CN212082821U - 非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置，克服了由于采用接触式加载无法实现高转速电主轴的加载及加载精度差的问题，该装置包括安装机构、模拟刀具夹持机构、径向力加载机构、扭矩加载机构、轴向力加载机构与模拟刀柄；模拟刀具夹持机构安装在安装机构的壳体内，其中的模拟刀具的回转轴线与壳体的回转轴线共线；径向力加载机构安装在壳体内并套装在模拟刀具上，径向力加载机构中的转盘电机安装在壳体中小直径圆筒的外侧壁与壳体中大直径圆筒的筒底上；扭矩加载机构套装在模拟刀具上；轴向力加载机构安装在模拟刀具底端与壳体中小直径圆筒的筒底之间，轴向力加载机构与模拟刀具的回转轴线共线；模拟刀柄安装在模拟刀具的顶端。

Description

非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种属于数控机床主轴产品试验技术领域的试验装置，更具体地说，本实用新型涉及一种采用电磁式的切削力与切削扭矩协同加载的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置。

背景技术

数控机床作为装备制造业的工作母机，其性能和质量反映了一个国家的制造业水平，电主轴作为数控机床的核心功能部件之一，其可靠性水平直接影响了数控机床整机的可靠性，通过可靠性试验可采集大量的故障数据，从而进行故障分析和可靠性设计改进，提高电主轴的可靠性水平。

电主轴的可靠性试验主要包括可靠性现场跟踪试验和在实验室环境下的可靠性台架试验两种；可靠性现场跟踪试验虽然可以反映真实加工工况，但是试验成本大、周期长、不可复现；可靠性台架试验的工况可控，可快速地激发产品故障，具有很大的优越性，因此，许多机构和学者对主轴的可靠性试验装置进行了广泛开发，但现有试验装置的加载模块的结构比较复杂、体积较大，致使载荷加载精度低，另外这些加载装置采用的多数为接触式的混合加载模式，仅能适用于低转速下的载荷加载，无法满足高转速加载的要求，例如中国专利公开号为CN109406125A，公开日为2019.03.01所公开的便携式主轴全工况加载与性能检测装置，该装置的轴向力加载头在加载过程中与轴承外套底部接触以实现对主轴轴向力的加载，轴向力通过轴承外套、轴承外圈、滚动体、轴承内圈之间的滑动摩擦力传递给模拟刀具，由于中间经过多个结构进行载荷传递，因此实际加载到电主轴上的轴向力会与理论加载力产生一定的偏差，无法准确模拟真实工况。

再例如中国专利公告号为CN205374030U，公告日为2016.07.06所公开的电主轴可靠性试验台弧形导轨式力加载装置，该装置的径向力加载头与加载单元接触，加载单元再通过轴承及加载棒传递径向力，装置中加载单元与地平铁固联，因此一部分载荷通过加载单元被消耗，且会产生大量的热量，无法实现长时间的可靠性试验，也与真实工况载荷一定的偏差。

另外，现有的采用电磁方式对电主轴进行非接触式的切削力模拟加载的可靠性试验装置，在施加在切削力载荷时无法实现柔性、快速地多自由度的调整，无法实现径向力、轴向力和扭矩的全工况载荷的模拟加载。例如中国专利公告号为CN207816588U，公告日为2018.09.04所公开的非接触式电主轴可靠性试验台，该装置利用非接触式电磁振荡器实现电主轴的径向加载，但其无法实时模拟电主轴在加工过程中所受切削力的方向变化，对一些需要不断改变切削力方向的加工工况适用性低。

并且现有装置在安装、调整与拆卸等工作方面并不便捷，在一定程度上浪费了试验的时间与资源，效率低。基于此，本实用新型提出一种基于电磁加载的非接触式的便携式电主轴可靠性试验装置，采用非接触式的加载，能真实反映加工工况，实时调整施力大小与方向，并且便于拆装与调整。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的由于采用接触式加载无法实现高转速电主轴的加载以及加载载荷精度差的问题，提供了一种非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置。

为解决上述技术问题，本实用新型是采用如下技术方案实现的：所述的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置包括安装机构、模拟刀具夹持机构、径向力加载机构、扭矩加载机构、轴向力加载机构与模拟刀柄；

所述的模拟刀具夹持机构包括模拟刀具与大锥齿轮底座；

所述的径向力加载机构包括齿轮盘、4个结构相同的滑轮与转盘电机；

所述的扭矩加载机构包括转子绕组、定子绕组与平衡环；

所述的轴向力加载机构包括1号电磁铁与轴向压力传感器；

所述的模拟刀具夹持机构安装在安装机构的壳体内，大锥齿轮底座与壳体内的环形凸肩接触连接，模拟刀具的回转轴线与壳体的回转轴线共线；

所述的径向力加载机构安装在壳体内并套装在模拟刀具上，齿轮盘的底端面与壳体中大直径圆筒的筒底内侧底面接触连接，4个结构相同的滑轮和壳体中小直径圆筒内壁上的2条轨道槽滑动连接，转盘电机安装在壳体中小直径圆筒外侧壁与壳体中大直径圆筒的筒底上；扭矩加载机构套装在径向力加载机构下方的模拟刀具上，转子绕组与模拟刀具之间为过盈配合，定子绕组的外壁与壳体中小直径圆筒的内孔壁之间为过盈配合；平衡环卡装在转子绕组下方的模拟刀具上；

所述的轴向力加载机构安装在模拟刀具底端与壳体中小直径圆筒的筒底之间，轴向力加载机构与模拟刀具的回转轴线共线，轴向力加载机构的顶端通过1号电磁铁与模拟刀具的底端面固定连接，轴向力加载机构的底端通过轴向压力传感器与壳体中小直径圆筒的筒底固定连接；模拟刀柄中的模拟BT刀柄或模拟HSK刀柄安装在模拟刀具的顶端，两者之间为螺纹连接。

技术方案中所述的安装机构还包括垫片与1号法兰盘、2号法兰盘或3号法兰盘；所述的垫片放置在壳体中大直径圆筒敞开端设置的法兰盘上，垫片底端面与壳体中大直径圆筒上的法兰盘的顶端面接触连接，垫片上均布的螺栓通孔与壳体中法兰盘上均布的螺栓通孔对正，1号法兰盘、2号法兰盘或3号法兰盘放置在垫片上，1号法兰盘、2号法兰盘或3号法兰盘的底端面与垫片的顶端面接触连接，1号法兰盘、2号法兰盘或3号法兰盘圆环形凸台上均匀分布的螺纹孔与垫片上均布的螺栓通孔对正，壳体通过其上的法兰盘依次和垫片与1号法兰盘、2号法兰盘或3号法兰盘采用螺栓固定连接。

技术方案中所述的壳体为阶梯式圆筒形结构件，即壳体由大直径圆筒与小直径圆筒组成；所述的小直径圆筒的筒底端封闭，另一端为敞开式，从封闭端到敞开端的外壁上设置有一圈铝合金材料的板状散热片，敞开端的内壁上设置有与径向力加载机构中的滑轮相配合的两条平行的结构相同的环形轨道槽，敞开端的外壁上设置有安装转盘电机的凹槽；所述的大直径圆筒的中心处设置有3段式阶梯孔，由右至左依次是第一段孔至第三段孔，直径由大至小，第一段孔的直径与模拟刀具夹持机构中的大锥齿轮底座的直径相等，第三段孔设置在大直径圆筒筒底的中心处，第三段孔的直径与小直径圆筒的内径相等；大直径圆筒筒底的一侧设置有一个用于安装转盘电机输出轴的轴通孔，轴通孔周围均匀地设置有用于固定转盘电机的螺纹通孔；在第一段孔的孔壁上设置1个用于安装模拟刀具夹持机构中的传动杆的传动杆通孔，传动杆通孔周围均匀地设置有用于固定3号限位元件的螺钉通孔；大直径圆筒的敞开端设置有法兰盘，法兰盘的外径大于大直径圆筒的外径，法兰盘的内径等于大直径圆筒的内径，法兰盘所在平面与大直径圆筒的回转轴线垂直，法兰盘上均匀地分布有和电主轴安装端、1号法兰盘、2号法兰盘或3号法兰盘圆环形凸台上的螺纹孔对正的螺栓孔；大直径圆筒的筒底、小直径圆筒的筒底依次和大直径圆筒、小直径圆筒的回转轴线垂直，大直径圆筒的筒底端与小直径圆筒的筒口端连成一体，大直径圆筒与小直径圆筒的回转轴线共线。

技术方案中所述的模拟刀具为由带有刀具夹持功能的头部与圆轴组成的圆形棒状结构件，头部为上端敞开下端封闭的圆筒，圆筒内壁上设置有与模拟刀柄相配合的内螺纹，圆筒外壁中间位置设置有一圈与1号夹具、2号夹具的1号夹持元件、2号夹持元件相配合的矩形横截面的头部凹槽；圆筒的底端面与圆轴的顶端面连成一体，圆筒的底端面、圆轴的顶端面分别与圆筒的回转轴线、圆轴的回转轴线垂直，圆筒的回转轴线与圆轴的回转轴线共线；在圆轴上端的外壁上设置有一组结构相同的相互平行的用于消除涡流的圆轴凹槽，圆轴凹槽的横截面为半圆形横截面。

