高速电主轴动态加载装置.doc

说 明 书 摘 要 本发明公布了一种高速电主轴动态加载装置，模拟电主轴的实际工作状况，包括支撑部分，加载系统以及自动控制系统；加载系统包括径向加载系统、轴向加载系统、扭矩加载系统以及代替刀柄固定于高速电主轴上的加载棒；径向加载系统和轴向加载系统使用压电陶瓷驱动器，将加载力通过一对配合使用的陶瓷球轴承作用在加载棒上；扭矩加载系统使用电力测功机，通过一个高速弹簧管联轴器对加载棒加载扭矩；本发明采用压电陶瓷驱动器，可对电主轴加载动态、高频的作用力，通过压力传感器、扭矩传感器和转速传感器采集加载力和扭矩数值，自动控制系统根据数值的变化进行调节，加载精度高。可实现高速电主轴连续、稳定的动态高频加载，模拟高速电主轴在高速切削时的实际工作状况。 4摘 要 附 图 权 利 要 求书 1.一种高速电主轴动态加载装置，其特征在于：包括支撑部分、加载系统和自动控制系统；所述加载系统包括轴向加载系统、径向加载系统、扭矩加载系统和代替刀柄固定于高速电主轴上的加载棒，加载棒上安装有轴承单元；所述径向加载系统包括径向加载压电陶瓷驱动器、径向滑块、径向位置调整机构、底面支撑板和径向加载系统外壳；所述径向加载压电陶瓷驱动器上端输出头顶在加载棒的轴承单元上，下端通过双头螺栓连接压力传感器，压力传感器下端有一径向滑块，被径向位置调整机构支撑；所述轴向加载系统包括摆臂结构、轴向加载压电陶瓷驱动器、轴向滑块、轴向位置调整机构、侧垫板和轴向加载系统外壳；所述轴向加载压电陶瓷驱动器输出头顶在摆臂结构的下端顶板上，摆臂结构另一端顶在加载棒的轴承单元上，轴向加载压电陶瓷驱动器另一端通过双头螺栓连接压力传感器，压力传感器另一端顶在轴向滑块上，一起被轴向位置调整机构支撑；所述扭矩加载系统包括电力测功机、高速弹簧管联轴器、安全防护罩、逆变器，所述电力测功机通过弹簧管联轴器与电主轴加载棒的端部连接，电力测功机通过逆变器连接电网；所述自动控制系统包括控制柜、上位工控机、信号放大器、模/数转换器、数/模转换器，以及使用VB编写的控制系统；电力测功机内部设置扭矩传感器、转速传感器，所述压力传感器、压力传感器、扭矩传感器、转速传感器采集的信号通过信号放大器、模/数转换传输至自动控制系统，所述自动控制系统的命令输出至轴向加载压电陶瓷驱动器、径向加载压电陶瓷驱动器、和电力测功机；2. 按照权利要求1所述的高速电主轴动态加载装置，其特征在于：所述加载棒设置有轴肩，端部为阶梯轴，阶梯轴通过所述高速弹簧管联轴器与电力测功机相连；所述轴承单元包括轴承套、左端盖、右端盖、挡圈、一对角接触球轴承、一对密封圈，两轴承中间有套筒和内隔圈，所述角接触球轴承为陶瓷球轴承；轴承单元一侧通过轴承内圈与加载棒轴肩定位，另一侧通过轴向加载系统的摆臂结构压紧；3.按照权利要求1所述的高速电主轴动态加载装置，其特征在于：所述轴承套底面有一定位圆头滑槽，一面积较小的浅圆槽，浅圆槽在加载棒轴线正下方；所述径向加载压电陶瓷驱动器的输出头从外壳伸出，顶在浅圆槽内；径向加载系统外壳顶面还有一短销，与所述定位圆头滑槽配合，可与轴承套在轴向方向有相对运动，同时限制轴承套绕轴线的转动；4. 按照权利要求1所述的高速电主轴动态加载装置，其特征在于：所述径向位置调整机构包括无螺纹滑块、有螺纹滑块、弹簧、螺栓、螺母和防松螺母；所述无螺纹滑块和有螺纹滑块套在螺栓上，两滑块顶面类似V形块的两个V形面，紧贴在所述径向滑块底面；所述径向位置调整机构紧固在径向加载系统外壳上；所述轴向位置调整机构与径向调整机构结构完全相同，安装方式不同；5. 按照权利要求1所述的高速电主轴动态加载装置，其特征在于：所述轴向加载系统与径向加载系统均设置冷却装置，两驱动器外设置散热片和散热套，另外，两驱动器所对应的外壳上均设置散热风扇与通风口。