一種機(jī)械主軸系統(tǒng)熱分析綜合測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了屬于機(jī)械制造【技術(shù)領(lǐng)域】的一種機(jī)械主軸系統(tǒng)熱分析綜合測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置。綜合測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置包括機(jī)械主軸主體結(jié)構(gòu)、切削載荷模擬加載機(jī)構(gòu)及測(cè)量系統(tǒng)；在底板上裝有電機(jī)支撐座，伺服電機(jī)固定在電機(jī)支撐座上，伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器與機(jī)械主軸相連，測(cè)量系統(tǒng)包括溫度測(cè)量、熱變形測(cè)量及軸承預(yù)緊力測(cè)量。通過數(shù)據(jù)采集卡同步采集溫度傳感器、位移傳感器信號(hào)及應(yīng)變片信號(hào)，測(cè)量機(jī)械主軸中關(guān)鍵點(diǎn)的溫度、熱變形及軸承預(yù)緊力情況。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，與現(xiàn)有的相關(guān)研究裝置相比，本裝置考慮定位預(yù)緊形式下的主軸終端熱漂移和在定壓預(yù)緊形式下會(huì)產(chǎn)生的箱體相對(duì)于可移動(dòng)軸套的位移，實(shí)現(xiàn)了在一臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備上完成定位預(yù)緊與定壓預(yù)緊的變換，操作簡(jiǎn)便。
【專利說明】一種機(jī)械主軸系統(tǒng)熱分析綜合測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)械制造【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種機(jī)械主軸系統(tǒng)熱分析綜合測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]機(jī)床又稱為“工作母機(jī)”，是機(jī)加工的基礎(chǔ)設(shè)備。機(jī)床產(chǎn)業(yè)是一個(gè)國(guó)家發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，一個(gè)國(guó)家的機(jī)床行業(yè)發(fā)展水平在一定程度上標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家工業(yè)化程度的高低。高檔數(shù)控機(jī)床更是國(guó)家戰(zhàn)略層面的基礎(chǔ)制造裝備。隨著機(jī)床行業(yè)的逐步升級(jí)，人們對(duì)機(jī)床的加工精度及精度保持性提出了更高的要求。在機(jī)床的總誤差中，熱誤差占有很大的比例。國(guó)外的研究學(xué)者認(rèn)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(jī)床的加工執(zhí)行部件，是機(jī)床最重要的組成部分。其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生的溫度場(chǎng)及變形場(chǎng)直接影響著機(jī)床的加工精度。機(jī)械主軸是目前而言最為常用的主軸類型之一，如何能準(zhǔn)確模擬機(jī)械主軸在工作中的運(yùn)行狀態(tài)并準(zhǔn)確的測(cè)量溫度及熱變形情況有著重要的意義。
[0004]主軸轉(zhuǎn)速、外部載荷、軸承預(yù)緊方式、預(yù)緊力大小等都是研究機(jī)械主軸中熱現(xiàn)象的關(guān)鍵因素。其中，如何能夠在一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)軸承定位預(yù)緊形式與定壓預(yù)緊形式的變換，如何能夠準(zhǔn)確的模擬外部載荷實(shí)現(xiàn)軸向載荷及旋轉(zhuǎn)徑向載荷施加等都是該類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。除此之外，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械主軸中的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行溫度測(cè)量、熱變形測(cè)量以及對(duì)軸承預(yù)緊力的精確測(cè)量。目前，尚沒有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠綜合全面的考慮這些因素并完成測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種機(jī)械主軸系統(tǒng)熱分析綜合測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述的實(shí)驗(yàn)裝置包括機(jī)械主軸主體結(jié)構(gòu)、切削載荷模擬加載機(jī)構(gòu)及測(cè)量系統(tǒng)；
[0006]所述的機(jī)械主軸主體結(jié)構(gòu)是在底板I上裝有電機(jī)支撐座2，伺服電機(jī)3固定在電機(jī)支撐座2上，伺服電機(jī)3通過聯(lián)軸器4與機(jī)械主軸5相連，并帶動(dòng)機(jī)械主軸5實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；機(jī)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(yīng)變片10與11。其中前軸套8與可移動(dòng)軸套12接觸，可移動(dòng)軸套12與箱體13間形成液壓缸14，實(shí)現(xiàn)軸承預(yù)緊力的定量控制；螺釘15沿圓周方向布置6個(gè)，用以實(shí)現(xiàn)軸承定位預(yù)緊與定壓預(yù)緊的變換；調(diào)節(jié)螺栓16與螺母17實(shí)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(shí)現(xiàn)導(dǎo)向，可以通過擰緊前端或后端的主軸支撐座19上調(diào)節(jié)螺栓16來決定機(jī)械主軸箱的熱膨脹方向。
