液压加载试验台设计.pdf

２０１６ 年 １ 月 第 ４４ 卷 第 ２ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｊａｎ􀆱 ２０１６ Ｖｏｌ􀆱 ４４ Ｎｏ􀆱 ２ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１６􀆱 ０２􀆱 ０４２ 收稿日期 ２０１４－１１－２１ 作者简介 浮燕 （１９７２）， 女， 硕士， 讲师， 研究方向为航空装备与技术。 Ｅ－ｍａｉｌ ｆｆｕｕｙｙａａｎｎ＠ １２６􀆱 ｃｏｍ。 液压加载试验台设计 浮燕， 邓建， 李想， 蔡存金， 赵旭森， 马胜勇 （空军勤务学院航空四站系， 江苏徐州 ２２１０００） 摘要 在主轴高速旋转的情况下， 为了测量主轴负载条件下的回转精度及动刚度， 利用液压缸推力大的原理， 设计一 种多自由度液压加载实验台。 该试验台有多个自由度， 能够实现在多个方向加载， 利用液压泵和溢流阀方便调节力的大 小。 该实验台可广泛应用于车床等机床的性能检测。 关键词 主轴； 性能测试； 液压加载试验台； 多自由度 中图分类号 ＴＨ１３７ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１６） ２－１３６－３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｌｏａｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔａｔｉｏｎ ＦＵ Ｙａｎ， ＤＥＮＧ Ｊｉａｎ， ＬＩ Ｘｉａｎｇ， ＣＡＩ Ｃｕｎｊｉｎ， ＺＨＡＯ Ｘｕｓｅｎ， ＭＡ Ｓｈｅｎｇｙｏｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｆｏｕｒ⁃ｓｔａｔｉｏｎ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ， Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ Ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｘｕｚｈｏｕ Ｊｉａｎｇｓｕ ２２１０００， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｓｐｉｎｄｌｅ， ａ ｍｕｌｔｉ⁃ＤＯＦ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｌｏａｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔａｔｉｏｎ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓｐｉｎｄｌｅ ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｕｎｄｅｒ ｌｏａｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ， ａｐｐｌｙｉｎｇ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｔｈａｔ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｈａｄ ａ ｌａｒｇｅ ｔｈｒｕｓｔ． Ｓｉｎｃｅ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔａｔｉｏｎ ｈａｄ ｍｕｌｔｉ⁃ＤＯＦ， ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｍｕｌｔｉ⁃ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｌｏａｄ， ｉｔｓ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｕｍｐ ａｎｄ ｒｅｌｉｅｆ ｖａｌｖｅ ａｌ⁃ ｓｏ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｈａｎｇｅ ｔｈｅ ｌｏａｄｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｅａｓｉｌｙ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔａｔｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔ ｏｆ ｌａｔｈｅｓ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｓｐｉｎｄｌｅ； Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔ； Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｌｏａｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔａｔｉｏｎ； Ｍｕｌｔｉ⁃ＤＯＦ 主轴工作性能的好坏是影响工件加工精度的关 键， 其中主轴回转精度及动刚度是衡量超精密机床主 轴的关键技术指标， 是影响机床加工误差的重要因 素［１－４］。 为了获取精确的主轴动刚度及负载条件下的 回转精度， 需要给高速旋转的主轴施加可靠的径向载 荷， 这一直是研究高速主轴动态性能的一个难点。 目 前， 关于高速主轴径向加载方法的研究并不多， 工程 上仍广泛采用皮带式加载方法和挂重物式加载方法， 难以在主轴较高转速时使用［５］。 因此， 设计一种机床 主轴液压加载实验台， 检测机床主轴系统是否达到加 工精度要求， 使机床更好地为企业服务， 显得十分 重要。 １ 主轴液压加载试验台的工作原理 机床液压加载试验台由液压动力单元 （包括柱 塞泵 、 单向阀、 过滤器 、 溢流阀、 压力表 、 换向 阀） 和加载单元组成。 其中液压动力单元是利用液 压泵给加载液压缸提供动力源； 三位四通换向阀通过 调整油路的通断方式实现不同的加载方式； 溢流阀通 过调节液压缸内的压力实现给主轴施加不同大小的 力。 此试验台拆卸方便， 轻便灵活， 其结构如图 １ 所示。 图 １ 主轴液压加载试验台原理图 ２ 主轴液压加载试验台的结构设计 ２􀆱 １ 液压动力单元 液压动力单元原理图如图 ２ 所示。 将加载单元油 缸预留口与试验台 “泵压力输入口” 用一根软管相 接。 启动电源后， 电动机开始工作并通过前端输出轴 给柱塞泵提供动力源， 液压油从油箱进入柱塞泵， 经 加压后通过单向活门和过滤器， 进入溢流阀和换向阀。 图 ２ 液压动力单元原理图 两个溢流阀设置为叠加式加载阀， 且溢流阀 １ 的 溢流压力大于手调溢流阀 ３ 的溢流压力。 电磁换向阀 电磁线圈 ＹＸ１ 得电， 液压油路接通方式如图 ２ 所示。 加载油缸内的压力由手调溢流阀的溢流压力决定。 此 时可以测试主轴负载条件下的动刚度及回转精度。 加载油缸的推力计算如下 加载油缸的柱塞直径为 ２０ ｍｍ， 可调溢流阀工作 压力设置为 １ ＭＰａ 时， 则加载油缸的推力 Ｆ＝ｐＳ＝ｐπｒ＝１１０６π（０􀆱 ０１／２） ２＝３１４ Ｎ 电磁换向阀电磁线圈 ＹＸ２ 得电， 液压油路接通 方式如图 ２ 所示。 此时， 液压油经换向阀直接流回油 箱， 加载单元处在卸载状态。 此时可以测试主轴空载 条件下的回转精度。 电磁换向阀的两个电磁线圈都不得电， 液压油路 接通方式如图 ２ 所示。 此时， 关闭柱塞泵， 加载油缸 内的压力保持在调定值不变。 此外， 利用 ＰＬＣ 控制线圈 ＹＸ１ 及线圈 ＹＸ２ 的交 替接通， 可实现加载与卸载的交替变化以模拟机床主 轴工况条件下的受力情况。 ２􀆱 ２ 加载单元 ２􀆱 ２􀆱 １ 加载器 结合高速主轴加载时摩擦发热的影响， 设计了一 种加载力大小可调、 稳定性强、 可对高速主轴施加稳 定径向载荷的加载器， 其结构如图 ３ 所示。 加载装置由壳体 ６、 加载连杆 １、 加载支架 ８、 活塞 ２ 及 ２ 个同面分布的滚动轴承 １２ 等组成。 壳体 ６ 与加载装置固定架联接， 加载连杆 １ 和活塞 ２ 相连并 可在壳体内随动； 液压接头 ４ 与试验台 “泵压力输 入口” 用一根软管相接， 壳体 ６ 内的压力由调定的 溢流压力决定并作用在活塞上， 最终通过加载支架、 轴 １１ 及轴承等给主轴加载。 此外， 给有轴端锥度的主轴加载时， 不能直接用 轴承加载， 文中通过在轴承上套装一个具有同样锥度 的套筒 １３ 解决这一问题。 图 ３ 加载器结构图 ２􀆱 ２􀆱 ２ 加载器固定架 进行主轴回转精度及动刚度测试时， 往往需要在 多个方向施加载荷。 文中研究一种加载器固定架， 实 现了加载器的可靠固定及轴径向摆动。 其结构图如图 ４ 所示。 其轴向及径向摆动示意图如图 ５ 所示。 图 ４ 加载器固定架结构图 ７３１第 ２ 期浮燕 等 液压加载试验台设计 图 ５ 加载器固定架摆动示意图 ３ 实验 被测对象为 ３５ ｋＷ／６ ０００ ｒ／ ｍｉｎ 超高速磨削电机 内置式液体悬浮电主轴试验台。 加载后的位移量采用 美国雄狮精仪公司的 ＣＰＬ１９０ 回转测量仪进行测试。 测试系统如图 ６ 所示。 