技术方案中所述的模拟刀具夹持机构还包括大锥齿轮、1号夹持机构、2号夹持机构与3号夹持机构；所述的大锥齿轮安装在大锥齿轮底座内，两者之间为滑动连接，模拟刀具安装在大锥齿轮与大锥齿轮底座的中心处，模拟刀具的回转轴线和大锥齿轮与大锥齿轮底座的回转轴线共线，1号夹持机构与2号夹持机构通过其中的1号螺旋副支架与2号螺纹副支架对称地安装在大锥齿轮底座上，1号夹持机构与2号夹持机构的回转轴线和模拟刀具的回转轴线垂直相交，1号夹持机构与2号夹持机构和大锥齿轮之间为啮合连接，3号夹持机构通过其中的传动杆安装在壳体中大直径圆筒上，3号夹持机构的回转轴线和模拟刀具的回转轴线垂直相交，3号夹持机构与大锥齿轮之间为啮合连接。

技术方案中所述的1号夹持机构与2号夹持机构结构相同；所述的1号夹持机构包括1号限位元件、1号螺杆、1号小锥齿轮、1号内螺纹管、1号螺旋副支架与1号夹具；所述的2号夹持机构包括2号限位元件、2号螺杆、2号小锥齿轮、2号内螺纹管、2号螺旋副支架与2号夹具；1号限位元件与2号限位元件结构相同，1号螺杆与2号螺杆结构相同，1号小锥齿轮与2号小锥齿轮结构相同，1号内螺纹管与2号内螺纹管结构相同，1号螺旋副支架与2号螺旋副支架结构相同，1号夹具与2号夹具结构相同；

所述的1号螺旋副支架采用螺栓固定在大锥齿轮底座上，1号内螺纹管装入1号螺旋副支架头部的水平放置的筒状结构件中，两者之间为滑动连接，1号螺杆装入1号内螺纹管中，两者之间为螺纹连接，1号小锥齿轮采用键套装在1号螺杆的第二段螺杆上，1号限位元件套装在1号螺杆的第一段螺杆上，两者之间为螺纹连接，1号螺杆的第一段螺杆靠近壳体大直径圆筒内壁的端面与1号限位元件靠近壳体大直径圆筒内壁的端面重合且不与壳体大直径圆筒内壁接触，1号夹具通过其中的1号固定底座并采用螺钉固定在1号内螺纹管里端端面上。

技术方案中所述的3号夹持机构包括传动杆、3号小锥齿轮、3号限位元件、限位套、锁紧套、手轮与锁紧螺钉；所述的3号小锥齿轮套装在传动杆中第一段传动杆上，两者之间采用键连接，3号小锥齿轮靠近模拟刀具回转轴线的端面与传动杆上起定位作用的圆凸台接触连接，3号限位元件套装在传动杆中第二段传动杆上，两者之间为间隙配合，3号限位元件靠近模拟刀具回转轴线的端面与3号小锥齿轮接触配合，另一端面通过螺钉与在壳体大直径圆筒的内壁固定连接，限位套套装在传动杆中第三段传动杆靠近模拟刀具回转轴线一端的外螺纹上，限位套与传动杆中第三段传动杆之间为螺纹连接，限位套靠近模拟刀具回转轴线的端面与壳体大直径圆筒外壁接触连接，锁紧套套装在传动杆中第三段传动杆远离模拟刀具回转轴线一端的外螺纹上，锁紧套与传动杆中第三段传动杆之间为螺纹连接，锁紧套远离模拟刀具回转轴线的端面与手轮靠近模拟刀具回转轴线的端面接触连接，手轮套装在传动杆中第四段传动杆上，两者之间采用键连接，锁紧螺钉通过螺纹固定在传动杆中第四段传动杆最外端的端面上限制手轮轴向移动。

技术方案中所述的径向力加载机构还包括2个结构相同的连接板、2个结构相同的径向压力传感器、2个结构相同的径向隔离板、2个结构相同的电磁线圈、1号电容位移传感器、2号电容位移传感器与小齿轮；所述的2个结构相同的连接板的顶端和齿轮盘的底端面通过螺钉相对于齿轮盘的回转轴线对称地连接，2个结构相同的连接板的靠近模拟刀具回转轴线的内侧面和2个结构相同的径向压力传感器的固定面即外侧面采用螺钉固定连接，每个连接板的远离模拟刀具回转轴线的外侧面上通过螺钉固定连接2个结构相同的并与壳体中小直径圆筒内孔壁上的2条平行轨道槽相配合的滑轮，2个结构相同的铝质弧形板状的径向隔离板的远离模拟刀具回转轴线的外侧面与2个结构相同的径向压力传感器的受力面即内侧面采用螺钉固定连接，2个结构相同的电磁线圈采用螺钉固定连接在2个结构相同的径向隔离板的靠近模拟刀具回转轴线的内侧面上；转盘电机安装在壳体中小直径圆筒外侧壁与壳体中大直径圆筒的筒底上，同时转盘电机放置在壳体中小直径圆筒外侧壁上设置的凹槽里，小齿轮采用键连接套装在转盘电机的输出轴上，小齿轮与齿轮盘啮合连接，1号电容位移传感器、2号电容位移传感器采用螺钉固定在壳体中小直径圆筒的内壁上，两者的安装位置之间成90度夹角。

技术方案中所述的轴向力加载机构还包括2号电磁铁与轴向隔离板；所述的1号电磁铁、2号电磁铁为由线圈与圆柱形铁芯组成的结构相同的结构件，1号电磁铁、2号电磁铁和模拟刀具同轴安装，1号电磁铁顶端与模拟刀具的底端采用螺钉固定连接,2号电磁铁位于1号电磁铁的正下方，2号电磁铁通过轴向隔离板安装在压力传感器的顶端上，铝质圆板形的轴向隔离板的顶端与2号电磁铁的底端通过螺钉固定连接，轴向隔离板的底端与轴向压力传感器的顶端通过螺钉固定连接，轴向压力传感器的底端与壳体小直径圆筒的筒底通过螺钉固定连接，1号电磁铁、2号电磁铁、轴向隔离板与轴向压力传感器的回转轴线共线。

与现有技术相比本实用新型的有益效果是：

1.非接触式加载，准确性高

本实用新型所述的一种全工况加载的电主轴可靠性试验装置能对电主轴进行完全非接触式的全工况动态加载(含径向力、轴向力和扭矩)。通过固定在装置上的定子绕组与集成在模拟刀具上的转子绕组相互作用实现对电主轴的非接触扭矩加载，消除了传统扭矩施加装置与电主轴串联时的对中性误差；通过巧妙设计两个方向的电磁线圈对主轴进行径向和轴向力的协同加载，而且可以随时调整切削力的加载方向，消除了由于加载装置接触高速旋转的电主轴而引入的力分解和耦合的误差，使试验结果更加准确。

2.灵活全自动加载，便于调控

本实用新型所述的一种全工况加载的电主轴可靠性试验装置通过改变两个电磁铁中电流的大小以实现对电主轴所加轴向切削力的动态调节；通过改变两个电磁线圈中的电流以实现对电主轴所加径向切削力大小的动态调节；通过控制转盘电机的运转，灵活地改变电磁线圈的位置以实现对电主轴所加径向切削力方向的动态调节；在同一个控制与操作平台下，可以全面且灵活地模拟在不同加工过程中电主轴所受的各种载荷。

3.本实用新型所述的一种全工况加载的电主轴可靠性试验装置可直接快速安装于数控机床的电主轴或试验台架的电主轴上，不需要搭建额外支架；本实用新型所述的一种全工况加载的电主轴可靠性试验装置所占空间小，可以直接、快速、便捷地安装在各种型号、各种环境、各种摆放位置的电主轴上，在试验结束时也能够简便地将其拆卸，从而为试验节省大量的时间、空间、人力等资源。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明：

图1是本实用新型所述的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置内部结构组成的轴测投影视图；

图2是本实用新型所述的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置结构组成的轴测投影视图；

图3是本实用新型所述的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置中安装机构结构组成分解式轴测投影视图；

图4是本实用新型所述的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置中模拟刀具夹持机构结构组成的轴测投影视图；

图5是本实用新型所述的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置中径向力加载机构结构组成的轴测投影视图；

图6-a是本实用新型所述的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置中径向力加载机构结构组成分解式轴测投影视图；

图6-b是本实用新型所述的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置中滑轮结构组成的轴测投影视图；

图7-a本实用新型所述的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置中扭矩加载机构、轴向力加载机构与模拟BT刀柄结构组成的主视图；

图7-b本实用新型所述的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置中模拟HSK刀柄结构组成的主视图；

图8是本实用新型所述的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置中模拟刀具结构组成的轴测投影视图；

图9是本实用新型所述的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置中轴向、径向和扭矩加载过程的结构原理示意图；

图10采用本实用新型所述的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置进行电主轴可靠性试验的流程框图；

图11是采用本实用新型所述的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置进行电主轴可靠性试验的操作平台的示意图；

