CN112276673A - 一种机床主轴热误差测试装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机床主轴热误差测试装置及其方法，该装置包括对电主轴施加径向力载荷的模块、扭矩加载模块以及辅助测量装置模块；本发明的技术方案是利用磁粉制动器作为电主轴的扭矩加载模块，利用主轴本身与装有内置弹簧的拉杆以及拉力传感器作为电主轴径向力加载模块，从而形成了同时对电主轴施加扭矩载荷和径向载荷的实验装置，实验中可对电主轴施加不同的扭矩和径向力，利用温度传感器、电涡流位移传感器以及碳纤维架作为辅助测量模块分离出主轴的热误差；采用该装置能够模拟电主轴的实际载荷情况，分离出主轴箱、立柱热误差以及主轴本体热误差，从而进行准确地电主轴热分析，对精密机床的热误差补偿具有指导性的意义。

Description

一种机床主轴热误差测试装置及其方法

技术领域

本发明属于精密数控加工中心技术领域，涉及一种电主轴热误差测试实验装置与方法，尤其是一种主轴热误差测试装置方法。

背景技术

电主轴从结构上将机床主轴与主轴电机结合为整体，精密电主轴在航空航天、汽车、船舶、精密模具、精密机械等需要高档加工母机的尖端产品制造领域中，具有十分重要的作用。大量的研究已经证实，数控机床总加工误差的40％-70％为热误差，而且，精度越高的机床，其热误差在总加工误差所占比例越大。电主轴作为高档数控机床的核心功能部件，其热变形对机床加工精度具有重要影响。然而，以往的实验研究中，电主轴的工作状态一般为空载，并不能直接反映电主轴在实际工况下由工件通过刀具传给主轴的载荷所引起的热态特性，机床在实际加工过程中，会受到轴向力载荷、径向力载荷以及扭矩载荷的作用，在带有负载状态下主轴末端的热变形会与空载时有所区别，因此充分考虑载荷作用对电主轴带来的影响并对其进行热特性试验，分离出主轴箱、立柱热误差以及主轴本体热误差，为进行准确地电主轴热分析和评估提供了实验依据，对精密机床的热误差补偿具有指导性的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟载荷作用下机床结构-主轴热误差测试装置与方法，该装置利用磁粉制动器作为主轴的扭矩加载模块，利用电主轴本身与装有内置弹簧的拉杆以及拉力传感器作为电主轴径向力加载模块，利用温度传感器与电涡流位移传感器作为辅助测量模块，从而形成了同时对电主轴实际扭矩载荷和径向载荷的实验装置，模拟电主轴的实际载荷情况，分离出主轴箱、立柱热误差以及主轴本体热误差，为进行准确地电主轴热分析和评估提供了实验依据。

所述的扭矩加载装置包括磁粉制动器、扭矩传感器、联轴器、底板以及支架。

其中，所述的磁粉制动器为电主轴提供扭矩负载，制动功率可通过调节输入电流的大小来调节，利用磁粉制动器能够控制输出不同大小的扭矩。

其中，所述扭矩传感器右端与电主轴连接，左端与磁粉制动器连接，左右两端的短轴因受到扭矩作用而引起相对的扭转变形，从而能够测量电主轴输出扭矩。扭矩传感器输出的电流信号转换为电压信号后，NI信号采集系统能够采集到扭矩的数据并在上位机上显示。电主轴、扭矩传感器、磁粉制动器之间使用联轴器进行传动。

其中，所述联轴器选用梅花弹性联轴器，能够允许电主轴的轴线与负载的轴线有微小的同轴度安装偏差。为减小磁粉制动器传递到扭矩传感器上面的热量，需要在梅花弹性联轴器中间的联轴器上加装橡胶垫。

所述的径向力加载装置由固定架、力传感器、拉杆、双列滚子调心轴承、轴承座以及盖板组成。

其中，所述的拉力装置主要部件拉压力传感器，能够测量拉力和压力，该传感器以弹性体为中介，通过力作用于传感器两边的电阻应变片使它的阻值发生变化，再经过相应的电路转换为电的信号，从而实现后面的控制。

