CN115683610A - 一种数控机床主轴加载系统及加载方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控机床主轴加载系统及加载方法，属于机床主轴测试装置技术领域。一种数控机床主轴加载系统，包括加载台和电主轴，电主轴的夹持端安装有加载棒，还包括：安装在加载台上的夹具板和底座；安装在加载台上的第一运动板和第二运动板，第二运动板上安装有第一支架，第一支架上连接有第二支架，第二支架上通过气压缸连接有加载部件；油箱，安装远离加载板一侧的加载台上，油箱与电主轴之间连接有进油管路和出油管路；在丝杆机构的作用下，压电陶瓷驱动器对加载棒进行轴向动态加载，在蜗轮蜗杆机构的作用下，L形支撑板转至加载棒的外侧并与垂直于加载棒的轴线，在气压缸的作用下，压电陶瓷驱动器对加载棒进行径向动态加载。

Description

一种数控机床主轴加载系统及加载方法

技术领域

本发明涉及数控机床主轴测试装置技术领域，尤其涉及一种数控机床主轴加载系统的加载方法。

背景技术

作为机械制造业的重要基石，数控机床是衡量一个国家工业化的重要指标。电主轴作为其关键的功能部件之一，其可靠性水平直接影响了整机的可靠性水平，对电主轴的可靠性试验可以分为现场可靠性试验和台架试验，但是现场试验周期长，效率低，试验条件不可控，而且产品更新迭代变快，单纯依靠现场跟踪试验已经无法满足可靠性增长周期的要求，所以在实验室开展模拟电主轴所受实际工况的台架试验就有重要意义。

国内有一些功能简单的被测高速电主轴试验台，这种试验台只能对电主轴进行空载情况下的试验，模拟电主轴的受力状况，但与被测高速电主轴的真实受力情况有很大差距，这对被测高速电主轴的性能和可靠性有很大影响，因此，急需发明一种数控机床主轴加载系统，模拟电主轴真实工况下的受力，以满足主轴性能及可靠性的研究。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中试验台只能对电主轴进行空载情况下的试验，模拟电主轴的受力状况，但与被测高速电主轴的真实受力情况有很大差距的问题，而提出的一种数控机床主轴加载系统的加载方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种数控机床主轴加载系统，包括加载台和电主轴，所述电主轴的夹持端安装有加载棒，还包括：安装在加载台上的夹具板，所述夹具板上固定安装有用于夹持电主轴的底座；安装在加载台上的第一运动板，所述第一运动板上通过丝杆机构滑动安装有第二运动板，所述第二运动板上固定安装有第一支架，所述第一支架上通过气压缸连接有第二支架，所述第二支架上通过气压缸连接有加载部件；油箱，安装在远离第一运动板一侧的加载台上，所述油箱与电主轴之间连接有进油管路和出油管路。

为了对电主轴进行径向加载，优选地，所述加载台上还安装有加载板，所述加载板上通过蜗轮蜗杆机构与第一运动板转动连接。

为了对电主轴进行加载测试，优选地，所述加载部件包括：L形支撑板，所述L形支撑板上固定安装有两个对称设置的立杆，所述立杆内转动安装有轴套，所述轴套内转动安装有传递轴；环形齿轮，内部固定连接有滑杆，所述滑杆上滑动安装有四通管，所述四通管的两侧转动安装有连接座，所述连接座与传递轴之间连接有安装块；支撑梁，固定安装在环形齿轮与轴套之间；压电陶瓷驱动器，固定安装在靠近电主轴一侧的传递轴上。

为了对电主轴进行扭矩加载，进一步地，还包括：主动齿轮，固定安装在加载棒上，所述主动齿轮与环形齿轮接触时可啮合连接；第一压力传感器，固定安装在传递轴上，所述第一压力传感器的输出端通过双头螺柱与压电陶瓷驱动器接触连接；温度传感器，固定安装在电主轴的前轴承和后轴承上；测功机，固定安装在L形支撑板上。