图中：1.安装机构，101A.1号法兰盘，101B.2号法兰盘，101C.3号法兰盘，102.垫片，103.壳体，2.模拟刀具夹持机构，201.模拟刀具，202.1号夹持机构,203.2号夹持机构,204.3号夹持机构，205-A.1号限位元件，205-B.2号限位元件，206-A.1号螺杆，206-B.2号螺杆，207-A.1号小锥齿轮，207-B.2号小锥齿轮，208-A.1号内螺纹管，208-B.2号内螺纹管，209-A.1号螺旋副支架，209-B.2号螺纹副支架，210-A.1号夹具，210-B.2号夹具，211.大锥齿轮，212.大锥齿轮底座，213.传动杆，214.3号小锥齿轮，215.3号限位元件，216.限位套，217.锁紧套，218.手轮，219.锁紧螺钉，3.径向力加载机构，301.齿轮盘，302.连接板，303.滑轮，303-A.V型轮，303-B.固定支架，303-C.滑轮连接螺栓，304.径向压力传感器，305.径向隔离板，306.电磁线圈，307-A.1号电容位移传感器，307-B.2号电容位移传感器，308.转盘电机，309.小齿轮，4.扭矩加载机构，401.转子绕组，402.定子绕组，403.平衡环，5.轴向力加载机构，501.1号电磁铁，502.2号电磁铁，503.轴向隔离板，504.轴向压力传感器，6.模拟刀柄，601.模拟BT刀柄，602.模拟HSK刀柄，7.螺栓，8.电主轴，D.电主轴所受的径向切削力，D₁.1号电磁引力，D₂.2号电磁引力，E.电主轴转动方向，F.电主轴所受的扭矩,G.电主轴所受的轴向切削力。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作详细的描述：

参阅图1，本实用新型所述的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置包括安装机构1、模拟刀具夹持机构2、径向力加载机构3、扭矩加载机构4、轴向力加载机构5与模拟刀柄6。

参阅图1、图2与图3，所述的安装机构1包括垫片102、壳体103与1号法兰盘101A、2号法兰盘101B或3号法兰盘101C。

所述的壳体103为阶梯式圆筒形结构件，即壳体103由大直径圆筒与小直径圆筒组成；

所述的小直径圆筒的筒底端封闭，另一端为敞开式，从封闭端到敞开端的外壁带有一圈铝合金材料的板状散热片，敞开端的外壁上设置有安装转盘电机308的凹槽，敞开端的内壁上设置有与径向力加载机构3中的滑轮303相配合的2条平行的结构相同的环形轨道槽。

所述的大直径圆筒的中心处设置有3段式阶梯孔，由右至左依次是第一段孔至第三段孔，直径由大至小，第一段孔的直径与模拟刀具夹持机构2中的大锥齿轮底座212的直径相等，第三段孔设置在大直径圆筒的筒底上，第三段孔的直径与小直径圆筒的内径相等；在大直径圆筒与小直径圆筒之间的筒底上沿轴向设置有安装转盘电机308输出轴的轴通孔，轴通孔周围均匀地设置有用于固定转盘电机308的螺纹通孔；在第一段孔的孔壁上设置1个用于安装模拟刀具夹持机构2中的传动杆213的传动杆通孔，传动杆通孔周围均匀地设置有用于固定3号限位元件215的螺钉通孔；大直径圆筒的敞开端设置有法兰盘，法兰盘的外径大于大直径圆筒的外径，法兰盘的内径等于大直径圆筒的内径，法兰盘所在平面与大直径圆筒的回转轴线垂直，法兰盘上均匀地分布有和电主轴8安装端、1号法兰盘101A、2号法兰盘101B或3号法兰盘101C的圆环形凸台上的螺纹孔对正的螺栓孔；大直径圆筒的筒底、小直径圆筒的筒底依次和大直径圆筒、小直径圆筒的回转轴线垂直，大直径圆筒的筒底端与小直径圆筒的筒口端连成一体，大直径圆筒与小直径圆筒的回转轴线共线。

所述的1号法兰盘101A、2号法兰盘101B、3号法兰盘101C的结构基本相同，皆为圆盘式结构件，皆在中心处设置圆环形凸台，圆环形凸台的外径与壳体103上的法兰盘的外径相等，圆环形凸台的内径与壳体103上的法兰盘的内径相等，即和壳体103中大直径圆筒的内径相等，圆环形凸台上均布有结构相同的螺纹孔，螺纹孔的个数与壳体103的法兰盘上的螺栓孔的个数相等并对正；1号法兰盘101A、2号法兰盘101B、3号法兰盘101C外径不同，外径大小与所测电主轴8安装处的安装尺寸相等，外圆周所分布的螺栓孔的个数与所测电主轴8安装处所设置的螺纹孔个数相等并对正。

所述的垫片102为防震的环形橡胶垫片，垫片102的内径与1号法兰盘101A、2号法兰盘101B、3号法兰盘101C上圆环形凸台的内径相等并且与壳体103上的法兰盘的内径即壳体103中大直径圆筒的内径相等，垫片102的外径与1号法兰盘101A、2号法兰盘101B、3号法兰盘101C上圆环形凸台的外径相等并且与壳体103上的法兰盘的外径相等；垫片102上均匀地分布有结构相同的通孔，通孔的个数与壳体103的法兰盘上的螺栓孔的个数相等并对正，与1号法兰盘101A、2号法兰盘101B或3号法兰盘101C圆环形凸台上的螺纹孔的个数相等并对正。

所述的壳体103满足电主轴8的尺寸时，壳体103的右端法兰盘、垫片102与主轴8的连接端采用螺栓7紧密连接；壳体103右端的法兰盘与主轴8的连接端无法配合时，可以选择相应规格的1号法兰盘101A、2号法兰盘101B或3号法兰盘101C通过垫片102与壳体103右端螺栓连接，然后采用螺栓7与电主轴8的连接端紧密连接。

所述的垫片102放置在壳体103中大直径圆筒敞开端设置的法兰盘上，垫片102底端面与壳体103中大直径圆筒上的法兰盘的顶端面之间为接触连接，垫片102上均布的通孔与壳体103中法兰盘上均布的螺栓通孔对正，1号法兰盘101A、2号法兰盘101B或3号法兰盘101C放置在垫片102上，1号法兰盘101A、2号法兰盘101B或3号法兰盘101C的底端面与垫片102的顶端面之间为接触连接，1号法兰盘101A、2号法兰盘101B或3号法兰盘101C圆环形凸台上均匀分布的螺纹孔与垫片102上均布的通孔对正，壳体103通过其上的法兰盘依次和垫片102与1号法兰盘101A、2号法兰盘101B或3号法兰盘101C采用螺栓固定连接。

参阅图1、图2、图4、图8与图9，所述的模拟刀具夹持机构2包括模拟刀具201、大锥齿轮211、大锥齿轮底座212、1号夹持机构202、2号夹持机构203与3号夹持机构204；其中：1号夹持机构202与2号夹持机构203结构相同。

所述的模拟刀具201为由带有刀具夹持功能的头部与圆轴组成的圆形棒状结构件，头部为上端敞开下端封闭的圆筒，圆筒内壁上设置有与模拟刀柄6相配合的内螺纹，圆筒外壁中间处设置有一圈与1号夹具210-A、2号夹具210-B的1号夹持元件、2号夹持元件相配合的矩形横截面的头部凹槽；圆筒的底端面与圆轴的顶端面连成一体，圆筒的底端面、圆轴的顶端面分别与圆筒的回转轴线、圆轴的回转轴线垂直，圆筒的回转轴线与圆轴的回转轴线共线且均与壳体103大小直径圆筒的回转轴线共线；在圆轴上端的外壁上设置有一组结构相同的相互平行的用于消除涡流的圆轴凹槽，圆轴凹槽的横截面为半圆形横截面。

所述的大锥齿轮211由圆环形的齿盘与圆环形的底盘组成，圆环形的齿盘的顶端设置有轮齿，底盘的内径等于齿盘的内径，底盘的外径大于齿盘的外径，底盘的外径与大锥齿轮底座212上的第二段孔的内径相等，齿盘的底端面与底盘的顶端面连成一体，齿盘的底端面、底盘的顶端面分别与齿盘的回传轴线、底盘的回转轴线垂直，齿盘的回转轴线与底盘的回转轴线共线且均与壳体103大直径圆筒的回转轴线、模拟刀具201的回转轴线共线；大锥齿轮211的齿盘与1号小锥齿轮207-A、2号小锥齿轮207-B、3号小锥齿轮214啮合连接；

所述的大锥齿轮底座212为圆环体形结构件，圆环体形结构件的外径等于壳体103大直径圆筒的第一段孔内径，圆环体形结构件的内孔为三段式阶梯孔，第一段孔的直径等于大锥齿轮211齿盘的外径，两者之间为滑动配合，第二段孔的直径等于大锥齿轮211底盘外径，第二段孔与大锥齿轮211的底盘间隙配合以限制大锥齿轮211的轴向窜动，第三段孔的直径大于模拟刀具201头部圆筒外径且小于大锥齿轮211中底盘的内径；大锥齿轮底座212的回转轴线与大锥齿轮211的回转轴线共线。

