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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请输*|r(10)申请公布号 C 111215648 A(43)申请公布日2020. 06.02(21) 申请号 202010054600.1(22) 申请日 2020.01.17(71) 申谐人清华大学地址100084北京市海淀区清华园(72) 发明人吴军陈代伟张瑞杰张彬彬(74)专利代理机构 北京消亦华知识产权代理事务所(普通合伙)11201代理人王艳斌(51)lnt.CI.B23B，0Z2OO6.O1)G01M，M2(H9.01)权利要求书6页说明书10页附图7页(54)发明名称电主轴可靠性快速实验加栽方法及加栽系 统(57)摘要中的
2、M力典泰(ttNMhltA. WRMM. He.的敝好靖it tMMIfI Mt/Mttt.。4丈 /本发明公开了一种电主轴可靠性快速实验 加萩方法及加栽系统，该方法包括：根据常规主 轴救荷谱与电主抽疲劳与磨损加速模型的加速 因子对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i普:根据加 速载荷谱对电主轴进行控制，根据加栽系统中运 动模组的位置信息和五自由度并联气动加载机 构的参数信息计算机构的位姿信息，根据位姿信 息和加速载荷谱计算各个加载轴上的加莪力和 频率：根据计算出的各个加栽抽上的加栽力和频 率对电主轴进行加速实验:检测加速实验中电主 y轴的多个参数，根据多个
3、参数对电主轴的性能进 缶行评价。该方法能够对电主轴进行快速加我，检 专测名项主轴状态信息和电主轴泌J状态，对电i. Z轴可靠性避行综合评价.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：51, 建立电主轴的疲劳与磨损加速模型：52, 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：53, 在加我系统中，根据加速我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，
4、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：54, 根据计算出的各个加载轴上的加我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我方法,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ArchardlHertz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所述的电主轴口 J.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
5、括：fu如对所述五自由度并联气动加我机构的动平台进行受力分析：孔-舟）其中，典为动平台受到的作用力矢量EM为动平台受到的力矩矢量,|为动平台的加速度 矢黄，治为动平台的角加速度矢量，3为动平台的角速度矢量,晌为动平台的质量,g为重力 加速度,f/H.为简化到动平台坐标系M原点。的载荷,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为动平台相对丁静平台基础坐标系的旋转矩阵 ,%为动平台对其质心的惯性矩阵,对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订和运动部分i2关于各自质心的作用力和惯性力的矢量 和可以表示丁加载轴坐标系
6、i下,具体形式为：faJ其中，赋和HU2分别是构件il和i2的质量，七1和七2分别是构件il和i2质心的转动惯量在 支链坐标系i中的表示,ifn和七2为构件:b和i2关于加载轴坐标系下的受力矢量nn 和h2为构件订和i2关于加栽轴坐标系下的惯性力矢量，&为加载轴坐标系i相对于 静平台基础坐标系的旋转矩阵，机和岛为构件ii和i2的加速度矢量皿为第个加我轴相 对丁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毂机构进行动力学建模：驱动关节虚位移海与动平台终端输入虚位移5X通过雅可比矩阵J联系起来：5q=j8X第i个加载轴中的构件h和i2的虚位移和62与6X也可通过雅可比矩阵项1和项2
7、 联系起来：&Xi2=Ji26X虚位移X和贝通过雅可比矩阵J、.联系起来：5x=Jv6X建立虚功方程：邳T + SxtFu + 如丹 + f K) = 0联立得到：JrT +(7/ V； + J J K)卜。I|1/得到：六+匕冗+立3. We )=0M得到所述五自由度并联气动加载机构的驱动力：尸V + (i/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：(a5F + b3-F)x(a3F + 63-F)x + (alF+/l)(x-2)-叩一*)(aiF + bi-F)x + (alFbl)(x-L2) x-Ai 2建立主釉简易受力模型,获取外载荷
