數控車床主軸可靠性加載試驗裝置及方法
【專利摘要】本發明創造涉及一種數控車床主軸可靠性加載試驗裝置及方法。試驗裝置包括試驗臺體和控制系統，試驗臺體上安裝電機、徑向切削力模擬加載裝置、軸向切削力模擬加載裝置、軸承加載單元和扭矩加載系統。被測主軸通過主軸箱固定在試驗臺體上。電機通過皮帶驅動被測主軸，徑向和軸向切削力模擬加載裝置及扭矩加載系統通過軸承加載單元對被測主軸施加扭矩、徑向力和軸向力。本發明創造可以模擬主軸在機床切削狀態下的情況，實現對數控車床主軸的可靠性加載試驗和精度衰退測試，暴露主軸的早期故障并掌握主軸的精度衰退規律。
【專利說明】數控車床主軸可靠性加載試驗裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明創造涉及機床主軸測試領域，具體為一種數控車床主軸可靠性加載試驗裝置及方法。
【背景技術】
[0002]主軸作為數控機床的主運動系統，是數控機床最重要的功能部件之一。機床的可靠性在很大程度上取決于主軸系統，其故障頻發且危害度高。而且，由于主軸的高速運動，在切削狀態下精度容易喪失。國內有關數控機床主軸的可靠性試驗起步較晚，目前對主軸的可靠性試驗主要在機床上進行且只能進行簡單的連續空運轉試驗、溫升試驗等，無法實現模擬動態切削力對主軸進行加載的情況，對于主軸精度衰退的測試更是匱乏。因此研發一種數控車床主軸可靠性加載試驗裝置及方法是本領域的技術人員亟待解決的問題。
【發明內容】
[0003]為了在主軸裝配到機床上之前對主軸進行可靠性試驗和精度衰退測試，并對主軸新產品或外購主軸進行性能評價，本發明創造的目的是提供一種數控車床主軸可靠性加載試驗裝置，模擬主軸在機床切削狀態下的情況，實現對數控車床主軸的可靠性加載試驗和精度衰退測試，暴露主軸的早期故障并掌握主軸的精度衰退規律。
[0004]本發明創造的另一目的是提供一種數控車床主軸可靠性加載試驗方法。可以實現對被測主軸進行空運轉試驗、扭矩加載試驗、軸向和徑向加載試驗，用于暴露主軸的早期故障并掌握主軸的精度衰退規律。
[0005]為了解決上述技術問題，本發明創造采用如下技術方案:一種數控車床主軸可靠性加載試驗裝置，包括試驗臺體和控制系統，試驗臺體上安裝有電機、徑向切削力模擬加載裝置、軸向切削力模擬加載裝置、軸承加載單元和扭矩加載系統。
[0006]所述的軸承加載單元由加載裝置和設在其內的芯軸構成。
[0007]所述的扭矩加載系統是，測功機的軸依次連接聯軸器1、扭矩傳感器、聯軸器I1、軸承座組件和聯軸器III。
[0008]被測主軸通過主軸箱固定在試驗臺體上。
[0009]電機通過皮帶驅動被測主軸，被測主軸的另一端面與卡盤連接，卡盤卡持芯軸，芯軸的另一端與聯軸器III連接。
[0010]徑向切削力模擬加載裝置和軸向切削力模擬加載裝置分別與加載裝置活動連接。
[0011]液壓系統分別連接徑向切削力模擬加載裝置和軸向切削力模擬加載裝置。
[0012]上述的一種數控車床主軸可靠性加載試驗裝置，所述的徑向切削力模擬加載裝置是:支撐板I通過可調支架I和底板I與試驗臺體固定，液壓缸I安裝在支撐板I上，液壓缸I的末端依次安裝壓力傳感器I和加載棒I，加載棒I與軸承加載單元的加載裝置活動連接。
[0013]上述的一種數控車床主軸可靠性加載試驗裝置，優選的，液壓缸I的末端設有彈性裝置I，壓力傳感器I設在加載棒I和彈性裝置I之間。
[0014]上述的一種數控車床主軸可靠性加載試驗裝置，所述的軸向切削力模擬加載裝置是:支撐板II通過可調支架II和底板II與試驗臺體固定，液壓缸II安裝在支撐板II上，液壓缸II的末端依次安裝壓力傳感器II和加載棒II，加載棒II與杠桿的一端活動連接，杠桿的另一端與軸承加載單元的加載裝置的端面活動連接。
[0015]上述的一種數控車床主軸可靠性加載試驗裝置，優選的，液壓缸II的末端設有彈性裝置II，壓力傳感器II設在加載棒II和彈性裝置II之間。
