1、2023年 第2期 冷加工15专题策划：CIMT2023特刊数控系统与功能部件Special Topic:CNC System and Functional Component机床主轴加载试验系统管强，席晨飞纽威数控装备（苏州）股份有限公司江苏苏州215153摘要：介绍了一种用于数控机床上主轴部件加载测试时的试验系统，并开发了相应的控制软件。借助该试验系统，可完成对主轴部件进行力或转矩载荷的施加，从而模拟主轴部件的实际运转工况，考察和验证主轴部件在不同载荷工况下的使用寿命和可靠性水平，起到加速试验和快速磨合的目的，有利于消除或消减主轴部件的早期故障发生率，促进主轴部件整体可靠性水平的提升。关键
2、词：主轴部件；加载试验；可靠性；机床1 序言数控机床的主轴部件作为机床最重要的功能部件之一，对整机的可靠性水平有显著影响。在以往常规的主轴运转试验中，主要是在主轴空载的状态下（即运转时不在主轴上增加任何附加载荷）进行试验，主要目的是对主轴轴承及润滑油脂进行磨合及主轴温升检测1。但这种试验测试方法无法有效模拟主轴部件的实际工作状况，不符合主轴的实际使用条件，无法反映主轴在受载后的性能好坏和主轴部件的真实可靠性水平，也不利于主轴性能的改善。鉴于以上原因，本文提出了一种机床主轴部件的加载试验装置与试验系统，可在主轴部件的试验过程中，通过对试验主轴施加力或转矩的载荷，来完成主轴负载状态运行的试验，且可
3、以通过调整施加载荷的变化来模拟主轴部件工作时的实际运转工况，使得试验更接近主轴的实际工作状况，因此可以在试验中对主轴部件的早期故障和性能进行有效检测和评估，及时发现问题并加以优化改善，从而保证主轴部件装机前的性能稳定，减少后期的故障率，以提高机床整机的可靠性水平2。2 主轴加载试验系统的原理与功能该试验系统用于机床主轴的加载试验测试3。可用来进行主轴的空载温升试验、转矩加载试验、轴向加载试验和径向加载试验。主轴加载试验系统的整体功能主要由如下部分组成。（1）驱动部分通过伺服电动机联接待试验主轴部件，通过主轴部件上的编码器检测主轴试验时的运行速度，PLC系统按预定程序控制主轴在不同的转速下进行运
4、转。（2）温升检测部分温升检测是利用热敏电阻感应主轴轴承附近的温度，通过仪表将其转变为电信号，进而通过PLC将其转变为数字信号，由计算机负责实时记录该数据，通过对整个试验过程中的温度速度曲线对比，来达到分析的目的，通过温度、速度实际值来判断主轴是否合格4。（3）振动检测部分利用IEPE型振动加速度传感器监测主轴部件运转时指定位置点的振动数值5，并传入计算机控制系统，绘制振动数值的变化曲线，通过阈值来判断主轴的振动性能优劣。（4）转矩加载部分采用转矩传感器和制动器，制动器通过控制器可形成一定的转矩，伺服电动机通过传动带带动主轴部件转动，主轴部件通过卡爪、联轴器、连接件等与转矩传感器连接，转矩传感
5、器则与制动器相连接。如此通过在有负载的情况下，测量主轴轴承的温度变化及振动情况。（5）力加载部分在给定的轴向或径向方向上，通过伺服电动推杆将作用力作用在卡爪上，在2023年 第2期 冷加工16专题策划：CIMT2023特刊数控系统与功能部件Special Topic:CNC System and Functional Component该负载下进行主轴温升和振动性能测试试验。3 主轴加载试验系统的结构组成与布局3.1 加载试验系统的整体布局主轴加载试验系统主要由试验系统支撑台架、待试验主轴部件、驱动部件、轴向力载荷加载装置、径向力载荷加载装置、转矩载荷加载装置、力加载联接装置、试验控制操作台及
6、信号检测装置与仪器等组成。整体结构布局如图1所示。图1加载试验系统整体结构布局1平台上下移动手轮2轴向力载荷加载装置3转矩载荷加载装置4待试验主轴部件5径向力载荷加载装置6主轴驱动部件7十字滑台调节手轮8平台左右移动手轮9支撑台架后侧部分10上下导轨滑块11支撑台架前侧部分12左右导轨滑块试验控制操作台包括控制台本体、主控制电脑、轴向力显示仪表与控制模块、径向力显示仪表与控制模块、转矩显示仪表与控制模块以及控制电路/电缆与元件等组成，如图2所示。主要用来实现主轴部件的驱动运转、力与转矩载荷的施加和控制、信号检测与控制记录等功能。图2试验控制操作台示意1转矩显示仪表2轴向力显示仪表3径向力显示仪
