一种通用性强的主轴系统动静态性能测试综合实验台

摘要

本发明公开了一种通用性强的主轴系统动静态性能测试综合实验台。该实验台主要由驱动电主轴模块、机械主轴模块、液压加载模块组成。其中机械主轴模块中主要部件有主轴、轴承、轴承座、预紧力自适应调整装置、温度传感器、位移传感器、压力传感器、油气润滑装置。预紧力自适应调整采用均匀布置的6个压电致动器来完成，以实现对轴系中角接触球轴承预紧力的精确控制。该实验台可以使用不同的轴承配置形式和不同的润滑方式，从而大大的扩展了实验台的性能。通过控制电主轴的转速，使用温度传感器、位移传感器、压力传感器可获取在不同配置和预紧情况下主轴的温升、刚度等性能测试数据。

说明书

技术领域

本发明属于机床高速主轴的性能实验领域，涉及一种通用性强的主轴系统动静态性能测试综合实验台。

背景技术

主轴—轴承系统的动力特性对机床整体性能有着极大的影响，但当前仍缺少精确有效的分析方法，主要依靠经验公式估算或简化为定常的弹性元件来计算，误差比较大，因此需要进行大量的实验来验证。

现有的轴承-主轴系统实验台功能单一，只能测试某项实验功能（轴承刚度、寿命等），例如唐云冰设计了滚动轴承的实验装置，对陶瓷轴承的等效刚度进行测试（唐云冰等.高速陶瓷滚动轴承等效刚度分析与实验[J].航空动力学报，1995），无法分析轴承性能对轴系的影响。因此，设计一款通用性强，能够测实验证各个因素对主轴系统刚度、温升等影响的综合性实验台很有必要。

滚动轴承作为旋转支撑元件，其服役性能直接影响主轴系统动力学性能。采用不同的轴承配置形式、不同的润滑方式以及不同的轴承预紧力技术都将影响轴系性能。根据机床类型及其用途，例如低速重载或者高速高刚度要求等，主轴对轴承配置有不同要求。轴承的润滑方式直接影响其最高转速。相关研究表明，合理的滚动轴承预紧力可以消除滚动轴承在制造装配过程中的游隙，大幅提高高速主轴刚度和旋转精度；同时可以减少轴承滚珠公转的打滑现象，消除陀螺效应，进而改善轴承的发热状况，延长轴承的服役寿命。当前最新的轴承预紧可控技术消除了传统的恒定预紧技术存在明显的不足：低速时预紧力偏小，使轴承刚性下降，主轴抗受迫振动和自激振动的能力弱，从而导致加工精度下降；高速时预紧力偏大，使轴承温升加剧，制约了主轴的高速化。

由以上可知影响主轴-轴承系统的因素众多，如何实现在单一实验台上进行多项测试，缩短开发周期，提高效率，这很有必要。所以，本发明设计了一种通用性强的主轴系统动静态性能测试综合实验台的方案。

发明内容

本发明的目的是：针对目前机床主轴-轴承系统动静态性能测试缺乏一种简单有效的实验装置，来获得不同轴承配置、预紧力、润滑方式等条件下主轴各方面性能的相关数据。本发明提供了一种通用性强的主轴系统动静态性能测试综合实验台。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案给予实现的：

一种通用性强的主轴系统动静态性能测试综合实验台，包括主轴、安装在主轴上的轴承、安装在主轴上的左端盖和右端盖，与左端盖和右端盖固定连接的轴承座盖、以及安装在右端盖与轴承之间的预紧力调整装置；所述实验台进一步包括有位移传感器和温度传感器，所述位移传感器安装在所述左端盖上，并与轴承之间有间隙；所述温度传感器分别从轴向和纵向与轴承接触用以测量轴承的温度变化。

作为本发明的优选实施例，所述预紧力调整装置包括压力传感器、压电致动器、和顶块，所述压力传感器压紧压电致动器，压电致动器通过顶块与轴承紧密接触；

作为本发明的优选实施例，所述轴承座盖和右端盖以及预紧力调整装置分别设置有供温度传感器贯穿的安装孔，所述温度传感器分别贯穿轴承座盖和右端盖及预紧力调整装置与轴承紧密接触；

