用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开一种用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置包括：与主轴单元连接的刀轴，设置在刀轴上的轴承座，固设在轴承座两侧的加力球，力传动机构和力加载机构，力传动机构，包括设置在直线导轨-滑块上且具有同轴孔的加力座，设置在加力座一端的U型架及设置在U型架一端的加力斜面，U型架的心轴与加力座的同轴孔配合，加力球置于加力斜面上；力加载机构与加力座连接，包括差动丝杆微进给机构和/或气缸加载机构。该装置经济可行地解决了主轴试验切削力的测试，并且可模拟主轴单元的各种工作状况，达到省时省力，节能高效。
【专利说明】用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及切削力模拟试验领域，具体涉及一种用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置。
【背景技术】
[0002]主轴单元是数控机床的关键功能部件，对机床的加工性能具有重要的影响。主轴的载荷是指其在工作过程中出现的力和力矩；对主轴单元进行负载试验是控制产品质量、验证产品性能的重要手段。从主轴自身构成的角度看，力矩负载试验与主轴电机的性能联系更加紧密，而切削力的加载则偏重于主轴支撑结构、支撑轴承性能的考量。在试验或测试过程中，模拟加载的力、力矩通常是分别实现的。
[0003]当前的切削力模拟方法大体分为两类:接触式加载和非接触式加载。非接触式加载通常是通过电磁线圈来实现，这种方法的缺点主要是成本较高、容易产生电磁干扰。接触式加载方法主要包括两种途径:一是通过控制气缸或液压缸压力来实现；一是通过定力矩或数显力矩扳手控制顶丝的旋转力矩，间接换算出加载到主轴刀柄上的作用力。但这些方法无法避免的缺陷是仅仅能够做到单一方向的模拟即纯粹的径向力或轴向力，加载力的误差较大，并且没有考虑加载系统刚度对试验结果的影响，而加载系统的刚度不同也会对试验结果产生不同的影响。因此目前高速主轴力的测试存在的问题有:采用监测气缸或液压缸压力的方法没有考虑活塞与缸体的摩擦，或摩擦力的标定也存在不准确问题；采用扭矩扳手等间接控制加载力的手段，无法避免扳手自身误差与螺纹副摩擦等中间环节引入的误差；某些多向力传感器测试系统不但价格很高，而且应用条件限制较多；非接触式的检测手段需要在主轴刀柄上嵌入复杂的无线信号传输装置或光电设备，且价格昂贵。
【发明内容】
[0004]为了解决现有技术存在的问题，本实用新型公开一种用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置，该装置通过设有主轴单元、力传动机构和力加载机构，不仅经济可行地解决了主轴试验切削力的测试，还同时解决了径向与轴向同时受加载具有合力方向时加载力测量不准确的难题，避免了力加载机构的刚度不同对试验结果产生的不同影响。使得一种装置即可模拟主轴单元的各种工作状况，达到省时省力，节能高效。
[0005]本实用新型用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置所采用的技术方案为:
[0006]用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置，包括:与主轴单元连接的刀轴，设置在刀轴上的轴承座，固设在轴承座两侧的加力球，力传动机构和力加载机构，所述力传动机构，包括设置在直线导轨-滑块上且具有同轴孔的加力座，设置在加力座一端的U型架及设置在U型架一端的加力斜面，U型架的心轴与加力座的同轴孔配合，加力球置于加力斜面上；所述力加载机构与加力座连接，包括差动丝杆微进给机构和/或气缸加载机构。
[0007]所述的用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置，还包括环形压力传感器，所述环形压力传感器设置在加力座与U型架之间的心轴上。
[0008]所述的用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置，所述加力斜面中斜面与水平面的角度为α，0° < α <90°。
[0009]所述的用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置，所述U型架的一端部和内部分别设有螺纹通孔，加力斜面与U型架连接的一端设有与U型架内部螺纹通孔相匹配的螺纹凹孔，拉紧螺钉置于螺纹凹孔和U型架内部螺纹通孔中，加力斜面通过拉紧螺钉和置于U型架一端部螺纹通孔中的锁紧螺钉固接在U型架上。