所述的1号夹持机构202包括1号限位元件205-A、1号螺杆206-A、1号小锥齿轮207-A、1号内螺纹管208-A、1号螺旋副支架209-A与1号夹具210-A；

所述的1号限位元件205-A与2号限位元件205-B结构相同；1号限位元件205-A为中心处设置有通孔的圆环形结构件，中心通孔的孔壁上设置有内螺纹，通过内螺纹使1号限位元件205-A安装在1号螺杆206-A上。

所述的1号螺杆206-A与2号螺杆206-B结构相同；1号螺杆206-A为单头螺杆，根据与壳体103大直径圆筒内壁的距离由近到远可分为三段，第一段螺杆的外壁上设置有螺纹且长度等于1号限位元件205-A的内孔长度，第二段螺杆外壁光滑，第二段螺杆外壁上设置有矩形键槽且第二段螺杆长度等于1号小锥齿轮207-A内孔长度，第三段螺杆外壁设置有与1号内螺纹管208-A内壁配合的螺纹；第一段螺杆、第二段螺杆与与第三段螺杆依次连成一体，三段螺杆的回转轴线共线；第一段螺杆、第二段螺杆与第三段螺杆的直径依次和1号限位元件205-A中心通孔直径、1号小锥齿轮207-A内孔直径、1号内螺纹管208-A管孔直径相等，1号螺杆206-A的回转轴线与1号限位元件205-A的回转轴线、1号小锥齿轮207-A、1号内螺纹管208-A回转轴线共线。

所述的1号小锥齿轮207-A与2号小锥齿轮207-B结构相同；1号小锥齿轮207-A的内孔直径等于1号螺杆206-A中第二段螺杆的直径，1号小锥齿轮207-A的回转轴线与1号限位元件205-A的回转轴线、1号螺杆206-A的回转轴线、1号内螺纹管208-A的回转轴线共线；小锥齿轮207-A内孔壁上设置有与1号螺杆206-A的第二段螺杆外壁上的矩形键槽宽度相等的横截面为矩形的键槽。

所述的1号内螺纹管208-A与2号内螺纹管208-B结构相同；1号内螺纹管208-A为内壁上设置有螺纹的圆管状结构件，1号内螺纹管208-A的内孔直径等于1号螺杆206-A中第三段螺杆的直径，1号内螺纹管208-A的回转轴线与1号限位元件205-A的回转轴线、1号螺杆206-A的回转轴线、1号小锥齿轮207-A的回转轴线共线，1号内螺纹管208-A的管长等于1号螺杆206-A中第三段螺杆长度，1号内螺纹管208-A远离壳体103中大直径圆筒内壁的端面上沿轴向均匀分布有用于固定1号夹具210-A中1号固定底座的螺纹盲孔。

所述的1号螺旋副支架209-A与2号螺旋副支架209-B结构相同；1号螺旋副支架209-A头部为水平放置的内壁光滑的圆筒状结构件，底部为长方体结构件，头部圆筒状结构件的回转轴线与底部长方体结构件上下表面平行，头部与底部用板状结构件连接，1号螺旋副支架209-A为左右对称的结构件；1号螺旋副支架209-A头部即圆筒状结构件的内径等于1号内螺纹管208-A的外径，头部回转轴线与1号内螺纹管208-A回转轴线共线；1号螺旋副支架209-A的底部长方体结构件上均匀分布有用以固定在大锥齿轮底座212上的螺栓通孔。

所述的1号夹具210-A与2号夹具210-B结构相同；1号夹具210-A包括半圆环形的1号夹持元件与1号固定底座；1号夹具210-A的首端即靠近模拟刀具201回转轴线的一端为有半圆环形的1号夹持元件，半圆环形的1号夹持元件的内径等于模拟刀具201头部凹槽底部的圆筒外径，半圆环形的1号夹持元件的回转轴线与模拟刀具201回转轴线平行，半圆环形的1号夹持元件与模拟刀具201头部凹槽接触时两者的回转轴线共线，半圆环形的1号夹持元件的厚度与模拟刀具201头部圆筒凹槽宽度相等，半圆环形的1号夹持元件的对称处沿径向设置有一个螺纹通孔；

1号固定底座为正方形结构的对称中心与四个角处均设置有螺钉通孔的板类结构件，1号固定底座前后端面与模拟刀具201的回转轴线、半圆环形的1号夹持元件回转轴线平行，前端面与半圆环形的1号夹持元件的对称处相接触并用螺钉固定连接，1号固定底座的后端面与1号内螺纹管208-A远离壳体103大直径圆筒内壁的端面相接触并采用螺钉固定连接。

所述的1号螺旋副支架209-A采用螺栓固定在大锥齿轮底座212上，1号内螺纹管208-A装入1号螺旋副支架209-A头部的水平放置的筒状结构件中，两者之间为滑动配合，1号螺杆206-A装入1号内螺纹管208-A中，两者之间为螺纹连接，1号小锥齿轮207-A采用键套装在1号螺杆206-A的第二段螺杆上，1号限位元件205-A套装在1号螺杆206-A的第一段螺杆上，两者之间为螺纹连接，1号螺杆206-A的第一段螺杆靠近壳体103大直径圆筒内壁的端面与1号限位元件205-A靠近壳体103大直径圆筒内壁的端面重合且不与壳体103大直径圆筒内壁接触，1号夹具210-A通过其中的1号固定底座并采用螺钉固定在1号内螺纹管208-A里端端面上。

所述的2号夹持机构203包括2号限位元件205-B、2号螺杆206-B、2号小锥齿轮207-B、2号内外螺纹管208-B、2号螺旋副支架209-B、2号夹具210-B；

所述的2号限位元件205-B与1号限位元件205-A结构相同；2号限位元件205-B为中心带有通孔的圆环形结构件，中心通孔的孔壁上设置有内螺纹，通过内螺纹使2号限位元件205-B安装在2号螺杆206-B上。

所述的2号螺杆206-B与1号螺杆206-A结构相同；2号螺杆206-B为单头螺杆，根据与壳体103大直径圆筒内壁的距离由近到远可分为三段，第一段螺杆的外壁上设置有螺纹且长度等于2号限位元件205-B的内孔长度，第二段螺杆外壁上设置有矩形键槽且长度等于2号小锥齿轮207-B内孔长度，第三段螺杆外壁设置有与2号内螺纹管208-B内壁螺纹相配合的螺纹；第一段螺杆、第二段螺杆与第三段螺杆依次连成一体，三段螺杆回转轴线共线，第一段螺杆、第二段螺杆与与第三段螺杆的直径依次和2号限位元件205-B中心通孔直径、2号小锥齿轮207-B内孔直径、2号内螺纹管208-B管孔直径相等,2号螺杆206-B的回转轴线与2号限位元件205-B的回转轴线、2号小锥齿轮207-B、2号内螺纹管208-B回转轴线共线。

所述的2号小锥齿轮207-B与1号小锥齿轮207-A结构相同；2号小锥齿轮207-B的内孔直径等于2号螺杆206-B中第二段螺杆的直径，2号小锥齿轮207-B的回转轴线与2号限位元件205-B的回转轴线、2号螺杆206-B的回转轴线、2号内螺纹管208-B的回转轴线共线；2号小锥齿轮207-B的内孔壁上设置有与2号螺杆206-B的第二段螺杆外壁上的矩形键槽宽度相等的横截面为矩形的矩形键槽。

所述的2号内螺纹管208-B与1号内螺纹管208-A结构相同；2号内螺纹管208-B为内壁上设置有螺纹的管状结构件，2号内螺纹管208-B的内孔直径等于2号螺杆206-B中第三段螺杆的直径，2号内螺纹管208-B的回转轴线与2号限位元件205-B的回转轴线、2号螺杆206-B的回转轴线、2号小锥齿轮207-B的回转轴线共线，2号内螺纹管208-B的管长等于2号螺杆206-B中第三段螺杆长度，2号内螺纹管208-B远离壳体103大直径圆筒内壁的端面上沿轴向均匀分布有用于固定2号夹具210-B中2号固定底座的螺纹盲孔。

所述的2号螺旋副支架209-B与1号螺旋副支架209-A结构相同；2号螺旋副支架209-B头部为水平放置的内壁光滑的圆筒状结构件，底部为长方体结构件，头部圆筒状结构件的回转轴线与底部长方体结构件上下表面平行，头部与底部用板状结构件连接，2号螺旋副支架209-B为左右对称的结构件；2号螺旋副支架206-B头部即圆筒状结构件的内径等于2号内螺纹管208-B的外径，头部回转轴线与2号内螺纹管208-B回转轴线共线；2号螺旋副支架209-B的底部长方体结构件上均匀分布有用以固定在大锥齿轮底座212上的螺栓通孔。

所述的2号夹具210-B与1号夹具210-A结构相同；2号夹具210-B包括半圆环形的2号夹持元件与2号固定底座；2号夹具210-B的首端即靠近模拟刀具201回转轴线的一端为有半圆环形的2号夹持元件，半圆环形的2号夹持元件的内径等于模拟刀具201头部凹槽底部的圆筒外径，半圆环形的2号夹持元件的回转轴线与模拟刀具201回转轴线平行，半圆环形的2号夹持元件与模拟刀具201头部凹槽接触时两者的回转轴线共线，半圆环形的2号夹持元件的厚度与模拟刀具201头部凹槽宽度相等，半圆环形的2号夹持元件的对称处沿径向设置有一个螺纹通孔；

