便携式主轴全工况加载与性能检测装置的制作方法

本发明属于机械试验设备技术领域，涉及一种对数控机床主轴进行试验的装置，具体地说，涉及一种可以模拟主轴实际切削时受到的动态切削力与扭矩，并对主轴进行加载试验与性能检测的装置。

背景技术：

主轴作为数控机床的关键功能部件，其可靠性与综合性能对整台数控机床的运行状态影响很大。传统的主轴性能试验往往需要在实验室环境搭建特定试验台，安装各种检测装置进行试验。一些主轴的现场检测装置虽然能够实现部分项目检测，但仅为空载检测或实际工件切削时的检测，而无法模拟在指定工况下加载的性能检测。基于工件切削的加载试验不但浪费大量材料，而且主轴加载状态并非可控，无法进行加速条件和特定载荷状态的试验。若采用模拟工况加载方式进行试验，既可动态改变加载参数，又节能环保。现有的模拟工况下试验装置的主轴切削扭矩加载方案，一般是采用主轴刀柄前端与测功机串联加载扭矩方式，如发明专利cn105527090a与发明专利cn102889983b。这种方式改变了刀具加工时的受力方式，难以做到径向、轴向切削力准确加载，而且还仅能模拟两个方向的加载切削力。只有设计一种能够协同控制、精确模拟各种工况下的三向切削力大小、方向的混合加载装置，才能获得主轴可靠性与综合性能测试的准确基础数据。因此，创新设计一种能够便携的，可快速安装于实际机床上，对主轴进行全工况准确模拟加载与检测的试验装置，对于机控机床主轴的可靠性与性能试验具有重要的工程应用价值。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的，结合附图说明如下：

参阅图1，便携式主轴全工况加载与性能检测装置3采用t型螺栓安装在加工中心工作台4上。使用前需要依靠数控加工中心1的数控系统，将加工中心主轴2调整到便携式主轴全工况加载与性能检测装置3正上方。参阅图5，通过主轴2内部的主轴拉爪2-1将主轴2与模拟刀柄5顶部的配合面紧密配合，以模拟主轴刀柄真实的安装方式。

一种便携式主轴全工况加载与性能检测装置，包括模拟刀柄模块、刀柄装卡模块、加载轴承模块、轴向力加载模块、径向力加载模块、检测模块和附件模块七大模块；

所述模拟刀柄模块中的模拟刀柄5上端与主轴2通过锥孔配合；

所述刀柄装卡模块中的模拟刀具定位卡具6-1与模拟刀柄5上部卡槽配合；

所述加载轴承模块包括加载轴承8-1和轴承外套8-2；

所述加载轴承8-1与模拟刀柄5通过轴孔配合，轴承外套8-2过盈配合安装于加载轴承8-1外圈。

所述轴向力加载模块安装于附件模块中的装置外支架12的底座上，轴向力加载模块的轴向力加载头9-5在加载过程与轴承外套8-2底部表面接触，实现对主轴2轴向力的加载。

所述径向力加载模块中的径向力压电陶瓷加载棒10-3与轴承外套8-2侧面接触，实现对主轴2径向力的加载。

检测模块通过螺栓安装在附件模块中的装置外支架12上，且位于装置外支架12上靠近模拟刀柄5的位置附近。

技术方案中所述模拟刀柄模块还包括转子绕组5-1和定子绕组5-2；

模拟刀柄5与转子绕组5-1过盈配合；定子绕组5-2的外壁与装置外支架12中部的圆柱形内壁采用轴孔过盈配合方式实现安装。

技术方案中所述刀柄装卡模块包括三个模拟刀具定位卡具6-1、一个定位导轨环6-2、三个导向块6-3和三个锁紧螺栓6-4；

三个模拟刀具定位卡具6-1、一个定位导轨环6-2、三个导向块6-3和三个锁紧螺栓6-4通过螺栓连接安装于装置外支架12顶部；

一个模拟刀具定位卡具6-1、一个导向块6-3及一个锁紧螺栓6-4组成一组；

定位导轨环6-2设有三个共同指向模拟刀柄5中轴的定位孔，三个锁紧螺栓6-4通过定位孔与定位导轨环6-2相连接。

锁紧螺栓6-4穿过导向块6-3并与模拟刀具定位卡具6-1的螺纹孔连接，旋紧锁紧螺栓6-4时，模拟定位卡具6-1靠近模拟刀柄5移动，刀具定位卡具6-1与模拟刀柄5上部卡槽配合以实现模拟刀柄5的夹紧与定位。

