CN102889983A - 由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机床主轴的试验装置，特别是涉及一种由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台，以解决目前机床主轴可靠性试验装置不能真实模拟动、静态切削力及切削扭矩加载的问题。该装置主要由机床主轴支撑部分、扭矩加载部分和切削力加载部分组成，主轴支撑部分由主轴箱垫板(14)和垫铁组合(15)组成，扭矩加载部分由加同轴装配的载棒(12)、弹性膜片联轴器(9)和测功机(8)组成，切削力加载部分采用两种加载方式：切削合力加载方式和切削轴向力与径向力分开加载方式。本发明通过对被测的机床主轴进行模拟真实工况的可靠性试验，激发、暴露产品的故障，为产品的可靠性增长和评估提供实用的基础数据。

Description

由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台

技术领域

本发明涉及一种机床主轴的试验装置，更确切地说，本发明涉及一种通过电液伺服和测功机实现对机床主轴进行动、静态切削力及切削扭矩混合动态加载的机床主轴可靠性试验台。

背景技术

数控机床是实现工业现代化的重要基石，其质量、性能和拥有量已经成为衡量一个国家工业化水平以及综合国力的重要标志。数控机床虽然已经经过了近半个世纪的发展，但是其可靠性问题一直是人们重视且不懈努力想要解决的关键问题。可靠性问题是制约数控机床快速、高效发展的重要问题，提高可靠性是提高数控机床整机性能和技术的关键。

国产数控机床可靠性水平偏低的主要原因之一是其关键功能部件的可靠性水平较低，因此研究数控机床关键功能部件可靠性试验装置具有重要的实际意义。机床主轴作为数控机床的关键功能部件之一，其自身的可靠性水平对整机的可靠性水平有重要的影响。目前国内有一些功能简单的主轴可靠性试验装置，只能对被测主轴进行空运转测试或简单的加载试验，且试验模拟的工作状况与真实工况有很大差距。为了最大可能的模拟机床主轴的实际工况，本发明提供了一套能同时对机床主轴进行动、静态切削力和切削扭矩加载的可靠性试验台。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是目前机床主轴可靠性试验装置不能真实模拟动、静态切削力及切削扭矩加载，本发明提供了一种由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台，实现对机床主轴进行动、静态切削力及切削扭矩混合动态加载，本发明提供的测功机包括电力测功机、电涡流测功机等各种类型的测功机。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下的技术方案来实现，结合附图说明如下：

本发明所述的由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台，主要由机床主轴支撑部分、扭矩加载部分和切削力加载部分组成，所述主轴支撑部分由主轴箱垫板14和垫铁组合15组成，所述主轴箱垫板14为板类结构件，所述垫铁组合15为四套相同规格的数控铣床垫铁，主轴箱垫板14通过螺栓和T形螺母固定在地平铁1上，同时压紧安装在主轴箱垫板14下平面数控铣床垫铁上；

所述的扭矩加载部分由加同轴装配的载棒12、弹性膜片联轴器9和测功机8组成，所述加载棒12为阶梯轴，其大端装卡在主轴箱的三爪卡盘上，小端与弹性膜片联轴器9的一端键连接，所述测功机8的输出轴与弹性膜片联轴器9的另一端键连接，测功机8安装在移动平台7上，移动平台7固定在移动平台底座6上，移动平台7的移动方向与机床主轴轴线方向平行，移动平台底座6的截面为T形的垫板，固定在地平铁1上；

所述切削力加载部分采用两种加载方式：切削合力加载方式和切削轴向力与径向力分开加载方式，所述切削合力加载方式由切削力液压加载装置、合力轴承单元和合力轴承单元定位预紧装置组成；所述切削轴向力与径向力分开加载方式由径向力加载装置、轴向力加载装置和分力轴承单元组成。

所述切削力液压加载装置由液压加载装置、1号切削力液压加载装置支腿2、2号切削力液压加载装置支腿5和切削力液压加载装置支撑板3组成，所述切削力液压加载装置支撑板3固定在1号切削力液压加载装置支腿2和2号切削力液压加载装置支腿5上，所述液压加载装置装在切削力液压加载装置支撑板3上。

