【技术实现步骤摘要】
电主轴可靠性快速实验加载方法及加载系统
本专利技术涉及数控机床电主轴可靠性测试
，特别涉及一种电主轴可靠性快速实验加载方法及加载系统。
技术介绍
电主轴是集机、电、液的复杂系统，是加工中心可靠性的核心环节之一。在高速、高功率、高负荷的工况下长期运行，主轴零部件容易产生各种疲劳磨损、裂纹等故障，且故障的发生往往会导致连锁反应，加剧主轴其余零部件的折损，使主轴性能状态进一步恶化。为提高电主轴的可靠性，需要对电主轴开展可靠性加载试验，使电主轴在有限周期和可接受成本内消除或大幅减少早期故障。但常规的方法是在机床上直接进行可靠性加载，存在测试周期较长，见效慢，所需样本量大，成本高等缺陷，需要占用多台机床进行试验，且带入机床中其它部件中不确定的影响因素，不利于对主轴可靠性的专门研究。因此为提高主轴可靠性，并在可控的环境下进行加载试验与数据采集，需要在实验室中建立电主轴可靠性加载测试与检测系统。根据调研发现，国内主轴生产厂商在其主轴出厂前的可靠性测试中主要使用了空转、主轴测功机对拖或恒力加载试验，虽然在出厂时达到了出厂要求，但在一段时间的使用后，主轴的精度与可靠性往往会出现较大的衰退，因此主轴可靠性与精度保持性的问题长期制约了国内数控机床电主轴厂商的发展。另一方面，在多台主轴上进行简单的恒力加载试验时间消耗巨大，试验成本很高，且难以模拟主轴真实载荷，影响产品上市的时效性。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种电主轴可靠性...
【技术保护点】
1.一种电主轴可靠性快速实验加载方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1，建立电主轴的疲劳与磨损加速模型；/nS2，根据常规的主轴载荷谱与所述电主轴的疲劳与磨损加速模型中的加速因子对所述常规的主轴载荷谱中的加载力大小与频率、主轴转速进行提高，得到加速载荷谱；/nS3，在加载系统中，根据加速载荷谱对电主轴进行控制，获取所述加载系统中运动模组的位置信息和五自由度并联气动加载机构的参数信息，根据所述位置信息和参数信息计算所述五自由度并联气动加载机构的位姿信息，根据所述位姿信息和所述加速载荷谱计算所述五自由度并联气动加载机构的各个加载轴上的加载力和频率；/nS4，根据计算出的各个加载轴上的加载力和频率对电主轴进行加速实验，检测加速实验中电主轴的多个参数，根据所述多个参数对所述电主轴的性能进行评价。/n
【技术特征摘要】
1.一种电主轴可靠性快速实验加载方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，建立电主轴的疲劳与磨损加速模型；
S2，根据常规的主轴载荷谱与所述电主轴的疲劳与磨损加速模型中的加速因子对所述常规的主轴载荷谱中的加载力大小与频率、主轴转速进行提高，得到加速载荷谱；
S3，在加载系统中，根据加速载荷谱对电主轴进行控制，获取所述加载系统中运动模组的位置信息和五自由度并联气动加载机构的参数信息，根据所述位置信息和参数信息计算所述五自由度并联气动加载机构的位姿信息，根据所述位姿信息和所述加速载荷谱计算所述五自由度并联气动加载机构的各个加载轴上的加载力和频率；
S4，根据计算出的各个加载轴上的加载力和频率对电主轴进行加速实验，检测加速实验中电主轴的多个参数，根据所述多个参数对所述电主轴的性能进行评价。
2.根据权利要求1所述的电主轴可靠性快速实验加载方法，其特征在于，
根据基于Manson-Halford双线性疲劳损伤准则的疲劳模型和基于Archard和Hertz接触理论的轴承磨损模型建立所述电主轴的疲劳与磨损加速模型。
3.根据权利要求1所述的电主轴可靠性快速实验加载方法，其特征在于，计算所述五自由度并联气动加载机构的各个加载轴上的加载力，包括：
对所述五自由度并联气动加载机构的动平台进行受力分析：
