主轴单元性能评价装置设计及结构优化.pdf
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1、 精密制造与自动化 2023年第1期 20 主轴单元性能评价装置设计及结构优化 杜 雄(上海机床厂有限公司 上海 200093)摘摘 要要 主轴单元刚度、回转精度等性能指标对机床的加工精度和表面质量产生决定性的影响,是机床功能部件可靠性考核过程中需要评定的重要指标。为了对刚度和回转精度进行综合性能评定,基于测量工作原理提出了一套主轴单元性能评价装置;其结构设计是在主轴单元的主轴前端设置加载圆盘和测量基准球,通过对加载圆盘加载,利用非接触位移传感器测量加载圆盘的径向位移和基准球三个方向的位移,获取主轴单元在不同载荷下的刚度、轴向窜动和回转精度等性能;基于有限元分析,对主轴单元性能评价装置的大小立
2、柱进行了结构优化,设计质量减小超过 20%。相关研究工作对主轴单元可靠性试验台制造和性能测试具有一定的指导意义。关键词 主轴单元 性能评价 结构设计 结构优化 1 1 引言引言 随着数控机床的突飞猛进和高端数控机床市场的强力增长,数控机床的精度要求已经不局限于静态的几何精度,数控机床的运动精度、热变形以及对振动的检测和补偿受到了越来越多的重视。为了提高数控机床各方面的可靠性,具有高精度保持性和高可靠性的功能部件的应用成为必然。针对机床功能部件可靠性,中国机械工业联合会提出制订国家标准 GB/T 23568 机床功能部件可靠性评定1,该标准依次分为总则、滚珠丝杠副、滚动直线导轨副、机械主轴单元、
3、电主轴、刀库和刀具自动交换装置、数控转塔刀架、数控转台、排屑装置和防护装置共十个部分;其中第四和第五部分所涉及的主轴单元是一种极其重要的机床功能部件,使用时主要关心其刚度、径向跳动、轴向窜动和回转精度等性能指标,这些性能指标会对机床的加工精度和表面质量产生决定性的影响,也是机床功能部件可靠性考核过程中需要评定的重要指标。吉林大学的王凯2以 170XDS30Y22 型数控铣高速电主轴作为研究对象,开发了使用电液伺服系统和电力测功机混合加载的电主轴可靠性试验系统,模拟电主轴真实受力状况,对高速电主轴进行可靠性试验。北京第二机床厂有限公司3提出了一种在实验室环境下可对砂轮主轴模拟砂轮主轴在实际工况中
4、的动态切削力而为产品的可靠性增长和评估提供实用的基础数据的砂轮主轴可靠性试验台技术方案,动态切削力包括扭矩、径向力和轴向力。西安理工大学的俞嘉艺4以电液伺服系统和电力测功机作为加载装置的高速电主轴可靠性试验方案,搭建了高速电主轴可靠性试验台,模拟电主轴真实受力状况,对高速电主轴进行可靠性试验。吉林大学胡荣汉5以机床电主轴为研究对象,融合实验室可靠性台架试验的退化数据与现场数据等双源数据,建立电主轴性能退化的可靠性模型,实现双源数据融合的电主轴可靠性评估。上述基于试验台或者融合现场测试数据对主轴或电主轴进行的研究试验是单方面的,主要是对可靠性进行评价。在主轴单元可靠性考核过程中,为了对刚度、径向
5、跳动、轴向窜动和回转精度进行综合评定,上海机床厂有限公司6提出了一套主轴单元性能评价装置,在主轴单元的主轴前端设置加载圆盘和测量基准球,通过加载头对加载圆盘加载,利用非接触位移传感器测量加载圆盘的径向位移和基准球三个方向的位移,最终获取主轴单元在不同载荷下的刚度、轴向窜动和回转精度等性能。本文基于此主轴单元性能评价装置,对其进行结构设计和优化。2 2 总体设计总体设计 JB/T 117672014液体静压、动静压轴承主轴单元7给出了有关液体静压、动静压轴承主轴单元径向刚度、轴向刚度和回转精度等的定义,并示例了刚度和回转精度的测量方法。根据主轴单元刚度、径向跳动、轴向窜动和回转精度综合性能测试需
