高速電主軸動態剛度測試裝置的製作方法

2023-04-30 17:26:31 3

專利名稱：高速電主軸動態剛度測試裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種檢測機構，特別涉及一種高速電主軸動態剛度測試裝置。
背景技術：
高速電主軸是當代高速加工技術及理論飛速發展的產物，在滿足高速加工的同時 又促進了高速加工技術理論的進一步發展，是一門新興的科學技術。在結構上，它將驅動電 機內置，作為主軸旋轉質量的一部分，省去了諸如皮帶、齒輪等功率傳動裝置，從而有效減 少了主軸的振動、噪聲等不利影響，使主軸的轉速與驅動電機的額定轉速同步，其控制亦變 得精確和容易。但在主軸獲得極高的旋轉速度的同時，也使系統內部產生了複雜的機、電、 磁、熱耦合關係，使主軸在旋轉過程中的靜、動態性能變得難以預測，而作為一個新興的領 域，高速電主軸在應用中所急需解決的許多問題，如動平衡、主軸溫升、轉矩輸出能力、靜態 剛度、動態剛度、熱變形與主軸的跳動量等。若利用傳統的機械加載裝置檢測電主軸的動態 性能，雖裝置簡單，成本低，但是控制與測試難度大，而且主軸高速運轉產生的大量摩擦熱 和機械磨損，無法做到無損加載，加載無法實現恆定，從而使得測試精度降低，控制難度加 大。隨著科學技術的日益發展，主軸的旋轉速度越來越高，使得許多傳統的主軸性能測試技 術不能適應高速電主軸的性能檢測要求。 因此，急需發明一種新型的高速電主軸動態加載測試裝置，能夠將高速電主軸的 轉動通過靜態加載進行檢測，避免機械摩擦對加載的影響，並在恆載的情況下對高速電主 軸進行檢測，以滿足高速電主軸動態性能檢測的要求，控制難度低，保證了測試精度。

發明內容
有鑑於此，本發明的目的是提供一種高速電主軸動態剛度測試裝置，能夠將高速 電主軸的轉動通過靜態加載進行檢測，避免機械摩擦對加載的影響，並在恆載的情況下對 高速電主軸進行檢測，以滿足高速電主軸動態性能檢測的要求，控制難度低，保證測試精度。
本發明的高速電主軸動態剛度測試裝置，包括基座、加載系統和自動控制單元；
所述加載系統包括軸向加載系統、徑向加載系統和固定設置於高速電主軸上的測 試棒； 所述測試棒的外圓設置徑向滾動軸承，測試棒加載端部設置平面滾動軸承；
所述軸向加載系統包括軸向加載棒和軸向加載驅動系統，軸向加載驅動系統包括 軸向加載伺服電機、軸向加載驅動螺杆和軸向加載驅動螺母，所述軸向驅動加載螺杆與軸 向加載驅動伺服電機的動力輸出軸傳動配合，所述軸向加載驅動螺母螺紋配合旋在軸向加 載驅動螺杆上，軸向加載棒一端與平面滾動軸承沿軸向相對，另一端通過壓力傳感器I頂 在軸向加載驅動螺母上； 所述徑向加載系統包括徑向加載棒和徑向加載驅動系統，徑向加載驅動系統包括 徑向加載伺服電機、徑向加載驅動螺杆和徑向加載驅動螺母，所述徑向驅動加載螺杆與徑向加載驅動伺服電機的動力輸出軸傳動配合，所述徑向加載驅動螺母螺紋配合旋在徑向加 載驅動螺杆上，徑向加載棒一端與徑向滾動軸承外圈沿徑向相對，另一端通過壓力傳感器 II頂在徑向加載驅動螺母上； 與測試棒外圓相對設置位移傳感器I，與測試棒加載端部相對設置位移傳感器
n，所述壓力傳感器1、壓力傳感器n、位移傳感器i和位移傳感器ii採集的信號傳輸至自
動控制單元，所述自動控制單元的命令輸出至軸向加載伺服電機和徑向加載伺服電機。 進一步，所述軸向加載伺服電機和徑向加載伺服電機為同一伺服電機，所述伺服
電機主軸在圓周方向固定配合設置主動齒輪，與主動齒輪嚙合設置有軸向加載從動齒輪和
徑向加載從動齒輪；所述軸向加載從動齒輪和軸向加載驅動螺杆在圓周方向固定配合，所