为了减少电主轴的振动，更进一步的是，还包括第二压力传感器，所述第二压力传感器安装在油箱上，所述第二压力传感器的输出端与电主轴连接。

为了对电主轴进行减速，以检测加载棒在不同转速下的加载参数，进一步地，所述四通管上设置有螺纹孔以及与该螺纹孔相适配的紧固螺栓，所述紧固螺栓位于四通管内的一端转动安装有抱箍。

为了对测试的电主轴进行散热，进一步地，所述L形支撑板上转动安装有支撑轴，所述支撑轴上同轴安装有从动齿轮和散热风扇，所述从动齿轮与环形齿轮啮合连接。

为了对电主轴进行保护，优选地，所述夹具板上通过铰链轴转动安装有护板，所述护板的另一端一体成型设置有卡块，所述夹具板上开设有可供卡块插入的卡口；所述夹具板的侧面开设有与卡口内部连通的安装槽，所述安装槽内滑动安装有按压块，所述按压块位于安装槽内的一端一体成型设计有第一齿条，所述第一齿条上方啮合连接有驱动齿轮，所述驱动齿轮上方啮合连接有第二齿条，所述第二齿条位于卡口内的一端一体成型设计有可与卡块契合的拉块。

为了方便夹持电主轴，进一步地，所述底座内开设有凹槽，所述凹槽的槽内侧壁上转动安装有L形摆臂，所述L形摆臂的端部固定那装有压板；所述护板内壁固定安装有滑套，所述滑套内滑动安装有抵触杆，所述抵触杆位于滑套内的一端与滑套底部之间固定安装套有弹簧，所述抵触杆的另一端作用于L形摆臂上。

一种数控机床主轴加载系统的加载方法，操作步骤如下：

步骤1：将电主轴夹持在底座内，将加载部件调试至与电主轴同轴；

步骤2：轴向测试时，丝杆机构带动第一运动板水平移动，对压电陶瓷驱动器发送电信号，对加载棒进行轴向动态加载；

步骤3：径向测试时，蜗轮蜗杆机构带动第一运动板转动，压电陶瓷驱动器位于加载棒侧边，对压电陶瓷驱动器发送电信号，对加载棒进行垂直于轴线的径向动态加载；

步骤4：扭矩测试时，加载部件内的环形齿轮与加载棒上的主动齿轮啮合连接，对电主轴进行扭矩加载。

与现有技术相比，本发明提供了一种数控机床主轴加载系统的加载方法，具备以下有益效果：

1、该数控机床主轴加载系统，通过加载部件，一方面，在丝杆机构的作用下，压电陶瓷驱动器对加载棒进行轴向动态加载，在蜗轮蜗杆机构的作用下，L形支撑板转至加载棒的外侧并与垂直于加载棒的轴线，在气压缸的作用下，压电陶瓷驱动器对加载棒进行径向动态加载；另一方面，主动齿轮与环形齿轮的齿牙相互接触，使得每组齿牙接触时产生径向冲击力，用来模拟机床在进行工件加工时，刀具接触工件或离开工件时，电主轴受冲击的工况，同时对工作时电主轴的扭矩进行测试，提高电主轴加载试验可靠性。

2、该数控机床主轴加载系统，在进行通过轴向动态加载和径向动态加载时，四通管位于滑杆的中心处，两端的传递轴受力均匀并同速，在进行不同转速测试时，通过旋转紧固螺栓，抱箍松开对滑杆的夹持，将四通管移动至滑杆端部，使靠近加载棒一侧的传递轴转速小于另一侧的传递轴，监测慢转速下加载棒的实际加工的工况；在L形支撑板上安装有电机，电机的输出端与传递轴连接，在不同转速测试时，电主轴为静止状态，电机带动传递轴转动，通过加载棒带动电主轴做功，进而可以获得更精准的性能数据；

3、该数控机床主轴加载系统，将电主轴放置在底座内，直接可将护板上的卡块卡进夹具板上的卡口内，对内部的电主轴进行保护；拆除时，向内按压按压块，按压块上的第一齿条带动驱动齿轮转动，转动的驱动齿轮带动上方的第二齿条与第一齿条反向滑动，使拉块解除对卡块的约束，从而打开护板，相比传统的螺栓固定更加方便快捷。

