CN103674504B - 主轴性能测试平台 - Google Patents

Abstract

主轴的性能测试平台，涉及一种机床主轴性能检测装置。其结构是在平台基座上分别设置主轴刚性测量模块、主轴温升热变形测量模块、输出扭矩测量模块、皮带张紧力测量模块；被测主轴箱通过主轴箱垫安装在平台基座上。本测试平台不仅可以对主轴进行精度、刚度、力、动平衡和综合性能等指标进行准确的测试，而且还能模拟出不同装配条件下对主轴各方面性能的影响，指出合理的装配关系，为主轴的现实生产装配提供一定的实验依据。

Description

主轴性能测试平台

技术领域

本发明创造涉及一种机床主轴性能测试平台，尤其是一种可针对ETC系列主轴精度、刚度、力、动平衡、综合性能等重要性能指标进行综合检测的高度集约化的性能测试平台。

背景技术

随着科学技术的发展和制造技术的不断进步，作为制造业母机的数控机床的需求也愈来愈强烈。数控车床是装备制造业的技术基础和发展方向之一，而主轴则是数控车床中的核心功能部件，它的性能直接决定了数控车床的相关性能指标，是代表数控机床技术水平的关键部件。国内有多个厂家具有研发和生产主轴的经验，像台湾旭泰、普森，台大等企业很多年前就开始主轴的研制，但与国外同类产品相比，其在设计、加工和装配等方面都存在一定的差距。目前国内针对主轴开展的试验相对比较单一，多为精度和静刚度的试验和检验，不能全面的对主轴的各方面性能进行评价，而且没有根据测试结果对主轴装配合理性进行评估。

发明内容

为了解决上述存在的技术问题，本发明创造提供一种能够针对ETC系列主轴性能进行全面的、准确的、***的评价的主轴性能测试平台。该测试平台搭载多种测量仪器及传感器的测试平台，能够评测ETC系列主轴精度、刚度、力、动平衡、综合性能等多项性能指标。

本发明创造的目的是采用如下技术方案实现的：一种主轴性能测试平台，包括平台基座、被测主轴箱、液压站、控制***，其特征在于：在平台基座上分别设置主轴刚性测量模块、主轴温升热变形测量模块、输出扭矩测量模块、皮带张紧力测量模块；被测主轴箱通过主轴箱垫安装在平台基座上。

所述的平台基座上设有用于固定的T型槽，主轴刚性测量模块、主轴温升热变形测量模块、输出扭矩测量模块、皮带张紧力测量模块通过T型螺栓固定在平台基座上。

所述主轴刚性测量模块由L型测量架、称重传感器、调整架、调整块构成，在L型测量架的水平段侧面安装调整块，在调整块上设有顶丝，在L型测量架的竖直段上设有若干个T型槽，调整架可固定安装在任一T型槽内，在调整架上固定安装称重传感器。

所述主轴温升热变形测量模块包括L型测量架、调整块、连接架、若干个激光三角测量仪、主轴检棒，在L型测量架的水平段侧面安装调整块，在调整块上设有顶丝，在L型测量架的竖直段上设有若干个T型槽，连接架固定在T型槽上，激光三角测量仪、主轴检棒放置在连接架上，在连接架上安有轴向和径向的限位块。

所述输出扭矩测量模块包括涡流制动器、扭矩转速传感器，涡流制动器及扭矩转速传感器分别通过各自的底座固定在平台基座上，所述的底座上分别设有调整垫和调整块。

所述皮带张紧力测量模块包括底座，支架固定在底座上方，在支架上设有若干T型槽，圆形力传感器固定在T型槽内调整块上，调整块通过T型槽固定在支架上；在支架上设有调整垫。

还包括噪声测量模块，所述噪声测量模块由两根用来布网的立柱及声强探头仪器构成。

所述的被测主轴箱的卡盘中心放置压力传感器，通过调节油缸调节压力。

所述的被测主轴箱上安装加速度传感器。

所述的被测主轴箱上安装动平衡仪。

本发明创造的有益效果：在主轴刚性测量模块的测量架旁安装调整块，可以根据主轴箱位置通过调整块上的顶丝来实现横向和径向的调整，保证测量的准确性。测量架上面的调整架可以根据主轴高度进行调整，测量架上有用于固定的T型槽，调整架上固定称重传感器，可以测量主轴的轴向和径向的静刚度。

