CN106768994B - 一种多物理场复合加载的电主轴可靠性试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械试验设备技术领域，涉及一种多物理场复合加载的电主轴可靠性试验装置，克服现有技术无法模拟加工过程中电主轴产生热弯曲变形、力弯曲变形、切削振动及切削扭矩情况，以及不能模拟电主轴任意空间布置方式问题；包括加载单元、电主轴位置调节装置和性能检测装置；加载单元包括电液伺服加载装置、轴承联轴器混合加载单元、轴承加载旋转单元和测功机调整机构；电主轴位置调节装置包括主支架和电主轴安装台；轴承联轴器混合加载单元和轴承加载旋转单元安装在电主轴安装台和测功机调整机构之间；整个装置可绕加载端在竖直面内旋转，模拟卧式、立式工况；切削力、切削扭矩、弯曲变形及热载荷同时施加到刀柄前端，模拟电主轴实际切削过程。
Description
技术领域
本发明属于机械试验设备技术领域，涉及一种多物理场复合加载的电主轴可靠性试验装置，具体的涉及一种能够模拟切削过程中主轴产生热弯曲变形、力弯曲变形、切削力导致的切削振动以及模拟切削扭矩，实现复合加载的可靠性试验装置。
背景技术
数控机床是实现工业现代化的重要基石,其质量、性能和拥有量已经成为衡量一个国家工业化水平以及综合国力的重要标志。电主轴是数控机床的关键部件之一，由于其内部结构复杂，它在带来高效加工的同时故障频频发生。其可靠性水平直接影响高档机床整机的可靠性。
目前国内外电主轴可靠性试验装置在对电主轴进行可靠性试验的过程中，大都采用主轴与测功机相连后，直接在受试主轴施加轴向力与径向力，未出现能够模拟切削过程电主轴产生热弯曲变形与力弯曲变形的试验装置。在电主轴的放置方式上，大都采用卧式或立式两种状态，不能全方位模拟电主轴在空间的布置方式。这些因素都阻碍了电主轴可靠性试验的发展过程。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术无法全面模拟加工过程中电主轴产生热弯曲变形、力弯曲变形、切削振动及切削扭矩的情况，以及不能模拟电主轴任意空间布置方式的问题，因此设计了一种能够模拟切削过程中主轴产生热弯曲变形、力弯曲变形、切削力导致的切削振动以及扭矩的复合加载的电主轴可靠性试验装置。
电主轴可靠性试验装置可按照特定的加载规律对主轴进行可靠性试验，最大程度模拟受试主轴的真实工况。针对电主轴铣削加工过程中发生弯曲，研发一套模拟电主轴弯曲工况的装置，并采用可控热源模拟的方式，对主轴刀柄前端进行加热，从而更好地模拟主轴产生热弯曲变形后对动静态应力的影响。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的，结合附图说明如下：
一种多物理场复合加载的电主轴可靠性试验装置，包括加载单元、电主轴位置调节装置、性能检测装置和辅助设备装置；
所述加载单元包括电液伺服加载装置2、轴承联轴器混合加载单元6、轴承加载旋转单元9和测功机调整机构10；
所述电主轴位置调节装置包括主支架5和电主轴安装台8；
所述的性能检测装置包括激光位移传感器7；
所述激光位移传感器7、电主轴安装台8和测功机调整机构10固定在主支架5中的旋转台13上；
所述电液伺服加载装置2和主支架5安装在辅助设备装置中的地平铁1上；
所述轴承联轴器混合加载单元6和轴承加载旋转单元9安装在电主轴安装台8和测功机调整机构10之间。
技术方案中所述主支架5还包括驱动轴12、固定支架14和旋转电机15；固定支架14固定在旋转台13上，固定支架14上安装有激光位移传感器7、电主轴安装台8和测功机调整机构10；驱动电机15驱动旋转台13绕驱动轴12转动，从而带动固定在旋转台13上的激光位移传感器7、电主轴安装台8和测功机调整机构10转动，实现整套试验装置绕驱动轴12的旋转，从而模拟主轴切削时不同倾斜状态的受力情况。