2号固定底座为正方形结构的对称中心与四个角处均设置有螺钉通孔的板类结构件，2号固定底座前后端面与模拟刀具201回转轴线、半圆环形的2号夹持元件回转轴线平行，前端面与半圆环形的2号夹持元件的对称处相接触并采用螺钉固定，后端面与2号内螺纹管208-B远离壳体103大直径圆筒内壁的端面相接触并采用螺钉固定连接。

所述的2号螺旋副支架209-B采用螺栓固定在大锥齿轮底座212上，位置与1号螺旋副支架209-A关于模拟刀具201的回转轴线对称，2号内螺纹管208-B装入2号螺旋副支架209-B头部的水平放置的圆筒状结构件中，两者之间为滑动配合，2号螺杆206-B装入2号内螺纹管208-B中，两者之间为螺纹连接以实现螺旋传动，2号小锥齿轮207-B采用键套装在2号螺杆206-B的第二段螺杆上，2号限位元件205-B套装在2号螺杆206-B的第一段螺杆上，两者之间为螺纹连接，2号螺杆206-B的第一段螺杆靠近壳体103大直径圆筒内壁的端面与2号限位元件205-B靠近壳体103大直径圆筒的端面重合且不与壳体103大直径圆筒内壁接触，2号夹具210-B通过其中的2号固定底座并采用螺钉固定在2号内螺纹管208-B里端端面上。

所述的3号夹持机构204包括传动杆213、3号小锥齿轮214、3号限位元件215、限位套216、锁紧套217、手轮218与锁紧螺钉219；

所述的传动杆213为圆杆状结构件，传动杆213靠近模拟刀具201回转轴线的端部设置有直径大于3号小锥齿轮214内孔直径的用于限制3号小锥齿轮214轴向窜动的圆凸台，圆凸台的回转轴线与传动杆213的回转轴线、3号小锥齿轮214的回转轴线共线；传动杆213的杆身根据与模拟刀具201回转轴线的距离由近到远可分为四段，第一段传动杆外壁上设置有矩形键槽且第一段传动杆的长度等于3号小锥齿轮214的内孔长度，第二段传动杆外壁光滑，第二段传动杆的长度等于3号限位元件215内孔长度与壳体103大直径圆筒壁厚的总和，第三段传动杆外壁的两端均设置有一段外螺纹，第三段传动杆的其它部分的外壁光滑，其中靠近模拟刀具201回转轴线一端的外螺纹长度与限位套216内孔长度相等，远离模拟刀具201回转轴线一端的外螺纹长度与锁紧套217内孔长度相等，第四段传动杆为设置有内螺纹的管状结构件，外壁光滑且带有矩形键槽，长度等于手轮218内孔长度；第一段传动杆的直径与3号小锥齿轮214内孔直径相等，第二段传动杆的直径与3号限位元件215内孔的直径、壳体103大直径圆筒的第一段孔的孔壁上的传动杆通孔直径相等，第三段传动杆的直径与限位套216内孔直径、锁紧套217内孔直径相等，第四段传动杆的直径与手轮218内孔直径相等；第一段传动杆至第四段传动杆的回转轴线共线，圆凸台、第一段传动杆至第四段传动杆一次连成一体，传动杆213的回转轴线与模拟刀具201的回转轴线垂直相交，与1号螺杆206-A的回转轴线、2号螺杆206-B回转轴线垂直相交，与3号小锥齿轮214回转轴线、3号限位元件215回转轴线、限位套216回转轴线、锁紧套217回转轴线、手轮218回转轴线、锁紧螺钉219回转轴线共线。

所述的3号小锥齿轮214内孔直径等于传动杆213中第一段传动杆的直径，小锥齿轮的回转轴线与传动杆213回转轴线共线，小锥齿轮内孔壁上沿轴向设置有与传动杆213中第一段传动杆上矩形键槽宽度相等的横截面为矩形的键槽。

所述的3号限位元件215为中心带有通孔的圆环形结构件，中心通孔周围均匀分布有螺纹通孔以使3号限位元件215通过螺钉固定在壳体103大直径圆筒内壁上，3号限位元件215的中心通孔直径等于传动杆213中第二段传动杆的直径，3号限位元件215的回转轴线与传动杆213的回转轴线共线。

所述的限位套216为内孔壁上设置有螺纹的圆环形结构件，限位套216的内孔直径等于传动杆213中第三段传动杆一端的外螺纹直径，限位套216的回转轴线与传动杆213的回转轴线共线。

所述的锁紧套217为内孔壁上设置有螺纹的圆环形结构件，锁紧套217的内孔直径等于传动杆213中第三段传动杆另一端的外螺纹直径，锁紧套217的回转轴线与传动杆213的回转轴线共线。

所述的手轮218为中心处设置有中心通孔的圆柱形结构件，手轮218的中心通孔的直径等于传动杆213中第四段传动杆的直径，中心通孔的孔壁上设置有与传动杆213中第四段传动杆上的矩形键槽宽度相等的横截面为矩形的键槽；手轮的回转轴线与传动杆213的回转轴线共线。

所述的锁紧螺钉219为内六角锁紧螺钉标准件，锁紧螺钉的外螺纹与传动杆213中第四段传动杆外端上的轴向内螺纹相配合，限制手轮218的轴向移动。

所述的3号小锥齿轮214套装在传动杆213中第一段传动杆上，两者之间采用键连接，3号小锥齿轮214靠近模拟刀具201回转轴线的端面与传动杆213上起定位作用的圆凸台接触连接，3号限位元件215套装在传动杆213中第二段传动杆上，两者之间为轴孔间隙配合，3号限位元件215靠近模拟刀具201回转轴线的端面与3号小锥齿轮214接触配合，另一端面通过螺钉与在壳体103大直径圆筒的内壁固定连接，限位套216套装在传动杆213中第三段传动杆靠近模拟刀具201回转轴线一端的外螺纹上，限位套216与传动杆213中第三段传动杆之间为螺纹连接，限位套216靠近模拟刀具201回转轴线的端面与壳体103大直径圆筒外壁接触连接，锁紧套217套装在传动杆213中第三段传动杆远离模拟刀具201回转轴线一端的外螺纹上，锁紧套217与传动杆213中第三段传动杆之间为螺纹连接，锁紧套217远离模拟刀具201回转轴线的端面与手轮218靠近模拟刀具201回转轴线的端面接触连接，手轮218套装在传动杆213中第四段传动杆上，两者之间采用键连接，锁紧螺钉219通过螺纹固定在传动杆213中第四段传动杆最外端的端面上限制手轮218轴向移动。

所述的大锥齿轮211安装在大锥齿轮底座212内，大锥齿轮211与大锥齿轮底座212的回转轴线共线，大锥齿轮211与大锥齿轮底座212之间为滑动连接，模拟刀具201安装在大锥齿轮211与大锥齿轮底座212的中心处，模拟刀具201的回转轴线和大锥齿轮211与大锥齿轮底座212的回转轴线共线，1号夹持机构202与2号夹持机构203通过其中的1号螺旋副支架209-A与2号螺纹副支架209-B对称地安装在大锥齿轮底座212上，1号夹持机构202与2号夹持机构203的回转轴线和模拟刀具201的回转轴线垂直相交，1号夹持机构202与2号夹持机构203通过其中的1号小锥齿轮207-A与2号小锥齿轮207-B和大锥齿轮211啮合连接，3号夹持机构204通过其中的传动杆213安装在壳体103中大直径圆筒壁上，3号夹持机构204的回转轴线和模拟刀具201的回转轴线垂直相交，3号夹持机构204通过其中的3号小锥齿轮214与大锥齿轮211啮合连接。

参阅图5、图6-a、图6-b与图9，所述的径向力加载机构3包括齿轮盘301、2个结构相同的连接板302、4个结构相同的滑轮303、2个结构相同的径向压力传感器304、2个结构相同的径向隔离板305、2个结构相同的电磁线圈306、1号电容位移传感器307-A、2号电容位移传感器307-B、转盘电机308与小齿轮309。

所述的齿轮盘301与小齿轮309相啮合；齿轮盘301的内孔直径大于模拟刀具201圆轴直径且小于壳体103小直径圆筒筒口内径,齿轮盘301齿顶圆直径大于壳体103小直径圆筒筒口内径且小于壳体103大直径圆筒第二段孔内径；齿轮盘301的回转轴线与模拟刀具201的回转轴线共线，齿轮盘301上带有用于固定连接板302的螺钉通孔。

所述的连接板302为弧形板状结构件，2个结构相同的连接板302的里外侧面带有螺纹通孔且2个结构相同的连接板302的一(顶)端分布有螺钉盲孔，2个结构相同的连接板302所处圆周的回转轴线与齿轮盘301的回转轴线同轴且相对于齿轮盘301的回转轴线对称放置；连接板302的一(顶)端与齿轮盘301的底端面通过螺钉固定连接，连接板302的里侧面与径向压力传感器304采用螺钉固定连接；每个连接板302外侧面的上下均匀地采用螺钉固定2个滑轮303，并且滑轮303与壳体103中小直径圆筒内孔壁上的两条平行轨道槽相配合；

