一種機械主軸系統(tǒng)熱分析綜合測試實驗裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了屬于機械制造【技術領域】的一種機械主軸系統(tǒng)熱分析綜合測試實驗裝置。綜合測試實驗裝置包括機械主軸主體結構、切削載荷模擬加載機構及測量系統(tǒng)；在底板上裝有電機支撐座，伺服電機固定在電機支撐座上，伺服電機通過聯(lián)軸器與機械主軸相連，測量系統(tǒng)包括溫度測量、熱變形測量及軸承預緊力測量。通過數(shù)據采集卡同步采集溫度傳感器、位移傳感器信號及應變片信號，測量機械主軸中關鍵點的溫度、熱變形及軸承預緊力情況。本發(fā)明結構緊湊，與現(xiàn)有的相關研究裝置相比，本裝置考慮定位預緊形式下的主軸終端熱漂移和在定壓預緊形式下會產生的箱體相對于可移動軸套的位移，實現(xiàn)了在一臺實驗設備上完成定位預緊與定壓預緊的變換，操作簡便。
【專利說明】一種機械主軸系統(tǒng)熱分析綜合測試實驗裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于機械制造【技術領域】，特別涉及一種機械主軸系統(tǒng)熱分析綜合測試實驗裝置?！颈尘凹夹g】
[0002]機床又稱為“工作母機”，是機加工的基礎設備。機床產業(yè)是一個國家發(fā)展的基礎產業(yè)，一個國家的機床行業(yè)發(fā)展水平在一定程度上標志著一個國家工業(yè)化程度的高低。高檔數(shù)控機床更是國家戰(zhàn)略層面的基礎制造裝備。隨著機床行業(yè)的逐步升級，人們對機床的加工精度及精度保持性提出了更高的要求。在機床的總誤差中，熱誤差占有很大的比例。國外的研究學者認為，熱變形引起的制造誤差約占總制造誤差的40%-70%。
[0003]主軸作為機床的加工執(zhí)行部件，是機床最重要的組成部分。其在運轉過程中所產生的溫度場及變形場直接影響著機床的加工精度。機械主軸是目前而言最為常用的主軸類型之一，如何能準確模擬機械主軸在工作中的運行狀態(tài)并準確的測量溫度及熱變形情況有著重要的意義。
[0004]主軸轉速、外部載荷、軸承預緊方式、預緊力大小等都是研究機械主軸中熱現(xiàn)象的關鍵因素。其中，如何能夠在一個實驗平臺上實現(xiàn)軸承定位預緊形式與定壓預緊形式的變換，如何能夠準確的模擬外部載荷實現(xiàn)軸向載荷及旋轉徑向載荷施加等都是該類實驗平臺中設計的難點。除此之外，實驗平臺需要實現(xiàn)對機械主軸中的關鍵點進行溫度測量、熱變形測量以及對軸承預緊力的精確測量。目前，尚沒有實驗平臺能夠綜合全面的考慮這些因素并完成測量。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種機械主軸系統(tǒng)熱分析綜合測試實驗裝置，其特征在于所述的實驗裝置包括機械主軸主體結構、切削載荷模擬加載機構及測量系統(tǒng)；
[0006]所述的機械主軸主體結構是在底板I上裝有電機支撐座2，伺服電機3固定在電機支撐座2上，伺服電機3通過聯(lián)軸器4與機械主軸5相連，并帶動機械主軸5實現(xiàn)旋轉運動；機械主軸5上安裝有后支撐軸承6與前支撐軸承7 ;后軸承6與前軸承7分別用前軸套8與后軸套9固定各軸承的外圈，前軸套8與后軸套9上貼有應變片10與11。其中前軸套8與可移動軸套12接觸，可移動軸套12與箱體13間形成液壓缸14，實現(xiàn)軸承預緊力的定量控制；螺釘15沿圓周方向布置6個，用以實現(xiàn)軸承定位預緊與定壓預緊的變換；調節(jié)螺栓16與螺母17實現(xiàn)箱體固定，其中螺母17位于主軸支撐座19的T型槽18中，實現(xiàn)導向，可以通過擰緊前端或后端的主軸支撐座19上調節(jié)螺栓16來決定機械主軸箱的熱膨脹方向。