技术方案中所述电主轴安装台8包括电主轴16、角度指示盘17、电主轴支架18和主轴抱夹19和锁紧螺栓20；
主轴抱夹19安装在整个电主轴16的外圈，实现对电主轴16的固定；电主轴支架18安装在旋转台13上；角度指示盘17安装在电主轴16端部。
技术方案中所述测功机调整机构10包括测功机21、测功机固定板22、旋转盘23、测功机旋转固定台24和位置调整器25；
所述测功机21安装在测功机固定板22上，测功机固定板22安装在测功机旋转固定台24内的旋转盘23上，电机驱动旋转盘23转动，从而带动测功机21和测功机固定板22一起转动；
所述位置调整器25固定在测功机旋转固定台24后部，并安装在主支架5的旋转台13上。
技术方案中所述电液伺服加载装置2包括弧形导轨26、电液伺服加载机构27、加载角度调整机构28和底座29；
弧形导轨26安装在地平铁1上，底座29能够在弧形导轨26上滑动，加载角度调整机构28固定在底座29上，加载角度调整机构28上设有弧形槽，电液伺服加载机构27的下底板两侧安装在加载角度调整机构28的弧形槽内，通过在弧形槽内的转动来实现电液伺服加载机构27的角度调整。
技术方案中所述轴承联轴器混合加载单元6包括加载机构外壳30、模拟刀柄31、加热环34、膜片联轴器35；
所述加载机构外壳30面上设有凹坑43；
所述模拟刀柄31与膜片联轴器35连接，加热环34安装在膜片联轴器35外侧；
所述膜片联轴器35一端连接电主轴16，另一端连接测功机21。
技术方案中所述轴承加载旋转单元9包括涡轮40、蜗杆41、驱动电机42；
所述驱动电机42输出端直接与蜗杆41相连，带动涡轮40旋转；
所述涡轮40与轴承联轴器混合加载单元6的底部套盖Ⅱ38配合。
技术方案中所述电主轴16轴线的水平投影在电液伺服加载装置2中的弧形导轨26的圆心上，底座29沿着弧形导轨26滑动的过程中，电液伺服加载装置2中电液伺服加载机构27前端的加载点44始终与轴承联轴器混合加载单元6中加载机构外壳30面上的凹坑43保持接触。
技术方案中所述激光位移传感器7利用磁力吸座固定在主支架5表面，调整位置使激光位移传感器7激光头对准电主轴16靠近激光位移传感器7最近端，使得所检测的位移值最小，实现对电主轴16径向跳动以及回转精度等参数的检测。
技术方案中所述辅助设备装置还包括冷却控制柜3、液压站4和工控机11；
所述冷却控制柜3、液压站4、工控机11放置在地面；
所述冷却控制柜3为主轴提供冷却液，并设有流量控制阀，能够控制冷却液的流量；
所述液压站4为电主轴16内部的拉刀机构提供拉力；
所述工控机11实现对整个可靠性试验***的参数采集与控制功能，同时能够在显示器中显示试验装置的运行状况。
本发明与现有技术相比的有益技术效果：
1、整个电主轴可靠性试验装置可以绕着切削力加载端在竖直面内旋转，从而模拟电主轴实际加工过程卧式、立式以及各个角度倾斜的状态，更有利于对电主轴真实工况的模拟。
2、本专利针对电主轴实际工作中受到的切削力、切削扭矩、弯曲变形以及热载荷这四大载荷分别设计了可控的加载装置，并利用轴承联轴器混合加载单元将这四大载荷同时施加到电主轴的刀柄前端，较为真实地模拟电主轴实际切削过程中受到的所有载荷。
3、根据电主轴铣削加工过程中主轴发生弯曲的现象，设计了对电主轴施加弯曲载荷的装置，从而更好地模拟切削过程电主轴刀杆前段受到弯曲变形后对电主轴自身的影响；采用可控热源模拟的方式，对主轴刀柄前端进行加热，能更好地模拟电主轴受到热变形后对性能指标的影响。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为本发明所述的多物理场复合加载的电主轴可靠性试验装置的轴侧投影图；
