一种用于电主轴可靠性测试的加载装置和加载方法与流程

本发明属于机械设备可靠性测试技术领域，具体涉及一种用于电主轴可靠性测试的加载装置和加载方法。

背景技术：

电主轴是采用高速切削技术的数控机床的核心功能部件之一，其主要功能是实现机床的切削运动。它将机床主轴与电机轴合二为一，实现了主运动系统的“零传动”。这种“零传动”不仅使电主轴具有了结构紧凑、转速高、易于平衡、传动效率高和定位准确等优点，而且还简化了机床的传动与结构，提高了机床的动态灵敏度、加工精度和工作可靠性，满足了高速切削时对机床“高速度、高精度、高可靠性及小振动”的要求。作为高速加工中心的最关键部件，其性能好坏在很大程度上决定了整台高速机床的加工精度和生产效率，而电主轴的可靠性更是体现了整台机床在生产过程中的可用性。

目前，国内的研究机构对电主轴的研究大多停留在空运转或静态力试验，并不能还原电主轴正常切削时的真实工况，因此对于研究提高电主轴可靠性的帮助也是有限的。另一方面，在现有电主轴的加载装置中，以电磁加载装置为主，所需空间大，成本高，结构复杂，调试困难且高速状态下加载难度大。

技术实现要素：

针对以上存在的技术问题，本发明提出了一种用于电主轴可靠性测试的加载装置和加载方法，通过使用本发明所述的用于电主轴可靠性测试的加载装置和加载方法，能够有效地模拟数控机床工作状态下的径向力和轴向力对电主轴的影响，且加载装置整体采用机械结构，结构简单，使用方便，有利于提高对电主轴可靠性研究的可靠性。

本发明所述的用于电主轴可靠性测试的加载装置，其中包括：

推杆支架，所述推杆支架能够固定安装于机床工作台上，用于对所述加载装置整体进行定位和调节；

紧固滑块，所述紧固滑块能够通过锁紧件固定设于所述推杆支架的表面，且所述紧固滑块能够通过所述锁紧件的调节沿所述推杆支架表面连续运动；

推杆，用于对所述电主轴上的加载杆施加载荷；

加载器，用于调节所述推杆对所述电主轴上的加载杆所施加的载荷，所述加载器能够套设于所述推杆的外表面，其一端能够固定设于所述推杆支架上，另一端能够固定设于所述推杆的外表面；

轴承座，所述轴承座能够套设于所述加载杆的一端，其内部设有轴承；

所述推杆的一端能够枢转地连接于所述轴承座的外表面，所述推杆的另一端能够与所述锁紧件相连，所述推杆能够沿所述锁紧件进行轴向移动及绕所述锁紧件进行转动，通过调整所述紧固滑块在所述推杆支架外表面的位置能够调节所述推杆的摆角，通过调节所述加载器能够控制所述推杆对所述加载杆的施加载荷。

进一步地，所述推杆支架的内部为空心结构，所述推杆支架与所述加载器相连接的一侧设有1/4段圆弧形导轨，所述推杆支架与所述1/4段圆弧形导轨所在的侧面相垂直的两侧面上分别设有1/4段圆弧形通槽，所述锁紧件能够穿过两侧面的所述1/4段圆弧形通槽，并将所述紧固滑块固定设于所述推杆支架的表面。

进一步地，所述推杆与所述锁紧件相连的一端设于所述推杆支架的内部，且在靠近所述推杆端部的位置设有长圆孔，所述长圆孔贯穿所述推杆表面，所述锁紧件能够穿过所述长圆孔并通过所述长圆孔对所述推杆进行定位。

进一步地，所述加载器包括加载螺母、弹簧和弹簧挡板，所述弹簧挡板固定贴合于所述推杆支架上，所述加载螺母固定设于所述推杆的外表面上，通过调节所述加载螺母能够改变所述弹簧的伸缩量。

进一步地，所述加载装置还包括底座，所述推杆支架能够转动地设于所述底座上，所述底座固定在所述工作台表面。

进一步地，所述锁紧件包括通过螺纹连接的蝶形螺母和螺钉，所述蝶形螺母设于所述推杆支架的一个侧面上，所述螺钉能够穿过所述推杆支架两侧面的1/4段圆弧形通槽并与所述紧固滑块连接，将所述紧固滑块固定设于所述推杆支架的表面。