6、求,形成了图 1 所示的工作原理总体设计方案,主轴单元的主轴轴端外圆柱面设置加载圆盘,由加 杜 雄 主轴单元性能评价装置设计及结构优化 21 载头、力传感器和液压缸组成的力加载机械本体部件在相互垂直的两个方向对加载圆盘加载致使加载圆盘发生侧向位移偏移,通过位移传感器经变送器变换后接入数据采集卡;主轴单元的主轴轴端端面安装测量基准球,径向成 90 的两个方向和沿主轴轴向方向相对于基准球设置位移传感器,位移传感器感测的基准球位移变化信息经变送器变换后接入数据采集卡,最终送到监测和分析评价软件平台进行评价分析。同时,设置一油箱,监测和分析评价软件平台可对内置在油箱中的伺服阀进行调节,这样就形成了主轴
7、单元的动态加载。图图 1 主轴单元性能评价装置工作原理设计方案主轴单元性能评价装置工作原理设计方案 3 3 结构设计结构设计 如图 2 所示,在试验平台的底座上设置大小两个立柱,大立柱上安装的力加载机械本体部件可对主轴单元上加载圆盘进行铅垂方向加载,小立柱上安装的力加载机械本体部件可对主轴单元上加载圆盘进行水平方向加载。图图 2 主轴单元性能评价装置机械结构三维模型主轴单元性能评价装置机械结构三维模型 如图 3 所示,在主轴的端面安装测量基准球,测量基准球的中心处于主轴的中心线上,这样就避免主轴高速回转运动过程中测量基准球高转速不平衡量过大对主轴性能的影响。图图 3 回转精度测量基准球安装示意
8、图回转精度测量基准球安装示意图 力加载机械本体部件如图 4 所示,其加载头的一端为支撑框,可与大、小立柱连接;支撑框的一侧设有三个通孔,中间安装加载主轴,两侧安装导向轴;加载主轴的一端通过一对轴承组支承连接两块弧形连接板,弧形连接板两端通过螺钉轴再各自安装两个大小相同的滚动轴承组,保证弧形连接板与加载圆盘接触时只有弧形连接板两端的两组轴承产生滚动运动。支撑框中相对于安装加载主轴侧的另一侧安装液压缸;液压缸活塞杆和加载主轴之间安装力传感器。这样就可以将液压缸的活塞杆上的液压作用力经加载主轴、弧形连接板及其两端的轴承组传给加载圆盘,作用力的大小由活塞杆和加载主轴之间的力传感器进行测量。图图 4 力
9、加载机械本体部件三维模型力加载机械本体部件三维模型大立柱 力加载机械本体部件 基座 小立柱 主轴单元 精密制造与自动化 2023年第1期 22 LZZd4 4 参数计算参数计算 根据磨床设计的主轴规格,选定常用轴径规格120mm 为设计原型,选取一款砂轮架,形成三维设计。根据外圆磨削力 实验公式8:62.0a76.0w90.0pt453fvaF (1)式中:af 为工件轴向进给速度(m/min),若主轴转速为 min/r2n,则10002anbf,为工件旋转一周的进给量,即磨削加工宽度r/mm。选取主轴工作转速2n=955 r/min,砂轮尺寸为900mm 100mm 305mm,则砂轮线速度
10、取值为s/m45sv;工件线速度为min/m40wv;磨 削 深 度mm03.0pa;r/mm2b,min/m91.1af,代入式(1)计算得N520tF。再根据法向磨削力nF和切削磨削力tF的比值范围 35.1取6.2/tnFF 得N1350nF。考虑到还 有 更 大 规 格 的 主 轴,这 里 将 加 载 力 取 为N1500LF。加载圆盘与轴承之间的传力如图 5 所示。图图 5 力加载机械本体部件三维模型力加载机械本体部件三维模型 根据力平衡,则得轴承的径向受力为 =2cos2 (2)式中:为两个轴承与加载圆盘产生的作用力ZF 之间的夹角,设两个轴承中心的距离为dd,则有 =(+)sin
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