7、表4主控制计算机5控制台本体3.2 加载试验系统的台架部分试验系统支撑台架是待试验主轴部件、驱动部件及加载装置的支撑平台，安装在试验区域的地面上，可通过下方的8个地脚支撑螺栓来调整平台的水平精度。试验系统支撑台架由前、后两部分组成，前、后两部分通过竖直方向的导轨滑块装置进行联接。前侧部分主要起为力加载装置和转矩加载装置提供支撑的作用，可进行上下、左右和前后3个方向的位置调整，以便在加载试验前进行加载装置的位置调整。前侧部分结构上由竖直方向的移动平台及其支撑与调整导向装置、水平左右方向的移动平台及其调整与导向装置、水平前后方向的转矩加载装置移动平台及其调整与导向装置组成。后侧部分主要起为待试验主
8、轴部件以及驱动部件提供支撑的作用。待试验主轴部件通过带T形槽的安装板固定在试验平台上，通过调整块和螺钉装置来调整主轴部件的位置。十字滑台固定在试验平台上，十字滑台上安装有安装板，用来固定主轴驱动部件，通过两个不同方向的手轮来调整十字滑台和驱动部件（电动机）在水平前后方向和左右方向的位置，以匹配驱动部件与主轴部件之间的位置状态。本例中，驱动部件与主轴部件上均装配有带轮，并通过传动带进行联接，以实现驱动主轴部件运转的目的。加载试验系统的俯视图如图3所示。图3加载试验系统俯视图1转矩载荷加载装置2待试验主轴部件3十字滑台4主轴驱动部件5径向力载荷加载装置6载荷加载装置移动平台7轴向力载荷加载装置3.
9、3 载荷加载装置主轴轴向力载荷加载装置主要由固定支架、伺服电动机、电动推杆、拉压传感器、固定压盘、轴向加载原点传感器和轴向前行限位传感器组成。固2023年 第2期 冷加工17专题策划：CIMT2023特刊数控系统与功能部件Special Topic:CNC System and Functional Component定支架将轴向力载荷加载装置固定在移动平台上。轴向力加载时，伺服电动机驱动电动推杆向前运动，拉压传感器和固定压盘位于电动推杆的移动杆上，二者随之向前运动并将固定压盘接触到主轴部件上的旋转压盘的前端面上，使得主轴部件承受轴向力的载荷（即达到轴向加载的目的）。拉压传感器用来检测所加载轴
10、向力的大小。原点和前行传感器用来检测电动推杆在加载前和加载时的位置，该位置可调整以满足不同的加载场合需要。主轴径向力载荷加载装置与轴向力加载装置结构组成类似，在此不再详述。轴向力载荷加载装置与径向力载荷加载装置分别如图4、图5所示。图4轴向力载荷加载装置示意1前行限位传感器2电动推杆3伺服电动机4原点传感器5拉压传感器6固定压盘7旋转压盘8固定支架图5径向力载荷加载装置示意1拉压传感器2稳定器3伺服电动机4电动推杆5固定支架主轴转矩载荷加载装置主要由制动器、转矩传感器、联轴器、压力检测开关、冷却循环水路、精度调整装置及转矩输出轴组成，如图6所示。制动器固定在移动平台上，转矩传感器通过支架固定在
11、移动平台上，制动器输出轴与转矩传感器的轴之间通过联轴器联接，联轴器还用来联接转矩传感器与主轴端的转矩加载联接轴。制动器运转时需要冷却循环水路进行冷却，压力检测开关用来检测冷却循环水路的压力。转矩传感器用来检测转矩加载试验时的转矩大小，可通过控制器来调整制动器的输出电流，以达到对主轴加载转矩进行调整的目的。图6转矩载荷加载装置示意1卡盘和卡爪2试验主轴部件3、5联轴器4转矩传感器6压力检测开关7制动器8冷却循环水路9前后调节平台10精度调节装置11转矩输出轴3.4 载荷联接装置加载联接装置（见图7）安装在试验主轴部件上，包括联接卡盘、卡爪、力承载部件。联接卡盘固定在主轴上，主轴运转时会带动卡盘旋