技术方案中所述轴向力加载模块还包括轴向加载支撑架9-1、轴向锁紧螺母9-2、压电陶瓷加载棒9-3和压力传感器9-4；

轴向加载支撑架9-1底部与装置外支架12的底座固定连接；

轴向锁紧螺母9-2与压电陶瓷加载棒9-3螺纹连接；压力传感器9-4与压电陶瓷加载棒9-3螺纹连接；轴向力加载头9-5与压力传感器9-4螺纹连接且位于轴向力加载模块最顶端。

技术方案中所述径向力加载模块还包括电机支架10-1、电动推杆10-2、压力传感器10-4、径向力加载头10-5、转盘10-6、转盘电机10-7、转盘齿轮10-8、转盘锁紧机构支架10-9、电磁铁10-10和摩擦轮10-11。

电动推杆10-2、径向力压电陶瓷加载棒10-3、压力传感器10-4、径向力加载头10-5依次串联；

电动推杆10-2安装在电机支架10-1上；电机支架10-1安装于转盘10-6表面上；

转盘电机10-7的输出轴穿过转盘齿轮10-8中间的孔，通过轴孔配合与键连接实现扭矩的传递。

转盘齿轮10-8与转盘10-6啮合；

转盘锁紧机构支架10-9固定在装置外支架12上，电磁铁10-10通过螺栓安装在转盘锁紧机构支架10-9上，电磁铁10-10的输出端通过螺栓与摩擦轮10-11中间的螺纹孔连接。

技术方案中所述检测模块包括激光位移传感器支架11-1和电涡流位移传感器11-2；

激光位移传感器11-1安装于模拟刀柄5底部靠近加载轴承8-1处；电涡流位移传感器11-2安装于模拟刀柄5顶部靠近主轴拉爪2-1部位。

技术方案中所述附件模块还包括散热管道7；

散热管道7包裹在装置外支架12，靠近装置外支架12与定子绕组5-2安装部位的外部。

便携式主轴全工况加载与性能检测装置3包括模拟刀柄模块、刀柄装卡模块、加载轴承模块、轴向力加载模块、径向力加载模块、检测模块以及附件模块七大模块。

参阅图5，模拟刀柄模块包括模拟刀柄5、转子绕组5-1以及定子绕组5-2。模拟刀柄5上端与主轴2通过锥孔配合，模拟实际安装方式。模拟刀柄5中间部分包裹的一圈转子绕组5-1。环形的定子绕组5-2的外壁与装置外支架12内壁采用轴孔过盈配合方式实现安装。定子绕组5-2通电使自身内部产生交变磁场，转子绕组5-1切割磁感线时受到与转动方向相反的安培力作用，从而对模拟刀柄5施加扭矩。

参阅图2、图4，刀柄装卡模块包括三个模拟刀具定位卡具6-1、三个定位导轨环6-2、三个导向块6-3以及三个锁紧螺栓6-4。刀柄装卡模块通过三个圆周方向均布的模拟刀具定位卡具6-1实现模拟刀柄5的松紧调节。模拟刀具定位卡具6-1、一个定位导轨环6-2、三个导向块6-3以及三个锁紧螺栓6-4安装于装置外支架12顶部。定位导轨环6-2通过螺栓固定于装置外支架12顶部表面。锁紧螺栓6-4穿过导向块6-3并与模拟刀具定位卡具6-1的螺纹孔连接，从而在拧动锁紧螺栓6-4的同时，模拟刀具定位卡具6-1靠近或远离模拟刀柄5，实现松开或锁紧模拟刀柄5。

