一种主轴的轴向动刚度测试方法和装置与流程

本发明涉及一种主轴技术领域，尤其涉及一种主轴的轴向动刚度测试方法和装置。

背景技术：

目前，高速机床主轴是现代机床的核心功能部件，其作用是带动刀具(砂轮)或工件旋转，实现高速精密加工。随着现代工业对机床加工精度和加工效率要求的不断提高，机床对主轴性能的要求也越来越高。刚度是衡量高速机床主轴性能的重要指标之一。主轴刚度包括静止状态下的静刚度和高速运转时的动刚度。目前工程上可行且被广泛采用的刚度测试方法是静刚度测试方法。但是静刚度无法真实反映主轴在高速运转时承受切削载荷条件下抵抗变形的能力，只有动刚度才能科学反映主轴的动态承载特性。

目前工程上动刚度测试方法有：滚动轴承式加载测量方法，即直接用滚动轴承作为加载轴承，加载轴承外圆与主轴悬伸端的外圆接触，而实现对主轴的加载；但是，该种方式存在以下缺陷：

(1)加载轴承随主轴高速旋转，导致噪音大，振动大；

(2)加载轴承与主轴外圆是光滑法向接触，导致加载轴承容易因碰磨发热而损坏。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种主轴的轴向动刚度测试方法，本发明的目的之二在于提供一种主轴的轴向动刚度测试装置，其采用间隙设置的液体静压轴承实现加载，且液体静压轴承与承载板之间存在间隙，可减小振动，并能避免碰磨导致的安全事故。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种主轴的轴向动刚度测试方法，包括以下步骤：

准备步骤：在主轴上安装承载板；沿所述主轴的轴向在所述承载板的相对两侧分别间隙设置液体静压轴承，使两个所述液体静压轴承分别与所述承载板之间的初始间隙大小相同，并使两所述液体静压轴承的油腔呈相对设置；

施加载荷步骤：驱动主轴旋转；采用两个定量泵分别对应往两个液体静压轴承的油腔输入油，并使油经过所述液体静压轴承的油腔喷向所述承载板；同时，将其中一个所述定量泵的转速v1调节为n0+nx，并将另一个所述定量泵的转速v2调节为n0-nx；

轴向位移获取步骤：在所述施加载荷步骤中，采用位移传感器测试承载板的轴向位移，并根据所述承载板的轴向位移确定主轴的轴向位移x；

计算步骤：

根据面积计算公式计算出所述液体静压轴承的油腔的有效承载面积s；

计算出所述液体静压轴承的油腔的出油液阻r0；

根据式子(1)计算出所述主轴轴向动刚度k；

其中，上述式子(1)中：

x为所述主轴的轴向位移；s为所述有效承载面积；n0为所述定量泵的额定转速；nx为转速v1或转速v2相对于所述额定转速的变化量；q0为所述定量泵每旋转一周泵出的额定油量；r0为所述出油液阻；h0为所述液体静压轴承与所述承载板之间的初始间隙大小。

进一步地，在所述轴向位移获取步骤中，采用两个所述位移传感器测试所述承载板的轴向位移，并取两所述位移传感器测试到的数值的平均值为所述主轴的轴向位移x。

进一步地，在所述施加载荷步骤中，采用变频器控制供应给所述定量泵的电流大小，以调节所述定量泵的转速。

进一步地，采用法兰作为所述承载板。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

一种主轴的轴向动刚度测试装置，包括承载板、轴承座、储油容器、位移传感器、两个液体静压轴承、两个定量泵和两个变频器；所述轴承座形成有内腔；所述承载板活动设置在所述内腔内；两个所述液体静压轴承沿所述承载板的轴向分置于所述承载板的相对两侧，并分别安装在所述轴承座上；两个所述液体静压轴承的油腔呈相对设置，所述液体静压轴承与所述承载板之间形成有间隙；两个所述定量泵与两个所述液体静压轴承一一对应设置，且所述定量泵用于将所述储油容器内的油输送至对应所述液体静压轴承的油腔内；两个所述变频器与两个所述定量泵一一对应设置；所述变频器的输出端与对应所述定量泵的输入端电连接，所述变频器的输入端与外部电源连通；所述位移传感器安装在所述轴承座上，并用于测试所述承载板的轴向位移。