进一步地，所述轴承座内的轴承为角接触球轴承。

进一步地，所述推杆通过销轴可转动地设于所述轴承座的外表面。

本发明所述的加载方法，其中包括以下步骤：

固定推杆支架：调整所述推杆支架的位置，并将其固定于所述机床工作台上；

安装加载杆：通过所述电主轴上的刀柄和弹簧筒夹将所述加载杆固定于所述电主轴上；

确定推杆的摆角及加载器的施加载荷：通过电主轴载荷谱确定所述电主轴所需承受的径向力和轴向力的大小，通过所述径向力和轴向力的大小计算所述电主轴所受的合力大小以及合力与所述电主轴的中轴线间的夹角，根据计算结果确定所述推杆的摆角及加载器的施加载荷；

调整推杆的摆角及加载器的施加载荷：调节所述推杆至水平位置，且所述加载器处于自然状态，所述加载器内部各零部件间无相互作用力，根据确定后的所述推杆的摆角及加载器的施加载荷，通过移动所述紧固滑块使所述推杆调节至计算后的摆角位置，旋紧所述锁紧件，将所述紧固滑块固定于所述推杆支架表面，并调节所述加载器的施加载荷；

参数采集：控制所述电主轴以一定的转速转动，所述机床工作台以所述电主轴的中轴线为轴线做圆周运动，通过采集系统采集所述电主轴的性能参数。

进一步地，在所述调整推杆的摆角及加载器的施加载荷的过程中，通过调整所述推杆外表面的所述加载螺母能够调节所述弹簧的伸缩量，以用来调节所述加载器的施加载荷。

通过使用本发明所述的用于电主轴可靠性测试的加载装置和加载方法能够有效地模拟数控机床工作状态下的径向力和轴向力对电主轴的影响，且加载装置整体采用机械结构，结构简单，使用方便，有利于提高对电主轴可靠性研究的可靠性。

通过在所述推杆支架上设置1/4段圆弧通槽，所述锁紧件能够连续的在1/4段圆弧内进行移动，从而满足所述推杆对所述电主轴0-90°夹角范围内的持续载荷，同时，随着工作台绕主轴0-360°的旋转，可以满足所述电主轴实际工况下受到的来自各角度的载荷，有效的模拟所述电主轴的实际工况。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明所述的加载装置实施例的机构简图；

图2为图1中实施例加载时的力分解图；

图3为图1中实施例的侧面结构示意图；

图4为图3中实施例的侧面结构的剖视图；

图5为图4中实施例的I部的放大图；

图6为本发明所述的加载方法的流程图。

附图中各标记表示如下：

11：推杆支架、12：紧固滑块、13：加载器、14：推杆、15：轴承座、16：底座、17：加载杆、18：蝶形螺母；

131：加载螺母、132：弹簧、133：弹簧挡板；

21：电主轴、22：机床工作台、23：T型螺栓。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1为本发明所述的加载装置实施例的机构简图。如图1所示，所述用于电主轴可靠性测试的加载装置包括推杆支架11、紧固滑块12、推杆14、加载器13和轴承座15。其中，推杆支架11能够固定安装于机床工作台22上，用于对加载装置整体进行定位和调节。紧固滑块12能够通过锁紧件固定设于推杆支架11的表面，且紧固滑块12能够通过锁紧件的调节沿推杆支架11表面连续运动。推杆14用于对电主轴21上的加载杆17施加载荷。加载器13用于调节推杆14对电主轴21上的加载杆17所施加的载荷。加载器13能够套设于推杆14的外表面，其一端能够固定设于推杆支架11上，另一端能够固定设于推杆14的外表面。轴承座15用于套设于加载杆17的一端，其内部设有轴承。推杆14的一端能够枢转地连接于轴承座15的外表面，推杆14的另一端能够与锁紧件相连，推杆14能够沿锁紧件进行轴向移动及绕锁紧件进行转动，通过调整紧固滑块12在推杆支架11外表面的位置能够调节推杆14的摆角，通过调节加载器13能够控制推杆14对加载杆17的加载载荷。

