CN111215648B - 电主轴可靠性快速实验加载方法及加载*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电主轴可靠性快速实验加载方法及加载***，该方法包括：根据常规主轴载荷谱与电主轴疲劳与磨损加速模型的加速因子对常规的主轴载荷谱中的加载力大小与频率、主轴转速进行提高，得到加速载荷谱；根据加速载荷谱对电主轴进行控制，根据加载***中运动模组的位置信息和五自由度并联气动加载机构的参数信息计算机构的位姿信息，根据位姿信息和加速载荷谱计算各个加载轴上的加载力和频率；根据计算出的各个加载轴上的加载力和频率对电主轴进行加速实验；检测加速实验中电主轴的多个参数，根据多个参数对电主轴的性能进行评价。该方法能够对电主轴进行快速加载，检测多项主轴状态信息和电主轴运行状态，对电主轴可靠性进行综合评价。

Description

电主轴可靠性快速实验加载方法及加载***

技术领域

本发明涉及数控机床电主轴可靠性测试技术领域，特别涉及一种电主轴可靠性快速实验加载方法及加载***。

背景技术

电主轴是集机、电、液的复杂***，是加工中心可靠性的核心环节之一。在高速、高功率、高负荷的工况下长期运行，主轴零部件容易产生各种疲劳磨损、裂纹等故障，且故障的发生往往会导致连锁反应，加剧主轴其余零部件的折损，使主轴性能状态进一步恶化。

为提高电主轴的可靠性，需要对电主轴开展可靠性加载试验，使电主轴在有限周期和可接受成本内消除或大幅减少早期故障。但常规的方法是在机床上直接进行可靠性加载，存在测试周期较长，见效慢，所需样本量大，成本高等缺陷，需要占用多台机床进行试验，且带入机床中其它部件中不确定的影响因素，不利于对主轴可靠性的专门研究。因此为提高主轴可靠性，并在可控的环境下进行加载试验与数据采集，需要在实验室中建立电主轴可靠性加载测试与检测***。

根据调研发现，国内主轴生产厂商在其主轴出厂前的可靠性测试中主要使用了空转、主轴测功机对拖或恒力加载试验，虽然在出厂时达到了出厂要求，但在一段时间的使用后，主轴的精度与可靠性往往会出现较大的衰退，因此主轴可靠性与精度保持性的问题长期制约了国内数控机床电主轴厂商的发展。另一方面，在多台主轴上进行简单的恒力加载试验时间消耗巨大，试验成本很高，且难以模拟主轴真实载荷，影响产品上市的时效性。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明提出一种电主轴可靠性快速实验加载方法及加载***，以解决在对电主轴的测试过程中，测试周期长，成本高且测试不精准的技术问题，能够对电主轴进行快速加载，检测多项主轴状态信息和电主轴运行状态，对电主轴可靠性进行综合评价。

本发明一方面实施例提出了一种电主轴可靠性快速实验加载方法，包括：

S1，建立电主轴的疲劳与磨损加速模型；

S2，根据常规的主轴载荷谱与所述电主轴的疲劳与磨损加速模型中的加速因子对所述常规的主轴载荷谱中的加载力大小与频率、主轴转速进行提高，得到加速载荷谱；

S3，在加载***中，根据加速载荷谱对电主轴进行控制，获取所述加载***中运动模组的位置信息和五自由度并联气动加载机构的参数信息，根据所述位置信息和参数信息计算所述五自由度并联气动加载机构的位姿信息，根据所述位姿信息和所述加速载荷谱计算所述五自由度并联气动加载机构的各个加载轴上的加载力和频率；

S4，根据计算出的各个加载轴上的加载力和频率对电主轴进行加速实验，检测加速实验中电主轴的多个参数，根据所述多个参数对所述电主轴的性能进行评价。

本发明另一方面实施例提出了一种电主轴可靠性快速实验加载***，包括：

主轴(1)、主轴基架(2)、地平铁(3)、平面运动模组、精度检测模块(6)、五自由度并联气动加载机构(7)、运动控制模块、数据采集分析模块(9)；

所述地平铁(3)和所述主轴(1)的前轴承与后轴承分别安装有温度传感器和振动传感器，用于采集温度数据和振动数据；

所述主轴基架(2)与所述主轴(1)连接，用于固定所述主轴(1)；

所述平面运动模组包括X向运动模组(4)和Y向运动模组(5)，所述平面运动模组用于带动所述精度检测模块(6)和所述五自由度并联气动加载机构(7)进行运动，所述X向运动模组(4)固定在所述地平铁(3)上，所述Y向运动模组(5)安装在所述X向运动模组(4)上；

