[发明专利]高速电主轴动态支承刚度测试装置及测试方法

权利要求书

1.一种高速电主轴动态支承刚度测试装置，其特征在于，包括用于向电主轴输出端的加载棒施加径向加载力的机械加载装置、用于控制机械加载装置加载力的加载控制装置以及用于采集所述加载力以及加载棒的位移变化的数据采集单元；所述机械加载装置包括刚度基座，所述刚度基座的顶部设有两个并排设置的滚动轴承，滚动轴承的外圈与加载棒接触加载；所述加载控制装置包括向刚度基座提供作用力的动力装置。

2.根据权利要求1所述的高速电主轴动态支承刚度测试装置，其特征在于，该测试装置还包括润滑装置，所述润滑装置包括润滑导管，所述润滑导管的一端与润滑剂储存箱连接，另一端的管口迎向加载棒的加载点设置，用于向加载点提供润滑剂。

3.根据权利要求1所述的高速电主轴动态支承刚度测试装置，其特征在于，所述数据采集单元包括用于测量动力装置向刚度基座施加的作用力的压力传感器，设置在加载棒的加载点的正上方用于检测加载棒在加载力作用下的位移量的电涡流传感器。

4.根据权利要求3所述的高速电主轴动态支承刚度测试装置，其特征在于，所述刚度基座通过滑动副固定在机架上，所述滑动副包括固定在机架上的滑动基座以及贯穿所述滑动基座且与所述滑动基座滑动连接的滑动支柱，所述滑动支柱的一端与所述刚度基座连接，另一端与所述动力装置的输出端连接；所述压力传感器设置在动力装置的输出端与滑动支柱之间。

5.根据权利要求1所述的高速电主轴动态支承刚度测试装置，其特征在于，该测试装置还包括用于调节动力装置位置的动力装置安装机构，所述动力装置安装机构包括第一立柱、设置在所述第一立柱上的第一套管以及水平设置且与第一套管的管壁固定连接的安装板，所述第一套管可沿第一立柱上下滑动，所述动力装置安装在所述安装板上。

6.根据权利要求4所述的高速电主轴动态支承刚度测试装置，其特征在于，所述动力装置包括气缸以及与所述气缸连接并用于控制气缸工作的电气比例阀，所述压力传感器设置在气缸的活塞杆与滑动支柱之间。

7.根据权利要求6所述的高速电主轴动态支承刚度测试装置，其特征在于，所述气缸的活塞杆通过浮动接头与压力传感器的连接接头相连接。

8.一种利用权利要求书1-7任一所述测试装置测量高速电主轴动态支承刚度的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：采集电主轴输出端的加载棒所受的径向加载力以及加载棒在所述径向加载力作用下的位移量；

S2：建立电主轴的等效模型，并根据所述等效模型确定电主轴的前/后轴承的支撑点；

S3：根据静力学平衡条件计算电主轴的前/后轴承的支撑点的载荷，根据加载棒在径向加载力作用下的位移量计算电主轴的前/后轴承的支撑点的位移量，最后根据轴承刚度定义计算得到电主轴的前/后轴承的动态径向支承刚度即为电主轴动态支承刚度。

9.根据权利要求8所述的高速电主轴动态支承刚度测试方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

S21：将电主轴的前后轴承视为一套双列轴承，建立电主轴的等效模型，确定径向载荷F_r的有效作用点D；

S22：根据前后两个双列球轴承压力中心之间的距离l_a大于单个双列轴承中的两个轴承压力中心之间的距离l_b时，F_r作用点的移动可被忽略，将电主轴前/后轴承的支承点简化为各自两个轴承压力中心连线的中点处A点和B点。

10.根据权利要求9所述的高速电主轴动态支承刚度测试方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

S31：根据静力学平衡条件计算电主轴的前/后轴承的支撑点的载荷所采用的具体公式为：

其中：l_ij为等效模型中各等效点间的水平距离，F_A为主轴的前轴承的支撑点A的载荷，F_B为主轴的后轴承的支撑点B的载荷，

S32：根据加载棒在径向加载力作用下的位移量计算电主轴的前轴承的支撑点A的位移量和后轴承的支撑点B的位移量所采用的具体方法为：

根据电主轴的等效模型可知：

y_C＝y₁+y₃ (3)

y_E＝y₂+y₄ (4)

其中，y_C为加载棒位移量采集点C处采集到的位移量，y_E为加载棒位移量采集点E处采集到的位移量；y₁和y₂分别为假设电主轴的轴承为刚性，无径向位移变形时加载棒位移量采集点C和加载棒位移量采集点E的位移量；y₃和y₄分别为假设电主轴的支撑轴为刚性，无径向位移变形时加载棒位移量采集点C和加载棒位移量采集点E的位移量；

根据材料力学分析电主轴转子在外力F_r作用下的挠度曲线可得：

其中：E为转子的弹性模量；J为转子的等效惯性矩，d_v为转子的当量直径，d_i为第i段阶梯轴的直径，l_i为第i段阶梯轴的长度，L为阶梯轴的总长度，N为阶梯轴的轴端数；

由电主轴变形位移的几何关系可得：

其中，δ_A和δ_B分别为电主轴的前轴承的支撑点A的位移量和后轴承的支撑点B的位移量；

S32：根据轴承刚度定义计算得到电主轴的前轴承的动态径向支承刚度K_A和后轴承的动态径向支承刚度K_B所采用的具体公式为：