1、1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
2、拟高速电主轴在高速切削时的实际工作状况。1摘 要 附 图 1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
3、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
4、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
5、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2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
6、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。1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
7、。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
8、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；说 明 书2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
9、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
10、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
11、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
12、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3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
13、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
14、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
15、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4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
16、、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
17、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
18、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
19、整机构 30 结构相同，由于安装方式不同，对轴向滑5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
20、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
21、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
22、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7、10 与通风口；本实施例中，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进油口 8 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；6参阅图 5，为本发明所述自动控制系统原理图，压力传感器22、压力传感器35、扭矩传感器 17、转速传感器 14 对加载的径向力、轴向力、扭矩以及主轴转速进行实时检测，检测信号
23、经放大、模/数转换传输至工控机，在控制界面中显示，控制界面使用 VB 编写；工控机将控制命令输出至电主轴、电力测功机和轴向、径向加载压电陶瓷驱动器，对加载装置进行实时控制；本发明在使用时，通过自动控制系统的控制，电主轴可实现启动、停止、高速、低速、以及恒功率、恒扭矩转动等功能；进行径向力和轴向力加载时，可实时改变加载力和频率的大小，也可以根据设定好的曲线、波形进行的加载；进行扭矩加载时，可实现恒功率和恒扭矩两种加载方式，测功机将产生的电能回馈电网，节省能源；本实施例中，所述控制界面可输出径向加载力、轴向加载力和加载扭矩的曲线，还可输出高速电主轴各种模拟工况下的动力性曲线；当加载力、加载扭矩、主轴转速、扭矩等数值超过正常范围时，控制系统报警，并采取相应安全措施。本发明中所述的实施例是为了便于该技术领域的技术人员能够理解和应用本发明，是一种比较具体的技术方案而非限制。如果相关的技术人员在坚持本发明基本技术方案的情况下做出不需要经过创造性劳动的等效结构变化或各种修改都在本发明的保护范围内。
