合材料的热膨胀系数，能够求得轴承外套圈的轴向位移，然后合理的结合套圈理论，完成轴承动态接触角计算。
[0040]通过调整电机、轴承预紧力加载系统、主轴切削力模拟加载装置及模拟不同轴承安装误差轴承滑座，能够测量得到真实工况下轴承内外套圈的位移，再结合轴承分析中的理论知识，可以得出轴承动态接触角，从而实现主轴单元轴承运行特性分析。
[0041]3.轴承在不同预紧力下的运动特性测试:本发明所设计的带反馈的轴承预紧力控制系统是现有试验装置所没有的，可以根据主轴转速、轴承温升及热误差，甚至是某一方向上的热误差完成轴承预紧，并能够获得轴承良好的运动特性。
[0042]通过调整电机、轴承外套圈温度测量光纤光栅温度传感器及轴承预紧力加载系统，改变不同转速下轴承的预紧力，测试得出轴承不同转速、不同预紧力下轴承的刚度及温升，再结合测试得到的轴承动态接触角，用于得到轴承在不同工况下的运行特性。
[0043]4.主轴热误差测试:主轴热误差作为试验平台贯穿始终的研宄对象，其重要性是不言而喻的。本发明采用高精度激光位移传感器实现在主轴高速运转的情况下，对其热误差的测量，通过数据分析，对热误差与其影响因素之间的映射关系建立起着关键性作用。
[0044]5.轴承预紧力与各向热误差、轴承温升反馈关系测试:结合主轴热误差测试及使用光纤光栅温度传感器获得的轴承温升数据，通过溢流阀完成轴承预紧力的手动调节，获得不同轴承预紧力下主轴轴承的运行特性数据，并最终建立主轴各向热误差、轴承温升与轴承预紧力之间的映射关系。
[0045]6.主轴轴承不同安装误差的模拟测试:主轴单元的实际加工及装配过程中，安装误差是不可避免的，这也是限制主轴向高速、高精度发展的重大制约条件。本发明巧妙地利用设置不同轴承滑座几何尺寸完成了轴承安装误差的模拟，并能通过测试系统完成在不同安装误差及大小下，轴承的运行特性及主轴热误差的外在表现，再结合数据解耦处理方法，我们能够建立不同安装误差之间的映射关系。
[0046]以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一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。
2.根据权利要求1所述的一种数控机床主轴热误差成因综合试验平台，其特征在于:所述的传动装置为弹性联轴器。
3.根据权利要求1所述的一种数控机床主轴热误差成因综合试验平台，其特征在于: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。
4.根据权利要求3所述的一种数控机床主轴热误差成因综合试验平台，其特征在于: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。
5.根据权利要求1所述的一种数控机床主轴热误差成因综合试验平台，其特征在于: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。
6.根据权利要求1所述的一种数控机床主轴热误差成因综合试验平台，其特征在于: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。
7.一种利用权利要求1所述的一种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。
【专利摘要】本发明提供一种数控机床主轴热误差成因综合试验平台，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；主轴单元箱体上设有用于给轴承施加预紧力的腔体；驱动系统；传动装置；信号采集模块；轴承预紧力加载系统；轴承预紧力反馈控制系统，用于通过主轴转速和轴承外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；主轴切削力模拟加载装置。本发明平台和测试方法为主轴单元轴承运行特性研究提供了一个综合试验装置，能够探索主轴热误差成因并精确预测其大小。
【IPC分类】G01M13-04
【公开号】CN104792533
【申请号】CN201510216478
【发明人】周祖德, 董艳方, 刘明尧, 刘繄, 严才根
【申请人】武汉理工大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月29日