附图说明

图1为本发明提出的一种数控机床主轴加载系统的结构示意图；

图2为本发明提出的一种数控机床主轴加载系统的加载部件结构示意图；

图3为本发明提出的一种数控机床主轴加载系统的图2中A部分结构示意图；

图4为本发明提出的一种数控机床主轴加载系统的卡口内部结构示意图；

图5为本发明提出的一种数控机床主轴加载系统的底座结构示意图；

图6为本发明提出的一种数控机床主轴加载系统的四通管结构示意图；

图7为本发明提出的一种数控机床主轴加载系统的滑套结构示意图。

图中：1、加载台；2、电主轴；3、加载棒；4、夹具板；401、卡口；402、安装槽；5、底座；501、凹槽；6、第一运动板；7、第二运动板；8、第一支架；9、第二支架；10、油箱；11、进油管路；12、出油管路；13、L形支撑板；14、立杆；15、轴套；16、传递轴；17、环形齿轮；18、滑杆；19、四通管；20、连接座；21、安装块；22、支撑梁；23、主动齿轮；24、压电陶瓷驱动器；25、温度传感器；26、丝杆机构；27、加载板；28、散热风扇；29、抱箍；30、支撑轴；31、护板；32、卡块；33、按压块；34、第一齿条；35、驱动齿轮；36、第二齿条；37、拉块；38、L形摆臂；39、压板；40、滑套；41、抵触杆；42、弹簧；43、第一压力传感器；44、第二压力传感器；45、紧固螺栓；46、从动齿轮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

参照图1－图7，一种数控机床主轴加载系统，包括矩形结构的加载台1和电主轴2，在加载台1上等距开设T形滑槽，便于加装不同的加载装置，电主轴2的夹持端安装有加载棒3，具体的，加载棒3通过拉钉安装在电主轴2上，加载棒3用于接收外部输入的加载并将产生的被动力传输至电主轴2上。还包括：参阅图1和图2，安装在加载台1上的夹具板4，夹具板4上固定安装有用于夹持电主轴2的底座5。安装在加载台1上的第一运动板6，第一运动板6上通过丝杆机构26滑动安装有第二运动板7，第二运动板7上固定安装有第一支架8，第一支架8上通过气压缸连接有第二支架9，第二支架9上通过气压缸连接有加载部件。

夹具板4上固定安装有与T形滑槽相适配的滑块，使夹具板4的位置可调节，在夹具板4的四角开设有螺纹孔并通过螺栓与加载台1安装在一起。

需要说明的是，丝杆机构26包括一对轴座、丝杆、螺母套和往复电机，一对轴座和往复电机固定安装在第一运动板6上，丝杆转动连接在一对轴座之间，往复电机的输出端通过联轴器与丝杆连接，螺母套螺纹安装在丝杆上并与第二运动板7固定连接，在往复电机的工作期间，第二运动板7与第一运动板6之间的滑动连接约束了螺母套的旋转度，使螺纹套在丝杆上往复运动，控制加载部件与加载棒3抵触的压力。

更进一步的是，参照图1，加载台1上还安装有加载板27，加载板27的结构与夹具板4相同，加载板27上通过蜗轮蜗杆机构与第一运动板6转动连接。

在蜗轮蜗杆机构的作用下，第一运动板6可在加载板27上转动，对加载棒3进行垂直于轴线的径向动态加载。

需要说明的是，蜗轮蜗杆机构包括安装在第一运动板6下方的蜗轮和转动安装在加载板27上的蜗杆，蜗轮与蜗杆呈啮合连接，蜗杆的端部通过联轴器连接有往复电机，在往复电机的工作期间，蜗杆带动蜗轮转动，使第一运动板6旋转角度。

油箱10，安装在远离第一运动板6一侧的加载台1上，油箱10与电主轴2之间连接有进油管路11和出油管路12。

油箱10内填充有液压油，油箱10、进油管路11、出油管路12以及电主轴2后轴承密封件之间形成闭合环路，在液压油的填充下，消除部分轴承与密封件之间的空气振动，提高电主轴2的平稳运行能力。

