本发明属于测试领域，具体涉及一种基于多元载荷加载的主轴精度保持性加速测试平台及测试方法。
背景技术：
1、高端数控机床是国家的基础性、战略性装备，广泛应用于航空航天、国防军工、汽车制造等国家重点领域，是保证国防安全和国民经济的重要战略装备。而机床主轴是高端数控机床的重要功能部件，其在服役过程中保持精度的能力，是主轴的关键性能指标之一，将在很大程度上决定数控机床的实际加工精度。
2、目前，关于主轴的性能测试普遍以可靠性测试为主，通过轴向和径向加载装置，对主轴进行可靠性加载试验。随着可靠性技术的发展，主轴可靠性水平已得到极大的提升，但在服役过程中普遍暴露出精度保持时间短、精度保持能力差等精度保持性方面的相关问题。然而，现阶段的主轴精度保持性测试能力较为薄弱，在测试过程中存在测试难度大、测试周期长等问题，且尚无相关的国家标准作为理论指导，相关测试装置和方法尚不完善，是行业长期面临的技术“顽疾”。
3、主轴精度受切削力、环境温湿度、外界强制振动等外部载荷影响，轴承等关键界面的接触、摩损与润滑状态在不同载荷下有较大差异，致使主轴精度退化速率差异较大。现阶段主轴精度保持性测试多采用现场跟踪测试方式或模拟切削力或扭矩加载方式，仍存在测试周期过长、精度退化过程信息缺失等问题，且未对主轴精度保持性进行定量评价，严重制约了主轴制造企业对产品精度保持性的性能摸底与产品迭代优化。例如，中国专利公开号为cn202110358740.2所公开的一种高速电主轴瞬态动载荷模拟加载方法及装置，能够施加模拟切削载荷的加载，进而对主轴的可靠性进行测试。然而该装置及方法主要面向于主轴可靠性测试，未关注主轴精度保持性退化状态，也未实现主轴精度保持能力的定量评价。同时，该装置仅能够施加模拟切削力的工作载荷，无法施加模拟服役状态的温度、湿度等环境载荷和外界振动载荷进而改变主轴轴承等界面摩擦与润滑状态，致使主轴精度仍以较常规的速率退化，无法解决精度保持性测试周期长的问题。再如中国专利公开号为cn201620348825.7所公开的机械主轴可靠性试验台，通过负载用伺服主轴电机对主轴轴向进行加载，可以对主轴可靠性进行测试与评价。然而该装置同样仅关注主轴可靠性问题，也仅能开展主轴正常退化速率的相关测试。再如中国专利公开号为cn201110313367.5、cn202010756077.7、cn202120676545.x等专利以及《精度保持性定量评价与精度退化机理分析》、《电主轴回转精度退化研究及保持性评估》等文献也普遍存在上述问题。因此，亟待提出一种主轴精度保持性加速测试平台及相关的测试方法，解决主轴精度保持性的加速测试难题。
技术实现思路
1、本发明基于主轴系统在模拟切削力、环境温湿度和外部强制振动等载荷共同作用下轴承界面接触、摩擦与润滑等状态变化导致的精度加速退化机制，提出一种基于多元载荷加载的主轴精度保持性加速测试方法及测试平台。
2、本发明的技术方案：
3、一种基于多元载荷加载的主轴精度保持性加速测试平台，所述的主轴精度保持性加速测试平台包括主轴及驱动单元、温湿度载荷加载单元、振动加载单元与模拟切削加载单元；
4、所述的主轴及驱动单元包括被测主轴1-1、定制检棒1-2、v型底座1-3、驱动电机1-4、传动皮带1-5、振动传感器1-6和温度传感器1-7。其中，v型底座1-3安装在振动加载单元的扩展台面3-3上，被测主轴1-1安装在v型底座1-3之上，并通过v型底座1-3实现与扩展台面3-3定位，驱动电机1-4的底座与扩展台面3-3固定，驱动电机1-4通过传动皮带1-5与被测主轴1-1后端连接，定制检棒1-2固定于被测主轴1-1前端锥孔内。振动传感器1-6和温度传感器1-7全部磁吸于被测主轴1-1上；所述的定制检棒1-2的中段为阶梯轴形式。
