一种数控机床主轴热误差成因综合试验平台及测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及数控机床主轴热误差研宄，具体涉及一种数控机床主轴热误差成因综合试验平台及测试方法。
【背景技术】
[0002]为了满足现代制造业的发展需求，数控机床主轴以高速、高精度为目标不断发展。主轴作为刀具或者工件的携带者，其热误差与加工工件的表面质量直接相关。而热误差是不可以避免的，只能通过探宄其机理完成热误差预测和补偿。影响热误差的因素是多种多样的，主要可划分为轴承运行特性、主轴切削力及轴承安装误差三大类。轴承作为主轴单元内最主要的热源，其运行特性(接触载荷、动态接触角)与主轴热误差密切相关；切削力作为主轴单元唯一的外部负载，其大小与方向影响主轴单元内轴承圆周方向径向游隙分布，影响轴承运行特性，最终表现为主轴热误差；主轴轴承由于其自身结构及加工尺寸限制，不可避免的会出现主轴轴承安装误差，不同的轴承安装误差对轴承接触载荷分布、动态接触角、温度分布和阻尼等产生不同影响，引起热误差，这里的安装误差主要包括轴承内外套圈倾斜、前端后端轴承座孔轴线不同轴、轴承径向游隙周向分布不均匀三种情况。所以针对主轴热误差研宄，需要综合考虑影响热误差的各种因素，探索不同因素对热误差的影响程度，从而完善主轴热误差研宄内容。
[0003]国内外有很多学者致力于主轴热误差的研宄，其试验装置大多集中在主轴单元箱体、主轴冷却等方面，如专利:一种用于控制立式数控机床主轴箱热变形的空冷装置(CN101885075A)，通过控制主轴箱的热变形完成主轴热误差研宄；电主轴冷却装置(CN203557205U)、一种高效内冷却的电主轴(CN102114613A)，通过外部冷却减小主轴热误差。存在没有分析研宄主轴热误差产生的根本原因，没有建立主轴轴承运行特性、切削力与主轴热误差之间的关系，特别是没有考虑轴承安装误差对热误差的影响，只分析主轴单元热误差的外在表现形式等问题，这些试验装置及测试方法不能从根本上解决热误差研宄中存在的冋题。
[0004]针对现有热误差试验装置测试方法中存在的问题，为了满足主轴热误差成因分析与测试等研宄需要，迫切需要设计用于探索热误差产生根本原因的试验装置及测试方法，完成高速主轴热误差的分析、测试及预测。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是:提供一种数控机床主轴热误差成因综合试验平台及测试方法，以探索主轴热误差成因并精确预测其大小。
[0006]本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为:一种数控机床主轴热误差成因综合试验平台，其特征在于:它包括:
主轴固定装置，包括主轴单元箱体，主轴单元箱体内设有轴承，主轴套在轴承中，主轴单元箱体固定在隔振平台上；主轴单元箱体上设有用于给轴承施加预紧力的腔体；主轴前端与刀柄轴连接，另一端为尾端，主轴两端设有端盖；
驱动系统，包括伺服驱动器和伺服电机；
传动装置，用于连接电机和主轴尾端；
信号采集模块，包括光纤光栅温度传感器、力传感器、应变传感器、电涡流传感器、压力变送器、位移传感器；其中光纤光栅温度传感器设置在所述轴承的外套圈，用于测量轴承外套圈的温度分布；力传感器设置于主轴前端，用于测量并控制施加于主轴的径向力与轴向力大小；所述应变传感器安装于轴承外隔圈上，用于测量轴承外隔圈轴向应变；所述电涡流传感器安装于主轴端盖上，用于测量轴承滑座的轴向位移；所述压力变送器用来测量施加于轴承上的预紧力；所述位移传感器安装于主轴前端刀柄轴位置处，用于测量主轴在不同轴承安装误差及运行特性下的主轴热误差；