其中，所述的拉杆中安装弹簧，保证机床在主轴在运行过程中受力稳定，同时方便调节拉力的大小。当拉杆两端的连杆受到方向相反的力时，右侧连杆的左端部与套筒右侧的堵头会压缩弹簧，此时弹簧受到的压力即为拉杆两端的拉力。实验过程中拉力值由力传感器测量，接入NI采集系统，能够采集并显示实际拉力的大小。所述的拉杆左端带有外螺纹，与所述的拉力传感器通过螺栓配合的方式旋紧，所述的拉杆右端与主轴连接，包括其中，所述的轴承选用双列滚子调心轴承，能够自动调节中心，并能够承受较大的径向力，在主轴运行过程中实现径向力的加载。

其中，所述的固定架由钢板焊接而成，固定架上开有通孔和直槽口，通过螺栓和T型螺母固定在工作台，所述的拉力传感器左端与固定架之间通过双头螺柱连接，并利用螺母进行固定。

所述的辅助测量装置模块包括磁力表座，碳纤维支架，电涡流位移传感器，温度传感器以及配套的NI采集箱和上位机。在工作台上以及碳纤维支架上安装磁力表座，然后将电涡流位移传感器的固定在磁力表座上，采用5+N点法分离出主轴末端误差。其中对于电主轴选取前轴承外侧和主轴电机外侧进行温度及位移传感器测点的布置。其中位移传感器的测点位置为：检验棒根部X向、Y向、Z向，检验棒端部X向、Y向，电主轴前端面Z向，对于机床本身的热误差测量选取床身与立柱进行温度及位移传感器测点的布置，其中位移传感器的测点位置为：X轴上导轨X向、Y向、Z向，X轴的下导轨的X向、Y向、Z向。

本发明还可以通过如下技术方案实施：

一种模拟载荷作用下机床结构-主轴热误差测试装置及其方法，在给定同一转速情况下，能够对电主轴施加不同大小的的扭矩载荷与径向力载荷进行测试，采用控制变量法观察主轴在不同负载下的热特性。

具体实施步骤如下：

步骤1：安装辅助测量模块；

步骤2：机床开机后保持待机状态，等待机床达到热平衡；

步骤3：安装径向力加载装置，先将拉杆装置与装有双列滚子调心轴承的轴承座连接，然后将轴承座安装在刀柄夹持的轴上，串联力传感器，同时将固定架利用螺栓和型螺母固定于机床的工作台上，移动工作台与主轴的位置，使传感器左端的连杆与固定架连接；

步骤4：将拉力传感器数据线连接到NI信号采集箱，并将采集箱的数据线与上位机相连；

步骤5：使用机床手轮调节主轴与径向力加载模块的相对位置，对电主轴施加的径向力，并检测径向力的大小；

步骤6：当径向力达到目标值后，安装扭矩加载装置。磁粉制动器与扭矩传感器通过上述的梅花联轴器连接并固定在底板上，移动底板以使得扭矩传感器与检验棒的轴线对正，通过千分表测量同轴度，轴线对正之后，固定底板，移动工作台，安装并固定扭矩加载装置；

步骤7：为磁粉制动接通电源，并将扭矩传感器数据线介入NI采集系统，然后将NI系统连接到上位机；

步骤8：实验装置安装好后，启动电主轴并给定转速下运行；

步骤9：调节磁粉制动器的输入电流，以控制输出扭矩，达到设定值之后，开始采集并记录温度和位移数据。

步骤10：若第n+1次测量的位移d_n+1与第n次测量的位移d_n的差值与d_n的比值小于10％，则停止实验。

步骤11：计算得到检验棒根部(靠近主轴箱)轴向热变形为z₁，立柱的热变形量为z_l。主轴箱轴向热变形量为z_x，则主轴本体热变形量为z＝z₁-z_l-z_x

有益效果

1、本发明中径向力加载是通过机床的手轮来调节检验棒与拉力模块之间的相对位置实现的，精度高，所施加的力能通过拉力传感器快速读取，简化了计算过程，而且所述的拉力模块中压缩弹簧实现了主轴与加载模块的柔性连接，径向力不会瞬间施加在主轴上，同时能够抵消一部分主轴在工作时振动对径向力的影响，在保护主轴的同时提高了加载的稳定性。