5、所述温湿度载荷加载单元包括库板2-1、仓门2-2、机组2-3和温湿度加载环境2-4。其中，库板2-1安装在地基上，仓门2-2与库板2-1配合安装，机组2-3安装在地基上，并与库板2-1的侧面接触，最终通过机组2-3内部的制热器、制冷器、加湿器和干燥器，使温湿度加载环境2-4内部温湿度变化。
6、所述的振动加载单元3包括振动发生器3-1、扩展台面隔热垫3-2、扩展台面3-3和支撑底座3-4。其中，振动发生器3-1的回转轴线与支撑底座3-4的中心对称轴同轴线。且振动发生器3-1固定安装在支撑底座3-4上，扩展台面3-3固定于振动发生器3-1上部；所述的振动加载单元3中扩展台面3-3上铺设扩展台面隔热垫3-2。
7、所述的模拟切削加载单元包括轴向加载力发生装置4-1、径向加载力发生装置4-2、回转精度测量装置4-3、轴向加载支撑支架4-4、径向加载支撑支架4-5、轴向载荷加载架4-6、支撑架4-7、带球形座圈的单向推力球轴承4-8、深沟球轴承4-9、深沟球轴承内侧挡圈4-10、深沟球轴承外侧挡圈4-11和升降滑台4-12。其中，带球形座圈的单向推力球轴承4-8和深沟球轴承4-9安装定位在定制检棒1-2上，其中深沟球轴承4-9安装至定制检棒1-2阶梯轴中段，内圈由安装至定制检棒1-2阶梯轴中段的深沟球轴承内侧挡圈4-10支撑，外圈由安装至定制检棒1-2阶梯轴中的支撑架4-7和深沟球轴承外侧挡圈4-11支撑；带球形座圈的单向推力球轴承4-8安装至定制检棒1-2前段阶梯轴并与端面固定，另一端通过安装至定制检棒1-2的轴向载荷加载架4-6压紧；轴向加载支撑支架4-4、径向加载支撑支架4-5固定在升降滑台4-12上；轴向加载力发生装置4-1、径向加载力发生装置4-2尾部分别固定连接在轴向加载支撑支架4-4、径向加载支撑支架4-5上；回转精度测量装置4-3包含2个电涡流位移传感器和1个传感器支架，布置于两个轴向加载支撑支架4-4之间，并与定制检棒1-2贴近但不接触；径向加载力发生装置4-2前端穿过支撑架4-7侧孔与深沟球轴承4-9接触；轴向加载力发生装置4-1前端与轴向载荷加载架4-6接触；轴向加载力发生装置4-1和径向加载力发生装置4-2与所述被测主轴1-1轴线位于同一水平面，且它们的前端分别与轴向载荷加载架4-6、深沟球轴承4-9的表面接触，实现对被测主轴1-1轴向、径向力的加载。
8、采用上述的一种基于多元载荷加载的主轴精度保持性加速测试平台进行主轴精度保持性加速测试的方法，包括以下步骤：
9、步骤1：获取被测主轴1-1构型结构和目标使役工况信息。
10、步骤2：根据步骤1的信息，制定以被测主轴1-1设计载荷、服役环境等负载系数统一化为原则的多元载荷加载的加速退化方案，进而确定不同被测主轴1-1的模拟动态切削载荷、外部振动、温湿度的载荷大小。
11、步骤3：将定制检棒1-2装配于被测主轴1-1前端锥孔内，并将被测主轴1-1吊装至测试装置的扩展台面3-3并通过v型底座1-3定位，通过传动皮带1-5连接驱动电机1-4与被测主轴1-1，启动驱动电机1-4，并逐步提升被测主轴1-1转速至最高转速的70-80％，再降低转速至最高转速的40-50％并运转一段时间，完成被测主轴1-1预热。
12、步骤4：调节模拟切削加载单元的升降滑台4-12的位置，使轴向加载力发生装置4-1、径向加载力发生装置4-2的首部分别接触到定制检棒1-2的加载点位，并调试测试平台各类传感器。
13、步骤5：在不施加模拟切削载荷和温湿度、振动等环境载荷的情况下启动被测主轴1-1并逐步提升到被测主轴1-1最高转速的70-80％保持，利用回转精度测量装置4-3，在空载状态完成被测主轴1-1的初始回转精度测试。