参照图1，更进一步的是，还包括第二压力传感器44，第二压力传感器44安装在油箱10上，第二压力传感器44的输出端与电主轴2连接，用于检测电主轴2后轴承内部的油压，使油压始终保持在合理阈值内。

将电主轴2夹持在底座5内，两个气压缸分别带动第二支架9的下降和加载部件水平移动，丝杆机构26将加载件移动至与加载棒3同轴并抵触，在丝杆机构26的继续作用下，进行轴向加载测试；在蜗轮蜗杆机构的作用下，第一运动板6可在加载板27上转动，对加载棒3进行垂直于轴线的径向动态加载。

参照图1和图2和图3，加载部件包括：L形支撑板13，具体的，L形支撑板13滑动安装在第二支架9上，在L形支撑板13的公共垂直面上固定安装有加强筋，L形支撑板13上固定安装有两个对称设置的立杆14，立杆14内转动安装有轴套15，轴套15内转动安装有传递轴16，两端的传递轴16共线，环形齿轮17，内部固定连接有滑杆18，滑杆18上滑动安装有四通管19，四通管19的两侧转动安装有连接座20，连接座20与传递轴16之间连接有安装块21；支撑梁22，固定安装在环形齿轮17与轴套15之间；压电陶瓷驱动器24，固定安装在靠近电主轴2一侧的传递轴16上。

靠近电主轴2一侧的传递轴16与加载棒3抵触，在丝杆机构26的作用下，压电陶瓷驱动器24对加载棒3进行轴向动态加载，在蜗轮蜗杆机构的作用下，L形支撑板13转至加载棒3的外侧并与垂直于加载棒3的轴线，在气压缸的作用下，压电陶瓷驱动器24对加载棒3进行径向动态加载。

参照图1和图2和图3，更进一步的是，还包括：主动齿轮23，固定安装在加载棒3上，主动齿轮23与环形齿轮17接触时可啮合连接；主动齿轮23和环形齿轮17的中心距稍微大于两个齿轮的分度圆半径之和，使得电主轴2在测试转动过程中，电主轴2带动主动齿轮23转动，主动齿轮23与环形齿轮17的齿牙相互接触，使得每组齿牙接触时产生径向冲击力，用来模拟机床在进行工件加工时，刀具接触工件或离开工件时，电主轴2受冲击的工况，同时对工作时电主轴2的扭矩进行测试。第一压力传感器43，固定安装在传递轴16上，第一压力传感器43的输出端通过双头螺柱与压电陶瓷驱动器24接触连接。通过调节施加载荷的大小，以模拟电主轴2实际加工的工况。温度传感器25，固定安装在电主轴2的前轴承和后轴承上，电主轴2在运转时，通过温度传感器25可以获取电主轴2在测试时，前后轴承温度传感器25数据，以获得主轴轴承的温度变化。

实施例2：

参照图3和图6，与实施例1基本相同，更进一步的是。

四通管19上设置有螺纹孔以及与该螺纹孔相适配的紧固螺栓45，紧固螺栓45位于四通管19内的一端转动安装有抱箍29。

在进行通过轴向动态加载和径向动态加载时，四通管19位于滑杆18的中心处，两端的传递轴16受力均匀并同速，在进行不同转速测试时，通过旋转紧固螺栓45，抱箍29松开对滑杆18的夹持，将四通管19移动至滑杆18端部，使靠近加载棒3一侧的传递轴16转速小于另一侧的传递轴16，监测慢转速下加载棒3的实际加工的工况。

需要说明的是，在L形支撑板13上安装有电机，电机的输出端与传递轴16连接，在不同转速测试时，电主轴2为静止状态，电机带动传递轴16转动，通过加载棒3带动电主轴2做功，进而可以获得更精准的性能数据。