所述液压加载装置由滑板51、保持架52、关节轴承53、液压缸54、伺服阀55、位移传感器支架57、弹性装置58、力传感器59、阶梯轴61以及加载杆60组成，所述保持架52通过螺栓和T型螺母安装在滑板51上，液压缸54的左端面与左端的关节轴承53带螺纹的端杆螺纹连接，液压缸54上端面通过关节轴承铰接在保持架52中顶板的下端面上，位移传感器支架57固定在液压缸右端，位移传感器活塞杆与液压缸54活塞杆前端固定连接，液压缸54活塞杆通过前端的螺纹与的弹性装置58连接，弹性装置58通过双头螺柱与力传感器59连接，力传感器59通过双头螺柱与加载杆60连接，伺服阀55安装在液压缸54上。

所述的滑板51为一矩形板类结构件，滑板51的上平面设有2条平行的T形槽，滑板51的下平面设有与阶梯轴61上端配合的的阶梯盲孔，切削力液压加载装置支撑板3上设有与阶梯轴61的下端配合的中心通孔，所述阶梯盲孔的回转轴线与滑板51的上、下平面相垂直，滑板51与切削力液压加载装置支撑板3采用螺栓固定连接。

所述的液压缸54选用单活塞杆或者双活塞杆式液压油缸，活塞杆从液压缸54的右端伸出，液压缸54的左端面与左端的关节轴承53带螺纹的端杆螺纹连接，液压缸54的活塞杆的端部固定位移传感器支架57，液压缸54上端面通过关节轴承铰接在保持架52中顶板的下端面上，液压缸54的纵向对称轴线处于保持架52的纵向对称面内，保持架52通过螺栓和T型螺栓固定在滑板51上，所述的位移传感器支架57另一端设有通孔，用于固定位移传感器的内芯，当活塞杆移动时位移传感器的内芯也随着移动，位移传感器便能测得活塞杆的位移。

所述的弹性装置58由结构相同的前后2个连接板和2个连接板之间的2个套筒组成，连接板上设有2个通孔，通过穿过连接板通孔和套筒的2根双头螺柱将连接板和套筒用螺母固连在一起，弹性装置58用于吸收部分激振位移且传递力，其固有频率应大于激振频率二倍以上。

所述1号切削力液压加载装置支腿2和2号切削力液压加载装置支腿5为发动机支腿P06，底部上有四个U形孔，通过螺栓将其固定在地平铁1；

所述切削力液压加载装置支撑板3中心通孔的周围均匀分布有三段同圆心同结构的、用于安装螺栓的环形通槽，切削力液压加载装置支撑板3通过螺栓固定在1号切削力液压加载装置支腿2和2号切削力液压加载装置支腿5上；所述液压加载装置通过螺栓与切削力液压加载装置支撑板3紧固连接，1号液压加载装置支腿2、2号切削力液压加载装置支腿5、切削力液压加载装置支撑板3应保证液压加载装置水平，并且保证液压加载装置的加载杆60与机床主轴13轴线等高，通过调整液压加载装置与切削力液压加载装置支撑板3之间的夹角来满足加载切削合力的要求。

所述合力轴承单元由左侧防尘端盖28、合力轴承单元外壳29、冷却铜管31、轴承座33、左侧轴承30、套筒32、右侧轴承34、轴承端盖35、右侧防尘端盖36和密封圈62组成，所述左侧轴承30、套筒32和右侧轴承34与加载棒12过盈配合，左侧轴承30和右侧轴承34的外环与轴承座33之间采用平均间隙较小的过渡配合或者具有较小间隙量的间隙配合，轴承端盖35通过螺钉与轴承座33紧固连接，冷却铜管31套在轴承座33的外圆柱面上，合力轴承单元外壳29套住冷却铜管31，其左端通过螺钉与轴承座33紧固连接，左侧防尘端盖28与右侧防尘端盖36通过螺钉与轴承单元外壳紧固连接。

所述合力轴承单元定位预紧装置由定位架装置支撑架25、定位装置固定架26和轴承套定位架27组成，所述定位架支撑架25安装在地平铁1上，所述定位架支撑架25的上端面通过螺栓与定位架固定架26下端面紧固连接，定位架固定架26的侧面与轴承套定位架27通过调节螺栓连接且安装位置可调。