8、与内力之间的关系：0xL22x1(1 + 2)Ll+L2-X-Ll+L2(L+L2)-X) ,d为主轴轴心直径；建立基于Archardlllertz接触理论的主轴前轴承磨损模型：4nHDbJ号Z )其中，队i、瞄为轴承内外圈累积磨损虽,K为磨损系数,K为润滑系数m是内圈转速,Di 是内圈直径,m是外圈转速,D.外圈直径,1【为较软材料的硬度,队椭圆中心的直径.此为压力 系数，。为转动角度，”、t2为转动的起始时间与停止时间；建立磨损的精度损失量：=说*g,*瞻京妒技(g其中， p为主曲率之和,如、畔为长半轴、短半轴系数：设R为常规试验的加载力川为加速试验的加载力,f为原先的加我力的频率m为加速
9、 试验的加载力的频率,f为常规实验下主轴转动的频率,如为加速实验与常规实验的主轴转 速比，fF为常规实验卜主轴受载的频率,虹为加速实验和常规实验的磨损量之比，灯为加速 实验和常规实验的累计疲劳损伤之比:七=妒令m=fo/f,设加载频率倍数:k/=i加裁力倍数:尸%于是有：kk A abi 虹k _四+八 虹+ mkj5/3矶+b J根据累计磨损量和累计疲劳损伤等比例放大的原则,设加速因于为K,有:如=K、=K代入得：(aMbSI5 )4(ak+b. kjmk, “aF + b ) + m其中,a,b,a、bi均由主轴本身的儿何参数和自重决定的已知量; 取k “作为参数,解得：k _（1 + 】
10、）K aF +62llV5 .根据权利要求1所述的电主轴可靠性快速实骚加我方法，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、主轴基架、地 平铁(3)、平面运动模组、精度检测模块(6)、五自巾度并联气动加我机构(7)、运动控制模 块、数据采集分析模块(9)：所述地平铁和所述主轴的前轴承与后轴承分别安装有温度传感器和振动传感 器，用于采集温度数据和振动数据；所述主轴基架(2)与所述主轴(1)连接,用于固定所述主轴(1):所述平面运动模组包括X向运动模组(4)和Y向运动
11、模组(5)，所述平面运动模组用于带 动所述精度检测模块(6)和所述五自由度并联气动加载机构(7)进行运动，所述X向运动模 组固定在所述地平铁上，所述Y向运动模组安装在所述X向运动模组上；所述五自由度并联气动加我机构(7)包括多个加我轴，每个加载轴上装有拉力传感器, 用于对主轴施加加载力并采集加载力大小数据,所述五自由度并联气动加载机构通过多块 定位板固定在所述Y向运动模组(5)上,上端与所述主轴(1)连接:所述精度检测模块固定在所述五自由度并联气动加载机构的定位板上，用于检测电主 轴网转精度与主轴变形量：所述运动控制模块包括上位机(10)和运动控制柜(8),所述运动控制柜上上安装有 的电流互感
12、传感器与电压计，运动控制柜包括:主轴运动控制模块与XV运动模组电机运 动控制模块，其中运动控制柜可通过USB串口通信与上位机(10)控制程序通信，进行主 轴的指令控制,XY运动模组电机运动控制模块由NI控制器控制XY运动模组电机的动作并读 取其位置信息，根据位置信息以及所述五自由度并联气动加载机构的参数信息得到所述五 自由度井联气动加我机构的位姿状态，结合载荷i普加载的各个力的大小与方向，计算各个 加载轴需要施加的力的大小，对所述加载系统进行加载实脸：所述数据采集分析模块(9)用于采集所述实验加栽系统中各个传感器的状态信息.根 据所述状态信息对电主轴的性能进行评价。7 .根据权利要求6所述的电
13、主轴可靠性快速实验加载系统，其特征在于，所述主轴基架 (2)包括:主轴定位板(21)、主轴基架上部(22)和主轴基架基座(23):主轴(1)通过主轴定位板(21)安装在主轴基架(2)上的主轴基架上部(22)，主轴基架 (2)分为上下两个部分:主轴基架上部(22)与主轴基架基座(23)，为铸铁与焊接构件，主轴 基架上部(22)与主轴基架基座(23)通过螺钉螺母固接，主轴基架基座(23)安装在地平铁 上，主轴基架有多个圆孔，用于传感器、气管或电线线缆的走线。8 .根据权利要求6所述的电主轴可靠性快速实验加载系统，其特征在于，所述平面运动 模组包括：Y向运动模组采用双导轨(57)和四滑块(56)构型
14、，导轨(57)平行安装在V向运动模 组底板(58)上,滑块(56)安装在导轨(57)上，导轨(57)上安装Y向模组工作台(51) ,Y向模组 工作台(51)钻有螺纹孔.用于安装多块定位板：第-挡板(52)和第二挡板(515)安装在Y向模组底板(58)两侧，中间穿过丝杠(59)，丝 杠(59)两端由第一丝杠螺母(53)和第二丝杠螺母(510)固定位置,运动块法兰盘(55)通过 丝杠(59)，随丝杠(59)运动，并与运动块(54)连接，运动块(54)上平面与Y向模组工作台 (51)固接，从而丝杠(59)的运动带动运动块54和Y向模组工作台(51)沿导轨(57)方向运动；所述平而运动模组的电机模组包含联轴器(511)、电机(512)、电机安装板(513)和电机 模块连接件(514)，电机(512)安装在电机安装板(513)上，电机安装板(513)通过电机模
