[发明专利]一种机床主轴热误差测试装置及其方法

权利要求书

1.一种机床主轴热误差测试装置，由装置本体构成，其特征在于：所述装置包括对电主轴施加径向力载荷的模块、扭矩加载模块以及辅助测量装置模块，其中：

--所述扭矩加载模块采用直接加载的方式实现对电主轴施加扭矩载荷；

--所述径向力加载模块由固定架、力传感器、拉杆部件、轴承、轴承座以及盖板实现对电主轴施加径向载荷；

--所述辅助测量模块通过温度传感器、电涡流位移传感器、碳纤维架以及配套的NI采集箱和上位机构成；

--所述装置通过扭矩加载模块、径向力加载模块和辅助测量模块模拟电主轴的实际载荷情况，分离出主轴箱、立柱热误差以及电主轴本体热误差，对电主轴热分析和评估提供实验数据。

2.根据权利要求1所述的一种机床主轴热误差测试装置，其特征在于：所述扭矩加载模块包括磁粉制动器、扭矩传感器、联轴器、底板，磁粉制动器固定支架以及扭矩传感器固定支架；其中：

--所述扭矩传感器右端与安装在电主轴上的检验棒通过弹性联轴器连接，左端与磁粉制动器连接，左右两端的短轴因受到扭矩作用而引起相对的扭转变形，从而能够测量电主轴输入扭矩；扭矩传感器输出的电流信号转换为电压信号后，NI信号采集系统能够采集到扭矩的数据并在上位机上显示；

--所述的磁粉制动器为电主轴提供扭矩负载，制动功率可通过调节输入电流的大小来调节，利用磁粉制动器能够控制输出不同大小的扭矩；

--所述联轴器实现电主轴、扭矩传感器、磁粉制动器动力传输。

3.根据权利要求2所述的一种机床主轴热误差测试装置，其特征在于：所述扭矩载荷模块采用直接加载的方式，使用弹性联轴器能够减小或避免了磁粉制动器直接将载荷施加到主轴上可能引起的对主轴的损坏。

4.根据权利要求2所述的一种机床主轴热误差测试装置，其特征在于：所述联轴器选用梅花弹性联轴器，能够允许电主轴的轴线与负载的轴线有微小的同轴度安装偏差。

5.根据权利要求2所述的一种机床主轴热误差测试装置，其特征在于：所述联轴器设有隔热橡胶垫，减小磁粉制动器传递到扭矩传感器上面的热量。

6.根据权利要求1所述的一种机床主轴热误差测试装置，其特征在于：所述拉杆部件包括左端固定杆，拉杆筒体，压缩弹簧，右端活动杆。所述拉杆部件的固定端与所述力传感器连接，其活动端与轴承座连接；所述拉杆的活动端与固定端之间设有带弹簧的套筒；所述轴承座连接有检验棒，所述检验棒通过刀柄与电主轴连接；所述力传感器与NI采集系统连接输入检测的拉力数据。

7.根据权利要求6所述的一种机床主轴热误差测试装置，其特征在于：所述轴承选用双列滚子调心轴承。

8.根据权利要求1所述的一种机床主轴热误差测试装置，其特征在于：所述辅助测量模块采用5+N点法分离出电主轴末端误差；所述电涡流位移传感器的测点位置为：检验棒根部X向、Y向、Z向，检验棒端部X向、Y向，电主轴前端面Z向；对于机床本身的热误差测量选取床身与立柱进行温度及位移传感器测点的布置，其中：位移传感器的测点位置为：X轴上导轨X向、Y向、Z向，X轴的下导轨的X向、Y向、Z向，立柱结构中间Z向。

9.根据权利要求1-7任一项所述的装置进行机床主轴热误差测试方法，其特征在于：

步骤1：安装辅助测量模块；

步骤2：机床开机后保持待机状态，等待机床达到热平衡；

步骤3：安装径向力加载装置，先将拉杆装置与装有双列滚子调心轴承的轴承座连接，然后将轴承座安装在刀柄夹持的检验棒上，串联力传感器，同时将固定架利用螺栓和型螺母固定于机床的工作台上，移动工作台与主轴的位置，使传感器左端的连杆与固定架；

步骤4：将拉力传感器数据线连接到NI信号采集箱，并将采集箱的数据线与上位机相连；

步骤5：使用机床手轮调节主轴与径向力加载模块的相对位置，对电主轴施加的径向力，并检测径向力的大小；

步骤6：当径向力达到目标值后，安装扭矩加载装置。磁粉制动器与扭矩传感器通过上述的梅花联轴器连接并固定在底板上，移动底板以使得扭矩传感器与检验棒的轴线对正，通过千分表测量同轴度，轴线对正之后，固定底板，移动工作台，安装并固定扭矩加载装置；

步骤7：为磁粉制动接通电源，并将扭矩传感器数据线介入NI采集系统，然后将NI系统连接到上位机；

步骤8：实验装置安装好后，启动电主轴并给定转速下运行；

步骤9：调节磁粉制动器的输入电流，以控制输出扭矩，达到设定值之后，开始采集并记录温度和位移数据；

步骤10：若第n+1次测量的位移d_n+1与第n次测量的位移d_n的差值与d_n的比值小于10％，则停止实验；

步骤11：计算得到检验棒根部(靠近主轴箱)轴向热变形为z₁，立柱的热变形量为z_l；主轴箱轴向热变形量为z_x，则主轴本体热变形量为z＝z₁-z_l-z_x。