所述的滑轮303为小尺寸的V型轨道轮，4个结构相同的滑轮303均由V型轮303-A、固定支架303-B与滑轮连接螺栓303-C构成，所述的V型轮303-A为标准的铝合金V型轮，所述的固定支架303-B为由3块均带有螺纹通孔的长方体板状结构件组成的铝合金支架，2块结构相同的相互平行放置的长方体板状结构件的一(小)端通过1块相对于另2块长方体板状结构件垂直放置的长方体板状结构件连成一体，所述的滑轮连接螺栓303-C为标准的六角头螺栓；4个结构相同的滑轮303的固定支架303-B的两块相互平行放置的长方体板状结构件的上下(大)端面与V型轮303-A的上下端面平行且接触并通过滑轮连接螺栓303-C固定连接，4个结构相同的滑轮303的V型轮303-A的回转轴线均与模拟刀具201的回转轴线平行。

所述的径向压力传感器304为2个型号为EVT-12P的小尺寸轮辐式拉压力传感器。

所述的2个径向隔离板305为2个结构相同的其上均匀地设置有螺纹通孔的铝质圆弧形板状结构件，径向隔离板305的外侧面与压力传感器304采用螺钉固定连接，径向隔离板305的内侧面与电磁线圈306采用螺钉固定连接，2个结构相同的径向隔离板所在圆周的回转轴线与模拟刀具201的回转轴线共线。

所述的电磁线圈306由铁芯与线圈组成，2个结构相同的电磁线圈306形成一对相邻的磁极；电磁线圈306的铁芯为U型结构件，铁芯由等横截面为矩形的圆弧形横梁与2个结构相同的变矩形横截面的4棱锥体形的铁芯臂组成，2个结构相同的变矩形横截面的4棱锥体形的铁芯臂的一(大)端与等横截面为矩形的圆弧形横梁的两端相贯连成一体成为U型铁芯，4棱锥体形的铁芯臂中的左右两个臂面相互平行，另两个臂面延伸后相交于圆弧形横梁所在圆柱的回转轴线上，电磁线圈306缠绕在U型铁芯中2个结构相同的铁芯臂上；2个电磁线圈306位于相对于模拟刀具201回转轴线对称的位置且与模拟刀具201上的圆轴凹槽对正。

所述的1号电容位移传感器307-A、2号电容位移传感器307-B为ZCS1100型号的精密电容位移传感器。1号电容位移传感器307-A、2号电容位移传感器307-B与壳体103中小直径圆筒的内壁通过螺钉固定连接，并且两者之间的安装位置成90度夹角；

所述的转盘电机308为ZYT型永磁直流微型电机。

所述的转盘电机308是通过其底座的螺纹孔采用螺钉安装在壳体103中大直径圆筒的筒底上，同时转盘电机308放置在壳体103中小直径圆筒外侧壁上设置的凹槽里，转盘电机308的输出轴插入壳体103中大直径圆筒的筒底上的轴通孔中并伸入到大直径圆筒内，小齿轮309套装在转盘电机308输出轴伸入到大直径圆筒内的输出端上，小齿轮309与转盘电机308输出轴之间采用键连接，小齿轮309与齿轮盘301啮合连接，小齿轮309与齿轮盘301底(左)端面和大直径圆筒筒底的内底面滑动连接，转盘电机308转动驱动齿轮盘301的转动。

所述的2个结构相同的连接板302的顶端面和齿轮盘301的底端面通过螺钉固定连接，2个结构相同的连接板302的靠近模拟刀具201回转轴线的内侧面和2个结构相同的径向压力传感器304的固定面(即外侧面)采用螺钉固定连接，2个结构相同的并与壳体103中小直径圆筒内孔壁上的两条平行轨道槽相配合的滑轮303通过固定支架303-B采用螺钉固定在2个结构相同的连接板302的外侧面上，2个结构相同的铝质圆弧形板状的径向隔离板305的远离模拟刀具201回转轴线的外侧面与2个结构相同的径向压力传感器304的受力面(即内侧面)采用螺钉固定连接，2个结构相同的电磁线圈306采用螺钉固定在2个结构相同的径向隔离板305的靠近模拟刀具201回转轴线的内侧面上；转盘电机308采用螺钉安装在壳体103中大直径圆筒的筒底上，同时转盘电机308放置在壳体103中小直径圆筒外侧壁上设置的凹槽里，小齿轮309采用键连接套装在转盘电机308的输出轴上，小齿轮309与齿轮盘301啮合连接，1号电容位移传感器307-A、2号电容位移传感器307-B采用螺钉固定在壳体103中小直径圆筒的内壁上，两者的安装位置之间成90度夹角。

参阅图7-a，所述的扭矩加载机构4包括转子绕组401、定子绕组402与平衡环403。

所述的转子绕组401的内径等于模拟刀具201中圆轴的直径。

所述的定子绕组402的外径等于壳体103小直径圆筒的内径。

所述的平衡环403为型号为SSCSPB16-12的平衡环，平衡环403的内径等于模拟刀具201中圆轴直径，平衡环403的回转轴线与模拟刀具201回转轴线共线。

所述的转子绕组401内壁与模拟刀具201中圆轴过盈配合，定子绕组402的外壁与壳体103中小直径圆筒的内壁采用过盈配合方式实现安装，平衡环403卡装在模拟刀具201中圆轴的外壁上，平衡环403与模拟刀具201中的圆轴过盈配合。

参阅图7-a，所述的轴向力加载机构5包括1号电磁铁501、2号电磁铁502、轴向隔离板503与轴向压力传感器504。

所述的1号电磁铁501、2号电磁铁502均为由线圈与圆柱形铁芯组成的结构件，线圈缠绕在圆柱形铁芯的外壁上，1号电磁铁501、2号电磁铁502的圆柱形铁芯的回转轴线均与模拟刀具201的回转轴线共线，1号电磁铁501、2号电磁铁502的圆柱形铁芯的直径均等于模拟刀具201中圆轴直径。

所述的轴向隔离板503为均匀分布有螺钉通孔的铝质圆板形结构件，轴向隔离板503的上表面与2号电磁铁502的底端面采用螺钉固定连接，轴向隔离板503的回转轴线与2号电磁铁502中圆柱形铁芯的回转轴线共线，轴向隔离板503的下表面与压力传感器504的上表面采用螺钉固定连接；压力传感器504下表面与壳体103中小直径圆筒的内筒底面通过螺钉固定连接。

所述的轴向压力传感器504采用型号为EVT-12P小尺寸轮辐式拉压力传感器。

所述的1号电磁铁501、2号电磁铁502和模拟刀具201同轴安装，1号电磁铁501顶端与模拟刀具201的底端采用螺钉固定连接,2号电磁铁502位于1号电磁铁501的正下方，2号电磁铁502通过轴向隔离板503安装在轴向压力传感器504顶端，铝质圆板形的轴向隔离板503的顶端与2号电磁铁502的底端通过螺钉固定连接，轴向隔离板503的底端与轴向压力传感器504的顶端通过螺钉固定连接，轴向压力传感器504的底端与壳体103中小直径圆筒筒底通过螺钉固定连接，1号电磁铁501、2号电磁铁502、轴向隔离板503与压力传感器504的回转轴线共线。

参阅图1、图7-a与图7-b，所述的模拟刀柄6包括模拟BT刀柄601与模拟HSK刀柄602。

所述的模拟刀柄6中的模拟BT刀柄601为标准的BT夹筒刀柄，模拟HSK刀柄602为标准的HSK夹筒刀柄，可以根据待测量的电主轴8的型号进行选择，模拟BT刀柄601(或模拟HSK刀柄602)的一端与模拟刀具夹持机构2中的模拟刀具201的头部内螺纹连接，另一端的刀柄锥面与主轴8锥孔配合连接。

本实用新型所述的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置的工作原理：

1.扭矩加载

参阅图1、图7-a与图9，基于labview软件的加载控制系统控制定子绕组中的电流，当主轴8按E方向(顺时针)旋转时，在加载控制系统的作用下定子绕组402通电使内部产生交变的磁场，转子绕组401随主轴旋转的同时切割磁感线，从而实现对模拟刀具201施加逆时针方向的扭矩F的目的；

2.径向力加载

参阅图1、图5与图9，基于labview软件的加载控制系统控制2个结构相同的电磁线圈中的电流，在加载控制系统的作用下对2个结构相同的互相对称的电磁线圈306通电，由于每个电磁线圈306由线圈与铁芯组成，形成一对相邻的磁极，因此闭合的磁路出现在每个电磁线圈306、模拟刀具201和它们之间的气隙中，从而2个电磁线圈306分别对模拟刀具201产生了1号电磁引力D₁和2号电磁引力D₂，模拟刀具201受到的径向力为1号电磁引力D₁与2号电磁引力D₂的合力即电主轴8所受的径向切削力D；当模拟刀具201在磁场中旋转时，模拟刀具201内部会产生涡流，涡流将减小其收到的电磁引力，因此对模拟刀具201中的圆轴外壁上采用设计凹槽来消除涡流。当需要调整径向切削力加载角度时，加载控制系统控制转盘电机308工作使小齿轮309转动从而带动齿轮盘301转动，由于齿轮盘301与2个连接板302固定连接，因此通过固定在连接板302上的滑轮303在壳体103内部轨道的滑动使电磁线圈306产生不同方向的1号电磁引力D₁和2号电磁引力D₂，从而实现对模拟刀具201所受径向切削力即电主轴8所受的径向切削力方向D的方向的动态调节以模拟电主轴8在真实加工工况下的受力情况；