所述径向力加载装置由径向液压加载装置、1号径向液压加载装置支腿16、2号径向液压加载装置支腿19和径向液压加载装置支撑板17组成，所述径向液压加载装置、1号径向液压加载装置支腿16、2号径向液压加载装置支腿19和径向液压加载装置支撑板17与第一种切削合理加载方式中的液压加载装置、1号切削力液压加载装置支腿2、2号切削力液压加载装置支腿5和切削力液压加载装置支撑板结构相同，所述1号径向液压加载装置支腿16和2号径向液压加载装置支腿19通过螺栓和T型螺母固定在地平铁1上，并与支撑径向液压加载装置支撑板17通过螺栓固定连接；径向液压加载装置通过螺栓与径向液压加载装置支撑板17固定连接。

所述轴向力施加装置由摆臂40、摆臂支撑架37、立柱固定架38、摆臂固定立柱42、立柱固定架盖板41和立柱套39组成，所述摆臂支撑架37通过螺栓和T型螺母固定安装在地平铁1上，所述立柱固定架盖板41固定在立柱固定架38顶部，所述立柱固定架38固定在摆臂支撑架37的上部，所述摆臂固定立柱42与立柱固定架盖板41上面的孔过盈配合连接，摆臂40与摆臂固定立柱42间隙配合连接。

所述分力轴承单元由4个轴承、轴承套外壳45、1号轴承外隔离环47、2号轴承外隔离环11、1号金属密封环49、圆柱轴套50和轴承左右端盖组成，所述轴承套左端盖43和轴承套右端盖20装在轴承两端的加载棒12上，并与轴承套外壳45螺纹固定连接，所述轴承包括装在加载棒12上的1号轴承46、2号轴承48、3号轴承10和4号轴承18，1号轴承46和2号轴承48之间装有1号轴承外隔离环47，3号轴承10和4号轴承18之间装有2号轴承外隔离环11，2号轴承48和3号轴承10之间依次装有1号金属密封环49、圆柱轴套50和2号金属密封环4，所述的1号轴承外隔离环47和2号轴承外隔离环11是截面为梯形的圆环，外圆柱表面有环形槽，同时有圆周分布着多个连接环形槽和内测两斜面的人字形孔。

本发明与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台采用液压缸对机床主轴被测加载棒(模拟刀杆)进行模拟动、静态切削力加载，同时利用测功机对加载棒进行扭矩加载，来模拟机床主轴在真实加工工件过程中所受的切削力和切削扭矩；通过对被测的机床主轴进行模拟真实工况的可靠性试验，激发、暴露产品的故障，为产品的可靠性增长和评估提供实用的基础数据；

2.本发明所述的由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台采用两种动、静态切削力加载方式，分别是合力加载方式和轴向力、径向力分开加载方式。合力加载方式具有加载系统结构简单等特点；而轴向力、径向力分开加载方式可以有效的减小加载系统对轴承的倾覆力矩，提高轴承及试验台寿命；两种加载方式都能很好地模拟机床主轴工作时的实际所受切削力；

3.本发明所述的由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台采用了移动工作台、带有T形槽的垫板和可在一定范围内自由升降的垫铁，降低测功机和机床主轴之间同轴度调节的难度，同时使得试验台拆装方便，便于更换各类型号的机床主轴；

4.本发明所述的由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台中的切削力加载部分安装有拉、压力传感器和位移传感器，能实时检测加载的模拟切削力的大小，实现实时监控、反馈及闭环控制；扭矩加载时安装有扭矩传感器和转速传感器，对所加载的切削扭矩也能实现实时监控和闭环控制，使加载装置具有较高加载精度；

5.本发明所述的由电液伺服加载系统和测功机混合动态加载的机床主轴可靠性试验台中的切削力加载部分的加载频率视伺服阀和液压元件而定。本发明采用测功机进行机床主轴切削扭矩加载，测功机具有吸收功率高，较高转速高，最高加载扭矩高等特点。对中高转速的机床主轴进行加载试验更具有实际意义；

6.本发明所述的由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台针对不同型号的机床主轴，只需更换主轴箱垫板，主轴抱夹机构，加载棒等过渡件就可以对其进行可靠性加载试验，体现了本试验台的灵活性和通用性。

附图说明

图1为本发明所述的由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台的切削合力加载及切削扭矩加载装置的轴测投影图；

