专利名称：模拟工况载荷条件下机床主轴热误差试验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及数控机床技术领域，特别涉及一种模拟工况载荷条件下机床主轴热误
差试验装置。
背景技术：
数控机床的误差源主要包括几何误差、热误差、载荷误差及控制系统误差，其中， 几何误差和热误差占误差总量的40% -70%。对于高档数控机床而言，由于高速驱动部件 产生的热量远远高于传统机床，且由于其配套的各零部件加工精度、装配精度以及自身刚 度较高，几何误差以及切削力引起的载荷误差比重减小，因此热误差所占比重更大，成为影 响加工精度的最主要因素。目前针对数控机床空载工况下的主轴热误差测试、建模与仿真 分析已有大量研究。但是，在加工工况下，由于切削载荷所引起的主轴温升和热变形难以 体现在空载工况下的主轴热特性与热误差试验模型中，空载工况的主轴热场平衡与加工工 况的主轴热场平衡不一致，并且机床热态特性和动态特性以及载荷之间可能产生的耦合效 应，通常空载状态下的热误差模型难以反映主轴真实的热态特性和热误差状况，从而在实 际加工工况条件下难以获得满意的误差补偿效果；而真实加工工况下又无法进行机床热误 差的实时在线测试，因此研究模拟工况载荷条件下机床的热态特性对进一步深入了解主轴 的热态特性和热误差，提高数控机床的热误差补偿效果、切实提高机床的加工精度具有重 要意义。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种可以进行模拟工况载荷条 件下机床主轴热误差试验的试验装置，用于研究机床主轴在工况载荷下的热态特性和热误差。本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是一种模拟工况载 荷条件下机床主轴热误差试验装置，包括主轴热误差测试试验系统，该试验装置还包括模 拟工况载荷主轴加载装置；所述主轴加载装置包括力矩载荷加载装置和径向力载荷加载装 置；所述力矩载荷加载装置包括磁粉制动器，所述磁粉制动器安装在加载装置支架上，所述 磁粉制动器通过导向键和检验棒连接，所述检验棒与所述主轴连接，所述磁粉制动器通过 所述导向键和所述检验棒将模拟力矩载荷施加到所述主轴上；所述径向力载荷加载装置包 括拉压力计，所述拉压力计安装在径向力加载装置支承体上，所述径向力加载装置支承体 与所述加载装置支架固定连接，所述拉压力计设有受拉端和受压端，所述拉压力计的受拉 端设有径向力调整螺栓，所述拉压力计受压端设有径向力导杆，所述径向力导杆的远拉压 力计端安装有滚动轴承，所述滚动轴承与所述检验棒滚动连接，所述径向力调整螺栓通过 挤压所述拉压力计产生模拟径向力载荷并通过所述径向力导杆、所述滚动轴承和所述检验 棒滚动接触将模拟径向力载荷施加到所述主轴上。所述主轴热误差测试试验系统通过安装在传感器支架上的电涡流位移传感器与所述检验棒非接触测量所述主轴热误差，所述传感器支架设置有立式安装面和水平安装 面；所述加载装置支架设置有立式安装面和水平安装面。所述主轴热误差测试试验系统通过安装在所述主轴待测部位的热电阻测量温度， 所述热电阻通过磁座安装在所述主轴的待测部位，所述磁座包括固定套和磁套，所述热电 阻与所述固定套螺纹连接，所述磁座通过所述磁套的磁力吸附在所述主轴表面；所述热电 阻的测试端与主轴被测部位表面接触，或者嵌装在所述主轴被测部位设置的测量孔内，并 与所述测量孔底面接触。所述径向力导杆装在径向力导套内，所述径向力导套固接在所述径向力加载装置 支承体上。本发明具有的优点和积极效果是1)主轴模拟工况载荷加载与主轴的待测部位温度、热误差测量同步进行，可获得 近似真实加工工况条件下的主轴热态特性和热误差模型，为机床主轴的精度预测、精度设 计和热误差补偿提供了一种切实可行的试验装置和手段；2)由磁粉制动器产生的模拟力矩载荷可以通过励磁电流来调节载荷大小，由拉压 力计产生的模拟径向力载荷可以通过径向力调整螺栓的位移变化调节载荷大小，从而可以 模拟一定范围内的真实加工工况下的切削载荷，使得模拟工况载荷与真实工况载荷更加接 近；3)模拟工况载荷主轴加载装置和主轴热误差测试装置，无需其它辅助安装支架， 即可适用于卧式安装的机床主轴和立式安装的机床主轴；4)用于测量主轴温升的热电阻通过磁座可方便地安装在主轴待测部位的环形表 面或者测试孔中，使得主轴温度测量简单易行。