进一步地，所述位移传感器的数量为两个，两个所述位移传感器沿所述承载板的轴向依次排列。

进一步地，所述液体静压轴承还开设有回油槽和回油通道；所述回油槽的槽口朝向所述承载板；所述回油槽连通所述回油槽和所述内腔；所述回油通道连接回油管，所述回油管远离所述回油通道的一端伸入所述储油容器内。

进一步地，所述轴承座开设有连通外部和所述内腔的回油口。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明的通过采用在轴芯上固定承载板，在承载板的两侧分别间隙设置有液体静压轴承，并采用转速分别调节为n0+nx和n0-nx的两个定量泵分别为两个液体静压轴承输入油，油通过液体静压轴承的油腔喷向承载板而实现对承载板的加载，并使得承载板带动主轴转动；再配合位移传感器可获得主轴的轴向位移，如此，可测试主轴的动刚度；上述整个过程，液体静压轴承与承载板存在间隙，能避免碰磨导致的安全事故；再者，承载板与液体静压轴承工作状态无接触，且液体静压轴承内形成的油膜本身具有吸振特性，进而实现减振，具有优异的减震性。

附图说明

图1为本发明主轴的轴向动刚度测试方法的流程图；

图2为本发明主轴的轴向动刚度测试装置的结构示意图；

图3为本发明主轴的轴向动刚度测试装置的结构示意图(除去储油容器和变频器)。

图中：10、主轴；20、承载板；30、轴承座；31、内腔；40、储油容器；50、位移传感器；60、液体静压轴承；61、液体静压轴承的油腔；70、定量泵；80、变频器；90、回油槽；100、回油通道；110、回油口。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

如图1所示的一种主轴的轴向动刚度测试方法，包括以下步骤：

准备步骤：在主轴10上安装承载板20；沿主轴10的轴向在该承载板20的相对两侧分别间隙设置液体静压轴承60；使两个液体静压轴承60分别与该承载板20之间的初始间隙大小相同，即其中一个液体静压轴承60和承载板20的之间间隙大小与另一个液体静压轴承60和承载板20之间间隙大小相同；病史两个液体静压轴承60的腔呈相对设置，以确保两个液体静压轴承60对承载板20力的加载位置相同；

施加载荷步骤：驱动主轴10旋转；采用两个定量泵70分别对应往两个液体静压轴承的油腔61输入油，此时，定量泵70将外部油输入液体静压轴承的油腔61内；之后由从液体静压轴承的油腔61喷向该承载板20，实现对承载板20的加载，又由于承载板20安装在主轴10上，而实现对主轴10的加载；同时，将其中一个定量泵70的转速v1调节为n0+nx，并将另一个定量泵70的转速v2调节为n0-nx，由于两边定量泵70的转速存在差异，即两个定量泵70的供油压力不同，使得油喷向承载板20的加载力不同，进而可实现承载板20带动轴芯沿其轴向运动；

轴向位移获取步骤：在施加载荷步骤中，采用位移传感器50测试承载板20的轴向位移，由于承载板20与轴芯固定连接，如此，根据承载板20的轴向位移确定主轴10的轴向位移x；

计算步骤：

根据面积计算公式计算出液体静压轴承的油腔61的有效承载面积s；

计算出液体静压轴承的油腔61的出油液阻r0；

根据式子(1)计算出主轴10的轴向动刚度k；

其中，上述式子(1)中：

x为主轴10的轴向位移；s为液体静压轴承的油腔61的有效承载面积；n0为定量泵70的额定转速；nx为转速v1或转速v2相对于额定转速的变化量(该变化量为绝对值)；q0为定量泵70每旋转一周泵出的额定油量；r0为液体静压轴承的油腔61的出油液阻；h0为液体静压轴承60与承载板20之间的初始间隙大小；

上述步骤中，由于采用液体静压轴承60和定量泵70的配合，实现对主轴10的加载，而液体静压轴承60与承载板20之间存在间隙，能避免碰磨导致的安全事故；再者，承载板20与液体静压轴承60工作状态无接触，且液体静压轴承60内形成的油膜本身具有吸振特性，进而实现减振，具有优异的减震性。