在主轴温升热变形测量模块的测量架旁同样安装调整块，可以根据主轴箱位置通过调整块上的顶丝来实现横向和径向的调整。将米铱激光三角测量仪固定在连接架上，连接架通过测量架上的T型槽固定。由于米铱激光三角测量仪的测量块量程有限，连接架上安有轴向和径向的限位块，保证测量块的有效量程。

输出扭矩测量模块中的涡流制动器和扭矩转速传感器都通过相应的底座固定在平台基座上。由于此项测试中对涡流制动器、扭矩转速传感器和待测主轴箱的同轴度要求较高，因此这两项仪器都装有调整结构。通过调整垫上的螺栓根据实际高度进行定位锁紧，而两侧的调整块可以调整方向，从而保证仪器在水平和垂直方向进行定位锁紧。

皮带张紧力测量模块中设有调整块，用于调整角度，可以根据实际皮带的角度旋转圆形力传感器进行测量，使测量结果更为准确，调整块通过T型槽固定在支架上，可以根据实际的高度进行调整。

与现有主轴测试设备及方法相比，本发明创造所述的主轴性能测试平台集成了主轴多种性能指标的检测，还可以对主轴的卡盘锁紧力、皮带张紧力、主轴的效率因子等实际使用性能进行评定，测试内容涵盖精度、刚度、力、动平衡和综合性能等多个方面，可全方位反映ETC系列主轴的整体性能。

可通过实验仪器采集相关试验数据并进行数据处理；同时加入调整环节，考察不同装配关系对主轴性能的影响；根据需要自动拟合主轴精度、刚度、动平衡，振动，温升、噪声等曲线，能够直观、准确、有效的反映ETC系列主轴性能。

本测试平台不仅可以对主轴进行精度、刚度、力、动平衡和综合性能等指标进行准确的测试，而且还能模拟出不同装配条件下对主轴各方面性能的影响，指出合理的装配关系，为主轴的现实生产装配提供一定的实验依据。

附图说明

图1是本发明创造主轴性能测试平台整体结构示意图。

图2是主轴刚性测量模块的结构示意图。

图3是主轴温升热变形测量模块的结构示意图。

图4是输出扭矩测量模块的结构示意图。

图5是皮带张紧力测量模块的结构示意图。

图6是测量卡盘锁紧力时的状态图。

图7是进行动平衡和振动测量的状态图。

图8是本发明创造主轴性能测试平台的工作原理图。

具体实施方式

一种用于ETC系列主轴的性能测试平台，其整体结构布局可参阅图1。针对目前国内数控车床主轴性能检测内容较为单一，很多能够对主轴使用效果产生影响的性能指标未开展相关测试的现状，本发明创造集成了平台基座Ⅰ、被测主轴箱Ⅱ、主轴刚性测量模块Ⅲ、主轴温升热变形测量模块Ⅳ、输出扭矩测量模块Ⅴ、皮带张紧力测量模块Ⅵ、噪声测量模块Ⅶ、液压站Ⅷ、控制***Ⅸ组成部分。其中，平台基座Ⅰ作为机械结构的载体，在其上设计有用于固定的T型槽，主轴刚性测量模块Ⅲ、主轴温升热变形测量模块Ⅳ、输出扭矩测量模块Ⅴ、皮带张紧力测量模块Ⅵ通过T型螺栓固定在平台基座Ⅰ的台面上，被测主轴箱Ⅱ固定在相应的主轴箱垫上，再通过T型螺栓固定在台面上。

通过控制***Ⅸ和液压站Ⅷ对测试平台的电气***及液压***进行控制。

所述主轴刚性测量模块Ⅲ：由L型测量架31、称重传感器32、调整架33、调整块34构成，在L型测量架31的水平段侧面安装调整块34，在调整块34上设有顶丝35，在L型测量架31的竖直段上设有若干个T型槽36，调整架33可固定安装在任一T型槽36内，在调整架33上固定安装称重传感器32。