述徑向加載驅動螺杆通過錐齒輪嚙合副與徑向加載從動齒輪傳動配合； 所述基座上固定設置軸向加載支架和徑向加載支架，所述軸向加載驅動螺杆滾動
配合穿過軸向加載支架，軸向加載驅動螺杆外圓位於軸向加載支架內側設置軸向承載軸
肩；徑向加載驅動螺杆滾動配合穿過徑向加載支架，徑向加載驅動螺杆外圓位於徑向加載
支架內側設置徑向承載軸肩； 所述軸向加載驅動螺母上固定設置軸向滑槽，軸向滑槽內可沿軸向滑動配合設置 軸向滑塊，所述軸向滑塊通過軸向鎖緊螺釘鎖緊在軸向滑槽內，所述軸向加載棒通過壓力 傳感器I頂在軸向滑塊上；所述徑向加載驅動螺母上固定設置徑向滑槽，徑向滑槽內可沿 徑向滑動配合設置徑向滑塊，所述徑向滑塊通過徑向鎖緊螺釘鎖緊在徑向滑槽內，所述徑 向加載棒通過壓力傳感器II頂在徑向滑塊上； 進一步，還包括潤滑系統，潤滑系統包括潤滑系統支架和油氣發生器，所述潤滑系 統支架上設置與徑向滾動軸承滾動體相對的油氣噴嘴I和與平面滾動軸承滾動體相對的 油氣噴嘴II，所述油氣噴嘴I和油氣噴嘴II分別連通於油氣發生器的油氣出口，所述自動 控制單元的命令輸出至油氣發生器； 進一步，所述位移傳感器I和位移傳感器II均設置在潤滑系統支架上，所述潤滑 系統支架上沿軸向設置標尺； 進一步，所述基座滑動配合設置在固定導軌上，所述固定導軌上沿軸向設置刻度 值；所述基座與固定導軌之間設置鎖緊機構； 進一步，所述測試棒端部設置軸肩，所述平面滾動軸承沿軸向設置中心孔並通過 中心孔套在測試棒緊靠軸肩；所述軸向加載棒為兩根，沿平面滾動軸承徑向對稱分布頂在 平面滾動軸承上； 進一步，所述徑向滾動軸承和平面滾動軸承均為陶瓷球軸承。 本發明的有益效果本發明的高速電主軸動態剛度測試裝置，採用滾動軸承結構 將主軸的高速轉動與靜態加載相結合，通過壓力傳感器和位移傳感器採集加載數值和變形 數值，控制單元根據加載數值和變形數值的變化控制加載壓力，由於滾動軸承將直接接觸 時的滑動摩擦轉換成非直接接觸的滾動摩擦，避免了高速電主軸在高速運轉狀態下因直接 機械接觸所產生的摩擦生熱與機械磨損對測試精度的影響，能夠在恆載的情況下對高速電 主軸進行檢測，實現高速電主軸的連續、穩定動態加載和實時測量，測量精度高，足以滿足 高速電主軸動態性能檢測的要求；控制實現自動化，較傳統加載方式難度低，整個發明裝置 結構緊湊，使用方便，成本低廉。


下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述。
圖1為本發明結構示意圖；
圖2為本發明控制原理圖。
具體實施例方式
圖1為本發明結構示意圖，圖2為本發明控制原理圖，如圖所示本實施例的高速 電主軸動態剛度測試裝置，包括基座17、加載系統和自動控制單元34 ; 所述加載系統包括軸向加載系統、徑向加載系統和固定設置於高速電主軸1上的 測試棒2 ; 所述測試棒2的外圓設置徑向滾動軸承30，測試棒2加載端部設置平面滾動軸承
27 ; 所述軸向加載系統包括軸向加載棒35和軸向加載驅動系統，軸向加載驅動系統 包括軸向加載伺服電機、軸向加載驅動螺杆19和軸向加載驅動螺母21，所述軸向加載驅動 螺杆19與軸向加載驅動伺服電機的動力輸出軸傳動配合，所述軸向加載驅動螺母21螺紋 配合旋在軸向加載驅動螺杆19上，軸向加載棒35 —端與平面滾動軸承27沿軸向相對，另 一端通過壓力傳感器I 25頂在軸向加載驅動螺母21上，所述軸向加載棒35有兩根，沿平 面滾動軸承27的徑向對稱放置； 所述徑向加載系統包括徑向加載棒3和徑向加載驅動系統，徑向加載驅動系統包 括徑向加載伺服電機、徑向加載驅動螺杆36和徑向加載驅動螺母37，所述徑向加載驅動螺 