[0007]所述模擬加載機構是在底板I上裝有伺服電機20，通過傳動帶21帶動旋轉構件22旋轉，旋轉構件22與構件23由螺釘鎖緊一起旋轉；所述旋轉構件22通過螺釘與圓盤24固接。圓盤24與徑向推力構件25形成徑向第一液壓缸26，通過液壓推力作用實現(xiàn)旋轉徑向力的加載；軸套27與構件23通過螺栓固定，推力部件28與軸套27固接；軸套27、推力部件28、旋轉構件22間形成第二液壓缸29，實現(xiàn)軸向力的施加；精密測試棒30及其固接構件31分別由深溝球軸承32與推力軸承33支撐；精密測試棒30與機械主軸5卡緊，旋轉構件22由軸承34與加載機構箱體35連接。
[0008]所述測量系統(tǒng)可分為三部分:分別為溫度測量裝置、熱變形測量裝置及軸承預緊力測量裝置。
[0009]所述溫度測量裝置:在主軸箱箱體13表面布有第一貼片式溫度傳感器36及第二貼片式溫度傳感器42 ;在箱體表面打孔并插入第一溫度傳感器37測量機械主軸箱內溫度；前軸承7的外圈溫度由接觸式溫度傳感器38測量，在圓周方向安裝有多個同類型傳感器，類似還有后軸承6外圈溫度測量的第二溫度傳感器44 ;前軸承處旋轉主軸溫度測量由非接觸式的紅外溫度傳感器37完成。
[0010]所述位移測量裝置:其中位移傳感器支架40通過緊固螺栓41與機械主軸箱后法蘭盤45相連；位移傳感器43通過螺母與位移傳感器支架40相連，可以用來測定箱體13相對可移動軸套12間的位移情況，可移動軸套(12)相對箱體位移通過構件(46)引出。其中前端的熱漂移情況可由支架固定的位移傳感器測定精密測試棒30的軸向及徑向變形情況。
[0011]所述軸承預緊力的測量裝置:前軸套8與后軸套9內表面沿軸向貼有應變片，用于測量軸套沿軸向的應變情況，從而間接得到軸承的預緊力；后軸套9上有通孔以方便應變片引線，前軸套8上的應變片弓I線通過后軸套9的內表面溝槽弓I出。
[0012]本發(fā)明有益效果是本發(fā)明結構緊湊，與現(xiàn)有的相關研究裝置相比，實現(xiàn)了在一臺實驗設備上完成定位預緊與定壓預緊的變換，操作簡單。本裝置針對機械主軸熱變形的考慮更加全面，不僅考慮定位預緊形式下的主軸終端熱漂移，更考慮了定壓預緊形式下會產生的箱體相對于可移動軸套的位移?？梢杂糜谘芯枯S承預緊力、轉速、軸承預緊方式及不同切削載荷對軸承發(fā)熱功率的影響、軸承組預緊力的變化情況、機械主軸的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)溫度場與熱變形情況等。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的整體結構示意圖。
[0014]圖2是本發(fā)明的機械主軸主體結構的半剖視圖。
[0015]圖3是本發(fā)明的模擬加載裝置的剖視圖。
[0016]圖4是本發(fā)明的部分結構示意圖，主示熱變形的測量機構。
[0017]圖5是機械主軸主體結構半剖示意圖。
【具體實施方式】
[0018]本發(fā)明的目的是提供一種機械主軸系統(tǒng)熱分析綜合測試實驗裝置，下面結合附圖與實施例對本發(fā)明提出的機械主軸系統(tǒng)熱分析綜合測試實驗裝置進行詳細說明。
[0019]圖1所示為綜合測試實驗裝置整體結構示意圖，圖所示2為機械主軸主體結構的半剖視圖。圖中，機械主軸系統(tǒng)熱分析綜合測試實驗裝置包括機械主軸主體結構、切削載荷模擬加載機構及測量系統(tǒng)；圖中，機械主軸主體結構是在底板I上裝有電機支撐座2，伺服電機3固定在電機支撐座2上，伺服電機3通過聯(lián)軸器4與機械主軸5相連，并帶動機械主軸5實現(xiàn)旋轉運動；機械主軸5上安裝有后支撐軸承6與前支撐軸承7 ;后軸承6與前軸承7分別用前軸套8與后軸套9固定各軸承的外圈，前軸套8與后軸套9上貼有應變片10與