[0007]所述模擬加載機(jī)構(gòu)是在底板I上裝有伺服電機(jī)20，通過傳動(dòng)帶21帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件22旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件22與構(gòu)件23由螺釘鎖緊一起旋轉(zhuǎn)；所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件22通過螺釘與圓盤24固接。圓盤24與徑向推力構(gòu)件25形成徑向第一液壓缸26，通過液壓推力作用實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)徑向力的加載；軸套27與構(gòu)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(zhuǎn)構(gòu)件22間形成第二液壓缸29，實(shí)現(xiàn)軸向力的施加；精密測(cè)試棒30及其固接構(gòu)件31分別由深溝球軸承32與推力軸承33支撐；精密測(cè)試棒30與機(jī)械主軸5卡緊，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件22由軸承34與加載機(jī)構(gòu)箱體35連接。
[0008]所述測(cè)量系統(tǒng)可分為三部分:分別為溫度測(cè)量裝置、熱變形測(cè)量裝置及軸承預(yù)緊力測(cè)量裝置。
[0009]所述溫度測(cè)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(cè)量機(jī)械主軸箱內(nèi)溫度；前軸承7的外圈溫度由接觸式溫度傳感器38測(cè)量，在圓周方向安裝有多個(gè)同類型傳感器，類似還有后軸承6外圈溫度測(cè)量的第二溫度傳感器44 ;前軸承處旋轉(zhuǎn)主軸溫度測(cè)量由非接觸式的紅外溫度傳感器37完成。
[0010]所述位移測(cè)量裝置:其中位移傳感器支架40通過緊固螺栓41與機(jī)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(cè)定箱體13相對(duì)可移動(dòng)軸套12間的位移情況，可移動(dòng)軸套(12)相對(duì)箱體位移通過構(gòu)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(cè)定精密測(cè)試棒30的軸向及徑向變形情況。
[0011]所述軸承預(yù)緊力的測(cè)量裝置:前軸套8與后軸套9內(nèi)表面沿軸向貼有應(yīng)變片，用于測(cè)量軸套沿軸向的應(yīng)變情況，從而間接得到軸承的預(yù)緊力；后軸套9上有通孔以方便應(yīng)變片引線，前軸套8上的應(yīng)變片弓I線通過后軸套9的內(nèi)表面溝槽弓I出。
[0012]本發(fā)明有益效果是本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，與現(xiàn)有的相關(guān)研究裝置相比，實(shí)現(xiàn)了在一臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備上完成定位預(yù)緊與定壓預(yù)緊的變換，操作簡(jiǎn)單。本裝置針對(duì)機(jī)械主軸熱變形的考慮更加全面，不僅考慮定位預(yù)緊形式下的主軸終端熱漂移，更考慮了定壓預(yù)緊形式下會(huì)產(chǎn)生的箱體相對(duì)于可移動(dòng)軸套的位移?？梢杂糜谘芯枯S承預(yù)緊力、轉(zhuǎn)速、軸承預(yù)緊方式及不同切削載荷對(duì)軸承發(fā)熱功率的影響、軸承組預(yù)緊力的變化情況、機(jī)械主軸的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)溫度場(chǎng)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(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2是本發(fā)明的機(jī)械主軸主體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖，主示熱變形的測(cè)量機(jī)構(gòu)。
[0017]圖5是機(jī)械主軸主體結(jié)構(gòu)半剖示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]本發(fā)明的目的是提供一種機(jī)械主軸系統(tǒng)熱分析綜合測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提出的機(jī)械主軸系統(tǒng)熱分析綜合測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0019]圖1所示為綜合測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖所示2為機(jī)械主軸主體結(jié)構(gòu)的半剖視圖。圖中，機(jī)械主軸系統(tǒng)熱分析綜合測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置包括機(jī)械主軸主體結(jié)構(gòu)、切削載荷模擬加載機(jī)構(gòu)及測(cè)量系統(tǒng)；圖中，機(jī)械主軸主體結(jié)構(gòu)是在底板I上裝有電機(jī)支撐座2，伺服電機(jī)3固定在電機(jī)支撐座2上，伺服電機(jī)3通過聯(lián)軸器4與機(jī)械主軸5相連，并帶動(dòng)機(jī)械主軸5實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；機(jī)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(yīng)變片10與