[0016]上述的一種數控車床主軸可靠性加載試驗裝置，主軸箱通過墊板和調整墊與試驗臺體固定。
[0017]上述的一種數控車床主軸可靠性加載試驗裝置，扭矩加載系統通過X-Y工作臺固定在試驗臺體上。
[0018]上述的一種數控車床主軸可靠性加載試驗裝置，試驗臺體通過減振墊安裝在地面上。
[0019]一種數控車床主軸可靠性加載試驗方法，利用上述的試驗裝置，方法如下:
[0020]I)用千分表測定被測主軸初始狀態的徑向和軸向的回轉精度，及測定被測主軸初始狀態的靜剛度；
[0021]2)被測主軸通過主軸箱固定在試驗臺體上，電機通過皮帶驅動被測主軸運轉，對被測主軸進行72h的連續空運轉，每24h停機一次，測試被測主軸的回轉精度和靜剛度；
[0022]3)對被測主軸進行24h的加載試驗:扭矩加載系統通過軸承加載單元對被測主軸施加扭矩加載、徑向切削力模擬加載裝置通過軸承加載單元對被測主軸施加徑向模擬切削力載荷、軸向切削力模擬加載裝置通過軸承加載單元對被測主軸施加軸向模擬切削力載荷；電機通過皮帶驅動被測主軸運轉，同時，扭矩加載系統和/或徑向切削力模擬加載裝置和/或軸向切削力模擬加載裝置間歇式對被測主軸加載，每次加載時間不少于3min，每兩次加載之間的間歇時間不大于30s ;加載試驗進行12h后停機一次，測試被測主軸的回轉精度和靜剛度；
[0023]4)加載試驗完成后，最后測試被測主軸的回轉精度和靜剛度。
[0024]本發明創造的有益效果是:
[0025]1、本發明創造可以實現對被測主軸進行扭矩加載試驗、徑向加載試驗和軸向加載試驗，即徑向切削力模擬加載裝置通過加載裝置對被測主軸施加徑向載荷；軸向切削力模擬加載裝置通過加載裝置對被測主軸施加軸向載荷；扭矩加載系統通過加載裝置對被測主軸施加扭矩載荷。并可以根據實際工作狀態任意組合施加三個方向的載荷，也可以實現加載時間、加載力、加載頻率、加載幅度的調節。本發明創造將真實工作環境下的切削力對主軸可靠性產品的重要影響這一因素考慮進去，實現了對主軸的靜態力加載和動態力加載，模擬真實切削過程中主軸受力情況，更好地還原了主軸的真實工作狀態，使得試驗中得到的主軸故障數據和測得的可靠性值更為真實可靠。
[0026]2、本發明創造整個實驗過程循環有序進行，并且將主軸發生的故障記錄到控制系統，與現場跟蹤試驗采集的主軸故障數據相比，提高了試驗效率和故障采集速度，節省了大量的人力、物力和時間。
[0027]3、本發明創造，將被測主軸的連續空運轉試驗、扭矩加載、軸向力加載、徑向力加載、主軸回轉精度保持性測試、靜剛度衰退測試進行了有效結合，試驗方法科學且效率高，不僅對主軸的可靠性進行有效測試，還創新性地對主軸的精度保持性和剛度保持性進行測試，實現了多功能于一體。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1是本發明創造的立體結構示意圖(省略了液壓系統和控制系統)。
[0029]圖2是本發明創造另一方向的立體示意圖。
[0030]圖3是圖1的A向視圖(省略了液壓系統和控制系統)。
[0031]圖4是圖1的B向視圖(省略了液壓系統和控制系統)。
[0032]圖5是本發明創造的俯視圖(省略了液壓系統和控制系統)。
[0033]圖6是本發明創造的側視圖。
【具體實施方式】
[0034]實施例1 一種數控車床主軸可靠性加載試驗裝置
[0035]如圖1-圖6所示，一種數控車床主軸可靠性加載試驗裝置，由試驗臺體(10)、電機
(20)、徑向切削力模擬加載裝置(30)、軸向切削力模擬加載裝置(40)、軸承加載單元(50)、扭矩加載系統(60)、液壓系統(80)和控制系統(90)構成。
[0036]電機(20)、徑向切削力模擬加載裝置(30)、軸向切削力模擬加載裝置(40)、軸承加載單元(50)和扭矩加載系統(60)安裝在試驗臺體(10)上。
[0037]試驗臺體(10)通過減振墊(11)安裝在地面上。進行測試前，通過調整試驗臺體
