得被测电主轴轴向和径向的实时位移。从而计算不同转速下的轴向刚度和径向刚度。

本发明加载装置的具体操作方法如下：

搭建好实验台后，先检查五自由度调节机构是否正常，并给加载器供气，检查加载器管路是否通畅。再使用高度调节旋钮24微调高度，将加载器内加载块组件的内孔中心高度调节到与被测主轴中心高基本相同。

将被测主轴伸出端插入加载器内加载块组件的内孔，并用塞尺检查轴孔各处的间隙，并同时使用高度调节旋钮24微调高度。若轴孔间隙各处均匀，则使用径向加载轴12减小轴孔的径向间隙，再用更薄的塞尺测量。调整时，注意保证供气始终通畅且主轴断电，用手转动主轴顺畅无阻滞感，说明孔轴之间有间隙。且推动内加载块组件轻轻撞击测试假轴止推面，使五自由度自适应调节机构调节内孔的角度自动调整，把孔轴位置撞正，达到良好的同轴度要求。用这种方式逐渐微调，直到满足工作所要求的同轴度为止，调好后锁紧高度调节机构。

调整工作完成后，使用径向加载轴12、轴向加载轴27改变对主轴的加载力，同时注意用手转动主轴，检查间隙情况。达到额定载荷后，给电主轴上电，等主轴达到额定转速并稳定后，缓慢卸载加载力，采集加载力和位移的实时数据。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种适用于高速主轴刚度测试的非接触气膜加载装置，其特征在于：包括底座(1)、五自由度调节机构、内加载块组件、径向加载组件和轴向加载组件，五自由度调节机构安装在底座(1)上，内加载块组件设置在五自由度调节机构内孔中，径向加载组件和轴向加载组件设置在五自由度调节机构上；

其中：五自由度调节机构包括底部框架(4)、下拉弹簧(5)、直线滑轨(7)、直线滑块(8)、直线导轨(9)、外框右板(13)、外框上板(14)、X向框架上板(15)、Z向框架左板(16)、转轴(17)、外框左板(18)、转轴框架(20)、X向框架(21)、Z向框架(22)、调高板(23)和高度调节旋钮(24)；内加载块组件包括内加载块-气路(19)、气动快速接头(25)、内加载块-止推(31)、内加载块-轴瓦(32)和内加载块(33)；径向加载组件包括力传感器外套(10)、径向力传感器(11)和径向加载轴(12)；轴向加载组件包括轴向止推横梁(26)、轴向加载轴(27)、轴向加载横梁(28)、轴向力传感器外套(29)和轴向力传感器(30)；

底座(1)上安装底座滑轨(2)、底座滑块(3)和宽度调节块(6)，底座(1)上部支撑底部框架(4)，底座(1)和底部框架(4)之间设置下拉弹簧(5)，底部框架(4)上部中心位置设置直线滑轨(7)，直线滑轨(7)上方连接直线滑块(8)，直线滑块(8)上方为Z向框架(22)，Z向框架(22)上方设置直线导轨(9)，直线导轨(9)上方连接X向框架(21)，X向框架(21)内部包裹转轴框架(20)，转轴框架(20)内部设置内加载块-气路(19)，内加载块-气路(19)通过转轴(17)与转轴框架(20)相连，内加载块-气路(19)上方有X向框架上板(15)，X向框架(21)左侧设置Z向框架左板(16)，Z向框架左板(16)左侧设置外框左板(18)，外框左板(18)对称位置设置外框右板(13)，外框左板(18)和外框右板(13)上方通过外框上板(14)密封，内加载块-气路(19)右侧设置径向力传感器(11)，径向力传感器(11)外部包有力传感器外套(10)，径向力传感器(11)连接径向加载轴(12)；调高板(23)设置在底座(1)上，调高板(23)连接高度调节旋钮(24)，内加载块-气路(19)连接气动快速接头(25)、内加载块-气路(19)上方连接内加载块-止推(31)，内加载块-气路(19)中间为内加载块-轴瓦(32)，内加载块-气路(19)下方为内加载块(33)；轴向止推横梁(26)连接在内加载块-气路(19)后方，轴向止推横梁(26)一侧连接轴向加载轴(27)，轴向加载轴(27)外部环绕轴向加载横梁(28)，轴向止推横梁(26)另一侧连接轴向力传感器外套(29)，轴向力传感器外套(29)包裹轴向力传感器(30)。

2.根据权利要求1所述的适用于高速主轴刚度测试的非接触气膜加载装置，其特征在于：在加载过程中，加压气体从内加载块-轴瓦(32)排出至内加载块-轴瓦(32)的内孔中，并在测试假轴轴颈上形成小于180°的部分瓦气体静压轴承，实现对被测试的高速主轴的径向非接触加载；加压气体从内加载块-止推(31)排出至内加载块-止推(31)的端面，并在测试假轴轴肩形成环形的单向气体静压轴承。

3.根据权利要求1所述的适用于高速主轴刚度测试的非接触气膜加载装置，其特征在于：所述测试假轴一端与被测试的高速主轴刚性连接，另一端插入内加载块-轴瓦(32)的内孔中。

4.根据权利要求1所述的适用于高速主轴刚度测试的非接触气膜加载装置，其特征在于：所述五自由度调节机构能够实现对内加载块组件的五个自由度微调，分别为上下、左右、前后、绕水平轴的转动和绕竖直轴的转动。

5.根据权利要求1所述的适用于高速主轴刚度测试的非接触气膜加载装置，其特征在于：所述直线滑轨(7)和直线导轨(9)能够改变径向和轴向轴承气膜间隙，从而改变加载力大小。