3.轴向力加载

参阅图1、图7-a与图9，基于labview软件的加载控制系统控制1号电磁铁501和2号电磁铁502中的电流，在加载控制系统的作用下使1号电磁铁501和2号电磁铁502通电，1号电磁铁501和2号电磁铁502根据其中电流的方向形成一对相同或相反的磁极，通过1号电磁铁501、2号电磁铁502所受到的引力或斥力使模拟刀具201产生不同方向的轴向切削力即电主轴8所受的轴向切削力G，通过加载控制系统调整1号电磁铁501和2号电磁铁502中电流的大小以改变电主轴8所受的轴向切削力G的大小。

采用本实用新型所述的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置的试验过程

1.安装非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置

参阅图10与图11，根据待测电主轴的型号选择合适的模拟BT刀柄601或模拟HSK刀柄602与1号法兰盘101A、2号法兰盘101B或3号法兰盘101C，将模拟BT刀柄601或模拟HSK刀柄602的一端与模拟刀具201头部的内螺纹连接，通过1号法兰盘101A、2号法兰盘101B或3号法兰盘101C将非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置安装在电主轴8上，并使模拟BT刀柄601或模拟HSK刀柄602另一端的刀柄锥面与主轴8安装端上的锥孔紧密配合；

2.夹具退回

转动手轮218，1号夹具210-A和2号夹具210-B退回，1号夹具210-A和2号夹具210-B不再接触模拟刀具201，处于脱离状态。

3.选择模拟加工工件，确定切削力载荷谱

打开通过labview软件制作的“电主轴可靠性试验操控平台”，选择要模拟的加工工艺、工件类型、工件材料、工件型号后，软件会自动选取确定模拟加工此类工件所需的切削力载荷谱：包括径向切削力载荷谱、轴向切削力载荷谱、扭矩谱和主轴转速谱，并自动生成模拟加工工件；点击“开始加载”后，装置开始工作；

4基于labview软件的加载控制系统控制加载机构包括径向力加载机构3、轴向力加载机构4及扭矩加载机构5工作；

在切削力载荷谱程序启动后，加载命令通过加载控制系统控制径向力加载机构3中两个电磁线圈306中的电流及转盘电机308，扭矩加载机构4中转子401中的电流及定子绕组402中的电流，轴向力加载机构5中1号电磁铁501中的电流、2号电磁铁502中的电流，从而使加载到主轴8上的切削力按照载荷谱的命令进行力大小和方向的实时变化；

5.数据采集与监测

在试验过程中，安装在非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置上的2个结构相同的径向压力传感器304、轴向压力传感器504、1号电容位移传感器307-A、2号电容位移传感器307-B和安装在电主轴8上的振动传感器、温度传感器与电流电压传感器实时采集各种信号并传递给“电主轴可靠性试验操控平台”进行数据采集与状态监测；同时，2个结构相同的径向压力传感器304及轴向压力传感器504采集的信号也将实时反馈给加载控制系统，加载控制系统根据收到的信号对加载机构进行实时的动态调节，以实现对电主轴8的高精度加载；

6.夹具夹持

主轴8停止运转后，反方向转动手轮218至1号夹具210-A、2号夹具210-B夹紧模拟刀具201，1号夹具210-A、2号夹具210-B处于夹持状态；

7.拆卸所述的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置，试验结束。

另外，本实用新型中所述的实例是为了便于该领域技术人员能够理解和应用本实用新型；本实用新型只是一个优化的实例，或者说是一种较佳的具体技术方案，如果相关的技术人员在坚持本实用新型基本技术方案的情况下，作出不需要经过创造性劳动的等效结构变化或各种修改都在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置,其特征在于,所述的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置包括安装机构(1)、模拟刀具夹持机构(2)、径向力加载机构(3)、扭矩加载机构(4)、轴向力加载机构(5)与模拟刀柄(6)；

所述的模拟刀具夹持机构(2)包括模拟刀具(201)、大锥齿轮底座(212)；

所述的径向力加载机构(3)包括齿轮盘(301)、4个结构相同的滑轮(303)与转盘电机(308)；

所述的扭矩加载机构(4)包括转子绕组(401)、定子绕组(402)与平衡环(403)；

所述的轴向力加载机构(5)包括1号电磁铁(501)与轴向压力传感器(504)；

所述的模拟刀具夹持机构(2)安装在安装机构(1)的壳体(103)内，大锥齿轮底座(212)与壳体(103)内的环形凸肩接触连接，模拟刀具(201)的回转轴线与壳体(103)的回转轴线共线；

所述的径向力加载机构(3)安装在壳体(103)内并套装在模拟刀具(201)上，齿轮盘(301)的底端面与壳体(103)中大直径圆筒的筒底内侧底面接触连接，4个结构相同的滑轮(303)和壳体(103)中小直径圆筒内壁上的2条轨道槽滑动连接，转盘电机(308)安装在壳体(103)中小直径圆筒外侧壁与壳体(103)中大直径圆筒的筒底上；扭矩加载机构(4)套装在径向力加载机构(3)下方的模拟刀具(201)上，转子绕组(401)与模拟刀具(201)之间为过盈配合，定子绕组(402)的外壁与壳体(103)中小直径圆筒的内孔壁之间为过盈配合；平衡环(403)卡装在转子绕组(401)下方的模拟刀具(201)上；

所述的轴向力加载机构(5)安装在模拟刀具(201)底端与壳体(103)中小直径圆筒的筒底之间，轴向力加载机构(5)与模拟刀具(201)的回转轴线共线，轴向力加载机构(5)的顶端通过1号电磁铁(501)与模拟刀具(201)的底端面固定连接，轴向力加载机构(5)的底端通过轴向压力传感器(504)与壳体(103)中小直径圆筒的筒底固定连接；模拟刀柄(6)中的模拟BT刀柄(601)或模拟HSK刀柄(602)安装在模拟刀具(201)的顶端，两者之间为螺纹连接。

2.按照权利要求1所述的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置,其特征在于,所述的安装机构(1)还包括垫片(102)与1号法兰盘(101A)、2号法兰盘(101B)或3号法兰盘(101C)；

所述的垫片(102)放置在壳体(103)中大直径圆筒敞开端设置的法兰盘上，垫片(102)底端面与壳体(103)中大直径圆筒上的法兰盘的顶端面接触连接，垫片(102)上均布的螺栓通孔与壳体(103)中法兰盘上均布的螺栓通孔对正，1号法兰盘(101A)、2号法兰盘(101B)或3号法兰盘(101C)放置在垫片(102)上，1号法兰盘(101A)、2号法兰盘(101B)或3号法兰盘(101C)的底端面与垫片(102)的顶端面接触连接，1号法兰盘(101A)、2号法兰盘(101B)或3号法兰盘(101C)圆环形凸台上均匀分布的螺纹孔与垫片(102)上均布的螺栓通孔对正，壳体(103)通过其上的法兰盘依次和垫片(102)与1号法兰盘(101A)、2号法兰盘(101B)或3号法兰盘(101C)采用螺栓固定连接。

3.按照权利要求1所述的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置,其特征在于,所述的壳体(103)为阶梯式圆筒形结构件，即壳体(103)由大直径圆筒与小直径圆筒组成；

所述的小直径圆筒的筒底端封闭，另一端为敞开式，从封闭端到敞开端的外壁上设置有一圈铝合金材料的板状散热片，敞开端的内壁上设置有与径向力加载机构(3)中的滑轮(303)相配合的两条平行的结构相同的环形轨道槽，敞开端的外壁上设置有安装转盘电机(308)的凹槽；

所述的大直径圆筒的中心处设置有3段式阶梯孔，由右至左依次是第一段孔至第三段孔，直径由大至小，第一段孔的直径与模拟刀具夹持机构(2)中的大锥齿轮底座(212)的直径相等，第三段孔设置在大直径圆筒筒底的中心处，第三段孔的直径与小直径圆筒的内径相等；大直径圆筒筒底的一侧设置有一个用于安装转盘电机(308)输出轴的轴通孔，轴通孔周围均匀地设置有用于固定转盘电机(308)的螺纹通孔；在第一段孔的孔壁上设置1个用于安装模拟刀具夹持机构(2)中的传动杆(213)的传动杆通孔，传动杆通孔周围均匀地设置有用于固定3号限位元件(215)的螺钉通孔；大直径圆筒的敞开端设置有法兰盘，法兰盘的外径大于大直径圆筒的外径，法兰盘的内径等于大直径圆筒的内径，法兰盘所在平面与大直径圆筒的回转轴线垂直，法兰盘上均匀地分布有和电主轴(8)安装端、1号法兰盘(101A)、2号法兰盘(101B)或3号法兰盘(101C)圆环形凸台上的螺纹孔对正的螺栓孔；大直径圆筒的筒底、小直径圆筒的筒底依次和大直径圆筒、小直径圆筒的回转轴线垂直，大直径圆筒的筒底端与小直径圆筒的筒口端连成一体，大直径圆筒与小直径圆筒的回转轴线共线。