(10)底部的減振墊(11)使試驗臺體的臺面水平。優選的，臺面上設計有若干用于固定的T型槽，徑向切削力模擬加載裝置(30)、軸向切削力模擬加載裝置(40)和扭矩加載系統(60)通過T型塊或螺栓與T型槽的配合固定在試驗臺體的臺面上。
[0038]軸承加載單元(50)由加載裝置(51)和設在其內的芯軸(52)構成。
[0039]扭矩加載系統(60)是:測功機(61)的軸依次連接聯軸器I (62)、扭矩傳感器(63)、聯軸器II (64)、軸承座組件(65)和聯軸器III (66)。
[0040]主軸箱(72)通過墊板(74)和調整墊(75)與試驗臺體(10)固定。被測主軸(71)通過主軸箱(72)固定在試驗臺體(10)上。被測主軸(71)的端面與卡盤(73)連接。優選的，墊板(74)通過T型塊或螺栓與試驗臺體臺面上的T型槽配合將主軸箱與試驗臺體固定。調整墊(75)用于調整被測主軸的中心高度。
[0041]電機(20)通過皮帶(21)驅動被測主軸(71)，被測主軸(71)的另一端面與卡盤
(73)連接，卡盤(73)卡持芯軸(52)，芯軸(52)的另一端與聯軸器III (66)連接。
[0042]徑向切削力模擬加載裝置(30)是:支撐板I (31)通過可調支架I (32)和底板I (33)與試驗臺體(10)固定，液壓缸I (34)安裝在支撐板I (31)上，液壓缸I (34)的末端依次安裝壓力傳感器I (35)和加載棒I (36)，液壓系統(80)帶動液壓缸I (34)，進而帶動加載棒I (36)與加載裝置(51)活動連接。徑向切削力模擬加載裝置，對加載裝置施加徑向載荷，加載可實現加載時間、加載力、加載頻率、加載幅度的調節。優選的，液壓缸I (34)的末端設有彈性裝置I (37)，壓力傳感器I (35)設在加載棒I (36)和彈性裝置
I(37)之間。彈性裝置I (37)可以起到防止過載，保護主軸的作用，壓力傳感器I (35)，可以檢測實際施加力的數值。
[0043]軸向切削力模擬加載裝置(40)是:支撐板II (41)通過可調支架II (42)和底板
II(43)與試驗臺體(10)固定，液壓缸II (44)安裝在支撐板II (41)上，液壓缸II (44)的末端依次安裝壓力傳感器II (45)和加載棒II (46)，液壓系統(80)帶動液壓缸II (44)，進而帶動加載棒II (46)與杠桿(47)的一端活動連接，杠桿(47)的另一端與軸承加載單元
(50)的加載裝置(51)的端面活動連接。軸向切削力模擬加載裝置，對加載裝置施加軸向載荷，加載可實現加載時間、加載力、加載頻率、加載幅度的調節。優選的，液壓缸II (44)的末端設有彈性裝置II (48)，壓力傳感器II (45)設在加載棒II (46)和彈性裝置II (48)之間。彈性裝置II (48)可以起到防止過載，保護主軸的作用，壓力傳感器II (45)，可以檢測實際施加力的數值。
[0044]扭矩加載系統(60)通過X-Y工作臺(67)固定在試驗臺體(10)上。通過X-Y工作臺調整扭矩加載系統的位置，使測功機61的軸，聯軸器、扭矩傳感器、軸承座組件、軸承加載單元和被測主軸處于同一軸線上。
[0045]控制系統(90)與電機(20)、液壓系統(80)、測功機(61)、壓力傳感器II (45)、壓力傳感器I (35)和扭矩傳感器(63)相連接。控制電機(20)、液壓系統(80)、測功機(61)運行，采集壓力傳感器II (45)、壓力傳感器I (35)和扭矩傳感器(63)的信息。
[0046]實施例2 —種數控車床主軸可靠性加載試驗方法
[0047]采用實施例1的試驗裝置，方法如下:
[0048]I)用千分表測定被測主軸(71)初始狀態的徑向和軸向的回轉精度，及測定被測主軸初始狀態的靜剛度；
[0049]2)被測主軸(71)通過主軸箱(72)固定在試驗臺體(10)上，電機(20)通過皮帶