说 明 书高速电主轴动态加载装置技术领域本发明涉及一种加载装置，特别涉及一种高速电主轴动态加载装置。背景技术高速电主轴是高速数控机床的关键功能部件，是当代高速加工技术飞速发展的产物，它省去了传动机构，同时控制也更精确，从而提高了机床的响应速度和加工精度。目前，国产高速电主轴的静、动态性能以及可靠性水平与国外相比存在显著差异，因此，作为高速数控机床的关键功能部件，高速电主轴性能及可靠性水平的提高对于整机性能的提高起着关键作用。研究高速电主轴，需要一种可以模拟高速电主轴真实工作状况的动态加载装置，在此基础上对电主轴进行测试、试验。国内有一些功能简单的高速电主轴试验台，这种试验台只能对电主轴进行空载情况下的试验，或者是使用液压系统或电机对电主轴进行静态加载，模拟电主轴的受力状况，但即便是这样，与高速电主轴的真实受力情况也有很大差距。真实工况下，刀具受到的动态切削力间接作用在电主轴上，切削力还有一定频率，同时主轴还受扭矩作用，这对高速电主轴的性能和可靠性有很大影响，而现有的加载装置都不能模拟动态高频切削力对电主轴的影响。因此，急需发明一种新型的高速电主轴动态加载装置，模拟主轴真实工况下的受力，以满足主轴性能及可靠性的研究。发明内容本发明所要解决的技术问题是目前高速电主轴测试试验台中不能模拟真实工况中的动态切削力对电主轴进行加载试验的问题，提供了一种加载装置，特别是提供了一种高速电主轴动态加载装置。本发明的高速电主轴动态加载装置，包括支撑部分、加载系统和自动控制系统；所述支撑部分包括主轴基座、径向加载垫板、轴向加载支架和测功机基座；所述加载系统包括轴向加载系统、径向加载系统、扭矩加载系统和代替刀柄固定于高速电主轴上的加载棒，加载棒上安装有轴承单元；所述径向加载系统包括径向加载压电陶瓷驱动器、径向滑块、径向位置调整机构、底面支撑板和径向加载系统外壳；所述径向加载压电陶瓷驱动器上端输出头顶在加载棒的轴承单元上，下端通过双头螺栓连接压力传感器，压力传感器下端有一径向滑块，被径向位置调整机构支撑；所述轴向加载系统包括摆臂结构、轴向加载压电陶瓷驱动器、轴向滑块、轴向位置调整机构、侧垫板和轴向加载系统外壳；所述轴向加载压电陶瓷驱动器输出头顶在摆臂结构的下端顶板上，摆臂结构另一端顶在加载棒的轴承单元上，轴向加载压电陶瓷驱动器另一端通过双头螺栓连接压力传感器，压力传感器另一端顶在轴向滑块上，一起被轴向位置调整机构支撑；所述扭矩加载系统包括电力测功机、高速弹簧管联轴器、安全防护罩、逆变器，所述电力测功机通过弹簧管联轴器与电主轴加载棒的端部连接，电力测功机通过逆变器连接电网；所述自动控制系统包括控制柜、上位工控机、信号放大器、模/数转换器、数/模转换器，以及使用VB编写的控制系统；电力测功机内部设置扭矩传感器、转速传感器，所述压力传感器、压力传感器、扭矩传感器、转速传感器采集的信号通过信号放大器、模/数转换传输至自动控制系统，所述自动控制系统的命令输出至轴向加载压电陶瓷驱动器、径向加载压电陶瓷驱动器、和电力测功机；进一步，所述主轴基座包括主轴垫板、调整垫片、抱夹机构；所述主轴垫板、径向加载垫板、轴向加载支架以及测功机基座均使用螺栓固定在地平铁上；进一步，所述加载棒设置有轴肩，端部为阶梯轴，阶梯轴通过所述高速弹簧管联轴器与电力测功机相连；所述轴承单元包括轴承套、左端盖、右端盖、挡圈、一对角接触球轴承、一对密封圈，两轴承中间有套筒和内隔圈，所述角接触球轴承为陶瓷球轴承；轴承单元一侧通过轴承内圈与加载棒轴肩定位，另一侧通过轴向加载系统的摆臂结构压紧；进一步，所述轴承套底面有一定位圆头滑槽，一面积较小