图2为本发明所述的主支架轴测图；
图3为本发明所述的电主轴安装台轴测图；
图4为本发明所述的测功机调整机构轴测图；
图5为本发明所述的电液伺服加载装置轴测图；
图6为本发明所述的轴承联轴器混合加载单元轴测图；
图7为本发明所述的轴承加载旋转单元轴测图；
图8为本发明所述的电主轴可靠性试验装置工作原理图；
图9为本发明所述的点液伺服加载装置加载原理图；
图10为本发明所述的电主轴弯曲工况加载原理示意图；
图中：
1.地平铁，2.电液伺服加载装置，3.冷却控制柜，4.液压站，5.主支架，6.轴承联轴器混合加载单元，7.激光位移传感器，8.电主轴安装台，9.轴承加载旋转单元，10.测功机调整机构，11.工控机，12.驱动轴，13.旋转台，14.固定支架，15.旋转电机，16.电主轴，17.角度指示盘，18.电主轴支架，19.主轴抱夹，20.锁紧螺栓，21.测功机，22.测功机固定板，23.旋转盘，24.测功机旋转固定台，25.位置调整器，26.弧形导轨，27.电液伺服加载机构，28.加载角度调整机构，29.底座，30.加载机构外壳，31.模拟刀柄，32.套盖Ⅰ，33.轴承，34.加热环，35.膜片联轴器，36.套筒，37.轴承密封圈，38.套盖Ⅱ，39.轴承加载旋转单元外壳，40.涡轮，41.蜗杆，42.驱动电机，43.凹坑，44.加载点。
具体实施例
本发明所述的一种多物理场复合加载的电主轴可靠性试验装置，由加载单元、电主轴位置调节装置、性能检测装置以及辅助设备装置四大部分组成。
所述加载单元包括电液伺服加载装置2、轴承联轴器混合加载单元6、轴承加载旋转单元9和测功机调整机构10；
所述电主轴位置调节装置包括主支架5和电主轴安装台8；
所述性能检测装置包括激光位移传感器7等检测设备；
所述辅助设备装置包括地平铁1、冷却控制柜3、液压站4以及工控机11。
参阅图1，电液伺服加载装置2和主支架5安装在地平铁1上，激光位移传感器7、电主轴安装台8、测功机调整机构10竖直安装在主支架5上，轴承联轴器混合加载单元6和轴承加载旋转单元9安装在电主轴安装台8和测功机调整机构10之间，冷却控制柜3、液压站4、工控机11放置在地面。主要部件的功能如下：
电液伺服加载装置2实现对主轴模拟切削力大小及方向的加载；冷却控制柜3为主轴提供冷却液，其中有流量控制阀，能根据需求控制冷却液的流量；
液压站4为电主轴16内部的拉刀机构提供拉力，实现更换或拆卸不同的轴承联轴器混合加载单元6；
主支架5实现整个电主轴可靠性试验装置绕着切削力加载端在竖直面内旋转，从而模拟电主轴实际加工过程卧式、立式以及各个角度倾斜的工况；
激光位移传感器7利用磁力吸座固定在主支架5表面，调整位置使激光位移传感器7发射的检测光线对准电主轴16靠近激光位移传感器7最近端，使得所检测的位移值最小，可实现对电主轴16径向跳动以及回转精度等参数的检测。
电主轴安装台8实现对电主轴16的安装并且具有位置的调整功能；
测功机调整机构10实现对主轴模拟切削扭矩的弯曲工况；
工控机11实现对整个可靠性试验***的参数采集与控制功能，同时能够在显示器中显示试验装置的运行状况。
参阅图1、图2，所述的主支架5包含驱动轴12、旋转台13、固定支架14和旋转电机15。固定支架14上安装有激光位移传感器7、电主轴安装台8、测功机调整机构10，当驱动电机15驱动旋转台13绕驱动轴12转动时，即可模拟出电主轴实际加工过程卧式、立式以及各个角度倾斜的工况，更有利于对电主轴真实工况的模拟。