(21)驅動被測主軸運轉，對被測主軸進行72h的連續空運轉，每24h停機一次，測試被測主軸的回轉精度和靜剛度；
[0050]3)對被測主軸(71)進行24h的加載試驗:
[0051]扭矩加載系統(60)通過軸承加載單元(50)對被測主軸施加扭矩加載。
[0052]徑向切削力模擬加載裝置(30)通過軸承加載單元(50)對被測主軸施加徑向模擬切削力載荷。
[0053]軸向切削力模擬加載裝置(40)通過軸承加載單元(50)對被測主軸施加軸向模擬切削力載荷。
[0054]電機(20)通過皮帶(21)驅動被測主軸運轉。同時，扭矩加載系統(60)和/或徑向切削力模擬加載裝置(30)和/或軸向切削力模擬加載裝置(40)間歇式對被測主軸加載，每次加載時間不少于3min，每兩次加載之間的間歇時間不大于30s ;加載試驗進行12h后停機一次，測試被測主軸的回轉精度和靜剛度。
[0055]本發明創造的創造性還在于任意組合扭矩加載、徑向加載和軸向加載，滿足被測主軸的實際工作狀態。
[0056]4)加載試驗完成后，最后測試被測主軸的回轉精度和靜剛度。
[0057]采用本發明創造的方法可以對被測主軸進行空運轉試驗、扭矩加載試驗、軸向和徑向加載試驗、通過測定被測主軸的回轉精度和靜剛度，暴露被測主軸的早期故障并掌握被測主軸的精度衰退規律。[0058]進行主軸回轉精度測試時，對主軸施加軸向力，用千分表垂直接觸待測端面,使主軸旋轉，測量相應的誤差最大值。測量主軸孔軸線的徑向精度時，使檢棒和主軸內孔緊密接觸，在靠近主軸端面一點用千分表測量徑向跳動，然后在距離前一測量點300_的位置，用同樣的方法測量該點的徑向跳動，從而得出主軸孔軸線的徑向跳動。
[0059]進行主軸靜剛度測試時，對于檢測主軸的徑向靜剛度，采用徑向切削力模擬加載裝置進行徑向加載。先調整底板上的可調支架使支撐板水平，并使加載棒與軸承加載單元的軸線處在同一高度，然后通過液壓缸推動活塞，活塞推動前端的加載棒I將力作用在軸承加載單元上，軸承加載單元將力施加在主軸上。對于檢測主軸的軸向靜剛度，采用同樣的調整方法調整加載棒II到與杠桿相適合的高度，加載棒II將力施加在杠桿上,通過杠桿原理將力作用在軸承加載單元的加載裝置的端面上，由軸承加載單元將力施加在主軸上，進而實現主軸的軸向加載。徑向和軸向切削力模擬加載裝置上的液壓系統可以實現加載時間、加載力、加載頻率和加載幅度的調節。
[0060]進行扭矩加載測試時，通過X-Y工作臺上的X軸和Y軸的絲杠驅動實現測功機的位置調節，并可以鎖緊，使測功機及聯軸器、扭矩傳感器、軸承座組件和軸承加載單元滿足同軸度要求。測功機對主軸進行扭矩加載，同時扭矩傳感器記錄扭矩的變化和數值。
[0061]進行模擬工況加載測試時，可以對主軸進行徑向、軸向和扭矩的同時加載或選擇性加載來模擬實際的工況。本測試屬于綜合性測試，主軸分別在低速、中速、高速情況下連續進行加載測試，加載系統可以對主軸進行規定時間的動態加載，每次加載測試周期的加載時間不少于3min，間歇時間不大于30s，測量結果的數值可以通過軟件界面予以顯示。
【權利要求】
1.一種數控車床主軸可靠性加載試驗裝置，其特征在于:包括試驗臺體(10)和控制系統(90)，試驗臺體(10)上安裝有電機(20)、徑向切削力模擬加載裝置(30)、軸向切削力模擬加載裝置(40)、軸承加載單元(50)和扭矩加載系統(60);所述的軸承加載單元(50)由加載裝置(51)和設在其內的芯軸(52)構成；所述的扭矩加載系統(60)是，測功機(61)的軸依次連接聯軸器I (62)、扭矩傳感器(63)、聯軸器II (64)、軸承座組件(65)和聯軸器III (66);被測主軸(71)通過主軸箱(72)固定在試驗臺體(10)上；電機(20)通過皮帶(21)驅動被測主軸(71)，被測主軸(71)的另一端面與卡盤(73)連接，卡盤(73)卡持芯軸(52)，芯軸(52)的另一端與聯軸器III (66)連接，徑向切削力模擬加載裝置(30)和軸向切削力模擬加載裝置(40)分別與加載裝置(51)活動連接；液壓系統(80)分別連接徑向切削力模擬加載裝置(30)和軸向切削力模擬加載裝置(40)。