所述主轴温升热变形测量模块Ⅳ：包括L型测量架41、调整块42、连接架43、若干米铱激光三角测量仪44、主轴检棒45，在L型测量架41的水平段侧面安装调整块42，在调整块42上设有顶丝46，在L型测量架41的竖直段上设有若干个T型槽47，连接架43固定在T型槽47上，米铱激光三角测量仪44、主轴检棒45放置在连接架43上，在连接架43上安有轴向和径向的限位块48。

所述输出扭矩测量模块Ⅴ包括涡流制动器51、扭矩转速传感器52，涡流制动器51及扭矩转速传感器52分别通过各自的底座53固定在平台基座Ⅰ上，底座53上分别设有调整垫54和调整块55。

所述皮带张紧力测量模块Ⅵ包括底座61、支架62，支架62固定在底座61上方，在支架62上设有若干T型槽63，圆形力传感器64固定在调整块65上，调整块65通过T型槽63固定在支架62上，在支架62上设有调整垫66。

所述的噪声测量模块Ⅶ由两根布网的立柱71及声强探头仪器72构成，声强探头仪器72通过支架安装在基座平台上。

所述被测主轴箱Ⅱ可以安装不同预紧的角接触球轴承来改变预紧；调整贝帽预紧和轴承压盖的预紧改变轴承刚性；通过测试不同主轴箱实现主轴前后轴承同轴度的变化。

通过该测试平台对ETC系列主轴开展包括常规的主轴几何尺寸精度、皮带轮根部的精度、主轴的转速情况、主轴的静态刚度、卡盘锁紧力、皮带张紧力、动平衡以及主轴的噪声、振动、温升、最大功率和扭矩等综合性能多个项目的测试；在综合性能测试中加入调整环节，考察不同装配关系对主轴综合性能的影响；能够直观的显示测试结果，并进行准确的评价。

本发明创造的工作过程如下：

在进行测试前，通过平台基座Ⅰ底部的调整垫铁调整台面水平，被测ETC主轴固定在主轴箱垫上，同时调整电机垫，调整主轴箱和电机的相对位置。

进行精度项目的检测时参阅图1，对于检测待测主轴箱Ⅱ的主轴周期性轴向窜动、卡盘定位端面和锥面的跳动时，将主轴施加大小F的轴向力，用千分表01垂直触及待测的端面，使主轴旋转，测量相应的误差最大值。测量孔轴线的的径向跳动时，应将主轴检棒45相对主轴旋转90度作重新***检验，可检验四次，取四次测量的平均值。测量带轮根部跳动时，使指示器垂直触及带轮根部，使带轮转动，进行测量。编码器测转速的精度通过申克现场动平衡仪03进行测量。上述的各项精度的测量值可通过A/D卡转换后传入上位机，通过内部算法处理并记录后通过界面软件予以显示。

进行刚度项目的检测时，通过调节调整架33位置使称重传感器32处于适当位置。利用称重传感器32上的螺栓对主轴进行加载，在被测主轴轴向、径向分别施加多个大小不同载荷，通过称重传感器32和千分表01采集力与变形的值，并通过A/D卡转换后传入上位机，通过内部算法处理拟合出刚性（力-变形）曲线后通过界面软件予以显示。

进行动平衡项目的测试时参阅图7，采用试重法，在待测主轴箱Ⅱ的主轴前端面处设置振动测试点，在设定转速下，利用申克现场动平衡仪03测试其振动速度，得到初始振动速度和相位值，然后进行配重，经过几次配重后，使主轴测试点的振动速度明显减小，测量数值可以通过界面软件予以显示。

进行综合性能项目的噪声测试时参阅图1，在待测主轴箱Ⅱ侧面适当距离放置两个立柱71进行布网，用声强探头仪器72可以立体式的测试噪声在四周的传递，测量出主轴在各个频域下的噪声。

振动测试时参阅图7，使主轴转速从低速到高速逐步测量主轴箱，响应信号采用加速度传感器02获取，通过多通道动态信号采集分析仪记录分析数据，测量数值可以通过界面软件予以显示。

进行综合性能项目的温升热变形测试时，将主轴检棒45直接卡持到主轴上，在实验过程中随主轴一起旋转，用米铱激光三角测量仪44采集记录主轴检棒45在相对方向上的位移变化值，由五个米铱激光三角测量仪44分为X、Y、Z三个方向对安装在主轴上的主轴检棒45进行测量，检测出主轴检棒45上的点上因为主轴温升造成的位移变化值。