所述五自由度并联气动加载机构(7)包括多个加载轴，每个加载轴上装有拉力传感器，用于对主轴施加加载力并采集加载力大小数据，所述五自由度并联气动加载机构通过多块定位板固定在所述Y向运动模组(5)上，上端与所述主轴(1)连接；

所述精度检测模块固定在所述五自由度并联气动加载机构的定位板上，用于检测电主轴回转精度与主轴变形量；

所述运动控制模块包括上位机(10)和运动控制柜(8)，所述运动控制柜上(8)上安装有的电流互感传感器与电压计，运动控制柜(8)包括：主轴运动控制模块与XY运动模组电机运动控制模块，其中运动控制柜(8)可通过USB串口通信与上位机(10)控制程序通信，进行主轴的指令控制，XY运动模组电机运动控制模块由NI控制器控制XY运动模组电机的动作并读取其位置信息，根据位置信息以及所述五自由度并联气动加载机构的参数信息得到所述五自由度并联气动加载机构的位姿状态，结合载荷谱加载的各个力的大小与方向，计算各个加载轴需要施加的力的大小，对所述加载***进行加载实验；

所述数据采集分析模块(9)采集所述实验加载***中各个传感器的状态信息，根据所述状态信息对电主轴的性能进行评价。

本发明的技术方案，至少实现了如下有益的技术效果：

能模拟主轴实际受载情况的加载***实现对主轴的加载，基于加速模型并通过一定的加速的因子实现可靠性加速试验，不仅可以在较低成本下模拟主轴实际受载情况，还能加快测试速度，同时通过所布置的多种传感器监测主轴性能状态，评价主轴精度与可靠度，具有广阔的应用前景。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的电主轴可靠性快速实验加载方法流程图；

图2为根据本发明一个实施例的电主轴可靠性快速实验加载方法流程框图；

图3为根据本发明一个实施例的加速模型建立的流程图；

图4为根据本发明一个实施例的主轴结构简图；

图5为根据本发明一个实施例的加载***实施例的三维结构示意图；

图6为根据本发明一个实施例的五自由度并联气动加载机构的示意图；

图7为根据本发明一个实施例的精度检测模块的示意图；

图8为根据本发明一个实施例的主轴安装装置的示意图；

图9为根据本发明一个实施例的XY运动模组的示意图；

图10为根据本发明一个实施例的Y向运动模组的示意图。

附图标记：1-加工中心电主轴；2-主轴基架；3-地平铁；4-X向移动模组；5-Y向移动模组；6-精度检测模块；7-五自由度并联气动加载机构；8-运动控制柜；9-数据采集分析模块；10-上位机；21-主轴定位板；22-主轴基架上部；23-主轴基架基座；51-Y向模组运动平台；52-第一挡板；53-第一丝杠螺母；54-运动块；55-运动块法兰盘；56-滑块；57-导轨；58-Y向模组底板；59-丝杠；510-第二丝杠螺母；511-联轴器；512-Y向模组电机；513-电机安装板；514-电机模块连接件；515-第二挡板；61-第一磁座；62-第二磁座；63-传感器安装座；64-第一位传感器；65-第二位传感器；66-第三位传感器；67-转速传感器；681-调节安装座底座；682-第一定位螺钉；683-第二定位螺钉；684-调节螺钉；685-调节螺母；686-调节安装座平台；71-第二定位板；72-第二加载轴；73-第三加载轴；74-检测棒；75-动平台；76-主轴刀柄接口；77-第四加载轴；78-第五加载轴；79-第一加载轴；710-第三定位板；711-中间定位板；712-第一定位板。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的电主轴可靠性快速实验加载方法及加载装置。

首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的电主轴可靠性快速实验加载方法。

图1为根据本发明一个实施例的电主轴可靠性快速实验加载方法流程图。

如图1所示，该电主轴可靠性快速实验加载方法包括以下步骤：

在步骤S101中，建立电主轴的疲劳与磨损加速模型。

在本发明的是实施例中，基于“累积磨损量和累积疲劳损伤等比例扩大”原则，使用基于Manson-Halford双线性疲劳损伤等准则的疲劳模型与基于Archard和Hertz接触理论等的主轴轴承磨损模型，对主轴进行基于加载力大小与频率、主轴转速等的可靠性加速试验，通过提高标准载荷谱中的加载力大小与频率、主轴转速等因子进行可靠性加速试验，通过检测回转精度衰退、温升变化、振动信号、谐波电流信号等评价主轴性能。