杆36與徑向加載驅動伺服電機的動力輸出軸傳動配合，所述徑向加載驅動螺母37螺紋配 合旋在徑向加載驅動螺杆36上，徑向加載棒3 —端與徑向滾動軸承30外圈沿徑向相對，另 一端通過壓力傳感器114頂在徑向加載驅動螺母37上； 軸向加載驅動螺母21和徑向加載驅動螺母37可通過支撐設在基座上，並與基座 17之間可往復滑動單自由度配合，實現通過軸向加載驅動螺杆19和徑向加載驅動螺杆36 加載的目的； 與測試棒2外圓相對設置位移傳感器I 31，與測試棒2加載端部相對設置位移傳 感器II 26，所述壓力傳感器I 25、壓力傳感器I1 4、位移傳感器I 31和位移傳感器I1 26 採集的信號傳輸至自動控制單元34，所述自動控制單元34的命令輸出至軸向加載伺服電 機和徑向加載伺服電機；自動控制單元根據兩個壓力傳感器和兩個位移傳感器採集的瞬時 數值，控制軸向和徑向加載伺服電機，實現自動加載。 本實施例中，所述軸向加載伺服電機和徑向加載伺服電機為同一伺服電機15，節 約成本，使裝置結構緊湊；所述伺服電機15的輸出軸在圓周方向固定配合設置主動齒輪 13，與主動齒輪13嚙合設置有軸向加載從動齒輪16和徑向加載從動齒輪14 ;所述軸向加 載從動齒輪16和軸向加載驅動螺杆19在圓周方向固定配合，所述徑向加載驅動螺杆36通 過錐齒輪嚙合副IO與徑向加載從動齒輪14傳動配合；如圖l所示，徑向加載從動齒輪14 通過傳動軸12與錐齒輪嚙合副10傳動，傳動軸12通過支架38並與支架轉動配合設置在 基座17上；
所述基座17上固定設置軸向加載支架18和徑向加載支架9，所述軸向加載驅動螺 杆19轉動配合穿過軸向加載支架18，軸向加載驅動螺杆19外圓位於軸向加載支架18內側 設置軸向承載軸肩11，內側是指與軸向加載驅動螺母21相對的一側；徑向加載驅動螺杆36 轉動配合穿過徑向加載支架9，徑向加載驅動螺杆36外圓位於徑向加載支架9內側設置徑 向承載軸肩8 ;軸向承載軸肩11和徑向承載軸肩8防止加載時軸向加載驅動螺杆19和徑 向加載驅動螺杆36後退，保證檢測過程的正常進行； 所述軸向加載驅動螺母21上固定設置軸向滑槽24，軸向滑槽24內可沿軸向滑動 配合設置軸向滑塊22，所述軸向滑塊22通過軸向鎖緊螺釘23鎖緊在軸向滑槽24內，所述 軸向加載棒35通過壓力傳感器I 25頂在軸向滑塊22上；所述徑向加載驅動螺母37上固 定設置徑向滑槽7，徑向滑槽7內可沿徑向滑動配合設置徑向滑塊6，所述徑向滑塊6通過 徑向鎖緊螺釘5鎖緊在徑向滑槽7內，所述徑向加載棒3通過壓力傳感器I1 4頂在徑向滑 塊6上； 根據具體工作需要，進行徑向加載時，旋鬆軸向鎖緊螺釘，並緊固徑向鎖緊螺釘， 啟動伺服電機進行徑向加載；進行軸向加載時，旋鬆徑向鎖緊螺釘，並緊固軸向鎖緊螺釘， 啟動伺服電機進行軸向加載；也可以同時緊固徑向鎖緊螺釘和軸向鎖緊螺釘，使伺服電機 同時驅動軸向加載棒和徑向加載棒進行加載。 本實施例中，還包括潤滑系統，潤滑系統包括潤滑系統支架39和油氣發生器33， 所述潤滑系統支架39上設置與徑向滾動軸承30滾動體相對的油氣噴嘴I 32和與平面滾 動軸承27滾動體相對的油氣噴嘴I1 28，所述油氣噴嘴I 32和油氣噴嘴I1 28分別連通於 油氣發生器33的油氣出口 (圖中沒有標出連接關係)，所述自動控制單元34的命令輸出至 油氣發生器33，控制油氣發生器33並根據需要進行潤滑；潤滑系統對徑向滾動軸承30和 平面滾動軸承27起潤滑和冷卻作用，進一步保證檢測精度。 