11。其中前軸套8與可移動軸套12接觸，可移動軸套12與箱體13間形成液壓缸14，實現(xiàn)軸承預緊力的定量控制；螺釘15沿圓周方向布置6個，用以實現(xiàn)軸承定位預緊與定壓預緊的變換；調節(jié)螺栓16與螺母17實現(xiàn)箱體固定，其中螺母17位于主軸支撐座19的T型槽18中，實現(xiàn)導向，可以通過擰緊前端或后端的主軸支撐座19上調節(jié)螺栓16來決定機械主軸箱的熱膨脹方向。
[0020]所述模擬加載機構是在底板I上裝有伺服電機20，通過傳動帶21帶動旋轉構件22旋轉，旋轉構件22與構件23由螺釘鎖緊一起旋轉；所述旋轉構件22通過螺釘與圓盤24固接。圓盤24與徑向推力構件25形成徑向第一液壓缸26，通過液壓推力作用實現(xiàn)旋轉徑向力的加載；軸套27與構件23通過螺栓固定，推力部件28與軸套27固接；軸套27、推力部件28、旋轉構件22間形成第二液壓缸29，實現(xiàn)軸向力的施加；精密測試棒30及其固接構件31分別由深溝球軸承32與推力軸承33支撐；精密測試棒30與機械主軸5卡緊，旋轉構件22由軸承34與加載機構箱體35連接(如圖3、4所示)。
[0021]所述測量系統(tǒng)可分為三部分:分別為溫度測量裝置、熱變形測量裝置及軸承預緊力測量裝置。(如圖3、4、5所示)
[0022]所述溫度測量裝置:在主軸箱箱體13表面布有第一貼片式溫度傳感器36及第二貼片式溫度傳感器42 ;在箱體表面打孔并插入第一溫度傳感器37測量機械主軸箱內溫度；前軸承7的外圈溫度由接觸式溫度傳感器38測量，在圓周方向安裝有多個同類型傳感器，類似還有后軸承6外圈溫度測量的第二溫度傳感器44 ;前軸承處旋轉主軸溫度測量由非接觸式的紅外溫度傳感器39完成(如圖4、5所示)。
[0023]所述位移測量裝置:其中位移傳感器支架40通過緊固螺栓41與機械主軸箱后法蘭盤45相連；位移傳感器43通過螺母與位移傳感器支架40相連，可以用來測定箱體13相對可移動軸套12間的位移情況，可移動軸套(12)相對箱體位移通過構件(46)引出。其中前端的熱漂移情況可由支架固定的位移傳感器測定精密測試棒30的軸向及徑向變形情況。
[0024]所述軸承預緊力的測量裝置:前軸套8與后軸套9內表面沿軸向貼有應變片，用于測量軸套沿軸向的應變情況，從而間接得到軸承的預緊力；后軸套9上有通孔以方便應變片引線，前軸套8上的應變片弓I線通過后軸套9的內表面溝槽弓I出。
[0025]本發(fā)明的工作原理
[0026]如圖1-5所示，松開周向勻布螺栓15，軸承組為定壓預緊狀態(tài)，定壓裝置為液壓缸；擰緊螺釘15并撤出液壓缸14中的液壓油，軸承組由定壓預緊形式變換為定位預緊。調整液壓缸14的液壓力大小，液壓力通過可移動軸套12與前軸套8壓緊軸承6外圈，從而產生一定的軸向預緊力。通過前軸套8與后軸套9上的應變片計算各自軸承的預緊力大小。當應變片讀數(shù)為ε，可得到相應軸承的預緊力為F=AE ε，其中A為軸套的橫截面積，E為彈性模量。
[0027]啟動伺服電機3，通過聯(lián)軸器4帶動主軸5及測試棒30旋轉。由于軸承的內部摩擦產生熱，使得主軸系統(tǒng)產生相應的溫度場與變形場。定壓預緊條件下，由于主軸箱體與主軸的熱膨脹量不平均，導致可移動軸套12產生軸向竄動，通過位移傳感器43測量相應的位移量；定位預緊條件下，預緊力產生的瞬態(tài)變化通過應變片測量。
[0028]調整第一液壓缸26的液壓力大小，液壓力通過徑向推力構件25與深溝球軸承32的傳遞壓緊于測試棒30上，產生一定的徑向力載荷。啟動伺服電機20后，經過傳動帶21，帶動構件22、23、24、25、26同速轉動，使得徑向力的施加機構旋轉，產生轉動的徑向力。調整第二液壓缸29的液壓力，通過軸向推力構件28、推力軸承33及構件31的力傳遞壓緊測試棒30，產生一定的軸向力載荷。通過數(shù)據采集卡同步采集溫度傳感器、位移傳感器信號及應變片信號，測量機械主軸中關鍵點的溫度、熱變形及軸承預緊力情況。