图2为本发明所述的由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台的切削轴向力、径向力分开加载和切削扭矩加载装置的轴测投影图；

图3为本发明所述的电液伺服和测功机混合动态加载的机床主轴可靠性试验台的方形轴承单元全剖图；

图4为本发明所述的由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台的合力轴承单元定位及预紧装置轴测图；

图5为本发明所述的由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台的切削力分开加载时轴向加载系统轴测图；

图6为本发明所述的由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台的切削力分开加载时轴向力施加装置的主视图和轴测投影图；

图7为本发明所述的由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台的分力轴承单元全剖图；

图8为本发明所述的由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台的切削力液压加载装置支撑板、径向液压加载装置支撑板、轴向液压加载装置支撑板轴测图；

图9为本发明所述的由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台的液压加载装置的轴测图；

图10为本发明所述的由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台的液压加载装置的轴测爆炸图。

图中：1.地平铁，2.1号切削力液压加载装置支腿，3.切削力液压加载装置支撑板，4.2号金属密封环，5.2号切削力液压加载装置支腿，6.移动平台底座，7.移动平台，8.测功机，9.弹性膜片联轴器，10.3号轴承，11.2号轴承外隔离环，12.加载棒，13.机床主轴，14.主轴箱垫板，15.垫铁组合，16.1号径向液压加载装置支腿，17.径向液压加载装置支撑板，18.4号轴承，19.2号径向液压加载装置支腿，20.轴承套右端盖，21.金属密封圈，22.2号轴向液压加载装置支腿，23.径向液压加载装置支撑板，24.1号轴向液压加载装置支腿，25.支撑架，26.固定架，27.轴承套定位预紧架，28.左侧防尘端盖，29.轴承单元外壳，30.左侧轴承，31.冷却铜管，32.套筒，33.轴承座，34.右侧轴承，35.右侧轴承端盖，36.右侧防尘端盖，37.摆臂支撑架，38.立柱固定架，39.立柱套，40.摆臂，41.立柱固定架盖板，42.摆臂固定立柱，43.轴承套左端盖，44.弹性挡圈，45.轴承套外壳，46.1号轴承，47.1号轴承外隔离环，48.2号轴承，49.1号金属密封环，50.圆柱轴套，51.滑板，52.保持架，53.关节轴承，54.液压缸，55.伺服阀，56.位移传感器，57.位移传感器支架，58.弹性装置，59.力传感器，60.加载杆，61.阶梯轴，62.密封圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

参阅图1、图2，本发明所述的由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台包括机床主轴支撑部分、扭矩加载部分、切削力加载部分。

一、机床主轴支撑部分

所述机床主轴支撑部分包括主轴箱垫板14和垫铁组合15。

所述主轴箱垫板14为板类结构件，上平面有相互平行的T形槽，T型槽方向与主轴轴线方向平行，与地平铁1上的T型槽方向垂直；所述垫铁组合15是四套相同规格的数控铣床垫铁，其型号为S83-2，机床主轴13通过法兰盘装配在主轴箱上，连同三爪卡盘一起作为本试验台的试验对象；主轴箱通过螺栓和T形螺母固定在主轴箱垫板14上；垫铁组合15中四套相同规格的数控铣床垫铁放在主轴箱垫板14下平面的四角处，用于调整主轴高度，并且保证主轴箱垫板14上面的T形槽与地平铁1上的T形槽垂直，主轴箱垫板14上有平行于主轴轴线方向的T形槽和地平铁1上有垂直于主轴轴线方向的T形槽，二者配合可以在主轴箱安装时对主轴箱进行垂直于主轴轴线和平行于主轴轴线方向的位置调整。

主轴箱垫板14通过螺栓和T形螺母固定在地平铁1上，同时压紧安装在主轴箱垫板14下平面四角处的数控铣床垫铁上。

二、扭矩加载部分

所述的扭矩加载部分包括加载棒12、弹性膜片联轴器9、测功机8、移动平台7和移动平台底座6。

所述加载棒12是阶梯轴，加载棒12小端左端有沿其轴线对称的圆头键槽A型键槽；所述的移动平台底座6是截面为T形的垫板，移动平台底座6的四脚处分别分布有一个通孔，通过螺栓和T形螺母固定在地平铁上；