参阅图3，所述的主轴安装台8包含电主轴16、角度指示盘17、电主轴支架18、主轴抱夹19和锁紧螺栓20。主轴抱夹19安装在整个电主轴16的外圈，在其两侧通过锁紧螺栓20与电主轴支架18连接，实现对电主轴16的固定。电主轴支架18安装在旋转台13上。角度指示盘17安装在电主轴16端部。扳动手柄转动电主轴16到相应的刻度位置，再用锁紧螺栓20将主轴抱夹19固定，可以实现安装位置调整。
需要转动电主轴16时，松开锁紧螺栓20，根据角度指示盘17的刻度指示，利用角度刻度盘0°位置的手柄将电主轴16调整到适当转位后，固定主轴抱夹19并锁紧螺栓。
参阅图4，所述测功机调整机构10包括测功机21、测功机固定板22、旋转盘23、测功机旋转固定台24以及位置调整器25(四个)。测功机21通过螺栓固定在测功机固定板22上，而测功机固定板22安装在测功机旋转固定台24内的旋转盘23上，弯曲加载时，安装在测功机旋转固定台24内的旋转盘23驱动测功机固定板22转动，从而带动固定板上的测功机21进行转动。
电机驱动旋转盘23转动，从而带动测功机21和测功机固定板22一起转动，模拟出主轴的弯曲工况并对主轴施加扭矩。
四个位置调整器25均匀固定在测功机旋转固定台24后部，并安装在主支架5的旋转台13上，可以将整个测功机调整机构10水平移动到合适的位置。测功机旋转固定台24的旋转运动加上沿水平方向的直线调整，可模拟任意角度不对中情况，从而施加弯矩，原理示意图参照图9。
参阅图5，所述的电液伺服加载装置2包括弧形导轨26、电液伺服加载机构27、加载角度调整机构28和底座29。弧形导轨26安装在地平铁1上，底座29可在弧形导轨26上滑动，加载角度调整机构28固定在底座29上，而加载角度调整机构28上有弧形槽，电液伺服加载机构27的下底板两侧安装在加载角度调整机构28的弧形槽内，通过在弧形槽内的转动来实现电液伺服加载机构27的角度调整，从而实现多自由的电主轴动态切削力加载。
首先，电液伺服加载机构27的下底板两侧安装在加载角度调整机构28上，通过在加载角度调整机构28轨道上转动，实现角度调整。
其次，底座29可以在沿着弧形导轨26滑动，进而带动固定在底座上方的电液伺服加载机构27和加载角度调整机构28整体滑动，若需要调整电液伺服加载装置2的高度，可通过调整底座29的高度实现，进而实现多自由度的主轴动态切削力加载。加载方向与电主轴16轴线的交点在垂直地平铁1方向的投影线经过弧形导轨26的圆心，同时，其在垂直旋转台13方向的投影线经过旋转台13的中心，这样在底座29沿着弧形导轨26滑动的过程中，加载点44(即电液伺服加载机构27前端)始终与轴承联轴器混合加载单元6中加载机构外壳30面上的凹坑43保持接触，试验稳定的加载。同时当旋转台13转动时，加载点44也不会变动。
参阅图1、图4、图6，所述的轴承联轴器混合加载单元6包括加载机构外壳30、模拟刀柄31、加热环34、膜片联轴器35、轴承33、套筒36、轴承密封圈37以及套盖Ⅰ32、套盖Ⅱ38。
模拟刀柄31与膜片联轴器35连接，加热环34安装在膜片联轴器35外侧，即模拟刀柄31的前端。轴承联轴器混合加载单元6可实现多种功能，包括连接电主轴16与测功机21并施加扭矩、传递电液伺服加载装置2施加的动态切削力到电主轴16、施加由于测功机调整机构10所产生的弯曲变形到电主轴16和对电主轴16前端施加热量这些功能。
电液伺服加载装置2与加载机构外壳30面上的凹坑43接触，实现切削力的加载。主轴安装台8所固定的电主轴16通过膜片联轴器35与测功机21连接，实现对电主轴16扭矩的加载。通过加热环34对模拟刀柄31前端进行加热，能更好地模拟电主轴16受到热变形后对动静态应力的影响，更好模拟实际工况。
参阅图1、图6、图7，图9所述的轴承加载旋转单元9包括轴承加载旋转单元外壳39、涡轮40、蜗杆41和驱动电机42。