[0010]所述的用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置，所述差动丝杆微进给机构包括差动支架，差动丝杆从首端至末端依次设有固定螺母和进给螺母，固定螺母固接在差动支架上，进给螺母的尾端设有螺杆和螺母，联接角板设置在螺杆上并与加力座连接。
[0011]所述的用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置，所述差动丝杆具有两段不同的螺距Pp P2,螺距P1与固定螺母配合，螺距P2与进给螺母配合，螺距P2大于螺距Pi。
[0012]所述的用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置，所述差动丝杆的首端设有指针和刻度盘，刻度盘上设有等分刻线。
[0013]所述的用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置，所述气缸加载机构包括设置在气缸安装座上的气缸，伸出气缸外部的气缸杆，气缸杆通过连接机构与加力座的另一端连接。
[0014]所述的用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置，所述连接机构包括设置在气缸杆端部并通过丝母锁紧的螺纹套，与螺纹套配合并通过螺钉II把合的顶套，螺钉I依次穿过垫圈I1、螺纹套、顶套和垫圈I，与加力座的另一端连接，垫圈I与垫圈II之间设有弹簧。
[0015]所述的用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置，所述顶套与螺纹套之间的螺钉I上设有环形挡片，环形挡片的内径大于弹簧的外径小于垫圈II的外径。
[0016]本实用新型的有益效果为:
[0017]本实用新型的机械装置采用的气缸加载机构和差动微进给机构不是直接作用于主轴上,而是通过力传动机构即经过加力座、U型架和加力斜面作用在加力球上，再由加力球通过轴承座和刀轴作用于主轴上,将由加载角度存在而弓I起的弯矩由力传动机构中的直线导轨-滑块来负担，以解决加载力测量不准确的难题。
[0018]本实用新型的机械装置兼容气缸加载机构和差动微进给机构两种进给动力来源，气缸处在U形架的尾部，用于模拟主轴切削铝合金等材料时切削速度高、切削力小的工况；差动机构处于加力座的上方，并安装在差动支架上，用于模拟主轴切削钢材、铸铁等材料时切削速度相对较低、切削力较大的工况。
[0019]气缸通过气缸安装座固定于试验台上，气缸杆端部装有两个相互配合的件螺纹套和顶套，当气缸杆伸出时，顶套作用于加力座的尾端推动加力座、U形架和加力斜面前进；当气缸杆缩回时，安装在螺纹套与顶套之间的挡片将受阻于安装在加力座心轴尾端的垫圈及安装螺钉，从而拉动U形架和加力座后退。通过控制垫圈在安装时螺钉的旋入深度，保证垫圈与挡片之间处于适当的相对位置关系，使气缸与差动机构分别工作时不发生相互干扰。
[0020]通过差动丝杠微进给结构的设置，差动丝杆与进给螺母和固定螺母的配合螺纹分别加工成不同螺距，具有分刻度线的刻度盘固定在差动丝杆上首端，当旋转差动丝杆进给一个刻度时，可实现的进给量将小于?μ。进给螺母的尾端固定一根螺杆，进给运动通过设置在螺杆上的联结角板传递到加力座。
[0021]加力座与一直线导轨安装在一起，而与导轨配合形成滑动副的滑块固定在试验台上;u形架尾端的心轴与加力座的两个同轴孔形成转动配合，U形架前端则固定两个加力斜面；通过加力座传递的进给运动将作用于固定在轴承座上的两个加力球，进而作用于刀轴上，形成加载力。
[0022]环形压力传感器夹在加力座与U型架之间，其中心孔穿过U形架心轴，这可以排除在加载过程中气缸和传动部件的摩擦等不确定因素对测试结果的影响。装在U形架尾部的弹簧始终处于受压缩状态，保证U形架、环形压力传感器、加力座之间紧密贴合的位置关系。压力传感器的读数通过信号采集卡读出，经过后续数据处理，与主轴的旋转位置信号、振动信号等组成分析数据。
[0023]加力斜面尾部通过螺钉拉紧、顶部通过夹紧垫片由螺钉压紧在U型架的前端，力口力斜面的倾斜角度与主轴试验合力的方向相关，斜面的法线方向既是主轴的受力方向。根据试验需要可更换不同角度的加力斜面。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本实用新型用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置的结构示意图。
[0025]图2为本实用新型中差动丝杆微进给机构的原理图。
