一種數(shù)控機床主軸熱誤差成因綜合試驗平臺及測試方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)控機床主軸熱誤差研宄，具體涉及一種數(shù)控機床主軸熱誤差成因綜合試驗平臺及測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為了滿足現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展需求，數(shù)控機床主軸以高速、高精度為目標不斷發(fā)展。主軸作為刀具或者工件的攜帶者，其熱誤差與加工工件的表面質(zhì)量直接相關(guān)。而熱誤差是不可以避免的，只能通過探宄其機理完成熱誤差預測和補償。影響熱誤差的因素是多種多樣的，主要可劃分為軸承運行特性、主軸切削力及軸承安裝誤差三大類。軸承作為主軸單元內(nèi)最主要的熱源，其運行特性(接觸載荷、動態(tài)接觸角)與主軸熱誤差密切相關(guān)；切削力作為主軸單元唯一的外部負載，其大小與方向影響主軸單元內(nèi)軸承圓周方向徑向游隙分布，影響軸承運行特性，最終表現(xiàn)為主軸熱誤差；主軸軸承由于其自身結(jié)構(gòu)及加工尺寸限制，不可避免的會出現(xiàn)主軸軸承安裝誤差，不同的軸承安裝誤差對軸承接觸載荷分布、動態(tài)接觸角、溫度分布和阻尼等產(chǎn)生不同影響，引起熱誤差，這里的安裝誤差主要包括軸承內(nèi)外套圈傾斜、前端后端軸承座孔軸線不同軸、軸承徑向游隙周向分布不均勻三種情況。所以針對主軸熱誤差研宄，需要綜合考慮影響熱誤差的各種因素，探索不同因素對熱誤差的影響程度，從而完善主軸熱誤差研宄內(nèi)容。
[0003]國內(nèi)外有很多學者致力于主軸熱誤差的研宄，其試驗裝置大多集中在主軸單元箱體、主軸冷卻等方面，如專利:一種用于控制立式數(shù)控機床主軸箱熱變形的空冷裝置(CN101885075A)，通過控制主軸箱的熱變形完成主軸熱誤差研宄；電主軸冷卻裝置(CN203557205U)、一種高效內(nèi)冷卻的電主軸(CN102114613A)，通過外部冷卻減小主軸熱誤差。存在沒有分析研宄主軸熱誤差產(chǎn)生的根本原因，沒有建立主軸軸承運行特性、切削力與主軸熱誤差之間的關(guān)系，特別是沒有考慮軸承安裝誤差對熱誤差的影響，只分析主軸單元熱誤差的外在表現(xiàn)形式等問題，這些試驗裝置及測試方法不能從根本上解決熱誤差研宄中存在的冋題。
[0004]針對現(xiàn)有熱誤差試驗裝置測試方法中存在的問題，為了滿足主軸熱誤差成因分析與測試等研宄需要，迫切需要設計用于探索熱誤差產(chǎn)生根本原因的試驗裝置及測試方法，完成高速主軸熱誤差的分析、測試及預測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提供一種數(shù)控機床主軸熱誤差成因綜合試驗平臺及測試方法，以探索主軸熱誤差成因并精確預測其大小。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為:一種數(shù)控機床主軸熱誤差成因綜合試驗平臺，其特征在于:它包括:
主軸固定裝置，包括主軸單元箱體，主軸單元箱體內(nèi)設有軸承，主軸套在軸承中，主軸單元箱體固定在隔振平臺上；主軸單元箱體上設有用于給軸承施加預緊力的腔體；主軸前端與刀柄軸連接，另一端為尾端，主軸兩端設有端蓋；
驅(qū)動系統(tǒng)，包括伺服驅(qū)動器和伺服電機；
傳動裝置，用于連接電機和主軸尾端；
信號采集模塊，包括光纖光柵溫度傳感器、力傳感器、應變傳感器、電渦流傳感器、壓力變送器、位移傳感器；其中光纖光柵溫度傳感器設置在所述軸承的外套圈，用于測量軸承外套圈的溫度分布；力傳感器設置于主軸前端，用于測量并控制施加于主軸的徑向力與軸向力大小；所述應變傳感器安裝于軸承外隔圈上，用于測量軸承外隔圈軸向應變；所述電渦流傳感器安裝于主軸端蓋上，用于測量軸承滑座的軸向位移；所述壓力變送器用來測量施加于軸承上的預緊力；所述位移傳感器安裝于主軸前端刀柄軸位置處，用于測量主軸在不同軸承安裝誤差及運行特性下的主軸熱誤差；
軸承預緊力加載系統(tǒng)，通過主軸單元箱體上的腔體給軸承施加預緊力；