参阅图6，加载轴承模块包括加载轴承8-1以及轴承外套8-2。加载轴承8-1内圈与模拟刀柄5末端的圆柱处通过轴孔配合，轴承外套8-2过盈配合安装于加载轴承8-1外圈。轴向切削力加载模块的动态力、径向力加载模块的动态力通过轴承外套8-2传递到加载轴承8-1，并继续传递到模拟刀柄5，实现模拟主轴切削过程受到的动态切削力的功能。

参阅图6，轴向力加载模块包括轴向加载支撑架9-1、轴向锁紧螺母9-2、压电陶瓷加载棒9-3、压力传感器9-4以及轴向力加载头9-5。轴向力加载模块的功能是实现对模拟刀柄5末端，即真实切削加工点的动态力加载。轴向加载支撑架9-1通过螺栓与装置外支架12的底座固联。轴向锁紧螺母9-2与压电陶瓷加载棒9-3通过螺栓连接，可通过松开或拧紧轴向锁紧螺母9-2调节轴向力加载头9-5与轴承外套8-2之间的预紧力大小。压力传感器9-4与压电陶瓷加载棒9-3通过螺纹串联在一起，实现加载过程的加载力检测。轴向力加载头9-5安装于轴向力加载模块最顶端，其前端具有圆弧形轮廓，以便于将轴向力加载到轴承外套8-2，进而将加载力施加到主轴2。由于压电陶瓷加载棒9-3具有与输入电压等比例、等频率的加载力的输出效果，因此轴向力加载模块可以实现不同大小与不同频率的动态轴向力加载。

参阅图7，径向力加载模块包括电机支架10-1、电动推杆10-2、径向力压电陶瓷加载棒10-3、压力传感器10-4、径向力加载头10-5、转盘10-6、转盘电机10-7、转盘齿轮10-8、转盘锁紧机构支架10-9、电磁铁10-10、摩擦轮10-11。电动推杆10-2的输出轴与径向力压电陶瓷加载棒10-3后端的螺栓孔串联安装、电陶瓷加载棒10-3前端的螺栓与压力传感器10-4后端的螺纹孔通过螺纹连接、压力传感器10-4前端的螺纹孔与径向力加载头10-5的非加载端通过螺栓串联安装。电动推杆10-2通过螺栓安装于电机支架10-1上。而电机支架10-1采用螺栓连接安装于转盘10-6表面。径向力加载时，首先由电动推杆10-2向外运动使得径向力加载头10-5对轴承外套8-2施加微小预紧力，随后采用径向力压电陶瓷加载棒10-3施加高频动态力。为了实现动态调整径向力的方向，转盘电机10-7带动转盘齿轮10-8从而带动整个转盘10-6以及转盘10-6上的电机支架10-1、电动推杆10-2、径向力压电陶瓷加载棒10-3、压力传感器10-4、径向力加载头10-5这五个部件实现绕主轴2回转轴线的径向方向的角度调节。调整到合适的转角后，转盘电机10-7断电自锁，实现第一级的转位锁定。转盘锁紧机构支架10-9通过螺栓连接安装于装置外支架12上，装置外支架12采用焊接方式安装一块电磁铁10-10，依靠摩擦轮10-11的吸附与排斥实现对转盘10-6转位后的二级锁紧。

参阅图2、图4、图6检测模块包括激光位移传感器支架11-1、电涡流位移传感器11-2。检测模块可以实现对模拟工况加载下的模拟刀柄5动态回转精度性能指标的检测。激光位移传感器11-1安装装置外支架12上，与模拟刀柄5底部具有20cm左右距离，其射出的激光打在模拟刀柄5底部靠近加载轴承8-1处。激光位移传感器11-1以非接触的方式检测模拟刀柄5加载端的跳动量。电涡流位移传感器11-2通过螺栓安装于装置外支架12上，与模拟刀柄5顶部具有1cm左右距离，以检测模拟刀柄5顶部与主轴2安装端的跳动。对于主轴的振动、温度、电流等指标，可结合国家标准中现有方法安装传感器于主轴特定位置进行检测。

附件模块包括散热管道7、装置外支架12。散热管道7包裹在装置外支架12靠近定子绕组5-2位置的外部，实现对转子绕组5-1与定子绕组5-2的冷却。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1、本发明所述的试验装置可以通过对主轴刀柄前端精确施加动态切削力与切削扭矩，从而参数化模拟机床主轴在加工工件过程的真实工况，提高主轴可靠性试验与性能测试试验的参数多样性与可信度。