作为本发明的优选实施例，所述轴承包括内圈、外圈，以及置于内圈和外圈之间的角接触球轴承；

作为本发明的优选实施例，所述实验台进一步包括有油气润滑通道以及润滑油环，所述油气润滑通道设置在轴承座盖上，润滑油自油气润滑通道进入经润滑油环对轴承进行润滑；

作为本发明的优选实施例，所述主轴上安装轴承的部分的长度是三个轴承宽度；

作为本发明的优选实施例，所述轴承被轴承底座支撑，所述轴承底座采用一体式结构，使前后端轴承支撑面一次加工成型，以保证前后端的同轴度。

本发明与现有技术相比较，具有以下优点：

（1）可以实现多种轴承配置形式下的主轴-轴承系统实验。

（2）本实验台能够动态调整轴承预紧力，验证在不同预紧力条件下轴承服役性能。

（3）能够实时监测主轴-轴承系统预紧力大小、轴向位移以及轴承温度变化。

（4）一体化的轴承座能够保证前后端安装的同轴度，保证安装精度。

（5）通过调整细牙螺纹，可以有效克服压电外形尺寸误差造成的个别压电安装后无法作用到轴承外圈端面的问题。

附图说明

图1是本发明主轴系统动静态性能测试综合实验台的结构图；

图2是本发明主轴系统的结构图；

图3是图2中画圈处的局部放大图；

图4是轴承径向温度传感器布置图；

图5是预紧力动态调整装置的立体结构图；

图6是图5的正视图；

图7是图6沿B-B线的剖视图；

图8是图6沿A-A线的剖视图；

图9是本发明细牙螺钉调整压电致动器结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明装置做进一步详细描述：

本发明提供了一种通用性强的主轴系统动静态性能测试综合实验台，其结构参照图1，包括：驱动电主轴模块1、机械主轴模块2、液压加载模块3；机械主轴模块2结构参照图2：主轴4安装在轴承座14上，主轴第二段阶梯轴上依次安装有角接触球轴承7、内套圈8、润滑油环9，两个轴承成串联安装（两个轴承之间设置有润滑油环用以为轴承提供润滑油），并通过锁紧螺母6紧固安装在主轴4上。请特别参阅图3所示，具体地说，所述实验台包括主轴4、轴承座14、轴承座盖22、左轴承端盖25、右轴承端盖15、预紧力调整装置16，所述左端盖和右端盖固定在主轴4上，所述轴承座盖22通过紧固件23分别与左轴承端盖和右轴承端盖固定，在所述左轴承端盖25和右轴承端盖15之间安装有轴承，该轴承为角接触轴承7，一对角接触轴承之间安装有润滑油环9，所述轴承座盖22上开设有供润滑油通过的润滑油通道，该润滑油通道与润滑油环相通，这样，润滑油通过润滑油通道进入到润滑油环中，从而对两侧的角接触轴承进行润滑；所述轴承通过锁紧螺母安装在主轴上。前后端两对轴承整体成背靠背形式，也就是说前端的一对轴承和后端的一对轴承呈背靠背形式。

请参阅图5至图8所示，所述预紧力调整装置16包括压力传感器27、其上均布的6个压电致动器28、顶块29和压力传感器27组成，并且通过调整细牙螺钉31压紧压力传感器27、压电致动器28、顶块29，使得顶块29与轴承外圈有效接触；在轴承座盖22上设置有润滑油通道19；在后端轴承座盖上布置着3个温度传感器19，成45度均匀分布；左端盖上安装轴向的位移传感器26；液压加载模块3通过两个液压缸对轴系施加轴向载荷和径向载荷。

本实验台轴承7型号为7210CD/P4，图2所示为背靠背形式。通过更换内套圈8、外套圈，即可形成其他轴承配置形式，以满足不同的使用要求（如低速重载、高速等）。使用压电致动器28进行轴承预紧，通过控制每一个致动器的输出力，从而实现预紧力的动态调整，并且辅助压力传感器28，可以直接获得精确的预紧力值。轴承润滑可以使用脂润滑，如果要求在很高转速条件下测试，也可使用润滑油环9和润滑油通道20进行油雾润滑。

根据实验条件选定轴承配置形式，如图2所示，为两对轴承背靠背安装。前端支撑依次为锁紧螺母6，轴承7、内套圈8、润滑油环9、轴承7、外套圈11；后端支撑依次为预紧力动态调整装置16、轴承7、内套筒8、润滑油环9、轴承7、锁紧螺母6；预紧力调整装置16由压力传感器27、其上均布的6个压电致动器28、顶块29和压力传感器27组成，压电致动器28的加载端通过顶块29与轴承7外圈接触，再通过端盖固定在轴承座上；如图4所示，在后端轴承座盖上安装第一温度传感器19，并且在压力传感器27上还均布着6个第二温度传感器17，第二温度传感器17与第一温度传感器19均与轴承接触，以测量轴系的温度场信息；在端盖上安装轴向的位移传感器26，用来实时监测轴系轴向跳动；最后将机械主轴模块2左端第一段阶梯轴通过联轴器与驱动电主轴模块1相连接，通过控制驱动电主轴模块1的输出转速，实现实验台的转速调整。压电致动器28加载端通过顶块29向左推动轴承7的外圈，使轴承7内圈向左运动，再通过内套圈8、润滑油环9、锁紧螺母6使得轴4向左运动，从而通过前端的锁紧螺母6、内套筒8、润滑油环9对前端一对轴承7实现预紧。六个压电致动器28通过专用控制器和计算机软件调整其输出电压，来控制每一个压电制动器的输出力，从而实现各种预紧力调控技术。