本實施例中，所述位移傳感器I 31和位移傳感器I1 26均設置在潤滑系統支架39 上，所述潤滑系統支架39上沿軸向設置標尺；通過標尺可以得出位移傳感器I 31與徑向加 載點之間的距離，及徑向加載點與支架39中心的距離，支架39中心距高速電主軸1的端面 距離可以由導軌20上的刻度直接讀出，由幾何三角關係可以精確計算出測試棒在徑向加 載棒所傳遞力的方向上的變形量，進而可以計算出高速電主軸的瞬時剛度值，該種裝置成 功避免了測試棒因安裝徑向滾動軸承所引起的應變對測試棒在徑向力的作用方向上位移 測量的影響。 本實施例中，所述基座17滑動配合設置在固定導軌20上，所述固定導軌20上沿 軸向設置刻度值；所述基座17與固定導軌20之間設置鎖緊機構(圖中沒有標出，可以採用 現有技術中任何相對滑動部件中採用的鎖緊機構)；可調整測試系統與高速電主軸之間的 位置關係，提高其通用性。 本實施例中，所述測試棒2端部設置軸肩29，所述平面滾動軸承27沿軸向設置中 心孔並通過中心孔套在測試棒緊靠軸肩29 ;所述軸向加載棒35為兩根，沿平面滾動軸承27 徑向對稱分布頂在平面滾動軸承27上；能夠保證加載時平面滾動軸承27的牢固性和穩定 性，保證檢測質量。 本實施例中，所述徑向滾動軸承30和平面滾動軸承27均為陶瓷球軸承，加載過程 中無變形或變形量較小，從而保證加載力有效傳遞。
本發明在使用時，伺服電機受自動控制單元的控制，可以實現正轉、反轉、高速、低 速、啟動和停止等各種功能，本實施例中，伺服電機正轉時進行加載，而當伺服電機反轉時， 則表示卸載，當加載過程中伺服電機停止時，以恆定不變的外加載荷加載，當只需進行軸向 或徑向主軸剛度測試時，可以通過操作軸向鎖緊螺釘或徑向鎖緊螺釘，放鬆或鎖緊軸向滑 塊或徑向滑塊實現，無需改變其它結構； 如圖2所示，壓力傳感器I 25、壓力傳感器I1 4、位移傳感器I 31和位移傳感器 II 26均與自動控制單元34相連，用於將高速電主軸在力的作用下徑向和軸向的力與變形 量反饋至自動控制單元，自動控制單元34依據主軸的剛度計算公式計算出主軸在各時刻 的瞬時剛度值，並繪製出主軸剛度曲線，並輸出。 最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較 佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技 術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本 發明的權利要求範圍當中。
權利要求
一種高速電主軸動態剛度測試裝置，其特徵在於包括基座、加載系統和自動控制單元；所述加載系統包括軸向加載系統、徑向加載系統和固定設置於高速電主軸上的測試棒；所述測試棒的外圓設置徑向滾動軸承，測試棒加載端部設置平面滾動軸承；所述軸向加載系統包括軸向加載棒和軸向加載驅動系統，軸向加載驅動系統包括軸向加載伺服電機、軸向加載驅動螺杆和軸向加載驅動螺母，所述軸向驅動加載螺杆與軸向加載驅動伺服電機的動力輸出軸傳動配合，所述軸向加載驅動螺母螺紋配合旋在軸向加載驅動螺杆上，軸向加載棒一端與平面滾動軸承沿軸向相對，另一端通過壓力傳感器I頂在軸向加載驅動螺母上；所述徑向加載系統包括徑向加載棒和徑向加載驅動系統，徑向加載驅動系統包括徑向加載伺服電機、徑向加載驅動螺杆和徑向加載驅動螺母，所述徑向驅動加載螺杆與徑向加載驅動伺服電機的動力輸出軸傳動配合，所述徑向加載驅動螺母螺紋配合旋在徑向加載驅動螺杆上，徑向加載棒一端與徑向滾動軸承外圈沿徑向相對，另一端通過壓力傳感器II頂在徑向加載驅動螺母上；與測試棒外圓相對設置位移傳感器I，與測試棒加載端部相對設置位移傳感器II，所述壓力傳感器I、壓力傳感器II、位移傳感器I和位移傳感器II採集的信號傳輸至自動控制單元，所述自動控制單元的命令輸出至軸向加載伺服電機和徑向加載伺服電機。