2、本发明中的扭矩加载可根据需要调节磁粉制动器的输入电流，控制输出扭矩的大小，为多工况实验的实现创造了条件。所施加的扭矩值能通过扭矩传感器快速读取。

此外，检验棒、扭矩传感器、磁粉制动器之间采用梅花弹性联轴器进行传动，允许电主轴的轴线与负载的轴线有微小的同轴度安装偏差，降低了安装装置是对实验者的技术要求，而且本发明在梅花弹性联轴器中间的联轴器上加装橡胶垫，减小了磁粉制动器传递到扭矩传感器上面的热量，使实验结果更加准确。利用本发明中的辅助测量模块可实现机床结构误差与主轴热误差的快速分离，对电主轴热误差的补偿具有重要的作用。

附图说明

图1为模拟载荷作用下机床结构-主轴热误差测试装置示意图，其中19-温度传感器，20-主轴箱，21-电涡流位移传感器，22-碳纤维架；

图2为径向力加载模块，其中1-工作台，2-力传感器固定架，3-双头螺柱，4-力传感器，5-拉杆固定端，6-拉杆筒体，7-拉杆活动端，8-主轴，9-轴承座，10-双列滚子调心轴承，11-轴承端盖，12-检验棒；

图3为扭矩加载模块，其中12-检验棒，13-梅花弹性联轴器，14-扭矩传感器，15-磁粉制动器，16-磁粉制动器固定支座，17-底板,18-扭矩传感器支座；

图4为拉杆部件剖面图；

图5为模拟载荷作用下机床结构-主轴热误差测试方法示意图流程图；

图6为主轴箱温度工况1：主轴空转，转速为1000rpm，不施加径向力和扭矩负载；工况2主轴转速为1000rpm，施加1600N径向力和3kW扭矩负载；工况3主轴转速为1000rpm，施加1600N径向力和5kW扭矩负载；

图7为主轴末端位移测试结果工况1：主轴空转，转速为1000rpm，不施加径向力和扭矩负载；工况2主轴转速为1000rpm，施加1600N径向力和3kW扭矩负载；工况3主轴转速为1000rpm，施加1600N径向力和5kW扭矩负载；

图8为不同工况下结构件自身Z向热变形量比值。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的发明内容，特点和操作方法，兹举JIG630卧式加工中心为实施例，并配合附图进行详细说明如下：

参照图1至图4，一种模拟载荷作用下机床结构-主轴热误差测试装置,目的是模拟电主轴的实际载荷情况，分析电主轴的热特性，包括扭矩加载模块、径向力加载模块和辅助测量模块。

所述的径向力加载模块如图2所示，由固定架2、力传感器4、拉杆部件(5、6、7)、双列滚子调心轴承10、轴承座9以及盖板11组成。

其中，所述的拉力模块主要部件为拉压压力传感器4，能够测量拉力和压力，该传感器以弹性体为中介，通过力作用于传感器两边的电阻应变片使它的阻值发生变化，再经过相应的电路转换为电的信号，从而实现后面的控制。它的优点是精度高，测量范围广,寿命长,结构简单，频响特性好。

其中，所述的拉杆部件包括左端固定杆，拉杆筒体，压缩弹簧，右端活动杆以及轴承座五个部分，保证机床在电主轴8在运行过程中受力稳定，同时方便调节拉力的大小。当拉杆左端固定杆5与右端活动杆7方向相反的力时，右端活动杆7的法兰盘与套筒6右侧的堵头会压缩弹簧，此时弹簧受到的压力即为拉杆两端的拉力。实验过程中拉力值由力传感器4测量，接入NI采集系统，连接到上位机之后能够采集并显示实际拉力的大小。所述的拉杆左端固定杆5带有外螺纹，与所述的拉力传感器4一端通过螺纹连接，所述的拉杆右端活动杆7与安装在检验棒12上的轴承座9同样利用螺纹方式连接，所述的检验棒12通过专用刀柄安装在电主轴8上，所述的轴承选用双列滚子调心轴承10，能够自动调节中心，并能够承受较大的径向力，在电主轴8运行过程中实现径向力的加载。