进行综合性能项目的输出扭矩测试时，将涡流制动器51和扭矩转速传感器52分别通过各自的底座53、调整垫54固定在平台基座Ⅰ上，调整调整垫54满足涡流制动器51、扭矩转速传感器52和被测主轴的同轴度。涡流制动器51对主轴进行扭矩加载，扭矩转速传感器52来记录扭矩的变化和数值，测量结果和计算出的效率因子可以通过界面软件予以显示。

进行力项目的检测时参阅图6，对于卡盘锁紧力的检测，在卡盘05中间放置压力传感器04，通过调节油缸06压力，测量卡盘锁紧力的变化，压力传感器04记录测量数据的变化。

皮带张紧力测量时，圆形力传感器64通过调整块65和底座61、支架62刚性连接到平台基座上，调整块65可以使圆形力传感器64根据皮带的倾斜角度进行调整，使探头能垂直触及皮带表面。通过支架62上调整块65的螺栓拉力进行加载，圆形力传感器记录皮带承受的力和变形。上述测量数据可以通过A/D卡传入上位机，通过内部算法处理拟合出承载曲线，曲线后通过界面软件予以显示。

本发明创造的工作原理参阅图8，利用数控***或工控机等作为上位机，以PLC作为下位机对液压站进行控制，将测试过程中产生的力、变形、转速、精度、扭矩等信号通过A/D转换后传回上位机，通过内部算法进行处理得出准确合理的精度、刚性、力、综合性能等指标，并通过界面软件予以显示。

Claims (7)

1.一种主轴性能测试平台，包括平台基座、被测主轴箱、液压站、控制***，其特征在于：在平台基座上分别设置主轴刚性测量模块、主轴温升热变形测量模块、输出扭矩测量模块、皮带张紧力测量模块；被测主轴箱通过主轴箱垫安装在平台基座上；所述主轴温升热变形测量模块包括L型测量架Ⅰ、调整块Ⅰ、连接架、若干个激光三角测量仪、主轴检棒，在L型测量架Ⅰ的水平段侧面安装调整块Ⅰ，在调整块Ⅰ上设有顶丝Ⅰ，在L型测量架Ⅰ的竖直段上设有若干个T型槽Ⅰ，连接架固定在T型槽Ⅰ上，激光三角测量仪、主轴检棒放置在连接架上，在连接架上安有轴向和径向的限位块；所述主轴刚性测量模块由L型测量架Ⅱ、称重传感器、调整架、调整块Ⅱ构成，在L型测量架Ⅱ的水平段侧面安装调整块Ⅱ，在调整块Ⅱ上设有顶丝Ⅱ，在L型测量架Ⅱ的竖直段上设有若干个T型槽Ⅱ，调整架可固定安装在任一T型槽Ⅱ内，在调整架上固定安装称重传感器。

2.根据权利要求1所述的主轴性能测试平台，其特征在于：所述输出扭矩测量模块包括涡流制动器、扭矩转速传感器，涡流制动器及扭矩转速传感器分别通过各自的底座固定在平台基座上，所述的底座上分别设有调整垫和调整块Ⅳ。

3.根据权利要求1所述的主轴性能测试平台，其特征在于：所述皮带张紧力测量模块包括底座，支架固定在底座上方，在支架上设有若干T型槽Ⅲ，圆形力传感器固定在调整块Ⅲ上，调整块Ⅲ通过T型槽Ⅲ固定在支架上；支架上设有调整垫。

4.根据权利要求1所述的主轴性能测试平台，其特征在于：还包括噪声测量模块，所述噪声测量模块由两根用来布网的立柱及声强探头仪器构成。

5.根据权利要求1所述的主轴性能测试平台，其特征在于：所述的被测主轴箱的卡盘中心放置压力传感器，通过调节油缸调节压力。

6.根据权利要求1所述的主轴性能测试平台，其特征在于：所述的被测主轴箱安装上加速度传感器。

7.根据权利要求1所述的主轴性能测试平台，其特征在于：所述的被测主轴箱上安装动平衡仪。