2. 根據權利要求1所述的高速電主軸動態剛度測試裝置，其特徵在於所述軸向加載 伺服電機和徑向加載伺服電機為同一伺服電機，所述伺服電機主軸在圓周方向固定配合設 置主動齒輪，與主動齒輪嚙合設置有軸向加載從動齒輪和徑向加載從動齒輪；所述軸向加 載從動齒輪和軸向加載驅動螺杆在圓周方向固定配合，所述徑向加載驅動螺杆通過錐齒輪 嚙合副與徑向加載從動齒輪傳動配合；所述基座上固定設置軸向加載支架和徑向加載支架，所述軸向加載驅動螺杆滑動配合 穿過軸向加載支架，軸向加載驅動螺杆外圓位於軸向加載支架內側設置軸向承載軸肩；徑 向加載驅動螺杆滑動配合穿過徑向加載支架，徑向加載驅動螺杆外圓位於徑向加載支架內 側設置徑向承載軸肩；所述軸向加載驅動螺母上固定設置軸向滑槽，軸向滑槽內可沿軸向滑動配合設置軸向 滑塊，所述軸向滑塊通過軸向鎖緊螺釘鎖緊在軸向滑槽內，所述軸向加載棒通過壓力傳感 器I頂在軸向滑塊上；所述徑向加載驅動螺母上固定設置徑向滑槽，徑向滑槽內可沿徑向 滑動配合設置徑向滑塊，所述徑向滑塊通過徑向鎖緊螺釘鎖緊在徑向滑槽內，所述徑向加 載棒通過壓力傳感器II頂在徑向滑塊上。
3. 根據權利要求2所述的高速電主軸動態剛度測試裝置，其特徵在於還包括潤滑系 統，潤滑系統包括潤滑系統支架和油氣發生器，所述潤滑系統支架上設置與徑向滾動軸承 滾動體相對的油氣噴嘴I和與平面滾動軸承滾動體相對的油氣噴嘴II，所述油氣噴嘴I和 油氣噴嘴II分別連通於油氣發生器的油氣出口，所述自動控制單元的命令輸出至油氣發 生器。
4. 根據權利要求3所述的高速電主軸動態剛度測試裝置，其特徵在於所述位移傳感 器I和位移傳感器II均設置在潤滑系統支架上，所述潤滑系統支架上沿軸向設置標尺。
5. 根據權利要求4所述的高速電主軸動態剛度測試裝置，其特徵在於所述基座滑動 配合設置在固定導軌上，所述固定導軌上沿軸向設置刻度值；所述基座與固定導軌之間設 置鎖緊機構。
6. 根據權利要求5所述的高速電主軸動態剛度測試裝置，其特徵在於所述測試棒端 部設置軸肩，所述平面滾動軸承沿軸向設置中心孔並通過中心孔套在測試棒緊靠軸肩；所 述軸向加載棒為兩根，沿平面滾動軸承徑向對稱分布頂在平面滾動軸承上。
7. 根據權利要求6所述的高速電主軸動態剛度測試裝置，其特徵在於所述徑向滾動 軸承和平面滾動軸承均為陶瓷球軸承。
全文摘要
本發明公開了一種高速電主軸動態剛度測試裝置，包括基座、加載系統和自動控制單元；加載系統包括軸向加載系統、徑向加載系統和固定設置於高速電主軸上的測試棒；測試棒的外圓設置徑向滾動軸承，測試棒加載端部設置平面滾動軸承；徑向加載系統和軸向加載系統分別通過徑向滾動軸承和平面滾動軸承對測試棒加載；本發明採用滾動軸承結構將主軸的高速轉動與靜態加載相結合，通過壓力傳感器和位移傳感器採集加載數值和變形數值，控制單元根據加載數值和變形數值的變化控制加載壓力，避免了高速電主軸在高速運轉狀態下直接加載時因機械接觸所產生的摩擦生熱與機械磨損對測試精度的影響，實現高速電主軸連續、穩定動態加載和實時測量，測量精度高。
文檔編號G01M13/02GK101701868SQ20091019149
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月17日 優先權日2009年11月17日
發明者合燁, 周明紅, 康輝民, 畢江濤, 陳小安, 陳文曲 申請人:重慶大學