所述拉杆部件安装时先将压缩弹簧放入筒体内，然后将右端活动杆穿过弹簧，活动杆左端法兰盘会起到压缩内置弹簧的作用，活动杆穿出筒体的一端与轴承座之间利用螺纹连接，然后再将左端固定杆旋入筒体完成装配工作。

其中，所述的固定架2由钢板焊接而成，固定架2上开有通孔和直槽口，通过螺栓和T型螺母固定在工作台1。

所述的扭矩加载模块如图3所示，包括磁粉制动器15、扭矩传感器14、梅花弹性联轴器13、底板17以及支架18。

其中，所述的磁粉制动器15为提供扭矩负载，制动功率最高能够达到15kW，通过调节输入电流，控制输出不同大小的扭矩。

其中，所述扭矩传感器14右端与安装在电主轴上的检验棒12通过梅花弹性联轴器13连接，左端与磁粉制动器15连接，左右两端的短轴因受到扭矩作用而引起相对的扭转变形，从而能够测量电主轴8输入扭矩。扭矩传感器输出的电流信号转换为电压信号后，NI信号采集系统能够采集到扭矩的数据并在上位机上显示。

其中，所述联轴器选用梅花弹性联轴器13，能够允许电主轴的轴线与负载的轴线有微小的同轴度安装偏差。为减小磁粉制动器15传递到扭矩传感器14上面的热量，需要在梅花弹性联轴器13中间的联轴器上加装橡胶垫。

所述的辅助测量装置模块包括磁力表座，碳纤维支架22，电涡流位移传感器21，温度传感器19以及配套的NI采集箱和上位机。在工作台1上以及碳纤维支架22上安装磁力表座，然后将电涡流位移传感器21固定在磁力表座上，采用5+N点法分离出电主轴8末端误差。其中对于电主轴8本体位移传感器21的测点位置为：检验棒12根部X向、Y向、Z向，检验棒12端部X向、Y向，电主轴8前端面Z向，对于机床本身的热误差测量选取床身与立柱进行温度传感器19及位移传感器21测点的布置，其中位移传感器的测点位置为：X轴上导轨X向、Y向、Z向，X轴的下导轨的X向、Y向、Z向；立柱中间结构Z向。

一种模拟扭矩载荷与径向力载荷作用下主轴热误差同步测试方法，包括一种针对电主轴径向力载荷的加载方法，一种针对电主轴扭矩载荷的加载方法以及主轴热误差的分离测试方法。

其中，电主轴径向力载荷的加载方法，利用上述的径向力加载模块实现，其特征是固定拉力传感器4的一端，另一端连接在拉力模块左端固定杆5上，而拉力模块的另一端活动杆7与套在检验棒12上装有双列滚子调心轴承10的轴承座9连接，通过机床的手轮实验对电主轴8径向拉压力的施加。

其中，电主轴扭矩载荷的加载方法，利用上述的扭矩加载模块实现，磁粉制动器15为电主轴提供扭矩负载，通过调节输入电流，控制输出不同大小的扭矩。扭矩传感器14右端与检验棒12连接，左端与磁粉制动器15连接，左右两端的短轴因受到扭矩作用而引起相对的扭转变形，从而能够测量电主轴输出扭矩。扭矩传感器输出的电流信号转换为电压信号后，NI信号采集系统能够采集到扭矩的数据并在电脑上显示。

本发明在3种工况下对电主轴进行测试，径向力载荷为1600N，扭矩加载分别为空载、3kW负载、5kW负载。工况转速均为1000rpm，时间为5h。

具体实施步骤如下：

步骤1：安装辅助测量模块，工作台1上电涡流位移传感器Z的布置位置分别为：检验棒12根部X向、Y向、Z向，检验棒12端部X向、Y向、Z向，电主轴8前端面Z向；碳纤维架22上电涡流位移传感器Z的布置位置分别为：X轴上导轨X向、Y向、Z向，X轴下导轨X向、Y向、Z向，立柱机构Z向；主轴箱19温度测点分别为：主轴箱20上、主轴箱20下、主轴箱20左、主轴箱20右；电主轴8结构温度测点为：电主轴8电机上、电主轴8电机左、电主轴8电机下、电主轴8前轴承上、电主轴8前轴承左、电主轴8前轴承下、电主轴8前轴承右；电主轴8各冷却回路温度测点为：前轴承冷却液出口、电机冷却液出口、后轴承冷却液出口、前轴承冷却液入口、电机冷却液入口、后轴承冷却液入口；