步骤S2，根据常规的主轴载荷谱与电主轴的疲劳与磨损加速模型中的加速因子对常规的主轴载荷谱中的加载力大小与频率、主轴转速进行提高，得到加速载荷谱。

步骤S3，在加载***中，根据加速载荷谱对电主轴进行控制，获取加载***中运动模组的位置信息和五自由度并联气动加载机构的参数信息，根据位置信息和参数信息计算五自由度并联气动加载机构的位姿信息，根据位姿信息和加速载荷谱计算五自由度并联气动加载机构的各个加载轴上的加载力和频率。

步骤S4，根据计算出的各个加载轴上的加载力和频率对电主轴进行加速实验，检测加速实验中电主轴的多个参数，根据多个参数对电主轴的性能进行评价。

如图2所示，首先基于“累积磨损量和累积疲劳损伤等比例扩大”原则，使用基于双线性疲劳损伤等准则的疲劳模型与基于Archard和Hertz接触理论等的轴承磨损模型，得到主轴的疲劳与磨损的加速模型；结合常规的主轴载荷谱与加速模型中的加速因子，提高加载力大小与频率、主轴转速等获得加速载荷谱；在数据采集分析模块9中的上位机实现基于加速载荷谱的***控制，让X向运动模组4、Y向运动模组5模拟机床中平面运动，通过运动模组的电机获得其位置信息，结合五自由度并联气动加载机构的尺寸参数，得到机构的位姿信息，结合加速载荷谱求解得到各个加载轴所需加载的力、频率，并输出给相应加载轴上的气缸，达到快速加载试验的目的；通过回转精度模块6检测主轴回转精度，通过温度传感器检测***温升情况，通过振动传感器检测主轴轴承异常信息，通过电流传感器检测是否产生异常的谐波电流等。

如图3所示，展示了加速模型建立的过程，主轴可靠性加速试验方法基于“累积磨损量和累积疲劳损伤等比例扩大”原则，使用基于Manson-Halford双线性疲劳损伤等准则的疲劳模型与基于Archard和Hertz接触理论等的轴承磨损模型，通过提高标准载荷谱中的加载力大小与频率、主轴转速等因子进行可靠性加速试验，通过检测回转精度衰退、温升变化、振动信号、谐波电流信号等评价主轴性能。

如图4所示，为主轴结构简图，根据图3建立主轴简易受力模型，找出外载荷与内力之间的关系：

其中：L₁、L₂为主轴尺寸参数；F为加载力；G₁是电机的重力；G₂是主轴的重力；

其次，计算出单一加载水平下的对应的疲劳寿命，使用基于Manson-Halford双线性疲劳损伤等准则的疲劳模型，其疲劳寿命为：

其中：K₁＝8.627×10⁵⁶；

d为主轴轴心直径；

建立基于Archard和Hertz接触理论等的主轴前轴承磨损模型：

其中：W_vi、W_vo为轴承内外圈累积磨损量；K为磨损系数；K'为润滑系数；n_i是内圈转速，D_i是内圈直径；n_o是外圈转速，D_o外圈直径；H为较软材料的硬度；D_b椭圆中心的直径；k_p为压力系数；θ为转动角度；t₁、t₂为转动的起始时间与停止时间；

及磨损的精度损失量：

其中：∑ρ为主曲率之和；m_a、m_b为长半轴、短半轴系数；

设F₀为常规试验的加载力，F₁为加速试验的加载力，f₀为原先的加载力的频率，f₁为加速试验的加载力的频率，f为常规实验下主轴转动的频率，k_n为加速实验与常规实验的主轴转速比，k_w为加速实验和常规实验的磨损量之比，k_D为加速实验和常规实验的累计疲劳损伤之比：

令m＝f₀/f，m是根据实际需要进行加速测试的工作状态决定，如铣削，m由铣刀上刀齿数量决定；车削，m＝1。可将m视为已知量。

设加载频率倍数：

加载力倍数：

于是：

根据累计磨损量和累计疲劳损伤等比例放大的原则，设加速因子为K，有：

代入得：

其中，a,b,a_i,b_i均由主轴本身的几何参数和自重决定，可视为已知量；F₀为常规试验的加载力，可以在机床现场通过传感器直接测出，可视为已知量。因此，有三个未知量(k_F,k_n,k_f)，两个方程，解集是有一个自由度的。

取k_n作为参数，解得：

在本发明的一个实施例中，通过下述过程计算五自由度并联气动加载机构的各个加载轴需要施加力的大小：

首先对五自由度并联气动加载机构的动平台进行受力分析：

其中：m_M为动平台的质量，g为重力加速度，f_e和n_e为简化到动平台坐标系{M}原点o的载荷，^BI_M＝^BR_M ^MI_M ^BR_M ^T为动平台关于质心的惯性矩阵在静平台坐标系{B}中的表示；