加载棒12大端右端装卡在主轴箱的三爪卡盘上，另一端小端通过两个A型键与型号为JM116的弹性膜片联轴器9一端连接，测功机8的输出轴与弹性膜片联轴器9的另一端通过两个A型键连接；加载棒12的轴肩，用于对轴承的定位；所述的测功机8本发明采用的是交流电力测功机DL662，通过螺栓固定在型号为ZXT200MA06的移动平台7上，移动平台通过螺栓固定在移动平台底座6上，并且保证移动平台7的移动方向与机床主轴轴线方向平行；移动平台底座6放在地平铁1上，螺栓穿过移动平台底座6四脚的通孔通过T型螺母，紧固在地平铁1上；测功机8安装在移动平台7之上，并且保证测功机8的输入轴的轴线与加载棒12的轴线满足同轴度

要求，从而可以通过调节移动工作台7使测功机8沿机床主轴13轴线方向进行位置调整，移动工作台7可以手动锁紧，从而使测功机8固定。

三、切削力加载部分

切削力加载部分采用两种加载方式，第一种是切削合力加载方式，第二种是切削轴向力和径向力分开加载方式；

1、所述的第一种切削合力加载方式包括切削力液压加载装置、合力轴承单元、合力轴承单元定位预紧装置；

参考图1，所述切削力液压加载装置包括液压加载装置、1号切削力液压加载装置支腿2、2号切削力液压加载装置支腿5和切削力液压加载装置支撑板3。

参考图9、参考图10所述的液压加载装置包括滑板51、保持架52、关节轴承53、液压缸54、伺服阀55、位移传感器支架57、弹性装置58阶梯轴61以及加载杆60组成。

所述的滑板51是一矩形板类结构件，滑板51的上平面从左至右均布有2条T形槽，滑板51的下平面的中间偏右侧5～20cm处设置一个阶梯盲孔即和阶梯轴61上端配装，阶梯盲孔的回转轴线和滑板51的上平面与下平面相垂直，切削力液压加载装置支撑板3上的中心通孔和滑板51上的阶梯孔分别与阶梯轴61的下端与上端配合，滑板51阶梯盲孔的周围均匀分布6个螺纹通孔，通过螺纹通孔与螺栓将滑板51与切削力液压加载装置支撑板3相互固定，通过调节螺栓的拧紧程度，可使滑板51绕阶梯轴61旋转，使切削力液压加载装置支撑板3和滑板51成一定角度；同时滑板51螺栓和T型螺母与保持架52固定连接，通过调节螺栓的拧紧程度，调整保持架52与滑板51的相对位置。所述的阶梯轴61为具有一个轴肩的轴，轴肩靠近轴的上端。

所述的液压缸54选用单活塞杆或者双活塞杆式液压油缸，活塞杆从液压缸54的右端伸出，液压缸54的左端面与关节轴承53带螺纹的一端杆螺纹连接，并铰接在保持架52中顶板的下端面上，液压缸54的纵向对称轴线处于保持架52的纵向对称面内，液压缸前端安装位移传感器支架57；

所述的位移传感器支架57另一端有通孔，用于固定位移传感器的内芯，当活塞杆移动时位移传感器的内芯也随着移动，位移传感器便能测得活塞杆的位移；

所述的弹性装置58由左连接板、右连接板、2个结构相同的套筒、2个规格相同的螺栓和2个规格相同的螺母组成，其中：左连接板与右连接板结构相同。2个规格相同的螺栓插入左连接板与右连接板两侧的通孔中，2个结构相同的套筒套装在左连接板与右连接板之间的两个螺栓上，最后再通过2个结构相同的螺母将左连接板、右连接板与2个结构相同的套筒固定连接在一起。右连接板上的螺纹孔与双头螺柱的左端螺纹连接，左连接板上的螺纹孔与液压缸54的活塞杆右端螺纹连接。弹性装置58可以吸收部分激振位移且可以传递力。弹性装置的固有频率应大于激振频率二倍以上；

保持架52通过螺栓和T型螺母固定在切削力液压加载装置滑板51上，液压缸54上端面通过关节轴承铰接在保持架52中顶板的下端面上，液压缸54的活塞杆的端部固定位移传感器支架57。