11。其中前軸套8與可移動(dòng)軸套12接觸，可移動(dòng)軸套12與箱體13間形成液壓缸14，實(shí)現(xiàn)軸承預(yù)緊力的定量控制；螺釘15沿圓周方向布置6個(gè)，用以實(shí)現(xiàn)軸承定位預(yù)緊與定壓預(yù)緊的變換；調(diào)節(jié)螺栓16與螺母17實(shí)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(shí)現(xiàn)導(dǎo)向，可以通過擰緊前端或后端的主軸支撐座19上調(diào)節(jié)螺栓16來決定機(jī)械主軸箱的熱膨脹方向。
[0020]所述模擬加載機(jī)構(gòu)是在底板I上裝有伺服電機(jī)20，通過傳動(dòng)帶21帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件22旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件22與構(gòu)件23由螺釘鎖緊一起旋轉(zhuǎn)；所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件22通過螺釘與圓盤24固接。圓盤24與徑向推力構(gòu)件25形成徑向第一液壓缸26，通過液壓推力作用實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)徑向力的加載；軸套27與構(gòu)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(zhuǎn)構(gòu)件22間形成第二液壓缸29，實(shí)現(xiàn)軸向力的施加；精密測(cè)試棒30及其固接構(gòu)件31分別由深溝球軸承32與推力軸承33支撐；精密測(cè)試棒30與機(jī)械主軸5卡緊，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件22由軸承34與加載機(jī)構(gòu)箱體35連接(如圖3、4所示)。
[0021]所述測(cè)量系統(tǒng)可分為三部分:分別為溫度測(cè)量裝置、熱變形測(cè)量裝置及軸承預(yù)緊力測(cè)量裝置。(如圖3、4、5所示)
[0022]所述溫度測(cè)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(cè)量機(jī)械主軸箱內(nèi)溫度；前軸承7的外圈溫度由接觸式溫度傳感器38測(cè)量，在圓周方向安裝有多個(gè)同類型傳感器，類似還有后軸承6外圈溫度測(cè)量的第二溫度傳感器44 ;前軸承處旋轉(zhuǎn)主軸溫度測(cè)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(cè)量裝置:其中位移傳感器支架40通過緊固螺栓41與機(jī)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(cè)定箱體13相對(duì)可移動(dòng)軸套12間的位移情況，可移動(dòng)軸套(12)相對(duì)箱體位移通過構(gòu)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(cè)定精密測(cè)試棒30的軸向及徑向變形情況。
[0024]所述軸承預(yù)緊力的測(cè)量裝置:前軸套8與后軸套9內(nèi)表面沿軸向貼有應(yīng)變片，用于測(cè)量軸套沿軸向的應(yīng)變情況，從而間接得到軸承的預(yù)緊力；后軸套9上有通孔以方便應(yīng)變片引線，前軸套8上的應(yīng)變片弓I線通過后軸套9的內(nèi)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(yù)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(yù)緊形式變換為定位預(yù)緊。調(diào)整液壓缸14的液壓力大小，液壓力通過可移動(dòng)軸套12與前軸套8壓緊軸承6外圈，從而產(chǎn)生一定的軸向預(yù)緊力。通過前軸套8與后軸套9上的應(yīng)變片計(jì)算各自軸承的預(yù)緊力大小。當(dāng)應(yīng)變片讀數(shù)為ε，可得到相應(yīng)軸承的預(yù)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(dòng)伺服電機(jī)3，通過聯(lián)軸器4帶動(dòng)主軸5及測(cè)試棒30旋轉(zhuǎn)。由于軸承的內(nèi)部摩擦產(chǎn)生熱，使得主軸系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的溫度場(chǎng)與變形場(chǎng)。定壓預(yù)緊條件下，由于主軸箱體與主軸的熱膨脹量不平均，導(dǎo)致可移動(dòng)軸套12產(chǎn)生軸向竄動(dòng)，通過位移傳感器43測(cè)量相應(yīng)的位移量；定位預(yù)緊條件下，預(yù)緊力產(chǎn)生的瞬態(tài)變化通過應(yīng)變片測(cè)量。
[0028]調(diào)整第一液壓缸26的液壓力大小，液壓力通過徑向推力構(gòu)件25與深溝球軸承32的傳遞壓緊于測(cè)試棒30上，產(chǎn)生一定的徑向力載荷。啟動(dòng)伺服電機(jī)20后，經(jīng)過傳動(dòng)帶21，帶動(dòng)構(gòu)件22、23、24、25、26同速轉(zhuǎn)動(dòng)，使得徑向力的施加機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)的徑向力。調(diào)整第二液壓缸29的液壓力，通過軸向推力構(gòu)件28、推力軸承33及構(gòu)件31的力傳遞壓緊測(cè)試棒30，產(chǎn)生一定的軸向力載荷。通過數(shù)據(jù)采集卡同步采集溫度傳感器、位移傳感器信號(hào)及應(yīng)變片信號(hào)，測(cè)量機(jī)械主軸中關(guān)鍵點(diǎn)的溫度、熱變形及軸承預(yù)緊力情況。