其次，对加载轴进行受力分析：

第i个加载轴上不运动的部分i₁和运动部分i₂关于各自质心的作用力和惯性力的矢量和可以表示于加载轴坐标系{i}下，具体形式为：

式中，m_i1和m_i2分别是构件i₁和i₂的质量，ⁱI_i1和ⁱI_i2分别是构件i₁和i₂质心的转动惯量在支链坐标系{i}中的表示。

最后采用虚功原理法对该五自由度并联气动加载机构进行动力学建模：

驱动关节虚位移δq与动平台终端输入虚位移δX可以通过雅可比矩阵J联系起来：

δq＝JδX

第i个加载轴上不运动的部分i₁和运动部分i₂的虚位移δⁱx_i1和δⁱx_i2与δX也可通过雅可比矩阵ⁱJ_i1和ⁱJ_i2联系起来：

δⁱx_i1＝ⁱJ_i1δX

δⁱx_i2＝ⁱJ_i2δX

动平台虚位移δx和δX可以通过雅可比矩阵J_v联系起来：

δx＝J_vδX

建立虚功方程：

联立得到：

因为在任意位置、速度和加速度情况下，上均成立，故可以得到：

得到机构的驱动力：

NI控制器根据所得到的驱动力输出相应的加载轴气缸模拟量控制值，达到施加指定载荷的目标。

在步骤S4中，检测加速实验中电主轴的多个参数包括但不限于检测回转精度衰退、温升变化、振动信号和谐波电流信号。

根据本发明实施例提出的电主轴可靠性快速实验加载方法，基于Manson-Halford双线性疲劳损伤等准则的疲劳模型与基于Archard和Hertz接触理论等的轴承磨损模型，建立主轴可靠性加速试验模型，对主轴进行基于加载力大小与频率、主轴转速等的可靠性加速试验。电主轴可靠性加载***中的五自由度并联气动加载机构能够对电主轴施加轴向力、径向力、切向力以及两个方向的力矩，模拟主轴实际的受力状态。在对电主轴施加基于载荷谱的载荷的同时，还可以对电主轴的回转精度、主轴温升、关键轴承振动状态、主轴谐波电流等一系列电主轴的性能与健康状态进行监测，并实时反馈电主轴的性能状态，最终评估电主轴的可靠性和精度保持性水平。由此，能够对电主轴进行快速加载，检测多项主轴状态信息和电主轴运行状态，对电主轴可靠性进行综合评价。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的电主轴可靠性快速实验加载***。

图5为根据本发明一个实施例的加载***实施例的三维结构示意图。

如图5所示，该加载***包括：包括：主轴1、主轴基架2、地平铁3、平面运动模组、精度检测模块6、五自由度并联气动加载机构7、运动控制模块、数据采集分析模块9。

地平铁3和主轴的前轴承与后轴承分别安装有温度传感器和振动传感器，用于采集温度数据和振动数据。

主轴基架2与主轴1连接，用于固定主轴1；

平面运动模组包括X向运动模组4和Y向运动模组5，平面运动模组用于带动精度检测模块6和五自由度并联气动加载机构7进行运动，X向运动模组4固定在地平铁3上，Y向运动模组5安装在X向运动模组4上。

五自由度并联气动加载机构7包括多个加载轴，每个加载轴上装有拉力传感器，用于对主轴施加加载力并采集加载力大小数据，五自由度并联气动加载机构通过多块定位板固定在Y向运动模组5上，上端与主轴1连接。

五自由度并联气动加载机构可模拟加工中心切削时主轴的受力状态，对加工中心施加不同频率、方向和大小的力和力矩。

精度检测模块固定在五自由度并联气动加载机构的定位板上，用于检测电主轴回转精度与主轴变形量；

运动控制模块包括上位机10和运动控制柜8，运动控制柜上8上安装有的电流互感传感器与电压计，运动控制柜8包括：主轴运动控制模块与XY运动模组电机运动控制模块，其中运动控制柜8可通过USB串口通信与上位机10控制程序通信，进行主轴的指令控制，XY运动模组电机运动控制模块由NI控制器控制XY运动模组电机的动作并读取其位置信息，根据位置信息以及五自由度并联气动加载机构的参数信息得到五自由度并联气动加载机构的位姿状态，结合载荷谱加载的各个力的大小与方向，计算各个加载轴需要施加的力的大小，对加载***进行加载实验，NI控制器根据所得到的驱动力输出相应的加载轴气缸模拟量控制值，达到施加指定载荷的目标。