2、本发明所述的试验装置将各类主轴性能检测部件与标准化刀柄融为一体，更换试验主轴不需重新安装或调整检测部件，简化传感器安装的同时保证检测模块的精度与稳定性。

3、本发明所述的试验装置具有移动便携的优点，空间占用率远低于传统试验装备，而且设备成本低廉，具有市场推广价值。该装置可采用立式或卧式的方式安装于标准数控机床工作台，适用于各种型号机床主轴，从而为快速开展主轴试验创造硬件条件。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述的便携式主轴全工况加载与性能检测装置实际工作状态轴测图；

图2为本发明所述的便携式主轴全工况加载与性能检测装置立式状态轴测图；

图3为本发明所述的便携式主轴全工况加载与性能检测装置卧式状态轴测图；

图4为本发明所述的刀柄装卡模块俯视图；

图5为本发明所述的刀柄扭矩加载方式工作原理示意图；

图6为本发明所述的轴向力加载模块主视图；

图7为本发明所述的径向力加载模块轴测图；

图8为本发明所述的装置外支架轴测图；

图中：

1.数控加工中心，2.主轴，2-1.主轴拉爪，3.便携式主轴全工况加载与性能检测装置，4.加工中心工作台，5.模拟刀柄，5-1.转子绕组，5-2.定子绕组,6-1.模拟刀具定位卡具，6-2.定位导轨环，6-3.导向块，6-4.锁紧螺栓，7散热管道，8-1.加载轴承，8-2.轴承外套，9-1.轴向加载支撑架，9-2.轴向锁紧螺母，9-3压电陶瓷加载棒，9-4.压力传感器，9-5.轴向力加载头，10-1.电机支架，10-2.电动推杆，10-3.径向力压电陶瓷加载棒，10-4.压力传感器，10-5.径向力加载头，10-6转盘，10-7.转盘电机，10-8.转盘齿轮，10-9.转盘锁紧机构支架，10-10.电磁铁，10-11.摩擦轮，11-1.激光位移传感器，11-2.电涡流位移传感器，12.装置外支架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

图1提供了本专利所述的便携式主轴可靠性与性能检测装置的具体实施方案。所述便携式主轴可靠性与性能检测装置3采用t型螺栓安装在加工中心的工作台4上，加工中心主轴2在数控加工中心1的数控系统控制下移动至便携式主轴可靠性与性能检测装置3的正上方且垂直于加工中心的工作台4上表面。加工中心主轴2通过其内部拉刀机构与便携式主轴可靠性与性能检测装置3的模拟刀柄5连接，实现模拟真实主轴的安装效果。与主轴2安装刀具进行实际切削的过程类似，便携式主轴可靠性与性能检测装置3将传统的刀具与工件整合到一个自动化控制的装置中，实现不同载荷条件的可控加载。

本文所述的便携式主轴可靠性与性能检测装置3具有立式(图2)以及卧式(图3)两种安装形式，分别适用于立式布置的主轴(图1)以及卧式布置的主轴，从而使装置具有广泛的适用性。

参阅图2与图8，本专利所述的便携式主轴可靠性与性能测试装置3，其所有模块均安装于装置外支架12。以立式主轴为例，装置外支架12从上到下分为刀柄装卡模块安装区、定子线圈及冷却水套安装区、径向力加载模块安装区、检测模型安装区以及最底部分的轴向力加载模块安装区，装置外支架12为便携式主轴可靠性与性能测试装置3提供了功能载体，并牢固联接于机床工作平台。

模拟刀柄5上端与主轴2通过锥孔配合，在该便携式主轴全工况加载与性能检测装置未与主轴2连接时，模拟刀柄5与主轴2脱离的状态；在校准好该装置与主轴2的位置后，可通过主轴2内部的主轴拉爪2-1将模拟刀柄5的锥面与主轴2的锥孔牢牢配合在一起。