当电液伺服加载装置2的加载方向改变时，为保证加载点44始终与加载机构外壳30面上的凹坑43相接触，需要驱动电机42涡轮传动，而轴承联轴器混合加载单元6的底部套盖Ⅱ38与涡轮40配合，使整个轴承联轴器混合加载单元6转动到与电液伺服加载装置2相对应的位置，实现电主轴16切削力的加载。
轴承联轴器混合加载单元6中的套盖Ⅱ38与涡轮40过盈配合，驱动电机42输出端直接与蜗杆41相连，带动涡轮40旋转，从而使整个轴承联轴器混合加载单元6绕电主轴16转动。实现在电液伺服加载机构27的底座29沿着弧形导轨26滑动的过程中，根据角度关系自动校正加载点44的位置，确保加载点44(即电液伺服加载机构27前端)始终与轴承器混合加载单元保持接触，准确加载。
参阅图8，本专利所述的电主轴可靠性试验装置的工作原理可以分为加载、电主轴位置调节、性能检测和其它四大部分表述。
分别阐述如下：
加载部分包括切削力加载、切削扭矩加载、弯曲力加载以及热加载。切削力加载包括切削力大小控制和方向控制。切削力大小控制由电液伺服加载机构27实现；切削力方向控制由加载角度调整机构28和弧形导轨26共同实现；切削扭矩加载由测功机21完成；弯曲力加载是通过测功机调整机构10实现的。热加载部分通过加热环34对主轴刀柄前端进行加热来实现。
电主轴位置调节由旋转台13转动和主轴安装位置调节两部分实现。由旋转电机15驱动旋转台13绕驱动轴12转动，从而带动固定在旋转台13上的电主轴安装台8整体转动；主轴安装位置调节根据角度指示盘17的刻度指示，利用角度刻度盘0°位置的手柄调节电主轴16的位置。
性能检测部分包含激光位移传感器7及其它检测设备，实现对主轴径向跳动以及回转精度等参数的检测。
其它部分包括有冷却控制柜3提供冷却液、液压站4为电主轴16内部的拉刀机构提供拉力以及工控机11实现对整个可靠性试验***的参数采集与控制功能。
本发明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发明。本发明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发明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发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种多物理场复合加载的电主轴可靠性试验装置，包括加载单元、电主轴位置调节装置、性能检测装置和辅助设备装置，其特征在于：
所述加载单元包括电液伺服加载装置(2)、轴承联轴器混合加载单元(6)、轴承加载旋转单元(9)和测功机调整机构(10)；
所述电主轴位置调节装置包括主支架(5)和电主轴安装台(8)；
所述的性能检测装置包括激光位移传感器(7)；
所述激光位移传感器(7)、电主轴安装台(8)和测功机调整机构(10)固定在主支架(5)中的旋转台(13)上；
所述电液伺服加载装置(2)和主支架(5)安装在辅助设备装置中的地平铁(1)上；
所述轴承联轴器混合加载单元(6)和轴承加载旋转单元(9)安装在电主轴安装台(8)和测功机调整机构(10)之间；
所述主支架(5)还包括驱动轴(12)、固定支架(14)和旋转电机(15)；固定支架(14)固定在旋转台(13)上，固定支架(14)上安装有激光位移传感器(7)、电主轴安装台(8)和测功机调整机构(10)；驱动电机(15)驱动旋转台(13)绕驱动轴(12)转动，从而带动固定在旋转台(13)上的激光位移传感器(7)、电主轴安装台(8)和测功机调整机构(10)转动，实现整套试验装置绕驱动轴(12)的旋转，从而模拟主轴切削时不同倾斜状态的受力情况；