数据采集分析模块9采集实验加载***中各个传感器的状态信息，根据状态信息对电主轴的性能进行评价。

数据采集分析模块可实时采集***的位置信息、实际的加载力以及主轴的性能状态，主要通过安装在电主轴上的温度传感器、振动传感器、电流传感器等信号，以及安装在五自由度动态力加载机构上的拉压力传感器等信号，可根据采集的信号对加工中心电主轴的健康状态进行评估和监控。

数据采集分析模块9包括安装于运动控制柜8上的电流互感传感器与电压计，安装于五自由度并联气动加载机构7上的5个拉压力传感器，分别安装于主轴前轴承、后轴承与地平铁3上的温度传感器、振动传感器，NI同步数据采集与控制装置及其软件***。

如图5所示，运动控制模块的运动控制柜8集成了主轴1的运动控制***、X向运动模组4、Y向运动模组5的电机控制***以及五自由度并联气动加载机构7的气动控制***，使得上位机10通过运动控制柜8能控制其余的机械装置运动.

数据采集分析模块9通过采集板卡连接各个传感器，采集回转精度、振动信号、温度信号、电流信号等。运动控制模块的运动控制柜8内安装有检测主轴电流电压信息的三相电流互感传感器与电压计，五自由度并联气动加载机构7的加载轴上分别安装有拉压力传感器，主轴前轴承、后轴承与地平铁上分别安装温度传感器、振动传感器。运动控制柜8可通过USB串口通信与上位机10的控制程序通信，上位机10可对主轴的正反转、启停、转速等发送经CRC校验的HEX指令控制。

如图6所示，为五自由度并联气动加载机构的示意图。五自由度并联气动加载机构7通过四块定位板安装于Y向运动模组5的工作台51上，上部的主轴刀柄接口76与主轴1连接，该接口可以安装BT40刀柄或HSK刀柄。

五自由度并联气动加载机构上的检测棒为圆柱棒，用于检测径向回转精度、轴向回转精度及综合回转精度，并通过圆柱棒上的外红反馈贴纸检测主轴转速。

精度检测模块6吸附在中间定位板711上，其第一位移传感器64轴线与检测棒74轴线重合，且间距保持要求的5～10μm，第二位移传感器65、第三位移传感器66垂直于检测棒74，距离保持要求的5～10μm，转速传感器67垂直于检测棒74，距离保持1mm即可；第一加载轴79下端安装在第一定位板712上，第二加载轴72、第三加载轴73下端安装在第二定位板71上，第四加载轴77、第五加载轴78下端安装在第三定位板710上，各个加载轴上端安装在动平台75上，动平台75上安装了主轴刀柄接口76，与主轴1连接，并随主轴转动，主轴刀柄借口76下端通过刀具夹具夹持检测棒74，用于检测主轴的径向回转精度、轴向回转精度及综合回转精度；五自由度并联气动加载机构7的第一加载轴79、第三加载轴73、第四加载轴74为UPS构型，第二加载轴72与第五加载轴78为UPU构型，并采用防回转设计，能够避免机构本身过度回转造成机构的不可逆损伤。

如图7所示，为精度检测模块的示意图。其中，调节安装座68采用简单的升降装置实现高度调整，通过调整调节螺钉684旋入调节安装座底座681的程度来调节高度，通过拧紧调节螺母685固定，并相应地将第一定位螺钉682、第二定位螺钉拧紧683，使得精度检测模块高度合适，能精准地安装在指定位置上；调节安装座68通过螺钉固接在第一磁座61上，第二磁座吸附在调节安装座68上的调节安装座平台686，传感器安装座63通过螺钉固接在第二磁座62上，第一位移传感器64、第二位移传感器65、第三位移传感器66安装在传感器安装座63，且其轴线通过同一点，转速传感器67安装在第三位移传感器66上方，用于检测检测棒74上的外红反馈贴纸反射的信号来监测主轴转速。

如图8所示，为主轴安装装置的示意图。其中，主轴1通过主轴定位板21安装在主轴基架2上的主轴基架上部22，主轴基架分为上下两个部分：主轴基架上部22与主轴基架基座23，为铸铁与焊接构件，主轴基架上部22与主轴基架基座23通过螺钉螺母固接，主轴基架基座23安装在地平铁3上，主轴基架2有多个圆孔，用于传感器、气管、电线线缆的走线。

如图9所示，为XY运动模组的示意图。图10为Y向运动模组的示意图图。其中，平面运动模组安装于地平铁3上，X向运动模组4通过底部的X向运动模组安装基座通过螺钉与地平铁上T形螺母安装于地平铁上，Y向运动模组通过Y向运动模组安装基座安装于X向运动模组的安装平台上，X向运动模组与Y向运动模组采用模块化设计，采用丝杠-导轨方案驱动，X向运动模组4与Y向运动模组5结构类似。