图1为本发明的试验原理图；图2为卧式安装在主轴试验台上的模拟工况载荷条件下机床主轴热误差试验装 置；图3为立式安装在机床工作台上的模拟工况载荷条件下机床主轴热误差试验装 置；图4为模拟力矩载荷加载装置；图5为模拟径向力载荷加载装置；图6为电涡流位移传感器安装支架；图7为热电阻测试端与主轴被测部位表面接触的安装结构示意图；图8为热电阻测试端安装在主轴被测部位测试孔内的结构示意图。图中1、主轴，2、主轴试验台，3、传感器支架，3-1、立式安装面，3-2、水平安装面， 4、磁座，5、热电阻，6、检验棒，7、径向力载荷加载装置，8、力矩载荷加载装置，9、电涡流位移 传感器，10、机床工作台，11、加载装置支架，11-1、立式安装面，11-2、水平安装面，12、导向 键，13、磁粉制动器，14、径向力调整螺栓，15、活动挡板，16、拉压力计，17、径向力导杆，18、 径向力导套，19、径向力加载装置支承体，20、滚动轴承，21、销轴，22、磁套，23、固定套。
具体实施例方式为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图 详细说明如下请参阅图1 图8，为了进一步深入了解真实加工工况下的主轴热态特性和热误 差，本发明提供一种模拟工况载荷条件下机床主轴热误差试验装置，试验时，可将该装置安 装在主轴试验台2上或机床工作台10上。该装置包括模拟工况载荷主轴加载装置和主轴 热误差测试试验系统两部分；其中，模拟工况载荷主轴加载装置包括模拟力矩载荷加载装 置8和模拟径向力载荷加载装置7两部分。上述模拟力矩载荷加载装置包括磁粉制动器13，磁粉制动器13安装在加载装置 支架11上，通过导向键12和检验棒6连接，检验棒6与主轴1连接，磁粉制动器13通过导 向键12、检验棒6将模拟力矩载荷施加到主轴1上；通过调节磁粉制动器13励磁电流的大 小，可以线性调节模拟力矩载荷的大小。上述模拟径向力载荷加载装置包括拉压力计16，拉压力计16安装在径向力加载 装置支承体19内，拉压力计16设有受拉端和受压端，拉压力计16的受拉端设有径向力调 整螺栓14，拉压力计16的受压端设有径向力导杆17，径向力导杆17的另一端通过销轴21 安装有滚动轴承20，滚动轴承20与检验棒6滚动连接。为了使径向力调整螺栓14施加给 拉压力计16的径向力均勻传递，在径向力调整螺栓14和拉压力计16之间设有活动挡板 15，活动挡板15滑动连接在径向力加载装置支承体19上。通过旋转径向力调整螺栓14，可 以线性调节模拟径向力载荷的大小。为了稳定可靠的传递模拟径向力载荷，径向力导杆17 装在径向力导套18内，径向力导套18固接在径向力加载装置支承体19上。主轴热误差测试试验系统包括传感器安装子系统和试验数据采集分析子系统。其 中传感器安装子系统包括安装在主轴1待测部位的热电阻5和安装在传感器支架3上的电 涡流位移传感器9。上述热电阻5安装在磁座4内，磁座4包括磁套22和固定套23，磁套22固装在 固定套23内的下部，固定套23内的上部设有螺纹，用于连接热电阻5，热电阻5的测试端 与主轴被测部位接触或嵌装在主轴被测部位设置的测量孔内，实现主轴被测部位的温度测 量。磁座4通过磁套22的磁力吸附在主轴上。上述热电阻5与数据采集系统连接，数据采 集系统将数据传输到计算机进行分析处理。上述电涡流位移传感器9安装在传感器支架3上，5个电涡流位移传感器9的安装 位置参照国家标准《GB/T 17421. 3-2009机床检验通则第3部分热效应的确定》确定，上 述5个电涡流位移传感器9与位移测试仪连接，位移测试仪与数据采集系统连接，数据采集 系统将数据传输到计算机进行分析处理。上述主轴热误差测试系统与主轴空载状态下的热 误差测试系统相同，在此不再详述。上述主轴热误差测试试验系统通过安装在传感器支架3上的电涡流位移传感器 9与检验棒6非接触测量主轴热误差，传感器支架3设置有立式安装面3-1和水平安装面 3-2 ；加载装置支架11设置有立式安装面11-1和水平安装面11-2。因此，本发明不需要其 它辅助安装支架，即可适用于立式安装或者卧式安装的机床主轴的模拟工况载荷条件下的 模拟加载和热误差测量；通过将传感器支架的水平安装面3-2和加载装置支架的水平安装 面11-2与机床工作台10或主轴试验台2固定连接安装，本发明可适用于卧式安装机床主