所述1号切削力液压加载装置支腿2和2号切削力液压加载装置支腿5是发动机支腿P06，底部上有四个U形孔，通过螺栓将其固定在地平铁1；

所述切削力液压加载装置支撑板3是矩形板类结构件，切削力液压加载装置支撑板3的中心处设置有一个中心通孔，中心通孔的周围均匀分布有三段同圆心同结构的、用于安装螺栓的环形通槽。切削力液压加载装置支撑板3的两端分别有两个通孔用于穿过螺栓将其固定在1号切削力液压加载装置支腿2和2号切削力液压加载装置支腿5上。

1号切削力液压加载装置支腿2和2号切削力液压加载装置支腿5通过螺栓和T型螺母安装在地平铁1上，并保证其与方形轴承单元的空间距离满足加载系统的位置要求；切削力液压加载装置支撑板3通过螺栓安装在1号切削力液压加载装置支腿2和2号切削力液压加载装置支腿5上；液压加载装置通过3个规格相同的螺栓与切削力液压加载装置支撑板3紧固连接；1号液压加载装置支腿2、2号切削力液压加载装置支腿5、切削力液压加载装置支撑板3应保证液压加载装置水平，并且保证液压加载装置的加载杆60与机床主轴13轴线等高，通过调整液压加载装置与切削力液压加载装置支撑板3之间的夹角来满足加载切削合力的要求。

参考图3，所述合力轴承单元包括左侧防尘端盖28，合力轴承单元外壳29，冷却铜管31，轴承座33，左侧轴承30，套筒32，右侧轴承34，轴承端盖35，右侧防尘端盖36和密封圈62。

所述左侧防尘端盖28和右侧防尘端盖36是方形铁板，内部是阶梯孔，内侧表面有梯形环槽；所述合力轴承单元外壳29是梯形铁块，内部有阶梯孔，两端面分别绕阶梯孔周围均布有六个螺纹孔，左端面还均布另外的四个螺纹孔；所述冷却铜管31是螺旋状铜管；所述轴承座33是圆柱体铁块，内部有阶梯孔，两端绕阶梯孔圆周均布有螺纹孔；

左侧轴承30、套筒32、右侧轴承34安装在加载棒12上，左侧轴承30和右侧轴承34与加载棒12之间过盈配合，右侧轴承34内环与加载棒12的轴肩接触并定位，左侧轴承30和右侧轴承34成对安装，套筒32安装在两轴承之间；左侧轴承30和右侧轴承34的外环与轴承座33之间采用平均间隙较小的过渡配合或者具有较小间隙量的间隙配合，轴承座33通过其内孔的环形台阶与左侧轴承30配合；轴承端盖35通过螺钉与轴承座33紧固连接，轴承端盖35左端凸起圆环顶住右侧轴承34的外环，对轴承组进行预紧；冷却铜管31套在轴承座33的外圆柱面；合力轴承单元外壳29套住冷却铜管31，其左端通过螺钉与轴承座33紧固连接；左侧防尘端盖28与右侧防尘端盖36通过螺钉与轴承单元外壳紧固连接。

参考图4，所述合力轴承单元定位预紧装置包括定位架装置支撑架25，定位装置固定架26，轴承套定位架27。

所述定位架支撑架25是通过五块钢板焊接而成的T形箱型焊接件，底部有四个U形孔，上表面有四个螺纹孔用于与定位装置固定架螺纹连接；所述定位装置固定架26是通过两钢板垂直焊接在一起成L形，两钢板间有加强筋，与轴承定位架27连接的左端面上有四个螺纹孔，与定位架支撑架25连接的下端面有四个阶梯孔；所述轴承套定位架27是U形钢板和方形钢板垂直焊接而成的焊接件，与定位架固定架26连接的右端面上有四个长条孔，长条孔方向与加载棒12轴向方向平行。

定位架支撑架25安装在地平铁1上，保证其与合力轴承单元的空间距离满足加载系统的位置要求，同时定位架支撑架25通过螺栓和T形螺母固定在地平铁1上；定位架支撑架25的上端面通过螺栓与定位架固定架26下端面紧固连接；螺栓穿过轴承套定位架27左端面的长条孔固定在定位装置固定架26左端面上，轴承套定位架27通过调节螺栓沿长条孔方向进行位置调节；合力轴承单元定位单元应具有合适的高度以保证轴承定位架能对合力轴承单元定位，并且满足定位要求。