Y向运动模组5采用双导轨57、四滑块56构型，行程满足五自由度并联气动加载机构7的工作空间要求，导轨57平行安装在Y向模组底板58上，滑块56按要求安装在导轨57上，导轨57上安装Y向模组工作台51，Y向模组工作台51钻有螺纹孔，用于安装4块定位板。第一挡板52、第二挡板515安装在Y向模组底板58两侧，中间穿过丝杠59，丝杠59两端由第一丝杠螺母53、第二丝杠螺母510固定位置，运动块法兰盘55通过丝杠59，随丝杠59运动，并与运动块54连接，运动块54上平面与Y向模组工作台51固接，从而丝杠59的运动带动运动块54、Y向模组工作台51沿导轨57方向运动。电机模组包含联轴器511、电机512、电机安装板513、电机模块连接件514，电机512安装在电机安装板513上，电机安装板513通过电机模块连接件514固接在第二挡板515上，电机512通过联轴器511与丝杠59连接，从而驱动丝杠59转动。

X向运动模组4与Y向运动模组5的电机转动量由数据采集分析模块9通过运动控制模块8控制并读取其位置信息，结合五自由度并联气动加载机构7的参数，求解机构的位姿状态，根据载荷谱加载的各个力的大小与方向，可以求解各个加载轴需要施加的力的大小，具体求解过程在上面已经进行了分析。

需要说明的是，前述对方法实施例的解释说明也适用于该实施例的***，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的电主轴可靠性快速实验加载***，能模拟主轴实际受载情况的加载***实现对主轴的加载，基于加速模型并通过一定的加速的因子实现可靠性加速试验，不仅可以在较低成本下模拟主轴实际受载情况，还能加快测试速度，同时通过所布置的多种传感器监测主轴性能状态，评价主轴精度与可靠度，具有广阔的应用前景。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种电主轴可靠性快速实验加载方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，建立电主轴的疲劳与磨损加速模型；

S2，根据常规的主轴载荷谱与所述电主轴的疲劳与磨损加速模型中的加速因子对所述常规的主轴载荷谱中的加载力大小与频率、主轴转速进行提高，得到加速载荷谱；所述S2进一步包括：

建立电主轴简易受力模型，获取外载荷与内力之间的关系：

其中，L₁、L₂为电主轴尺寸参数，F为加载力，G₁是电机的重力，G₂是电主轴的重力；

计算单一加载水平下的对应的疲劳寿命，使用基于Manson-Halford双线性疲劳损伤准则的疲劳模型，其疲劳寿命为：

其中，K₁＝8.627×10⁵⁶，

d为电主轴轴心直径；

建立基于Archard和Hertz接触理论的电主轴前轴承磨损模型：

其中，W_vi、W_vo为轴承内外圈累积磨损量，K为磨损系数，K'为润滑系数，n_i是内圈转速，D_i是内圈直径，n_o是外圈转速，D_o外圈直径，H为较软材料的硬度，D_b椭圆中心的直径，k_p为压力系数，θ为转动角度，t₁、t₂为转动的起始时间与停止时间；

建立磨损的精度损失量：

其中，∑ρ为主曲率之和，m_a、m_b为长半轴、短半轴系数；

设F₀为常规试验的加载力，F₁为加速试验的加载力，f₀为原先的加载力的频率，f₁为加速试验的加载力的频率，f为常规实验下电主轴转动的频率，k_n为加速实验与常规实验的电主轴转速比，f_F为常规实验下电主轴受载的频率，k_w为加速实验和常规实验的磨损量之比，k_D为加速实验和常规实验的累计疲劳损伤之比：

令m＝f₀/f，设加载频率倍数：

加载力倍数：

于是有：

根据累计磨损量和累计疲劳损伤等比例放大的原则，设加速因子为K，有：

代入得：

其中，a,b,a_i,b_i均由电主轴本身的几何参数和自重决定的已知量；

取k_n作为参数，解得：

S3，在加载***中，根据加速载荷谱对电主轴进行控制，获取所述加载***中运动模组的位置信息和五自由度并联气动加载机构的参数信息，根据所述位置信息和参数信息计算所述五自由度并联气动加载机构的位姿信息，根据所述位姿信息和所述加速载荷谱计算所述五自由度并联气动加载机构的各个加载轴上的加载力和频率；