模拟刀柄模块是整个装置的核心部分，位于主轴2的下端，与主轴2通过主轴2内部的拉刀机构实现紧密配合。刀柄装卡模块通过模拟刀具定位卡具6-1与模拟刀柄模块上端的凹槽配合。加载轴承模块通过加载轴承8-1与模拟刀柄下端的过盈配合连接，以保证加载在加载轴承8-1上的力等于加载在模拟刀柄的力。轴向力加载模块安装于装置外支架12的底座，轴向力加载模块的轴向力加载头9-5在加载过程与轴承外套8-2底部接触，实现对主轴2轴向力的加载。径向力加载模块位于整个试验装置的中间区域，通过径向力压电陶瓷加载棒10-3与轴承外套8-2侧面接触，实现对主轴2径向力的加载。检测模块包括两个传感器，分别位于模拟刀柄5的上端与下端，通过螺栓连接安装在装置外支架12上。附件模块中的装置外支架12为其他六大模块的安装提供支撑。

参阅图4与图6，在便携式主轴可靠性与性能检测装置3尚未进入测试状态前，模拟刀柄5与数控机床的主轴2并未连接，模拟刀柄5需要依靠模拟刀具定位卡具6-1卡紧定位，以保证模拟刀柄5的位置稳定性。待模拟刀柄5与数控机床主轴连接后，调节锁紧螺栓6-4，使得模拟刀具定位卡具6-1与模拟刀柄5脱离。刀柄装卡模块包括三个模拟刀具定位卡具6-1、一个定位导轨环6-2、三个导向块6-3以及三个锁紧螺栓6-4。刀具定位卡具6-1与模拟刀柄5上部卡槽以互补的方式配合以实现模拟刀柄5的夹紧与定位。模拟刀具定位卡具6-1、一个定位导轨环6-2、三个导向块6-3以及三个锁紧螺栓6-4通过螺栓连接安装于装置外支架12顶部。定位导轨环6-2通过螺栓连接固定于装置外支架12顶部表面。一个模拟刀具定位卡具6-1、一个导向块6-3及一个锁紧螺栓6-4组成一组，实现对一个方向模拟刀柄5的锁紧。整套装置总共有三组上述结构，在安装平面内以均匀分布的方式安装在定位导轨环6-2上。锁紧螺栓6-4穿过导向块6-3并与模拟刀具定位卡具6-1螺纹孔连接。拧动锁紧螺栓6-4，则锁紧螺栓6-4连同模拟刀具定位卡具6-1沿着导向块6-3靠近或远离模拟刀柄5，以便模拟刀具定位卡具6-1松开或锁紧模拟刀柄5。

参阅图2与图5，模拟刀柄5与主轴2内部的主轴拉爪2-1机构配合后，模拟刀柄5受到来自主轴2的驱动力实现旋转。为了模拟真实切削过程主轴所受到的扭矩，模拟刀柄5中间部分包裹的一圈转子绕组5-1。环形的定子绕组5-2的外壁与装置外支架12内壁采用轴孔过盈配合方式实现安装。定子绕组5-2通电使自身内部产生交变磁场，转子绕组5-1切割磁感线时受到与转动方向相反的安培力作用，从而对模拟刀柄5施加扭矩。散热管道7内部通过循环水流，实现对定子绕组5-2及外支架12的冷却。模拟刀柄5下端为切削力加载部分，模拟刀柄5下端比上端细小，以模拟真实刀具的形状，实现更为准确的加载。

参阅图6，轴向力加载模块的作用是在轴承外套8-2底部施加动态力，间接将动态力施加到模拟刀柄5下端，模拟主轴实际切削过程所受的轴向力。轴向力加载模块包括轴向加载支撑架9-1、轴向锁紧螺母9-2、压电陶瓷加载棒9-3、压力传感器9-4以及轴向加载头9-5。轴向加载支撑架9-1通过螺栓与装置外支架12的底座固联。压电陶瓷加载棒9-3两端皆有螺纹，下端螺纹与轴向锁紧螺母9-2连接后，继续旋入轴向加载支撑架9-1底座，上端螺纹与压力传感器9-4中间的螺纹孔连接。可通过松开或拧紧轴向锁紧螺母9-2调节轴向加载头9-5与轴承外套8-2之间的预紧力大小。压力传感器9-4与压电陶瓷加载棒9-3通过螺纹串联在一起，实现加载过程的加载力检测。加载头9-5通过螺纹安装于轴向力加载模块最顶端，其前端具有球形凸出面，以便于将轴向力加载到轴承外套8-2底部的凹坑中。由于压电陶瓷加载棒9-3具有与输入电压等比例的等频率的加载力输出效果，因此轴向力加载模块可以实现不同大小与不同频率的主轴轴向力加载。