[0026]图3为本实用新型中加力斜面与U型架连接部分的剖视图。
[0027]图4为本实用新型中气缸加载机构的机构示意图。
[0028]图5为图4气缸加载机构中气缸杆通过连接机构与加力座连接部分的结构剖视图。
[0029]其中1-主轴单元，2-轴承座，3-差动丝杆，4-指针，5-固定螺母，6-进给螺母，7-螺母，8-差动支架，9-刻度盘，10-加力座，11-压力传感器，12-U型架，121-心轴，13-加紧垫片，14-加力斜面，15-刀轴，16-加力球，17-联接角板，18-直线导轨-滑块，19-螺钉I，20_垫圈I，21-环形挡片，22-垫圈II，23-气缸杆，24-丝母，25-螺纹套，26-弹簧，27-顶套，28-调整垫片，29-螺钉III，30-调节螺钉，31-气缸安装座，32-锁紧螺钉，33-拉紧螺钉，34-螺钉II, 35-气缸。
【具体实施方式】
[0030]如图1-5所示，用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置，包括与主轴单元I连接的刀轴15，设置在刀轴15上的轴承座2，固设在轴承座2两侧的加力球16，力传动机构和力加载机构。如图1所示，主轴单元I被固接在试验台上，主轴单元I的一端连有刀轴15，刀轴15上设有轴承座2，轴承座2的两端固设有加力球16 ;力传动机构，包括设置在直线导轨-滑块18上且具有同轴孔的加力座10，设置在加力座10首端的U型架12及设置在U型架12首端的加力斜面14，U型架12尾端的心轴121与加力座10的同轴孔配合，U型架12的心轴121的轴线与主轴单元I中主轴的轴线垂直，在加力座10与U型架12之间的心轴121上设置环形压力传感器11，加力球16置于加力斜面14上；加力斜面14中斜面与水平面的角度为α，0° < α <90°。
[0031]力加载机构与加力座10连接，包括差动丝杆微进给机构和/或气缸加载机构。
[0032]力加载机构通过力传动机构将加载力传递到主轴单元I,力传动机构中的加力斜面14的角度与主轴单元I的合力方向相关联，不同角度的加力斜面14对应不同的受力工况，力加载机构为具体的受力工况提供动力源的选择，力传动机构中的加力座10设置在直线导轨-滑块上，保证力加载机构仅提供轴向力不承担弯扭复合。加载力的具体数值通过加力座10与U型架12之间的压力传感器11读取。
[0033]优选地，如图3所示，U型架12的首端部和内部分别设有螺纹通孔，加力斜面14与U型架12首端连接的一端设有与U型架12内部螺纹通孔相匹配的螺纹凹孔，拉紧螺钉33置于螺纹凹孔和U型架12内部螺纹通孔中，加力斜面14通过拉紧螺钉33和置于U型架一端部螺纹通孔中的锁紧螺钉32固接在U型架12上。加力斜面14尾部通过拉紧螺钉33拉紧，上部通过锁紧螺钉32压紧和夹紧垫片13紧固在U型架12的前端，加力斜面14的倾斜角度与主轴试验合力的方向相关，根据试验的需要，可更换不同角度的加力斜面14。当加力斜面14与水平面的夹角为α = 90°时，对于主轴单元I中主轴来说，是纯粹的径向加载，压力传感器11的读数就是径向加载力的数值，当0° < α <90°时，压力传感器11的读数是各个方向的加载合力数值。
[0034]如图1所示差动丝杆微进给机构包括差动支架8,差动丝杆3从首端至末端依次设有固定螺母5和进给螺母6，固定螺母5固接在差动支架8上，进给螺母6的尾端连有螺杆和螺母7，联接角板17设置在螺杆上并与加力座10连接。差动丝杆3的首端设有指针4和刻度盘9，刻度盘9上设有等分刻线。如图2所示差动丝杆3设置成具有两段不同的螺距PpP2,螺距P1与固定螺母5配合，螺距P2与进给螺母6配合，螺距P2大于螺距P1。其中固定螺母5固定不动，差动丝杆3同时转动且移动，进给螺母6连通差动微进给机构的其他进给执行部件移动，差动丝杆3每旋转一圈，差动微进给机构的进给量为P2-P1,即实现了差动进给。例如将差动丝杆3的两段分别加工成螺距P1 = 1.5mm, P2 = 1.75mm，刻度盘9在圆周作300等分刻线，转过的刻度有指针4辅助读出，由此组成一个可实现最小进给量小于1μ的差动丝杆微进给机构。这样一个微小的进给量有利于在实验过程中获得足够数量的实验数据样本。
[0035]如图4-5所示，气缸加载机构包括设置在气缸安装座31上的气缸35，伸出气缸35外部的气缸杆23，气缸杆23通过连接机构与加力座10的尾部连接。如图5所示连接机构包括设置在气缸杆23端部并通过丝母24锁紧的螺纹套25，与螺纹套25配合并通过螺钉
II34把合的顶套27，螺钉I 19依次穿过垫圈II 22、螺纹套25、顶套27和垫圈I 20，与加力座10尾部的U型架12的心轴121连接，垫圈I 20与垫圈II 22之间设有弹簧26。顶套27与螺纹套25之间的螺钉I 19上设有环形挡片21，环形挡片21的内径大于弹簧26的外径小于垫圈II 22的外径。