5轴的模拟工况载荷条件下热误差试验；通过将传感器支架的立式安装面3-1和加载装置支 架的立式安装面11-1与机床工作台10或主轴试验台2固定连接安装，本发明可适用于立 式安装机床主轴的模拟工况载荷条件下热误差试验。主轴热误差测试试验系统通过安装在主轴待测部位的热电阻测量温度，通过安装 在传感器支架上的电涡流位移传感器与检验棒非接触测量主轴热误差，模拟工况载荷主轴 加载装置与主轴热误差测试试验系统同时安装在机床工作台或主轴试验台上，模拟工况载 荷主轴加载装置通过与检验棒接触对主轴施加模拟工况载荷，实现了主轴模拟工况载荷加 载与主轴的热误差测量同步进行。本发明在给主轴施加模拟力矩载荷和径向力载荷的同时，同步测量主轴被测部位 的温度和主轴三个方向的热误差；通过空载试验与加载试验的对比分析，得出模拟工况载 荷条件下主轴的热误差。其主要特点是利用磁粉制动器模拟力矩载荷，利用拉压力计模拟 径向载荷，模拟载荷通过安装在主轴上的检验棒传递至主轴系统；采用热电阻测量主轴待 测部位温度变化，采用电涡流位移传感器测量主轴变形；可以实现主轴模拟工况载荷加载 与主轴的热误差测量同步进行。该装置适用于立式安装和卧式安装的机床主轴的模拟加载 热误差试验，为研究机床主轴在工况载荷下的热态特性和热误差提供了一种切实可行的试 验装置。尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上 述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通 技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可 以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
权利要求
一种模拟工况载荷条件下机床主轴热误差试验装置，包括主轴热误差测试试验系统，其特征在于，该试验装置还包括模拟工况载荷主轴加载装置；所述主轴加载装置包括力矩载荷加载装置和径向力载荷加载装置；所述力矩载荷加载装置包括磁粉制动器，所述磁粉制动器安装在加载装置支架上，所述磁粉制动器通过导向键和检验棒连接，所述检验棒与所述主轴连接，所述磁粉制动器通过所述导向键和所述检验棒将模拟力矩载荷施加到所述主轴上；所述径向力载荷加载装置包括拉压力计，所述拉压力计安装在径向力加载装置支承体上，所述径向力加载装置支承体与所述加载装置支架固定连接，所述拉压力计设有受拉端和受压端，所述拉压力计的受拉端设有径向力调整螺栓，所述拉压力计受压端设有径向力导杆，所述径向力导杆的远拉压力计端安装有滚动轴承，所述滚动轴承与所述检验棒滚动连接，所述径向力调整螺栓通过挤压所述拉压力计产生模拟径向力载荷并通过所述径向力导杆、所述滚动轴承和所述检验棒滚动接触将模拟径向力载荷施加到所述主轴上。
2.根据权利要求1所述的模拟工况载荷条件下机床主轴热误差试验装置，其特征在 于，所述主轴热误差测试试验系统通过安装在传感器支架上的电涡流位移传感器与所述检 验棒非接触测量所述主轴热误差，所述传感器支架设置有立式安装面和水平安装面；所述 加载装置支架设置有立式安装面和水平安装面。
3.根据权利要求1所述的模拟工况载荷条件下机床主轴热误差试验装置，其特征在 于，所述主轴热误差测试试验系统通过安装在所述主轴待测部位的热电阻测量温度，所述 热电阻通过磁座安装在所述主轴的待测部位，所述磁座包括固定套和磁套，所述热电阻与 所述固定套螺纹连接，所述磁座通过所述磁套的磁力吸附在所述主轴表面；所述热电阻的 测试端与主轴被测部位表面接触，或者嵌装在所述主轴被测部位设置的测量孔内，并与所 述测量孔底面接触。
4.根据权利要求1所述的模拟工况载荷条件下机床主轴热误差试验装置，其特征在 于，所述径向力导杆装在径向力导套内，所述径向力导套固接在所述径向力加载装置支承 体上。
全文摘要
本发明公开了一种模拟工况载荷条件下机床主轴热误差试验装置，包括主轴热误差测试试验系统，该试验装置还包括模拟工况载荷主轴加载装置；所述主轴加载装置包括力矩载荷加载装置和径向力载荷加载装置；所述力矩载荷加载装置包括磁粉制动器，所述磁粉制动器通过所述导向键和所述检验棒将模拟力矩载荷施加到所述主轴上；所述径向力载荷加载装置包括拉压力计，径向力调整螺栓通过挤压所述拉压力计产生模拟径向力载荷，并通过径向力导杆、滚动轴承和检验棒滚动接触将模拟径向力载荷施加到所述主轴上。本发明可获得近似真实加工工况条件下的主轴热态特性和热误差模型，为机床主轴的精度预测、精度设计和热误差补偿提供了一种切实可行的试验装置。
文档编号G01K7/22GK101972948SQ201010292289
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月26日 优先权日2010年9月26日
发明者崔良玉, 张大卫, 沈煜, 牛文铁, 高卫国, 齐向阳 申请人:天津大学