参阅图7，径向力加载模块的作用是在轴承外套8-2外圆弧的侧面施加动态力，间接将动态力施加到模拟刀柄5末端，模拟主轴实际切削过程所受的径向力。由于径向力具有多个方向，通常采用两个方向合成或者直接施加一个方向合力的方式实现。为了降低成本并简化控制算法，本专利采用合力的方式加载。径向力的大小由电动推杆10-2与径向力压电陶瓷加载棒10-3联合加载。安装于转盘10-6之上的电机支架10-1、电动推杆10-2、径向力压电陶瓷加载棒10-3、压力传感器10-4与径向力加载头10-5随同转盘10-6，绕着模拟刀柄5的中轴线旋转，从而实现切削力方向的动态调节。电动推杆10-2的输出轴与径向力压电陶瓷加载棒10-3、压力传感器10-4、径向力加载头10-5通过螺栓串联安装。

参阅图7，电机支架10-1采用螺栓连接安装于转盘10-6表面，电动推杆10-2通过螺栓连接安装于电机支架10-1上。电动推杆10-2的输出轴与径向力压电陶瓷加载棒10-3、压力传感器10-4、径向力加载头10-5通过螺栓串联安装。在径向力加载时，首先由电动推杆10-2输出一定位移使得径向力加载头10-5靠近轴承外套8-2移动，并以设定的预紧力作用在轴承外套8-2上。随后采用径向力压电陶瓷加载棒10-3施加高频动态力作用在径向力加载头10-5，通过轴承外套8-2，施加到模拟刀柄5。压力传感器10-4的目的是时刻采集压电陶瓷加载棒10-3所输出的力。

参阅图2、图7与图8，转盘10-6安装在装置外支架12中间的大圆环中，转盘电机10-7安装在装置外支架12上。需调整径向切削力加载角度时，通过转盘电机10-7带动转盘齿轮10-8转动，转盘齿轮10-8再传动转盘10-6(外轮廓为齿轮)，带动了转盘10-6之上的电机支架10-1、电动推杆10-2、径向力压电陶瓷加载棒10-3、压力传感器10-4、径向力加载头10-5绕主轴2的回转轴线旋转。调整到合适的转角后，转盘电机10-7断电自锁，实现第一级的转位锁定。转盘锁紧机构支架10-9通过螺栓连接安装于装置外支架12上，断电后电磁铁10-10吸附在摩擦轮10-11上；以实现电磁铁10-10通断控制摩擦轮10-11整体上下运动。该电磁铁10-10不被转盘带动一起旋转，实现了对转盘10-6转位后的二级锁紧，确保径向力加载过程加载角度不会变化。通电后，电磁铁向上与转盘锁紧机构支架10-9吸合，从而脱离转盘10-6，以便转盘10-6继续转换位置。

参阅图2与图6，电涡流位移传感器11-2采用螺栓连接安装于装置外支架12顶端面，越过定位导轨环6-2上表面，实现对模拟刀柄5顶部的跳动量测量。激光位移传感器11-1同样采用螺栓连接安装于装置外支架12上，且位于靠近轴承外套8-2上部分10mm端，激光点射在模拟刀柄5下端，以实现对各种加载状态下模拟刀柄5跳动量的监测。对于主轴的振动、温度、电流等指标的测试，可结合国家标准中现成方法安装传感器于主轴特定位置进行检测。

本发明中所述的实例是为了便于该领域技术人员能够理解和应用本发明。本发明只是一个优化的实例，或者说是一种较佳的具体技术方案，如果相关的技术人员在坚持本发明基本技术方案的情况下，作出不需要经过创造性劳动的等效结构变化或各种修改都在本发明的保护范围之内。