所述测功机调整机构(10)包括测功机(21)、测功机固定板(22)、旋转盘(23)、测功机旋转固定台(24)和位置调整器(25)；
所述测功机(21)安装在测功机固定板(22)上，测功机固定板(22)安装在测功机旋转固定台(24)内的旋转盘(23)上，电机驱动旋转盘(23)转动，从而带动测功机(21)和测功机固定板(22)一起转动；
所述位置调整器(25)固定在测功机旋转固定台(24)后部，并安装在主支架(5)的旋转台(13)上；
所述轴承联轴器混合加载单元(6)包括加载机构外壳(30)、模拟刀柄(31)、加热环(34)、膜片联轴器(35)；
所述加载机构外壳(30)面上设有凹坑(43)；
所述模拟刀柄(31)与膜片联轴器(35)连接，加热环(34)安装在膜片联轴器(35)外侧；
所述膜片联轴器(35)一端连接电主轴(16)，另一端连接测功机(21)。
2.根据权利要求1所述的一种多物理场复合加载的电主轴可靠性试验装置，其特征在于：
所述电主轴安装台(8)包括电主轴(16)、角度指示盘(17)、电主轴支架(18)和主轴抱夹(19)和锁紧螺栓(20)；
主轴抱夹(19)安装在整个电主轴(16)的外圈，实现对电主轴(16)的固定；电主轴支架(18)安装在旋转台(13)上；角度指示盘(17)安装在电主轴(16)端部。
3.根据权利要求1所述的一种多物理场复合加载的电主轴可靠性试验装置，其特征在于：
所述电液伺服加载装置(2)包括弧形导轨(26)、电液伺服加载机构(27)、加载角度调整机构(28)和底座(29)；
弧形导轨(26)安装在地平铁(1)上，底座(29)能够在弧形导轨(26)上滑动，加载角度调整机构(28)固定在底座(29)上，加载角度调整机构(28)上设有弧形槽，电液伺服加载机构(27)的下底板两侧安装在加载角度调整机构(28)的弧形槽内，通过在弧形槽内的转动来实现电液伺服加载机构(27)的角度调整。
4.根据权利要求1所述的一种多物理场复合加载的电主轴可靠性试验装置，其特征在于：
所述轴承加载旋转单元(9)包括涡轮(40)、蜗杆(41)、驱动电机(42)；
所述驱动电机(42)输出端直接与蜗杆(41)相连，带动涡轮(40)旋转；
所述涡轮(40)与轴承联轴器混合加载单元(6)的底部套盖Ⅱ(38)配合。
5.根据权利要求2所述的一种多物理场复合加载的电主轴可靠性试验装置，其特征在于：
所述电主轴(16)轴线的水平投影在电液伺服加载装置(2)中的弧形导轨(26)的圆心上，底座(29)沿着弧形导轨(26)滑动的过程中，电液伺服加载装置(2)中电液伺服加载机构(27)前端的加载点(44)始终与轴承联轴器混合加载单元(6)中加载机构外壳(30)面上的凹坑(43)保持接触。
6.根据权利要求1所述的一种多物理场复合加载的电主轴可靠性试验装置，其特征在于：
所述激光位移传感器(7)利用磁力吸座固定在主支架(5)表面，调整位置使激光位移传感器(7)激光头对准电主轴(16)靠近激光位移传感器(7)最近端，使得所检测的位移值最小，实现对电主轴(16)径向跳动以及回转精度参数的检测。
7.根据权利要求1所述的一种多物理场复合加载的电主轴可靠性试验装置，其特征在于：
所述辅助设备装置还包括冷却控制柜(3)、液压站(4)和工控机(11)；
所述冷却控制柜(3)、液压站(4)、工控机(11)放置在地面；
所述冷却控制柜(3)为主轴提供冷却液，并设有流量控制阀，能够控制冷却液的流量；
所述液压站(4)为电主轴(16)内部的拉刀机构提供拉力；
所述工控机(11)实现对整个可靠性试验***的参数采集与控制功能，同时能够在显示器中显示试验装置的运行状况。
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