[0036]当气缸杆23通过压力气体伸出时，顶套27推动加力座10前进，当U型架12上的加力斜面14受阻于加力球16时，在压力传感器11上将显示压力读数；当气缸杆23缩回时，在走过一小段空行程后，挡片21将于垫圈I 20接触，进而通过螺钉19拉动加力座10后退，使加力斜面14与加力球16脱离。
[0037]优选地，如图4所示，气缸35通过调整垫片28放置在气缸安装座31上，气缸35可以通过调整垫片28的厚度和控制设置在气缸35两侧的调节螺钉30的旋入深度，使气缸杆23的伸出(缩回)方向与直线导轨-滑块18的运动方向互相平行，调整完毕后，在通过螺钉III 29将气缸35固定在气缸安装座31上。
【权利要求】
1.用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置，其特征在于包括:与主轴单元连接的刀轴，设置在刀轴上的轴承座，固设在轴承座两侧的加力球，力传动机构和力加载机构，所述力传动机构，包括设置在直线导轨-滑块上且具有同轴孔的加力座，设置在加力座一端的U型架及设置在U型架一端的加力斜面，U型架的心轴与加力座的同轴孔配合，加力球置于加力斜面上；所述力加载机构与加力座连接，包括差动丝杆微进给机构和/或气缸加载机构。
2.根据权利要求1所述的用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置，其特征在于，还包括环形压力传感器，所述环形压力传感器设置在加力座与U型架之间的心轴上。
3.根据权利要求1所述的用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置，其特征在于，所述加力斜面中斜面与水平面的角度为α，0° < α <90°。
4.根据权利要求1所述的用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置，其特征在于，所述U型架的一端部和内部分别设有螺纹通孔，加力斜面与U型架连接的一端设有与U型架内部螺纹通孔相匹配的螺纹凹孔，拉紧螺钉置于螺纹凹孔和U型架内部螺纹通孔中，加力斜面通过拉紧螺钉和置于U型架一端部螺纹通孔中的锁紧螺钉固接在U型架上。
5.根据权利要求1-4任一所述的用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置，其特征在于，所述差动丝杆微进给机构包括差动支架，差动丝杆从首端至末端依次设有固定螺母和进给螺母，固定螺母固接在差动支架上，进给螺母的尾端设有螺杆和螺母，联接角板设置在螺杆上并与加力座连接。
6.根据权利要求5所述的用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置，其特征在于，所述差动丝杆具有两段不同的螺距P1、P2，螺距P1与固定螺母配合，螺距P2与进给螺母配合，螺距P2大于螺距Pp
7.根据权利要求6所述的用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置，其特征在于，所述差动丝杆的首端设有指针和刻度盘，刻度盘上设有等分刻线。
8.根据权利要求1-4任一所述的用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置，其特征在于，所述气缸加载机构包括设置在气缸安装座上的气缸，伸出气缸外部的气缸杆，气缸杆通过连接机构与加力座的另一端连接。
9.根据权利要求8所述的用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置，其特征在于，所述连接机构包括设置在气缸杆端部并通过丝母锁紧的螺纹套，与螺纹套配合并通过螺钉II把合的顶套，螺钉I依次穿过垫圈I1、螺纹套、顶套和垫圈I，与加力座的另一端连接，垫圈I与垫圈II之间设有弹簧。
10.根据权利要求9所述的用于高速主轴单元多角度铣削力加载的机械装置，其特征在于，所述顶套与螺纹套之间的螺钉I上设有环形挡片，环形挡片的内径大于弹簧的外径小于垫圈II的外径。
【文档编号】G01M13/00GK203940991SQ201420337610
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年6月23日 优先权日:2014年6月23日
【发明者】李宇鹏, 林剑峰, 李焱, 马晓波, 刘阔, 谭智, 孔祥志, 高秀峰, 杨祥东, 关晓勇 申请人:沈阳机床(集团)有限责任公司