的浅圆槽，浅圆槽在加载棒轴线正下方；所述径向加载压电陶瓷驱动器的输出头从外壳伸出，顶在浅圆槽内；径向加载系统外壳顶面还有一短销，与所述定位圆头滑槽配合，可与轴承套在轴向方向有相对运动，同时限制轴承套绕轴线的转动；进一步，所述径向位置调整机构包括无螺纹滑块、有螺纹滑块、弹簧、螺栓、螺母和防松螺母；所述无螺纹滑块和有螺纹滑块套在螺栓上，两滑块顶面类似V形块的两个V形面，紧贴在所述径向滑块底面；所述径向位置调整机构紧固在径向加载系统外壳上；所述轴向位置调整机构与径向调整机构结构完全相同，安装方式不同；进一步，所述轴向加载系统与径向加载系统均设置冷却装置，两驱动器外设置散热片和散热套，另外，两驱动器所对应的外壳上均设置散热风扇与通风口；进一步，所述角接触球轴承设置油气润滑系统，油气润滑系统包括润滑系统支架和油气发生器，设置两个油气喷嘴通过轴承套上的进油口分别对应两个角接触球轴承，油气发生器由所述自动控制系统发出命令控制。有益效果本发明的有益效果：本发明的高速电主轴动态加载装置，将真实工况中的动态切削力对高速电主轴的静、动态性能以及可靠性的影响考虑进去，创造性地使用压电陶瓷驱动器对电主轴进行轴向和径向加载，可达到较高的振动频率，模拟各种不同加工方式的切削力和频率，同时使用电力测功机对主轴进行扭矩加载，很好地还原了电主轴在机械加工中的各种不同类型的受力状况，从而使进一步研究中获得的实验数据更为真实可信。本装置通过压力传感器、扭矩传感器和转速传感器采集加载力和扭矩的数值，控制系统根据数值的变化进行调节，使装置具有较高的加载精度。另外，本装置的基座各部分可进行位置和高度的调节，使得本加载装置可以对不同型号和尺寸的高速电主轴进行加载，增加了本装置的灵活性。附图说明下面结合附图对本发明作进一步的说明：图1为本发明所述高速电主轴动态加载装置轴测投影图；图2为本发明所述径向加载系统轴测投影图；图3为本发明所述轴向加载系统轴测投影图；图4为本发明所述加载棒轴承单元三维爆炸图；图5为本发明所述高速电主轴动态加载装置控制原理图。图中：1.主轴垫板 2.调整垫片 3.抱夹机构 4.高速电主轴 5.加载棒 6.轴承套 7.轴向散热风扇 8.进油口 9.轴向加载支架 10.径向散热风扇 11.高速弹簧管联轴器 12.安全防护罩 13.电力测功机 14.转速传感器 15.测功机基座 16.径向加载垫板 17.扭矩传感器 18.底面支撑板 19.螺栓 20.无螺纹滑块 21.径向滑块 22.压力传感器 23.径向双头螺柱 24.径向加载压电陶瓷驱动器 25.短销 26.径向加载系统外壳 27.有螺纹滑块 28.螺母 29.防松螺母 30.径向位置调整机构 31.弹簧 32.轴向位置调整机构 33.轴向滑块 34.侧垫板 35.压力传感器 36.轴向双头螺柱 37.摆臂结构 38.轴向加载压电陶瓷驱动器 39.左侧密封圈 40.左端盖 41.挡圈 42.左侧轴承 43.套筒 44.内隔圈 45.右侧轴承 46.右端盖 47.右侧密封圈 48.逆变器具体实施方式参阅图1，本实施例的高速电主轴动态加载装置，包括支撑部分、加载系统和自动控制系统；所述支撑部分包括主轴基座、径向加载垫板16、轴向加载支架9和测功机基座15；所述主轴基座包括主轴垫板1、调整垫片2、抱夹机构3，主轴垫板1使用螺栓固定在地平铁上,可使电主轴进行轴向调整，通过主轴垫板1可使主轴进行高度调整；径向加载垫板16使用螺栓固定在地平铁上，其上有T形槽，可使径向加载系统进行横向调整；轴向加载支架9底面使用螺栓固定在地平铁上，侧面有T形槽，可使轴向加载系统进行轴向和高度调整；测功机基座15使用螺栓固定在地平铁上，可进行轴向调整；支撑