12、转。力承载部件由固定杆和旋转压盘两部分组成，固定杆由卡爪夹紧后联接在卡盘上，旋转压盘部分与固定杆间安装有轴承，旋转压盘的前端面在轴向力加载时直接与轴向加载装置的固定压盘相接触，其外圆周面在径向力加载时直接与径向加载装置的径向加载稳定器接触，可以达到加载时主轴和固定杆一同运图7力载荷加载联接装置示意1固定杆2卡盘和卡爪3稳定器轴承4加载稳定器固定部分 5固定压盘6旋转压盘1234562023年 第2期 冷加工18专题策划：CIMT2023特刊数控系统与功能部件Special Topic:CNC System and Functional Component转，但旋转压盘和加载部分的固定压盘和径向
13、加载稳定器部分不会一同运转的目的。径向加载稳定器由固定部分和两个承载轴承组成，可以较好地承载与旋转压盘之间的径向载荷。转矩加载时，转矩传感器与卡盘间通过联接轴进行联接，联接轴的一端由卡爪夹紧，另一端通过联轴器与转矩传感器的输出轴联接。3.5 信号检测装置与仪器信号检测装置与仪器包括温度检测传感器、振动检测传感器和相关控制与处理模块等。温度检测传感器有3个，分别用来检测主轴运转时的前轴承温度、后轴承温度和环境温度，如果主轴运转时温度异常则控制系统会做报警或停机处理。振动检测传感器有4个，分别用于检测主轴前轴承的水平径向方向和竖直径向方向、主轴后轴承的水平径向方向和竖直径向方向，如果主轴运转时振动
14、异常，则控制系统也会做报警或停机处理。温度、振动、力载荷及转矩载荷的数据采集、控制与处理模块安装在试验控制操作台的内部（见图8、图9），通过实时检测并定时记录上述传感器信号，达到对主轴部件试验时的数据进行监测的目的，同时可通过对所记录信号的分析来评价主轴部件的可靠性与稳定性等性能水平。4 主轴加载试验系统的软件设计主轴加载试验系统的控制软件基于net2.0进行开发6。主轴部件加载试验时的主要软件界面如下。（1）软件登录界面如图10所示，默认用户名：admin，密码：admin，其他用户名可以用此用户名分配。图10软件登录界面（2）数据监视界面如图11所示，界面主要展示如下几部分信息。图11数据
15、监视界面界面左上半部分显示了基于测量的外部传感器信息，包括温度、转速、功率及加载力等。界面左偏上部分显示了运行中的机床主轴的基本信息、试验的主轴部件型号和主轴部件编号以及运行的相关数据，如给定速度和已运行时间等。主轴部件型号：用于区分主轴类型，如工厂生产5种类型的车床，分别对应5种类型的主轴型号。主轴部件编号：这是对某一类主轴中实际存在的设备的编号。这个编号是唯一的，这也是区分记录的唯一索引，该编号不可重复，如果重复了，则会覆盖以前图8振动数据采集模块示意图9力/转矩载荷数据采集模块示意1制动器主控电流2制动器控制3、4拉压传感器显示仪表5制动器外控信号2023年 第2期 冷加工19专题策划：
16、CIMT2023特刊数控系统与功能部件Special Topic:CNC System and Functional Component的测试信息。界面左中间部分显示了步进温升段信息，即每一段的计算结果，包括：温升值、给定点的速度、转矩、压力及功率等。界面的下半部分显示了所有采集点及其实时 曲线。（3）信息下载界面如图12所示，该界面用于启动测试前的参数下载。由于主轴类型比较多，各个主轴的最高转速及测试条件不一样，因此，针对每一种主轴部件型号，设计了不同的参数组，用户仅根据实际的主轴部件型号从下拉列表中选择对应的型号，对该型号进行参数设置。图12信息下载界面每个主轴部件编号关联了温升跑合试验参数，同时也关联了振动测量相关参数。选中主轴部件编号后，相关参数自动调取出来，供用户查看。选择完后，再输入实际主轴的部件编号，点击下载，界面自动关闭，此时“数据监视界面”上参数下载按钮变成了绿色。此时，可以根据试验类型进行选择是空载试验还是转矩试验或X轴加载/Y轴加载。以上任意一个试验的开始都必须下载参数，只要参数下载按钮不为绿色，启动是无效的。每次试验启动后，参数下载按钮变成黄色。（4）历史曲线界