实施例3：

参照图3，与实施例1基本相同，更进一步的是。

参照图，更进一步的是，L形支撑板13上转动安装有支撑轴30，支撑轴30上同轴安装有从动齿轮46和散热风扇28，从动齿轮46与环形齿轮17啮合连接。

在环形齿轮17转动时，与之啮合连接的从动齿轮46旋转，旋转的从动齿轮46带动同轴的散热风扇28工作，降低测试时电主轴2的温度。

实施例4：

参照图1和图5，与实施例1基本相同，更进一步的是。

为了对测试的电主轴2进行保护，夹具板4上通过铰链轴转动安装有护板31，护板31的另一端一体成型设置有卡块32，夹具板4上开设有可供卡块32插入的卡口401；夹具板4的侧面开设有与卡口401内部连通的安装槽402，安装槽402内滑动安装有按压块33，按压块33位于安装槽402内的一端一体成型设计有第一齿条34，第一齿条34上方啮合连接有驱动齿轮35，驱动齿轮35上方啮合连接有第二齿条36，第二齿条36位于卡口401内的一端一体成型设计有可与卡块32契合的拉块37。

将电主轴2放置在底座5内，直接可将护板31上的卡块32卡进夹具板4上得卡口401内，对内部的电主轴2进行保护；拆除时，向内按压按压块33，按压块33上的第一齿条34带动驱动齿轮35转动，转动的驱动齿轮35带动上方的第二齿条36与第一齿条34反向滑动，使拉块37解除对卡块32的约束，从而打开护板31。

参照图5和图7，更进一步的是，底座5内开设有凹槽501，凹槽501的槽内侧壁上转动安装有L形摆臂38，L形摆臂38的端部固定那装有压板39；护板31内壁固定安装有滑套40，滑套40内滑动安装有抵触杆41，抵触杆41位于滑套40内的一端与滑套40底部之间固定安装套有弹簧42，抵触杆41的另一端作用于L形摆臂38上。

将电主轴2放置在底座5内，L形摆臂38下端受压力转动，使L形摆臂38的上端与电主轴2接触并压制，在扣合护板31后，抵触杆41对L形摆臂38的上端施加预紧力，进一步提高电主轴2在测试时的稳定性。

一种数控机床主轴加载系统的加载方法，操作步骤如下：

步骤1：将电主轴2夹持在底座5内，将加载部件调试至与电主轴2同轴；

步骤2：轴向测试时，丝杆机构26带动第一运动板6水平移动，对压电陶瓷驱动器24发送电信号，对加载棒3进行轴向动态加载；

步骤3：径向测试时，蜗轮蜗杆机构带动第一运动板6转动，压电陶瓷驱动器24位于加载棒3侧边，对压电陶瓷驱动器24发送电信号，对加载棒3进行垂直于轴线的径向动态加载；

步骤4：扭矩测试时，加载部件内的环形齿轮17与加载棒3上的主动齿轮23啮合连接，对电主轴2进行扭矩加载。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种数控机床主轴加载系统，包括加载台(1)和电主轴(2)，所述电主轴(2)的夹持端安装有加载棒(3)，其特征在于，还包括：

安装在加载台(1)上的夹具板(4)，所述夹具板(4)上固定安装有用于夹持电主轴(2)的底座(5)；

安装在加载台(1)上的第一运动板(6)，所述第一运动板(6)上通过丝杆机构(26)滑动安装有第二运动板(7)，所述第二运动板(7)上固定安装有第一支架(8)，所述第一支架(8)上通过气压缸连接有第二支架(9)，所述第二支架(9)上通过气压缸连接有加载部件；

油箱(10)，安装在远离第一运动板(6)一侧的加载台(1)上，所述油箱(10)与电主轴(2)之间连接有进油管路(11)和出油管路(12)。

2.根据权利要求1所述的一种数控机床主轴加载系统，其特征在于，所述加载台(1)上还安装有加载板(27)，所述加载板(27)上通过蜗轮蜗杆机构与第一运动板(6)转动连接。

3.根据权利要求1所述的一种数控机床主轴加载系统，其特征在于，所述加载部件包括：

L形支撑板(13)，所述L形支撑板(13)上固定安装有两个对称设置的立杆(14)，所述立杆(14)内转动安装有轴套(15)，所述轴套(15)内转动安装有传递轴(16)；