14、步骤6：依据加速退化方案，同步施加模拟切削力、温湿度、振动等载荷，促使被测主轴1-1精度在多元载荷耦合作用下加速退化。
15、步骤7：计算初始载荷作用下的主轴轴承载荷分布情况，建立多元载荷耦合作用下主轴系统动力学与轴承损伤耦合的性能退化模型，如式(1)所示，计算循环周期内转子-轴承系统的动力学响应状态，并计算当前损伤弹性模数和磨损深度下的载荷分布，进而计算循环周期内的磨损累计与损伤扩展程度，并判断是否达到循环块规定的循环次数，当未达到循环次数时，则重新计算当前损伤弹性模数和磨损深度下的载荷分布；当达到循环次数时，则测试并记录主轴回转精度，同时计算磨损损伤程度及动力学响应状态并判断是否达到损伤、磨损阈值活动力学失稳状态，当未达到判断阈值时，则重新计算当前损伤弹性模数和磨损深度下的载荷分布并开展后续步骤；当达到判断阈值时，计算轴承性能退化成都或寿命周期，并结束计算流程。
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18、式中，m表示主轴系统的质量矩阵；{q}表示主轴系统的位移矢量；c(t)代表主轴系统阻尼矩阵；g为陀螺矩阵；k(t)表示主轴系统的刚度矩阵；fc(t)表示外部切削载荷；a、b是竞争退化参数；d表示主轴轴承退化累计量；dn(t)表示n个循环后的主轴轴承损伤累计退化程度；δτ(t)为八面体剪切应力；σr为材料参数；dt为损伤退化量；kw是磨损系数，σ(x,y)是接触应力，s(x,y)是滑动距离，h是材料的硬度。其中刚度、接触应力、磨损系数均受温湿度、振动载荷和切削载荷共同作用的影响。
19、步骤8：当达到测试时间或被测主轴1-1的精度退化量达到预设上限时，关闭所有外部载荷加载模块，在空载状态下对被测主轴1-1进行回转精度测试。
20、步骤9：汇总所有测试数据，计算所有回转精度测量时刻的被测主轴1-1精度保持度，计算步骤如下：
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22、
23、其中，δi,w(tn)为被测主轴1-1回转精度δi在tn时刻的精度保持度，ρi为条件函数为回转精度在时间tn内的误差变化均值，为失效精度，为误差变化均值(式4)，为原始精度。
24、与现有技术相比本发明的有益效果是：
25、1.本发明提出了一种基于多元载荷加载的主轴精度保持性加速测试平台及测试方法，在主轴高速运转的过程中，同步施加模拟切削载荷、温湿度载荷和振动载荷，促使主轴轴承系统接触、摩擦与润滑等状态快速变化，加速主轴系统精度退化速率，大幅缩短了主轴精度保持性测试周期，解决了现有测试方法及平台进行主轴精度保持性测试存在的“盲点与痛点”问题
26、2.本发明提出了一种基于多元载荷加载的主轴精度保持性加速测试平台及测试方法，实现了主轴精度退化全过程精度的跟踪与辨识，解决了利用现有测试方法及平台进行主轴精度保持性测试存在的精度退化过程状态缺失的“盲点”问题。
27、3.本发明提出了一种基于多元载荷加载的主轴精度保持性加速测试方法，通过主轴精度保持度计算方法，解决了现有测试方法无法定量评价主轴精度保持能力的“盲点”问题。
1.一种基于多元载荷加载的主轴精度保持性加速测试平台，其特征在于，所述的主轴精度保持性加速测试平台包括主轴及驱动单元、温湿度载荷加载单元、振动加载单元与模拟切削加载单元；
2.采用权利要求1所述的一种基于多元载荷加载的主轴精度保持性加速测试平台进行主轴精度保持性加速测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：