4.按照权利要求1所述的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置,其特征在于,所述的模拟刀具(201)为由带有刀具夹持功能的头部与圆轴组成的圆形棒状结构件，头部为上端敞开下端封闭的圆筒，圆筒内壁上设置有与模拟刀柄(6)相配合的内螺纹，圆筒外壁中间位置设置有一圈与1号夹具(210-A)、2号夹具(210-B)的1号夹持元件、2号夹持元件相配合的矩形横截面的头部凹槽；圆筒的底端面与圆轴的顶端面连成一体，圆筒的底端面、圆轴的顶端面分别与圆筒的回转轴线、圆轴的回转轴线垂直，圆筒的回转轴线与圆轴的回转轴线共线；在圆轴上端的外壁上设置有一组结构相同的相互平行的用于消除涡流的圆轴凹槽，圆轴凹槽的横截面为半圆形横截面。

5.按照权利要求1所述的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置,其特征在于,所述的模拟刀具夹持机构(2)还包括大锥齿轮(211)、1号夹持机构(202)、2号夹持机构(203)与3号夹持机构(204)；

所述的大锥齿轮(211)安装在大锥齿轮底座(212)内，两者之间为滑动连接，模拟刀具(201)安装在大锥齿轮(211)与大锥齿轮底座(212)的中心处，模拟刀具(201)的回转轴线和大锥齿轮(211)与大锥齿轮底座(212)的回转轴线共线，1号夹持机构(202)与2号夹持机构(203)通过其中的1号螺旋副支架(209-A)与2号螺纹副支架(209-B)对称地安装在大锥齿轮底座(212)上，1号夹持机构(202)与2号夹持机构(203)的回转轴线和模拟刀具(201)的回转轴线垂直相交，1号夹持机构(202)与2号夹持机构(203)和大锥齿轮(211)之间为啮合连接，3号夹持机构(204)通过其中的传动杆(213)安装在壳体(103)中大直径圆筒上，3号夹持机构(204)的回转轴线和模拟刀具(201)的回转轴线垂直相交，3号夹持机构(204)与大锥齿轮(211)之间为啮合连接。

6.按照权利要求5所述的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置,其特征在于,所述的1号夹持机构(202)与2号夹持机构(203)结构相同；

所述的1号夹持机构(202)包括1号限位元件(205-A)、1号螺杆(206-A)、1号小锥齿轮(207-A)、1号内螺纹管(208-A)、1号螺旋副支架(209-A)与1号夹具(210-A)；

所述的2号夹持机构(203)包括2号限位元件(205-B)、2号螺杆(206-B)、2号小锥齿轮(207-B)、2号内螺纹管(208-B)、2号螺旋副支架(209-B)与2号夹具(210-B)；

1号限位元件(205-A)与2号限位元件(205-B)结构相同，1号螺杆(206-A)与2号螺杆(206-B)结构相同，1号小锥齿轮(207-A)与2号小锥齿轮(207-B)结构相同，1号内螺纹管(208-A)与2号内螺纹管(208-B)结构相同，1号螺旋副支架(209-A)与2号螺旋副支架(209-B)结构相同，1号夹具(210-A)与2号夹具(210-B)结构相同；

所述的1号螺旋副支架(209-A)采用螺栓固定在大锥齿轮底座(212)上，1号内螺纹管(208-A)装入1号螺旋副支架(209-A)头部的水平放置的筒状结构件中，两者之间为滑动连接，1号螺杆(206-A)装入1号内螺纹管(208-A)中，两者之间为螺纹连接，1号小锥齿轮(207-A)采用键套装在1号螺杆(206-A)的第二段螺杆上，1号限位元件(205-A)套装在1号螺杆(206-A)的第一段螺杆上，两者之间为螺纹连接，1号螺杆(206-A)的第一段螺杆靠近壳体(103)大直径圆筒内壁的端面与1号限位元件(205-A)靠近壳体(103)大直径圆筒内壁的端面重合且不与壳体(103)大直径圆筒内壁接触，1号夹具(210-A)通过其中的1号固定底座并采用螺钉固定在1号内螺纹管(208-A)里端端面上。

7.按照权利要求5所述的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置,其特征在于,所述的3号夹持机构(204)包括传动杆(213)、3号小锥齿轮(214)、3号限位元件(215)、限位套(216)、锁紧套(217)、手轮(218)与锁紧螺钉(219)；

所述的3号小锥齿轮(214)套装在传动杆(213)中第一段传动杆上，两者之间采用键连接，3号小锥齿轮(214)靠近模拟刀具(201)回转轴线的端面与传动杆(213)上起定位作用的圆凸台接触连接，3号限位元件(215)套装在传动杆(213)中第二段传动杆上，两者之间为间隙配合，3号限位元件(215)靠近模拟刀具(201)回转轴线的端面与3号小锥齿轮(214)接触配合，另一端面通过螺钉与在壳体(103)大直径圆筒的内壁固定连接，限位套(216)套装在传动杆(213)中第三段传动杆靠近模拟刀具(201)回转轴线一端的外螺纹上，限位套(216)与传动杆(213)中第三段传动杆之间为螺纹连接，限位套(216)靠近模拟刀具(201)回转轴线的端面与壳体(103)大直径圆筒外壁接触连接，锁紧套(217)套装在传动杆(213)中第三段传动杆远离模拟刀具(201)回转轴线一端的外螺纹上，锁紧套(217)与传动杆(213)中第三段传动杆之间为螺纹连接，锁紧套(217)远离模拟刀具(201)回转轴线的端面与手轮(218)靠近模拟刀具(201)回转轴线的端面接触连接，手轮(218)套装在传动杆(213)中第四段传动杆上，两者之间采用键连接，锁紧螺钉(219)通过螺纹固定在传动杆(213)中第四段传动杆最外端的端面上限制手轮(218)轴向移动。

8.按照权利要求1所述的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置,其特征在于,所述的径向力加载机构(3)还包括2个结构相同的连接板(302)、2个结构相同的径向压力传感器(304)、2个结构相同的径向隔离板(305)、2个结构相同的电磁线圈(306)、1号电容位移传感器(307-A)、2号电容位移传感器(307-B)与小齿轮(309)；

所述的2个结构相同的连接板(302)的顶端和齿轮盘(301)的底端面通过螺钉相对于齿轮盘(301)的回转轴线对称地连接，2个结构相同的连接板(302)的靠近模拟刀具(201)回转轴线的内侧面和2个结构相同的径向压力传感器(304)的固定面即外侧面采用螺钉固定连接，每个连接板(302)的远离模拟刀具(201)回转轴线的外侧面上通过螺钉固定连接2个结构相同的并与壳体(103)中小直径圆筒内孔壁上的2条平行轨道槽相配合的滑轮(303)，2个结构相同的铝质弧形板状的径向隔离板(305)的远离模拟刀具(201)回转轴线的外侧面与2个结构相同的径向压力传感器(304)的受力面即内侧面采用螺钉固定连接，2个结构相同的电磁线圈(306)采用螺钉固定连接在2个结构相同的径向隔离板(305)的靠近模拟刀具(201)回转轴线的内侧面上；转盘电机(308)安装在壳体(103)中小直径圆筒外侧壁与壳体(103)中大直径圆筒的筒底上，同时转盘电机(308)放置在壳体(103)中小直径圆筒外侧壁上设置的凹槽里，小齿轮(309)采用键连接套装在转盘电机(308)的输出轴上，小齿轮(309)与齿轮盘(301)啮合连接，1号电容位移传感器(307-A)、2号电容位移传感器(307-B)采用螺钉固定在壳体(103)中小直径圆筒的内壁上，两者的安装位置之间成90度夹角。

9.按照权利要求1所述的非接触式全工况加载的电主轴可靠性试验装置,其特征在于,所述的轴向力加载机构(5)还包括2号电磁铁(502)与轴向隔离板(503)；

所述的1号电磁铁(501)、2号电磁铁(502)为由线圈与圆柱形铁芯组成的结构相同的结构件，1号电磁铁(501)、2号电磁铁(502)和模拟刀具(201)同轴安装，1号电磁铁(501)顶端与模拟刀具(201)的底端采用螺钉固定连接,2号电磁铁(502)位于1号电磁铁(501)的正下方，2号电磁铁(502)通过轴向隔离板(503)安装在压力传感器(504)的顶端上，铝质圆板形的轴向隔离板(503)的顶端与2号电磁铁(502)的底端通过螺钉固定连接，轴向隔离板(503)的底端与轴向压力传感器(504)的顶端通过螺钉固定连接，轴向压力传感器(504)的底端与壳体(103)小直径圆筒的筒底通过螺钉固定连接，1号电磁铁(501)、2号电磁铁(502)、轴向隔离板(503)与轴向压力传感器(504)的回转轴线共线。

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