当需要改变推杆14对加载杆17的加载载荷时，通过调整加载器13，改变推杆14和推杆支架11间的作用力，从而改变推杆14对加载杆17的加载载荷。当调整加载器13时，需提前旋紧锁紧件，防止推杆14的移动，由于作用力的作用，推杆14会沿轴向方向发生微小的形变。

进一步地，推杆支架11的内部为空心结构，与加载器13相连接的一侧设有1/4段圆弧形导轨，与1/4段圆弧形导轨所在的侧面相垂直的两侧面上分别设有1/4段圆弧形通槽，锁紧件能够穿过两侧面的1/4段圆弧形通槽，并将紧固滑块12固定设于推杆支架11的表面。

进一步地，推杆14与锁紧件相连的一端设于推杆支架11的内部，且在靠近推杆14端部的位置设有长圆孔，长圆孔贯穿推杆14的表面，锁紧件能够穿过长圆孔并通过长圆孔对推杆14进行定位。

加载杆17通过刀柄和弹簧筒夹固定在电主轴21上，通过对加载杆17施加载荷从而传导至电主轴21上，完成对电主轴21正常工作状态下的载荷模拟。

通过在数控机床工作台22上安装推杆支架11，以加载器13施加的力为加载载荷，利用推杆支架11上的1/4段圆弧形导轨，推杆支架11结合机床工作台上22的360°旋转，在半球范围内任意方向上对电主轴21施加大小可连续变化的载荷，可实现对电主轴21的径向力和轴向力的同时加载，从而在改变电主轴21转速的基础上，模拟电主轴21某种实际工况下的受载情况。另外，利用数控机床工作台22的平动的可以对实际工况下的进给速度进行模拟。

在数控系统中，一般通过编写G代码，设定转速以实现电主轴21转速的改变以及实现机床工作台22的圆弧插补运动。在本试验方法中，不同的转速下电主轴21所承受的载荷是不同的，所以，每次改变转速，都需要重新计算电主轴21受到的合力以及合力与电主轴21中轴线之间的夹角，需频繁调节推杆14的摆角以及加载器13的位置，这样才能实现模拟电主轴21实际工况下的受载情况。

进一步地，为实现推杆14摆角的运动，推杆14通过销轴可转动的连接于轴承座15的外表面。

通过使用本发明所述的用于电主轴可靠性测试的加载装置和加载方法，能够有效地模拟数控机床工作状态下的径向力和轴向力对电主轴的影响，且加载装置整体采用机械结构，结构简单，使用方便，有利于提高对电主轴可靠性研究的可靠性。

进一步地，轴承座15内设置的轴承为角接触球轴承。推杆14通过角接触球轴承座与电主轴21轴端的加载杆17连接，将径向力和轴向力传递到电主轴21上。

图2为图1中实施例加载时的力分解图。其中α为加载载荷和电主轴轴线的夹角，Fa为轴向力，Fr为径向力，F为加载器提供载荷大小。Fa＝Fcosα，Fr＝Fsinα。径向力和轴向力通过电主轴载荷谱得到，通过径向力、轴向力与合力的关系，方便计算得到推杆14与电主轴21中轴线的夹角和合力大小。

图3为图1中实施例的侧面结构示意图。图4为图3中实施例的侧面结构的剖视图。如图所示，加载器包括加载螺母131、弹簧132和弹簧挡板133，弹簧挡板133固定贴合于推杆支架11上，加载螺母131固定设于推杆14的外表面上，通过调节加载螺母131能够改变弹簧132的伸缩量。

弹簧挡板133设于推杆14的外表面上，并抵靠在推杆支架11的侧面。加载螺母131同样设于推杆14的外表面上，并与推杆14外表面之间以螺纹形式连接。弹簧132设于弹簧挡板133和加载螺母131之间，通过转动加载螺母131，可以改变弹簧132的伸缩长度，进而改变弹簧132的推力。由于弹簧132的一端通过弹簧挡板133与推杆支架11连接，另一端通过加载螺母131与推杆14的另一端连接，在旋紧锁紧件的情况下，推杆14能够在弹簧132的作用力改变的情况下，沿轴向方向发生微小的形变，从而改变推杆14对电主轴21的作用力。