S4，根据计算出的各个加载轴上的加载力和频率对电主轴进行加速实验，检测加速实验中电主轴的多个参数，根据所述多个参数对所述电主轴的性能进行评价。

2.根据权利要求1所述的电主轴可靠性快速实验加载方法，其特征在于，

根据基于Manson-Halford双线性疲劳损伤准则的疲劳模型和基于Archard和Hertz接触理论的轴承磨损模型建立所述电主轴的疲劳与磨损加速模型。

3.根据权利要求1所述的电主轴可靠性快速实验加载方法，其特征在于，计算所述五自由度并联气动加载机构的各个加载轴上的加载力，包括：

对所述五自由度并联气动加载机构的动平台进行受力分析：

其中，f_M为动平台受到的作用力矢量，n_M为动平台受到的力矩矢量，

为动平台的加速度矢量，

为动平台的角加速度矢量，ω为动平台的角速度矢量，m_M为动平台的质量，g为重力加速度，f_e和n_e为简化到动平台坐标系{M}原点o的载荷，^BI_M＝^BR_M ^MI_M ^BR_M ^T为动平台关于质心的惯性矩阵在静平台基础坐标系{B}中的表示，^BR_M为动平台相对于静平台基础坐标系的旋转矩阵，^MI_M为

动平台对其质心的惯性矩阵，^BR_M ^T为动平台相对于静平台基础坐标系的旋转矩阵的转置；

对多个加载轴进行受力分析：

第i个加载轴上不运动的部分i₁和运动部分i₂关于各自质心的作用力和惯性力的矢量和可以表示于加载轴坐标系{i}下，具体形式为：

其中，m_i1和m_i2分别是构件i₁和i₂的质量，ⁱI_i1和ⁱI_i2分别是构件i₁和i₂质心的转动惯量在支链坐标系{i}中的表示，ⁱf_i1和ⁱf_i2为构件i₁和i₂关于加载轴坐标系{i}下的受力矢量，ⁱn_i1和ⁱn_i2为构件i₁和i₂关于加载轴坐标系{i}下的惯性力矢量，ⁱR_B为加载轴坐标系{i}相对于静平台基础坐标系的旋转矩阵，

和

为构件i₁和i₂的加速度矢量，ⁱω_i为第i个加载轴相对于其质心的角加速度矢量；

根据虚功原理法对所述五自由度并联气动加载机构进行动力学建模：

驱动关节虚位移δq与动平台终端输入虚位移δX通过雅可比矩阵J联系起来：

δq＝JδX

第i个加载轴中的构件i₁和i₂的虚位移δⁱx_i1和δⁱx_i2与δX也可通过雅可比矩阵ⁱJ_i1和ⁱJ_i2联系起来：

δⁱx_i1＝ⁱJ_i1δX

δⁱx_i2＝ⁱJ_i2δX

虚位移δx和δX通过雅可比矩阵J_v联系起来：

δx＝J_vδX

建立虚功方程：

联立得到：

得到：

得到所述五自由度并联气动加载机构的驱动力：

4.根据权利要求1所述的电主轴可靠性快速实验加载方法，其特征在于，所述检测加速实验中电主轴的多个参数包括但不限于检测回转精度衰退、温升变化、振动信号和谐波电流信号。

5.一种利用如权利要求1-4任一项所述的电主轴可靠性快速实验加载方法的电主轴可靠性快速实验加载***，其特征在于，包括：电主轴(1)、电主轴基架(2)、地平铁(3)、平面运动模组、精度检测模块(6)、五自由度并联气动加载机构(7)、运动控制模块、数据采集分析模块(9)；

所述地平铁(3)和所述电主轴(1)的前轴承与后轴承分别安装有温度传感器和振动传感器，用于采集温度数据和振动数据；

所述电主轴基架(2)与所述电主轴(1)连接，用于固定所述电主轴(1)；

所述平面运动模组包括X向运动模组(4)和Y向运动模组(5)，所述平面运动模组用于带动所述精度检测模块(6)和所述五自由度并联气动加载机构(7)进行运动，所述X向运动模组(4)固定在所述地平铁(3)上，所述Y向运动模组(5)安装在所述X向运动模组(4)上；

所述五自由度并联气动加载机构(7)包括多个加载轴，每个加载轴上装有拉力传感器，用于对电主轴施加加载力并采集加载力大小数据，所述五自由度并联气动加载机构通过多块定位板固定在所述Y向运动模组(5)上，上端与所述电主轴(1)连接；

所述精度检测模块固定在所述五自由度并联气动加载机构的定位板上，用于检测电主轴回转精度与电主轴变形量；

所述运动控制模块包括上位机(10)和运动控制柜(8)，所述运动控制柜(8)上安装有的电流互感传感器与电压计，运动控制柜(8)包括：电主轴运动控制模块与XY运动模组电机运动控制模块，其中运动控制柜(8)可通过USB串口通信与上位机(10)控制程序通信，进行电主轴的指令控制，XY运动模组电机运动控制模块由NI控制器控制XY运动模组电机的动作并读取其位置信息，所述数据采集分析模块(9)根据位置信息以及所述五自由度并联气动加载机构的参数信息得到所述五自由度并联气动加载机构的位姿状态，结合载荷谱加载的各个力的大小与方向，计算各个加载轴需要施加的力的大小，对所述加载***进行加载实验；