部分通过各部分的调整，必要时更换不同厚度的垫板，可适应不同型号、尺寸的电主轴，增加了装置的通用性；所述加载系统包括轴向加载系统、径向加载系统、扭矩加载系统和代替刀柄固定于高速电主轴上的加载棒5，加载棒上安装有轴承单元；参阅图2，径向加载系统中，径向加载压电陶瓷驱动器24上端输出头顶在加载棒上的轴承套6下端，对主轴加载径向力，径向加载压电陶瓷驱动器24下端通过径向双头螺柱23连接压力传感器22，压力传感器22下端有一径向滑块21，被径向位置调整机构30支撑；所述径向位置调整机构30包括无螺纹滑块20、有螺纹滑块27、弹簧31、螺栓19、螺母28和防松螺母29；无螺纹滑块20和有螺纹滑块27套在螺栓上，两滑块顶面类似V形块的两个V形面，紧贴在所述径向滑块21底面；所述径向位置调整机构30紧固在径向加载系统外壳26上；当旋紧螺栓时，两滑块会向中间移动，给上方的径向滑块21向上的作用力，使其上移；当旋松螺栓时，两滑块向由于弹簧31的作用力向两侧移动，径向滑块21由于重力作用下移；调整好螺栓后，再拧紧防松螺母29；通过径向位置调整机构30可使径向加载系统消除配合间隙，并进行预紧；参阅图3，轴向加载系统中，轴向加载压电陶瓷驱动器38顶在摆臂结构37的下端顶板上，摆臂结构37另一端顶在加载棒上的轴承套6上，轴向加载压电陶瓷驱动器38另一端通过轴向双头螺柱36连接压力传感器35，压力传感器35另一端顶在轴向滑块33上，被轴向位置调整机构32支撑；所述轴向位置调整机构32与径向位置调整机构30结构相同，由于安装方式不同，对轴向滑块施加的作用力是轴向的；通过轴向位置调整机构32可使轴向加载系统消除配合间隙，并进行预紧；扭矩加载系统包括电力测功机13、高速弹簧管联轴器11、安全防护罩12、逆变器48，电力测功机上安装扭矩传感器17（图中没有标出）和转速传感器14，用来实时检测加载的扭矩值和主轴转速；电力测功机13通过弹簧管联轴器11与电主轴加载棒5端部连接，通过逆变器48连接电网，逆变器可将测功机产生的电能反馈回电网；参阅图4，加载棒5上的轴承单元包括轴承套6、左端盖40、右端盖46、挡圈41、一对角接触球轴承42、45，一对密封圈39、47，两轴承中间有套筒43和内隔圈44；加载棒5设置有轴肩，端部为阶梯轴，所述角接触球轴承为陶瓷球轴承，在主轴高速运转时产生的摩擦热较小，可靠性较高；左侧轴承42的内圈顶在加载棒轴肩上，内圈另一侧通过套筒43顶在右侧轴承45内圈，两轴承的外圈分别顶在挡圈41和轴承套6上，轴承单元一侧通过轴肩定位，另一侧通过轴向加载系统的摆臂结构37压紧；套筒外的内隔圈44起均匀分配润滑油的作用，两端盖和密封圈起密封、防尘作用；轴承套6底面有一定位圆头滑槽，一面积较小的浅圆槽，浅圆槽在加载棒5轴线正下方；所述径向加载压电陶瓷驱动器的输出头从外壳伸出，加载径向力时顶在浅圆槽内；径向加载系统外壳顶面还有一短销25，与所述定位圆头滑槽配合，可与轴承套6在轴向方向有相对运动，同时限制轴承套绕轴线的转动；根据具体工作需要，进行径向力加载时，旋转径向位置调整机构30使径向加载压电陶瓷驱动器24上移，进行预紧，对压电陶瓷驱动器发送电信号，进行动态加载；进行轴向力加载时，旋转轴向位置调整机构32使轴向加载压电陶瓷驱动器38右移，推动摆臂结构37进行预紧，对压电陶瓷驱动器发送电信号，进行加载；进行扭矩加载时，通过自动控制系统对电力测功机13发送控制命令，即可进行加载；在径向和轴向加载时，可通过控制径向和轴向位置调整机构施加预紧力的大小对加载力进行大幅度地手动调节；径向力、轴向力和扭矩的加载可同时进行，也可分别进行；本实施例中，所述轴向加载系统与径向加载系统均设置冷却装