图 ６ 测试系统 利用传统皮带式测量方法及文中设计的加载试验 台， 分别在不同转速和不同轴承油腔供油压力情况 下， 进行主轴动刚度测量， 测试结果如表 １ 和表 ２ 所示。 表 １ 油腔压力 ２ ＭＰａ 时不同转速下的测试结果 转速／ （ｒｍｉｎ －１ ） 主轴动刚度／ （Ｎμｍ －１ ） 皮带式轴承式 ０１７０１７１ １ ０００２２３２２５ ２ ０００无法测量２７０ ３ ０００无法测量３１５ 表 ２ 转速 １ ０００ ｒ／ ｍｉｎ 时不同油腔压力下的测试结果 压力／ ＭＰａ 主轴动刚度／ （Ｎμｍ －１ ） 皮带式轴承式 ２１７８１７３ ２．５１８９１９２ ３２２０２２４ 由表 １ 和表 ２ 可知 主轴刚度随主轴转速及油腔 压力的增大而增大， 且主轴低速转动时两种测试方法 得到的结果相近。 ４ 结论 文中所述的采用双轴承的机床液压加载试验台， 如果有其他需求， 可以对其进行改进， 比如采用单轴 承、 不使用液压动力源、 直接用弹簧加载， 此结构简 单， 且携带方便。 将液压原理应用于多自由度机床液 压加载试验台的设计， 工作原理清晰可靠； 该试验台 有多个自由度， 设计了双轴承结构及可偏摆的固定支 架； 该试验台结构简单， 加载力大， 应用前景广阔。 参考文献 ［１］ 孙方金，陈世杰．精密轴系回转精度测试［Ｍ］．哈尔滨 哈尔滨工业大学出版社，１９９７３２－３５． ［２］ 青木保雄，大园成夫．三点法真圆度测定法的展开［Ｊ］． 精密机械，１９６６，３２（１２）２７－３２． ［３］ ＤＯＮＡＬＤＳＯＮ Ｒ Ｒ．Ａ Ｓｉｍｐｌｅ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｓｅｐａｒａｔｉｎｇ Ｓｐｉｎｄｌｅ Ｅｒｒｏｒ ｆｒｏｍ Ｔｅｓｔ Ｂａｌｌ Ｒｏｕｎｄｎｅｓｓ［Ｊ］．ＣＩＲＰ Ａｎｎａｌｓ⁃Ｍａｎｕｆａｃ⁃ ｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９７２，２１（１）１２５－１２６． ［４］ 黄长征，李圣怡．超精密车床主轴回转误差运动的动态 测试［Ｊ］．航空精密制造技术，２００２，３８（４）１－３． ［５］ 熊万里，李想，侯志泉，等．高速主轴动刚度测试装置ＺＬ ２０１１２０１３０９０７􀆱 １［Ｐ］．２０１１－１２－１４． 􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮 􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮 􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮 􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀦮 􀦮 􀦮 􀦮 ２０１６ 年， 五大人工智能发展趋势 通过梳理过去１２ 个月与人工智能相关的新闻， 你将 发现人工智能的境况一路从 “高歌猛进” 到 “穷途末 路”， 而又一直在这之间摇摆不定。 以下即是关于人工 智能的五个预言 １ 更聪明的机器人 ＩＢＭ 正在利用机器学习算法训练机器人更好地将合 适的姿势、 音调与语句结合。 该公司的人工智能技术已 经被加载于其他公司生产的机器人上， 例如软银的礼宾 与销售助理机器人佩珀。 机器学习算法能够帮助机器人 学习更好地导航 （自动驾驶）， 并且与诸如仿生眼睛等 机器人设备结合。 ２ 更快的分析 机器学习算法的一个关键应用就在于数据分析。 视 觉数据分析的进步以及速度的加快将会跨越不同的领域 带来广泛的影响。 ３ 更自然的互动 用来处理语言的机器学习算法的提升会让人们与计 算机之间的交流更加容易。 微软雷德蒙德实验室研究员 兼管理主任 Ｅｒｉｃ Ｈｏｒｖｉｔｚ 说， 虚拟助手会变得 “非常有帮 助”。 人工智能律师初创公司 ＲＯＳＳ 的 ＣＥＯ Ａｎｄｒｅｗ Ａｒｒｕ⁃ ｄａ 提出自然语言处理的进步将会颠覆这种关系。 ４ 更微妙的恐惧 在聊到人工智能时， 你可能会听到有人提到 终结 者 系列。 特斯拉 ＣＥＯ 伊隆马斯克用这部电影表达 了他关于 ＡＩ 技术走向失控的恐惧。 Ａｒｒｕｄａ 认为关于所谓 邪恶 ＡＩ 的说法将会在 ２０１６ 年变得更微妙。 电子设备里 装有 ＡＩ， 将变成一件理所当然的事。 ５ 更热火朝天的竞争 谷歌、 Ｆａｃｅｂｏｏｋ、 微软与 ＩＢＭ 正在彼此竞争人工智 能的领导地位。 “这是一场天才间的战 争，” Ａｒｒｕｄａ 评价 道。 为创业公司与研发者推出开源工具并不是竞争升温 的唯一区域。 谷歌、 Ｆａｃｅｂｏｏｋ 与苹果都在 ＡＩ 虚拟助手这 片领域上宣布了自己的领土， 想要从搜索引擎与电子商 务市场中分得自己的一杯羹。 （内容来源 机器人 ｅ 资讯） ８３１机床与液压第 ４４ 卷