需要说明的是，上述有效承载面积s和出油液阻r0的计算公式为公知常识，本领域技术人员根据公知常识即可获知，此处不再进行赘述。

优选地，在轴向位移获取步骤中，采用两个位移传感器50测试承载板20的轴向位移，并取两位移传感器50测试到的数值的平均值为主轴10的轴向位移x；通过两个位于传感器的平均值来获取主轴10轴向位移，可提高准确性。

进一步地，在施加载荷步骤中，采用变频器80控制供应给定量泵70的电流大小，以调节定量泵70的转速。

具体地，采用法兰作为承载板20。

本实施例还公开了如图2-3所示的一种主轴的轴向动刚度测试装置，包括承载板20、轴承座30、储油容器40、位移传感器50、两个液体静压轴承60、两个定量泵70和两个变频器80；轴承座30形成有内腔31；承载板20活动设置在内腔31内；两个液体静压轴承60沿承载板20的轴向分置于承载板20的相对两侧，并分别安装在轴承座30上；两个液体静压轴承的油腔61呈相对设置，液体静压轴承60与承载板20之间形成有间隙；两个定量泵70与两个液体静压轴承60一一对应设置，且定量泵70用于将储油容器40内的油输送至对应液体静压轴承的油腔61内；两个变频器80与两个定量泵70一一对应设置；变频器80的输出端与对应定量泵70的输入端电连接，变频器80的输入端与外部电源连通；位移传感器50安装在轴承座30上，并用于测试承载板20的轴向位移。

在上述结构的基础上，使用本主轴的轴向动刚度测试装置时，将主轴10穿入内腔31并与承载板20固定连接；移动承载板20，使得承载板20与两液体静压轴承60之间的间隙大小保持一致；旋转主轴10，采用变频器80控制定量泵70的供电电源电压，将其中一个定量泵70的转速调节至n0+nx，并将另一个定量泵70的转速v2调节为n0-nx，此时，两定量泵70的供油压力不用，同时定量泵70将储油容器40内的油输送至液体静压轴承的油腔61内，且油在液体静压轴承的油腔61内蓄能后喷向承载板20，实现对承载板20的加载，由于承载板20与主轴10固定连接而实现对主轴10的加载；再者，由于承载板20相对两侧的加载力不同而沿轴向移动并带动主轴10沿轴向移动；此时，位移传感器50测试承载板20的轴向位移，即获得主轴10的轴向位移；之后配合根据式子(1)计算出主轴10的轴向动刚度k；

其中，上述式子(1)中：

x为主轴10的轴向位移；s为有效承载面积；n0为定量泵70的额定转速；nx为转速v1或转速v2相对于额定转速的变化量(该变化量为绝对值)；q0为定量泵70每旋转一周泵出的额定油量；r0为出油液阻；h0为液体静压轴承60与承载板20之间的初始间隙大小。

需要说明的是，上述的储油容器40可为储油箱、储油桶、储油盆等等；上述的变频器80为现有的部件，本领域技术人员从现有技术中可获知其实现对定量泵70电源电压控制的方法，此处不再进行赘述。

上述过程中，由于采用液体静压轴承60和定量泵70的配合，实现对主轴10的加载，而液体静压轴承60与承载板20之间存在间隙，能避免碰磨导致的安全事故；再者，承载板20与液体静压轴承60工作状态无接触，且液体静压轴承60内形成的油膜本身具有吸振特性，进而实现减振，具有优异的减震性。

进一步地，位移传感器50的数量为两个，两个位移传感器50沿承载板20的轴向依次排列，之后取两位移传感器50测试到的数值的平均值为主轴10的轴向位移，可提高准确性。

具体地，液体静压轴承60还开设有回油槽90和回油通道100；回油槽90的槽口朝向承载板20；回油槽90连通回油槽90和内腔31；回油通道100连接回油管，回油管远离回油通道100的一端伸入储油容器40内；如此，从液体静压轴承的油腔61喷出的油，在经过回油槽90的位置时，进入回油槽90内，之后从回油通道100和回油管流动至储油容器40内，实现部分油的收集与回收，避免油飞溅，且节省成本。

更具体地，轴承座30开设有连通外部和内腔31的回油口110，如此，从液体静压轴承的油腔61喷出的油，在进入内腔31并流动至内腔31的腔壁时，可从回油口110流动至储油容器40内，进一步实现油的收集与回收。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。