軸承預緊力反饋控制系統(tǒng)，用于通過主軸轉(zhuǎn)速和軸承外套圈的溫度分布獲得軸承預緊力理論值，與采集到的施加于軸承上的預緊力相比較，進行PI調(diào)節(jié)后控制軸承預緊力加載系統(tǒng)調(diào)整預緊力大小；
軸承安裝誤差模擬裝置，為設置在軸承與主軸單元箱體之間的軸承滑座；
主軸切削力模擬加載裝置，包括主軸軸向力加載裝置和徑向力加載裝置，主軸軸向力加載裝置通過刀柄軸與主軸連接，徑向力加載裝置通過角接觸球軸承與主軸軸向力加載裝置連接，主軸軸向力加載裝置和徑向力加載裝置上分別設有拉壓力傳感器。
[0007]按上述平臺，所述的傳動裝置為彈性聯(lián)軸器。
[0008]按上述平臺，所述的軸承預緊力加載系統(tǒng)為液壓預緊方式，包括液壓站，液壓站中的液壓油通過油泵、高壓過濾器和單向閥后一部分進入所述的給軸承施加預緊力的腔體，其余部分通過溢流閥回到液壓站；所述的壓力變送器用于采集腔體中液壓油的壓力。
[0009]按上述平臺，所述的溢流閥包括手動可調(diào)溢流閥和比例溢流閥，二者通過電磁換向閥切換；比例溢流閥的進口壓力通過所述的軸承預緊力反饋控制系統(tǒng)控制。
[0010]按上述平臺，所述的主軸軸向力加載裝置包括支撐座，支撐座上安裝有所述的角接觸球軸承，角接觸球軸承的軸向依次連接有加載套筒、拉壓力傳感器、滑塊和絲桿，絲桿通過后端的手輪調(diào)節(jié)。
[0011]按上述平臺，所述的徑向力加載裝置包括與支撐座徑向連接的皮帶，皮帶后端依次與第一滑塊、拉壓力傳感器、第二滑塊和絲桿連接，絲桿通過后端的手輪調(diào)節(jié)。
[0012]一種利用上述數(shù)控機床主軸熱誤差成因綜合試驗平臺實現(xiàn)的測試方法，其特征在于:它包括:
軸承外套圈溫度場測量:利用設置在軸承外套圈的光纖光柵溫度傳感器，測量軸承外套圈的溫度分布；
軸承動態(tài)接觸角測試:在獲取軸承外隔圈軸向應變、軸承外套圈的溫度分布及軸承滑座的軸向位移數(shù)據(jù)基礎上，計算軸承滾動體與內(nèi)外套圈的動態(tài)接觸角；
軸承在不同預緊力下運行特性測試:通過壓力變送器測量施加于軸承上的預緊力，通過調(diào)整驅(qū)動系統(tǒng)調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速、同時利用光纖光柵溫度傳感器完成在不同轉(zhuǎn)速下軸承溫度場，計算動態(tài)接觸角，實現(xiàn)軸承運行特性測試；
主軸的熱誤差測試:通過布置的激光位移傳感器測量各向主軸熱誤差； 軸承預緊力的反饋控制:通過完成不同預緊力下，軸承溫升、熱誤差的測試，然后建立軸承預緊力與軸承溫升、熱誤差的映射關(guān)系，最終實現(xiàn)軸承預緊力的反饋控制；
主軸軸承不同安裝誤差模擬測試:通過改變軸承滑座的幾何尺寸，模擬出主軸前后端軸承孔軸線偏移、軸承內(nèi)外套圈傾斜及軸承座孔軸線歪斜三種情況，定量分析不同安裝誤差及大小情況下主軸熱誤差的表現(xiàn)形式。
[0013]本發(fā)明的有益效果為:
1、本發(fā)明平臺和測試方法為主軸單元軸承運行特性研宄提供了一個包含轉(zhuǎn)速調(diào)整、軸承預緊力調(diào)整、切削力大小及方向調(diào)整的試驗裝置，能夠探索主軸熱誤差成因并精確預測其大小，從根本上分析主軸熱誤差或者控制熱誤差。
[0014]2、液壓預緊方式的軸承預緊力調(diào)整系統(tǒng)能夠根據(jù)不同號對腔體壓力進行調(diào)整，包括主軸軸承溫升及轉(zhuǎn)速兩種信號，并且能夠擴展。
[0015]3、通過不同尺寸的軸承滑座，巧妙的模擬了主軸單元軸承安裝誤差。
[0016]4、通過選用彈性聯(lián)軸器消除電機安裝帶來的附加誤差，提高測試精度。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明的主軸單元整體剖視圖。
[0018]圖2是本發(fā)明的軸承液壓預緊系統(tǒng)原理圖。
[0019]圖3是本發(fā)明的軸承預緊力反饋控制系統(tǒng)原理圖。
[0020]圖4是本發(fā)明的切削力模擬加載裝置結(jié)構(gòu)示意圖。