其中，fM为动平台受到的作用力矢量，nM为动平台受到的力矩矢量，为动平台的加速度矢量，为动平台的角加速度矢量，ω为动平台的角速度矢量，mM为动平台的质量，g为重力加速度，fe和ne为简化到动平台坐标系{M}原点o的载荷，BIM＝BRMMIMBRMT为动平台关于质心的惯性矩阵在静平台坐标系{B}中的表示，BRM为动平台相对于静平台基础坐标系的旋转矩阵，MIM为动平台对其质心的惯性矩阵，BRMT为动平台相对于静平台基础坐标系的旋转矩阵的转置；
对多个加载轴进行受力分析：
第i个加载轴上不运动的部分i1和运动部分i2关于各自质心的作用力和惯性力的矢量和可以表示于加载轴坐标系{i}下，具体形式为：
其中，mi1和mi2分别是构件i1和i2的质量，iIi1和iIi2分别是构件i1和i2质心的转动惯量在支链坐标系{i}中的表示，ifi1和ifi2为构件i1和i2关于加载轴坐标系{i}下的受力矢量，ini1和ini2为构件i1和i2关于加载轴坐标系{i}下的惯性力矢量，iRB为加载轴坐标系{i}相对于静平台基础坐标系的旋转矩阵，和为构件i1和i2的加速度矢量，iωi为第i个加载轴相对于其质心的角加速度矢量；
根据虚功原理法对所述五自由度并联气动加载机构进行动力学建模：
驱动关节虚位移δq与动平台终端输入虚位移δX通过雅可比矩阵J联系起来：
δq＝JδX
第i个加载轴中的构件i1和i2的虚位移δixi1和δixi2与δX也可通过雅可比矩阵iJi1和iJi2联系起来：
δixi1＝iJi1δX
δixi2＝iJi2δX
虚位移δx和δX通过雅可比矩阵Jv联系起来：
δx＝JvδX
建立虚功方程：
联立得到：
得到：
得到所述五自由度并联气动加载机构的驱动力：
4.根据权利要求1所述的电主轴可靠性快速实验加载方法，其特征在于，所述S2进一步包括：
建立主轴简易受力模型，获取外载荷与内力之间的关系：
其中，L1、L2为主轴尺寸参数，F为加载力，G1是电机的重力，G2是主轴的重力；
计算单一加载水平下的对应的疲劳寿命，使用基于Manson-Halford双线性疲劳损伤准则的疲劳模型，其疲劳寿命为：
其中，K1＝8.627×1056，d为主轴轴心直径；
建立基于Archard和Hertz接触理论的主轴前轴承磨损模型：
其中，Wvi、Wvo为轴承内外圈累积磨损量，K为磨损系数，K'为润滑系数，ni是内圈转速，Di是内圈直径，no是外圈转速，Do外圈直径，H为较软材料的硬度，Db椭圆中心的直径，kp为压力系数，θ为转动角度，t1、t2为转动的起始时间与停止时间；
建立磨损的精度损失量：
其中，∑ρ为主曲率之和，ma、mb为长半轴、短半轴系数；
设F0为常规试验的加载力，F1为加速试验的加载力，f0为原先的加载力的频率，f1为加速试验的加载力的频率，f为常规实验下主轴转动的频率，kn为加速实验与常规实验的主轴转速比，fF为常规实验下主轴受载的频率，kw为加速实验和常规实验的磨损量之比，kD为加速实验和常规实验的累计疲劳损伤之比：
令m＝f0/f，设加载频率倍数：
加载力倍数：
于是有：
根据累计磨损量和累计疲劳损伤等比例放大的原则，设加速因子为K，有：
代入得：
其中，a,b,ai,bi均由主轴本身的几何参数和自重决定的已知量；
取kn作为参数，解得：
5.根据权利要求1所述的电主轴可靠性快速实验加载方法，其特征在于，所述检测加速实验中电主轴的多个参数包括但不限于检测回转精度衰退、温升变化、振动信号和谐波电流信号。
6.一种电主轴可靠性快速实验加载系统，其特征在于，包括：主轴(1)...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴军，陈代伟，张瑞杰，张彬彬，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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