2.如權利要求1所述的一種數控車床主軸可靠性加載試驗裝置，其特征在于:所述的徑向切削力模擬加載裝置(30)是:支撐板I (31)通過可調支架I (32)和底板I (33)與試驗臺體(10)固定，液壓缸I (34)安裝在支撐板I (31)上，液壓缸I (34)的末端依次安裝壓力傳感器I (35)和加載棒I (36)，加載棒I (36)與軸承加載單元(50)的加載裝置(51)活動連接。
3.如權利要求2所述的一種數控車床主軸可靠性加載試驗裝置，其特征在于:液壓缸I (34)的末端設有彈性裝置I (37)，壓力傳感器I (35)設在加載棒I (36)和彈性裝置I(37)之 間。
4.如權利要求1所述的一種數控車床主軸可靠性加載試驗裝置，其特征在于:所述的軸向切削力模擬加載裝置(40)是:支撐板II (41)通過可調支架II (42)和底板II (43)與試驗臺體(10)固定，液壓缸II (44)安裝在支撐板II (41)上，液壓缸II (44)的末端依次安裝壓力傳感器II (45)和加載棒II (46)，加載棒II (46)與杠桿(47)的一端活動連接，杠桿(47)的另一端與軸承加載單元(50)的加載裝置(51)的端面活動連接。
5.如權利要求4所述的一種數控車床主軸可靠性加載試驗裝置，其特征在于:液壓缸II(44)的末端設有彈性裝置II (48)，壓力傳感器II (45)設在加載棒II (46)和彈性裝置II (48)之間。
6.如權利要求1所述的一種數控車床主軸可靠性加載試驗裝置，其特征在于:主軸箱(72)通過墊板(74)和調整墊(75)與試驗臺體(10)固定。
7.如權利要求1所述的一種數控車床主軸可靠性加載試驗裝置，其特征在于:扭矩加載系統(60)通過X-Y工作臺(67)固定在試驗臺體(10)上。
8.如權利要求1所述的一種數控車床主軸可靠性加載試驗裝置，其特征在于:試驗臺體(10)通過減振墊(11)安裝在地面上。
9.一種數控車床主軸可靠性加載試驗方法，其特征在于:利用權利要求1所述的試驗裝置，方法如下: 1)用千分表測定被測主軸(71)初始狀態的徑向和軸向的回轉精度，及測定被測主軸初始狀態的靜剛度； 2)被測主軸(71)通過主軸箱(72)固定在試驗臺體(10)上，電機(20)通過皮帶(21)驅動被測主軸運轉,對被測主軸進行72h的連續空運轉，每24h停機一次，測試被測主軸的回轉精度和靜剛度；3)對被測主軸(71)進行24h的加載試驗:扭矩加載系統(60)通過軸承加載單元(50)對被測主軸施加扭矩載荷，徑向切削力模擬加載裝置(30)通過軸承加載單元(50)對被測主軸施加徑向模擬切削力載荷，軸向切削力模擬加載裝置(40)通過軸承加載單元(50)對被測主軸施加軸向模擬切削力載荷；電機(20)通過皮帶(21)驅動被測主軸運轉，同時，扭矩加載系統(60)和/或徑向切削力模擬加載裝置(30和/或軸向切削力模擬加載裝置(40)間歇式對被測主軸加載，每次加載時間不少于3min，每兩次加載之間的間歇時間不大于30s ;加載試驗進行12h后停機一次，測試被測主軸的回轉精度和靜剛度； 4)加載試驗完成后， 最后測試被測主軸的回轉精度和靜剛度。
【文檔編號】G01M13/00GK104019986SQ201410290600
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月24日 優先權日:2014年6月24日
【發明者】劉闊, 李焱, 宋威, 李洪濤, 譚智, 吳玉亮 申請人:沈陽機床(集團)有限責任公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