所述数据采集分析模块(9)用于采集所述实验加载***中各个传感器的状态信息，根据所述状态信息对电主轴的性能进行评价。

6.根据权利要求5所述的电主轴可靠性快速实验加载***，其特征在于，所述电主轴基架(2)包括：电主轴定位板(21)、电主轴基架上部(22)和电主轴基架基座(23)；

电主轴(1)通过电主轴定位板(21)安装在电主轴基架(2)上的电主轴基架上部(22)，电主轴基架(2)分为上下两个部分：电主轴基架上部(22)与电主轴基架基座(23)，为铸铁与焊接构件，电主轴基架上部(22)与电主轴基架基座(23)通过螺钉螺母固接，电主轴基架基座(23)安装在地平铁(3)上，电主轴基架(2)有多个圆孔，用于传感器、气管或电线线缆的走线。

7.根据权利要求5所述的电主轴可靠性快速实验加载***，其特征在于，所述平面运动模组包括：

Y向运动模组(5)采用双导轨(57)和四滑块(56)构型，导轨(57)平行安装在Y向运动模组底板(58)上，滑块(56)安装在导轨(57)上，导轨(57)上安装Y向模组工作台(51)，Y向模组工作台(51)钻有螺纹孔，用于安装多块定位板；

第一挡板(52)和第二挡板(515)安装在Y向模组底板(58)两侧，中间穿过丝杠(59)，丝杠(59)两端由第一丝杠螺母(53)和第二丝杠螺母(510)固定位置，运动块法兰盘(55)通过丝杠(59)，随丝杠(59)运动，并与运动块(54)连接，运动块(54)上平面与Y向模组工作台(51)固接，从而丝杠(59)的运动带动运动块(54)和Y向模组工作台(51)沿导轨(57)方向运动；

所述平面运动模组的电机模组包含联轴器(511)、电机(512)、电机安装板(513)和电机模块连接件(514)，电机(512)安装在电机安装板(513)上，电机安装板(513)通过电机模块连接件(514)固接在第二挡板(515)上，电机(512)通过联轴器(511)与丝杠(59)连接，从而驱动丝杠(59)转动。

8.根据权利要求5所述的电主轴可靠性快速实验加载***，其特征在于，所述精度检测模块(6)包括：

调节安装座(68)采用升降装置实现高度调整，通过调整调节螺钉(684)旋入调节安装座底座(681)的程度来调节高度，通过拧紧调节螺母(685)、第一定位螺钉(682)和第二定位螺钉(683)固定；

调节安装座(68)通过螺钉固接在第一磁座(61)上，第二磁座(62)吸附在调节安装座(68)上的调节安装座平台(686)，传感器安装座(63)通过螺钉固接在第二磁座(62)上，第一位移传感器(64)、第二位移传感器(65)、第三位移传感器(66)安装在传感器安装座(63)，其轴线通过同一点，转速传感器(67)安装在第三位移传感器(66)上方，用于检测检测棒(74)上的外红反馈贴纸反射的信号来监测电主轴转速。

9.根据权利要求8所述的电主轴可靠性快速实验加载***，其特征在于，所述五自由度并联气动加载机构(7)包括：

所述五自由度并联气动加载机构(7)通过多块定位板安装于Y向运动模组(5)的工作台(51)上，上部的电主轴刀柄接口(76)与电主轴(1)连接；

所述精度检测模块(6)吸附在中间定位板(711)上，第一位移传感器(64)轴线与检测棒(74)轴线重合，第二位移传感器(65)、第三位移传感器(66)垂直于检测棒(74)，转速传感器(67)垂直于检测棒(74)；

各个加载轴下端安装在定位板上，各个加载轴上端安装在动平台(75)上，动平台(75)上安装了电主轴刀柄接口(76)，与电主轴(1)连接，并随电主轴(1)转动，电主轴刀柄接口(76)下端通过刀具夹具夹持检测棒(74)，用于检测电主轴的径向回转精度、轴向回转精度及综合回转精度；

所述五自由度并联气动加载机构(7)的第一加载轴(79)、第三加载轴(73)、第四加载轴(77)为UPS构型，第二加载轴(72)与第五加载轴(78)为UPU构型，并采用防回转设计，避免机构本身过度回转。

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