轴承预紧力加载系统，通过主轴单元箱体上的腔体给轴承施加预紧力；
轴承预紧力反馈控制系统，用于通过主轴转速和轴承外套圈的温度分布获得轴承预紧力理论值，与采集到的施加于轴承上的预紧力相比较，进行PI调节后控制轴承预紧力加载系统调整预紧力大小；
轴承安装误差模拟装置，为设置在轴承与主轴单元箱体之间的轴承滑座；
主轴切削力模拟加载装置，包括主轴轴向力加载装置和径向力加载装置，主轴轴向力加载装置通过刀柄轴与主轴连接，径向力加载装置通过角接触球轴承与主轴轴向力加载装置连接，主轴轴向力加载装置和径向力加载装置上分别设有拉压力传感器。
[0007]按上述平台，所述的传动装置为弹性联轴器。
[0008]按上述平台，所述的轴承预紧力加载系统为液压预紧方式，包括液压站，液压站中的液压油通过油泵、高压过滤器和单向阀后一部分进入所述的给轴承施加预紧力的腔体，其余部分通过溢流阀回到液压站；所述的压力变送器用于采集腔体中液压油的压力。
[0009]按上述平台，所述的溢流阀包括手动可调溢流阀和比例溢流阀，二者通过电磁换向阀切换；比例溢流阀的进口压力通过所述的轴承预紧力反馈控制系统控制。
[0010]按上述平台，所述的主轴轴向力加载装置包括支撑座，支撑座上安装有所述的角接触球轴承，角接触球轴承的轴向依次连接有加载套筒、拉压力传感器、滑块和丝杆，丝杆通过后端的手轮调节。
[0011]按上述平台，所述的径向力加载装置包括与支撑座径向连接的皮带，皮带后端依次与第一滑块、拉压力传感器、第二滑块和丝杆连接，丝杆通过后端的手轮调节。
[0012]一种利用上述数控机床主轴热误差成因综合试验平台实现的测试方法，其特征在于:它包括:
轴承外套圈温度场测量:利用设置在轴承外套圈的光纤光栅温度传感器，测量轴承外套圈的温度分布；
轴承动态接触角测试:在获取轴承外隔圈轴向应变、轴承外套圈的温度分布及轴承滑座的轴向位移数据基础上，计算轴承滚动体与内外套圈的动态接触角；
轴承在不同预紧力下运行特性测试:通过压力变送器测量施加于轴承上的预紧力，通过调整驱动系统调节主轴转速、同时利用光纤光栅温度传感器完成在不同转速下轴承温度场，计算动态接触角，实现轴承运行特性测试；
主轴的热误差测试:通过布置的激光位移传感器测量各向主轴热误差； 轴承预紧力的反馈控制:通过完成不同预紧力下，轴承温升、热误差的测试，然后建立轴承预紧力与轴承温升、热误差的映射关系，最终实现轴承预紧力的反馈控制；
主轴轴承不同安装误差模拟测试:通过改变轴承滑座的几何尺寸，模拟出主轴前后端轴承孔轴线偏移、轴承内外套圈倾斜及轴承座孔轴线歪斜三种情况，定量分析不同安装误差及大小情况下主轴热误差的表现形式。
[0013]本发明的有益效果为:
1、本发明平台和测试方法为主轴单元轴承运行特性研宄提供了一个包含转速调整、轴承预紧力调整、切削力大小及方向调整的试验装置，能够探索主轴热误差成因并精确预测其大小，从根本上分析主轴热误差或者控制热误差。
[0014]2、液压预紧方式的轴承预紧力调整系统能够根据不同号对腔体压力进行调整，包括主轴轴承温升及转速两种信号，并且能够扩展。
[0015]3、通过不同尺寸的轴承滑座，巧妙的模拟了主轴单元轴承安装误差。
[0016]4、通过选用弹性联轴器消除电机安装带来的附加误差，提高测试精度。
【附图说明】
[0017]图1是本发明的主轴单元整体剖视图。
[0018]图2是本发明的轴承液压预紧系统原理图。
[0019]图3是本发明的轴承预紧力反馈控制系统原理图。
[0020]图4是本发明的切削力模拟加载装置结构示意图。