步骤2：机床开机后保持待机状态，等待机床达到热平衡；

步骤3：安装径向力加载装置，先将拉杆装置与装有双列滚子调心轴承10的轴承座9连接，然后将轴承座9安装在刀柄夹持的轴上，串联力传感器4，同时将固定架利用螺栓和T型螺母固定于机床的工作台上，移动工作台与主轴的位置，使传感器左端的连杆与固定架；

步骤4：将拉力传感器数据线连接到NI信号采集箱，并将采集箱的数据线与上位机相连；

步骤5：使用机床手轮调节主轴与径向力加载模块的相对位置，对电主轴施加的径向力，并检测径向力的大小；

步骤6：当径向力达到1600N后，安装扭矩加载装置。磁粉制动器15与扭矩传感器14通过上述的梅花联轴器13连接并固定在底板17上，移动底板17以使得扭矩传感器14与检验棒12的轴线对正，通过千分表测量同轴度，轴线对正之后，固定底板17，移动工作台，安装并固定扭矩加载装置；

步骤7：为磁粉制动器15接通电源，并将扭矩传感器14数据线介入NI采集系统，然后将NI系统连接到上位机；

步骤8：实验装置安装好后，启动电主轴并给定转速下运行；

步骤9：调节磁粉制动器的输入电流，以控制输出扭矩，达到设定值之后，开始采集并记录温度和位移数据；

步骤10：若第n+1次测量的位移d_n+1与第n次测量的位移d_n的差值与d_n的比值小于10％，则停止实验；

步骤11：重复上述步骤9和10，改变扭矩负载值，继续测量；

步骤12：计算得到检验棒根部(靠近主轴箱)轴向热变形为z₁，立柱的热变形量为z_l。主轴箱轴向热变形量为z_x，则主轴本体热变形量为z＝z₁-z_l-z_x。

实验结果参照图6至图8，随着电主轴8所受载荷的增加，主轴箱20各位置的温度明显升高，平均温度增加了0.4℃，在不同工况下结构件自身Z向热变形量比值图中可以看出，随着径向力和扭矩载荷的增加，主轴箱20的热误差占末端热伸长的比例从56％增加到62％，电主轴8本体的热误差占比从13％增加到20％，扭矩的加载使得主轴内部热源生热量增加，导致了电主轴8本体以及主轴箱20温度增大，使得主轴和主轴箱热变形量对主轴末端的影响比例增大。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种机床主轴热误差测试装置，由装置本体构成，其特征在于：所述装置包括对电主轴施加径向力载荷的模块、扭矩加载模块以及辅助测量装置模块，其中：

--所述扭矩加载模块采用直接加载的方式实现对电主轴施加扭矩载荷；

--所述径向力加载模块由固定架、力传感器、拉杆部件、轴承、轴承座以及盖板实现对电主轴施加径向载荷；

--所述辅助测量模块通过温度传感器、电涡流位移传感器、碳纤维架以及配套的NI采集箱和上位机构成；

--所述装置通过扭矩加载模块、径向力加载模块和辅助测量模块模拟电主轴的实际载荷情况，分离出主轴箱、立柱热误差以及电主轴本体热误差，对电主轴热分析和评估提供实验数据。

2.根据权利要求1所述的一种机床主轴热误差测试装置，其特征在于：所述扭矩加载模块包括磁粉制动器、扭矩传感器、联轴器、底板，磁粉制动器固定支架以及扭矩传感器固定支架；其中：

--所述扭矩传感器右端与安装在电主轴上的检验棒通过弹性联轴器连接，左端与磁粉制动器连接，左右两端的短轴因受到扭矩作用而引起相对的扭转变形，从而能够测量电主轴输入扭矩；扭矩传感器输出的电流信号转换为电压信号后，NI信号采集系统能够采集到扭矩的数据并在上位机上显示；