环形齿轮(17)，内部固定连接有滑杆(18)，所述滑杆(18)上滑动安装有四通管(19)，所述四通管(19)的两侧转动安装有连接座(20)，所述连接座(20)与传递轴(16)之间连接有安装块(21)；

支撑梁(22)，固定安装在环形齿轮(17)与轴套(15)之间；

压电陶瓷驱动器(24)，固定安装在靠近电主轴(2)一侧的传递轴(16)上。

4.根据权利要求3所述的一种数控机床主轴加载系统，其特征在于，还包括：

主动齿轮(23)，固定安装在加载棒(3)上，所述主动齿轮(23)与环形齿轮(17)接触时可啮合连接；

第一压力传感器(43)，固定安装在传递轴(16)上，所述第一压力传感器(43)的输出端通过双头螺柱与压电陶瓷驱动器(24)接触连接；

温度传感器(25)，固定安装在电主轴(2)的前轴承和后轴承上。

5.根据权利要求4所述的一种数控机床主轴加载系统，其特征在于，还包括第二压力传感器(44)，所述第二压力传感器(44)安装在油箱(10)上，所述第二压力传感器(44)的输出端与电主轴(2)连接。

6.根据权利要求3所述的一种数控机床主轴加载系统，其特征在于，所述四通管(19)上设置有螺纹孔以及与该螺纹孔相适配的紧固螺栓(45)，所述紧固螺栓(45)位于四通管(19)内的一端转动安装有抱箍(29)。

7.根据权利要求3所述的一种数控机床主轴加载系统，其特征在于，所述L形支撑板(13)上转动安装有支撑轴(30)，所述支撑轴(30)上同轴安装有从动齿轮(46)和散热风扇(28)，所述从动齿轮(46)与环形齿轮(17)啮合连接。

8.根据权利要求1所述的一种数控机床主轴加载系统，其特征在于，所述夹具板(4)上通过铰链轴转动安装有护板(31)，所述护板(31)的另一端一体成型设置有卡块(32)，所述夹具板(4)上开设有可供卡块(32)插入的卡口(401)；

所述夹具板(4)的侧面开设有与卡口(401)内部连通的安装槽(402)，所述安装槽(402)内滑动安装有按压块(33)，所述按压块(33)位于安装槽(402)内的一端一体成型设计有第一齿条(34)，所述第一齿条(34)上方啮合连接有驱动齿轮(35)，所述驱动齿轮(35)上方啮合连接有第二齿条(36)，所述第二齿条(36)位于卡口(401)内的一端一体成型设计有可与卡块(32)契合的拉块(37)。

9.根据权利要求8所述的一种数控机床主轴加载系统，其特征在于，所述底座(5)内开设有凹槽(501)，所述凹槽(501)的槽内侧壁上转动安装有L形摆臂(38)，所述L形摆臂(38)的端部固定那装有压板(39)；

所述护板(31)内壁固定安装有滑套(40)，所述滑套(40)内滑动安装有抵触杆(41)，所述抵触杆(41)位于滑套(40)内的一端与滑套(40)底部之间固定安装套有弹簧(42)，所述抵触杆(41)的另一端作用于L形摆臂(38)上。

10.一种数控机床主轴加载系统的加载方法，采用权利要求1-9任一项所述的一种数控机床主轴加载系统，其特征在于，操作步骤如下：

步骤1：将电主轴(2)夹持在底座(5)内，将加载部件调试至与电主轴(2)同轴；

步骤2：轴向测试时，丝杆机构(26)带动第一运动板(6)水平移动，对压电陶瓷驱动器(24)发送电信号，对加载棒(3)进行轴向动态加载；

步骤3：径向测试时，蜗轮蜗杆机构带动第一运动板(6)转动，压电陶瓷驱动器(24)位于加载棒(3)侧边，对压电陶瓷驱动器(24)发送电信号，对加载棒(3)进行垂直于轴线的径向动态加载；

步骤4：扭矩测试时，加载部件内的环形齿轮(17)与加载棒(3)上的主动齿轮(23)啮合连接，对电主轴(2)进行扭矩加载。

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