进一步地，加载装置还包括底座16，推杆支架11能够转动的设于底座16上，底座16固定在机床工作台22表面。

机床工作台22上设有多个T型槽。底座16通过T型螺栓23与机床工作台22连接固定，并可以随机床工作台22在X、Y方向上作进给运动。推杆支架11和底座16之间通过转动副连接，推杆支架11能够转动的设于底座16上。当对推杆支架11进行安装时，由于不能一次性的将电主轴21与轴承座15的中轴线对齐，可通过工作台的移动和旋转推杆支架11在底座16上的方向进行对齐，方便组装和定位。

进一步地，本实施例中的锁紧件包括通过螺纹连接的蝶形螺母18和螺钉，蝶形螺母18设于推杆支架11的一个侧面上，螺钉的一端与蝶形螺母18连接，另一端能够穿过推杆支架11两侧面的1/4段圆弧形通槽并与紧固滑块12相连，并通过旋紧蝶形螺母18将紧固滑块12固定设于推杆支架11的表面。

通过旋紧蝶形螺母18，可以将紧固滑块12固定于推杆支架11上。由于螺钉穿过推杆14的长圆孔，因此，固定紧固滑块12的同时，对推杆14也能够进行定位。定位后的推杆14只能够沿轴线方向发生微小的形变和绕螺钉轴线的旋转运动。

图6为本发明所述的加载方法的流程图。如图所示，所述加载方法包括以下步骤：

固定推杆支架11：调整推杆支架11的位置，并将其固定于机床工作台22上。

安装加载杆14：通过所述电主轴21上的刀柄和弹簧筒夹将所述加载杆17固定于所述电主轴21上。

图5为图4中实施例的I部的放大图。如图5所示，加载杆17的下方设有一圈凸缘，为防止在转动过程中造成轴承座15滑落，便于安装，防止事故发生。同时，凸缘还有很好的散热效果。由于此结构设计，需要在调整好推杆支架11的位置后，预先将加载杆17从下方穿入轴承座15内。并通过刀柄和弹簧筒夹固定在电主轴21上。

确定推杆14的摆角及加载器13的施加载荷：通过电主轴21载荷谱确定电主轴21所需承受的径向力和轴向力的大小，通过径向力和轴向力的大小计算电主轴21所受的合力大小以及合力与电主轴21的中轴线间的夹角，根据计算结果确定推杆14的摆角及加载器13的施加载荷。

调整推杆14的摆角及加载器13的施加载荷：调节推杆14至水平位置，且加载器13处于自然状态，加载器13内部各零部件间无相互作用力，根据确定后的推杆14的摆角及加载器13的施加载荷，通过移动紧固滑块12使推杆14调节至计算后的摆角位置，旋紧锁紧件，将紧固滑块12固定于推杆支架11的表面，并调节加载器13的施加载荷。

参数采集：控制电主轴21以一定的转速转动，机床工作台22以电主轴21的中轴线为轴线做圆周运动，通过采集系统采集电主轴21的性能参数。

进一步地，在调整推杆14的摆角及加载器13的施加载荷的过程中，通过调整推杆14外表面的加载螺母131能够调节弹簧132的伸缩量，以用来调节加载器13的施加载荷。

首先通过搜集或者查询电主轴载荷谱来获得其所受径向力和轴向力的大小，计算此时电主轴21所受的合力以及合力与电主轴21中轴线的夹角。根据计算结果调整推杆14的位置以及加载器13的施加载荷的大小。载荷调整完毕后通过在数控系统中编写G代码，控制电主轴21以一定的转速旋转，工作台以一定的速度以电主轴21的中轴线为轴线做圆周运动。最后通过采集系统采集电主轴21的性能参数。电主轴21负载运行一段时间后，其性能参数反映了当前电主轴21的运行情况，在一定程度上能够反映电主轴21的可靠性

利用本发明可以进行电主轴的寿命试验、加速寿命试验、性能退化试验等。通过这些试验项目，可以在最大限度模拟电主轴实际车间工况的受载情况的基础上，反映出电主轴的可靠性以及使用寿命。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。