【權(quán)利要求】
1.一種機(jī)械主軸系統(tǒng)熱分析綜合測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的實(shí)驗(yàn)裝置包括機(jī)械主軸主體結(jié)構(gòu)、切削載荷模擬加載機(jī)構(gòu)及測(cè)量系統(tǒng)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種機(jī)械主軸系統(tǒng)熱分析綜合測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的機(jī)械主軸主體結(jié)構(gòu)是在底板(I)上裝有電機(jī)支撐座(2 )，伺服電機(jī)(3 )固定在電機(jī)支撐座(2)上，伺服電機(jī)(3)通過聯(lián)軸器(4)與機(jī)械主軸(5)相連，并帶動(dòng)機(jī)械主軸(5)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；機(jī)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(yīng)變片(10)與(H);其中前軸套(8)與可移動(dòng)軸套(12)接觸，可移動(dòng)軸套(12)與箱體(13)間形成液壓缸(14)，實(shí)現(xiàn)軸承預(yù)緊力的定量控制；螺釘(15)沿圓周方向布置6個(gè)，用以實(shí)現(xiàn)軸承定位預(yù)緊與定壓預(yù)緊的變換；調(diào)節(jié)螺栓(16)與螺母(17)實(shí)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(shí)現(xiàn)導(dǎo)向，可以通過擰緊前端或后端的主軸支撐座(19)上調(diào)節(jié)螺栓(16)來決定機(jī)械主軸箱的熱膨脹方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種機(jī)械主軸系統(tǒng)熱分析綜合測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述模擬加載機(jī)構(gòu)是在底板(I)上裝有伺服電機(jī)(20)，通過傳動(dòng)帶(21)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件(22)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件(22)與構(gòu)件(23)由螺釘鎖緊一起旋轉(zhuǎn)；所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件(22)通過螺釘與圓盤(24)固接，圓盤(24)與徑向推力構(gòu)件(25)形成徑向第一液壓缸(26)，通過液壓推力作用實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)徑向力的加載；軸套(27)與構(gòu)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(zhuǎn)構(gòu)件(22)間形成第二液壓缸(29)，實(shí)現(xiàn)軸向力的施加；精密測(cè)試棒(30)及其固接構(gòu)件(31)分別由深溝球軸承(32)與推力軸承(33)支撐；精密測(cè)試棒(30)與機(jī)械主軸(5)卡緊，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件(22)由軸承(34)與加載機(jī)構(gòu)箱體(35)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種機(jī)械主軸系統(tǒng)熱分析綜合測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述測(cè)量系統(tǒng)包括溫度測(cè)量裝置、熱變形測(cè)量裝置及軸承預(yù)緊力測(cè)量裝置； 所述溫度測(cè)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(cè)量機(jī)械主軸箱內(nèi)溫度；前軸承(7)的外圈溫度由接觸式溫度傳感器(38)測(cè)量，在圓周方向安裝有多個(gè)同類型傳感器，類似還有后軸承(6)外圈溫度測(cè)量的第二溫度傳感器(44);前軸承處旋轉(zhuǎn)主軸溫度測(cè)量由非接觸式的紅外溫度傳感器(39)完成； 所述位移測(cè)量裝置:其中位移傳感器支架(40)通過緊固螺栓(41)與機(jī)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(cè)定箱體(13)相對(duì)可移動(dòng)軸套(12)間的位移情況，可移動(dòng)軸套(12)相對(duì)箱體位移通過構(gòu)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(cè)定精密測(cè)試棒(30)的軸向及徑向變形情況； 所述軸承預(yù)緊力的測(cè)量裝置:前軸套(8)與后軸套(9)內(nèi)表面沿軸向貼有應(yīng)變片，用于測(cè)量軸套沿軸向的應(yīng)變情況，從而間接得到軸承的預(yù)緊力；后軸套(9)上有通孔以方便應(yīng)變片引線，前軸套(8 )上的應(yīng)變片弓I線通過后軸套(9 )的內(nèi)表面溝槽引出。
【文檔編號(hào)】G01M13/04GK103868693SQ201410114833
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年3月25日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:清華大學(xué)