--所述的磁粉制动器为电主轴提供扭矩负载，制动功率可通过调节输入电流的大小来调节，利用磁粉制动器能够控制输出不同大小的扭矩；

--所述联轴器实现电主轴、扭矩传感器、磁粉制动器动力传输。

3.根据权利要求2所述的一种机床主轴热误差测试装置，其特征在于：所述扭矩载荷模块采用直接加载的方式，使用弹性联轴器能够减小或避免了磁粉制动器直接将载荷施加到主轴上可能引起的对主轴的损坏。

4.根据权利要求2所述的一种机床主轴热误差测试装置，其特征在于：所述联轴器选用梅花弹性联轴器，能够允许电主轴的轴线与负载的轴线有微小的同轴度安装偏差。

5.根据权利要求2所述的一种机床主轴热误差测试装置，其特征在于：所述联轴器设有隔热橡胶垫，减小磁粉制动器传递到扭矩传感器上面的热量。

6.根据权利要求1所述的一种机床主轴热误差测试装置，其特征在于：所述拉杆部件包括左端固定杆，拉杆筒体，压缩弹簧，右端活动杆。所述拉杆部件的固定端与所述力传感器连接，其活动端与轴承座连接；所述拉杆的活动端与固定端之间设有带弹簧的套筒；所述轴承座连接有检验棒，所述检验棒通过刀柄与电主轴连接；所述力传感器与NI采集系统连接输入检测的拉力数据。

7.根据权利要求6所述的一种机床主轴热误差测试装置，其特征在于：所述轴承选用双列滚子调心轴承。

8.根据权利要求1所述的一种机床主轴热误差测试装置，其特征在于：所述辅助测量模块采用5+N点法分离出电主轴末端误差；所述电涡流位移传感器的测点位置为：检验棒根部X向、Y向、Z向，检验棒端部X向、Y向，电主轴前端面Z向；对于机床本身的热误差测量选取床身与立柱进行温度及位移传感器测点的布置，其中：位移传感器的测点位置为：X轴上导轨X向、Y向、Z向，X轴的下导轨的X向、Y向、Z向，立柱结构中间Z向。

9.根据权利要求1-7任一项所述的装置进行机床主轴热误差测试方法，其特征在于：

步骤1：安装辅助测量模块；

步骤2：机床开机后保持待机状态，等待机床达到热平衡；

步骤3：安装径向力加载装置，先将拉杆装置与装有双列滚子调心轴承的轴承座连接，然后将轴承座安装在刀柄夹持的检验棒上，串联力传感器，同时将固定架利用螺栓和型螺母固定于机床的工作台上，移动工作台与主轴的位置，使传感器左端的连杆与固定架；

步骤4：将拉力传感器数据线连接到NI信号采集箱，并将采集箱的数据线与上位机相连；

步骤5：使用机床手轮调节主轴与径向力加载模块的相对位置，对电主轴施加的径向力，并检测径向力的大小；

步骤6：当径向力达到目标值后，安装扭矩加载装置。磁粉制动器与扭矩传感器通过上述的梅花联轴器连接并固定在底板上，移动底板以使得扭矩传感器与检验棒的轴线对正，通过千分表测量同轴度，轴线对正之后，固定底板，移动工作台，安装并固定扭矩加载装置；

步骤7：为磁粉制动接通电源，并将扭矩传感器数据线介入NI采集系统，然后将NI系统连接到上位机；

步骤8：实验装置安装好后，启动电主轴并给定转速下运行；

步骤9：调节磁粉制动器的输入电流，以控制输出扭矩，达到设定值之后，开始采集并记录温度和位移数据；

步骤10：若第n+1次测量的位移d_n+1与第n次测量的位移d_n的差值与d_n的比值小于10％，则停止实验；

步骤11：计算得到检验棒根部(靠近主轴箱)轴向热变形为z₁，立柱的热变形量为z_l；主轴箱轴向热变形量为z_x，则主轴本体热变形量为z＝z₁-z_l-z_x。

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