【權利要求】
1.一種機械主軸系統(tǒng)熱分析綜合測試實驗裝置，其特征在于，所述的實驗裝置包括機械主軸主體結構、切削載荷模擬加載機構及測量系統(tǒng)組成。
2.根據權利要求1所述一種機械主軸系統(tǒng)熱分析綜合測試實驗裝置，其特征在于，所述的機械主軸主體結構是在底板(I)上裝有電機支撐座(2 )，伺服電機(3 )固定在電機支撐座(2)上，伺服電機(3)通過聯(lián)軸器(4)與機械主軸(5)相連，并帶動機械主軸(5)實現(xiàn)旋轉運動；機械主軸(5)上安裝有后支撐軸承(6)與前支撐軸承(7);后軸承(6)與前軸承(7)分別用前軸套(8)與后軸套(9)固定各軸承的外圈，前軸套(8)與后軸套(9)上貼有應變片(10)與(H);其中前軸套(8)與可移動軸套(12)接觸，可移動軸套(12)與箱體(13)間形成液壓缸(14)，實現(xiàn)軸承預緊力的定量控制；螺釘(15)沿圓周方向布置6個，用以實現(xiàn)軸承定位預緊與定壓預緊的變換；調節(jié)螺栓(16)與螺母(17)實現(xiàn)箱體固定，其中螺母(17)位于主軸支撐座(19)的T型槽(18)中，實現(xiàn)導向，可以通過擰緊前端或后端的主軸支撐座(19)上調節(jié)螺栓(16)來決定機械主軸箱的熱膨脹方向。
3.根據權利要求1所述一種機械主軸系統(tǒng)熱分析綜合測試實驗裝置，其特征在于，所述模擬加載機構是在底板(I)上裝有伺服電機(20)，通過傳動帶(21)帶動旋轉構件(22)旋轉，旋轉構件(22)與構件(23)由螺釘鎖緊一起旋轉；所述旋轉構件(22)通過螺釘與圓盤(24)固接，圓盤(24)與徑向推力構件(25)形成徑向第一液壓缸(26)，通過液壓推力作用實現(xiàn)旋轉徑向力的加載；軸套(27)與構件(23)通過螺栓固定，推力部件(28)與軸套(27)固接；軸套(27)、推力部件(28)、旋轉構件(22)間形成第二液壓缸(29)，實現(xiàn)軸向力的施加；精密測試棒(30)及其固接構件(31)分別由深溝球軸承(32)與推力軸承(33)支撐；精密測試棒(30)與機械主軸(5)卡緊，旋轉構件(22)由軸承(34)與加載機構箱體(35)連接。
4.根據權利要求1所述一種機械主軸系統(tǒng)熱分析綜合測試實驗裝置，其特征在于，所述測量系統(tǒng)包括溫度測量裝置、熱變形測量裝置及軸承預緊力測量裝置； 所述溫度測量裝置:在主軸箱箱體(13)表面布有第一貼片式溫度傳感器(36)及第二貼片式溫度傳感器(42);在箱體表面打孔并插入第一溫度傳感器(37)測量機械主軸箱內溫度；前軸承(7)的外圈溫度由接觸式溫度傳感器(38)測量，在圓周方向安裝有多個同類型傳感器，類似還有后軸承(6)外圈溫度測量的第二溫度傳感器(44);前軸承處旋轉主軸溫度測量由非接觸式的紅外溫度傳感器(39)完成； 所述位移測量裝置:其中位移傳感器支架(40)通過緊固螺栓(41)與機械主軸箱后法蘭盤(45)相連；位移傳感器(43)通過螺母與位移傳感器支架(40)相連，可以用來測定箱體(13)相對可移動軸套(12)間的位移情況，可移動軸套(12)相對箱體位移通過構件(46)引出；其中前端的熱漂移情況可由支架固定的位移傳感器測定精密測試棒(30)的軸向及徑向變形情況； 所述軸承預緊力的測量裝置:前軸套(8)與后軸套(9)內表面沿軸向貼有應變片，用于測量軸套沿軸向的應變情況，從而間接得到軸承的預緊力；后軸套(9)上有通孔以方便應變片引線，前軸套(8 )上的應變片弓I線通過后軸套(9 )的內表面溝槽引出。
【文檔編號】G01M13/04GK103868693SQ201410114833
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月25日 優(yōu)先權日:2014年3月25日
【發(fā)明者】王立平, 王海同, 李逢春, 李鐵民 申請人:清華大學