2、所述的第二种切削轴向力和径向力分开加载方式包括径向力加载装置、轴向力加载装置和分力轴承单元。

参考图2，所述径向力加载装置包括径向液压加载装置、1号径向液压加载装置支腿16、2号径向液压加载装置支腿19和径向液压加载装置支撑板17。

所述的径向液压加载装置与第一种切削合理加载方式中的液压加载装置结构类似。

所述1号径向液压加载装置支腿16和2号径向液压加载装置支腿19是发动机支腿P06，底部上有四个U形孔，通过螺栓将其固定在地平铁1；

参考图8，所述的径向加载装置支撑板17与第一种切削合力加载方式中的切削力液压加载装置支撑板3结构类似。

1号径向液压加载装置支腿16和2号径向液压加载装置支腿19通过螺栓和T型螺母固定在地平铁1上，并与支撑径向液压加载装置支撑板17通过螺栓固定连接；径向液压加载装置通过螺栓与径向液压加载装置支撑板17固定连接；1号径向液压加载装置支腿16、2号径向液压加载装置支腿19、径向液压加载装置支撑板17应保证径向液压加载装置的加载杆水平，并且垂直于机床主轴13轴线，同时保证径向液压加载装置的活塞杆与机床主轴13轴线等高。

参考图5，所述的轴向力加载部分包括轴向液压加载装置、1号轴向液压加载装置支腿24、2号轴向液压加载装置支腿22、轴向液压加载装置支撑板23、轴向力施加装置。

所述的轴向液压加载装置与第一种切削合力加载方式中的液压加载装置结构类似。

所述1号轴向液压加载装置支腿24和2号轴向液压加载装置支腿22是小发动机支腿P06，底部上有四个U形孔，通过螺栓将其固定在地平铁1；

参考图8，所述的轴向加载装置支撑板23与第一种切削合理加载方式中的切削力液压加载装置支撑板3结构类似。

1号轴向液压加载装置支腿24和2号轴向液压加载装置支腿22通过螺栓和T型螺母固定在地平铁1上，并与支撑轴向液压加载装置支撑板23通过螺栓固定连接；轴向液压加载装置通过螺栓与轴向液压加载装置支撑板23固定连接；1号轴向液压加载装置支腿24、2号轴向液压加载装置支腿22、轴向液压加载装置支撑板23应保证轴向液压加载装置的加载杆平行与机床主轴轴线，同时保证轴向液压加载装置的加载杆与机床主轴13轴线等高；轴向液压加载装置的加载杆60顶住轴向力施加装置摆臂40一端的凹坑，通过预加压力使轴向液压加载装置的加载杆60时刻顶住轴向力施加装置摆臂40的凹坑。

参考图6，所述轴向力施加装置包括摆臂40、摆臂支撑架37、立柱固定架38、摆臂固定立柱42、立柱固定架盖板41和立柱套39。

所述的摆臂40是通过三块方形薄壁钢板焊接或者机械连接而成的U形结构件，三块方形薄壁钢板相互垂直，水平的两块钢板前右段与分力轴承单元接触处有凸出的较小的圆柱体；所述摆臂支撑架37是通过五块钢板焊接而成的T形箱型焊接件，底部有四个U形孔，上表面有四个螺纹孔用于立柱固定架38固定连接；所述立柱固定架38是通过三块钢板焊接而成的U形焊接件，三块钢板相互垂直；所述的摆臂固定立柱42是阶梯轴，轴上有轴肩；所述的立柱固定架盖板41是方形钢板，四个角落分别有通孔，立柱固定架盖板41的中心还有一个通孔；所述的立柱套39是管状件。

摆臂支撑架37通过螺栓和T型螺母固定安装在地平铁1上，并保证其与圆形轴承单元的空间距离满足加载系统的位置要求；立柱固定架38通过螺栓与摆臂支撑架37紧固连接；摆臂固定立柱42通过立柱固定架38上面的孔与立柱固定架38过盈配合连接，并且立柱固定架38和摆臂支撑架37应保证摆臂固定立柱竖直并垂直于机床主轴13；摆臂40通过圆孔与摆臂固定立柱42连接，两者间隙配合；立柱固定架盖板41通过其上的圆孔与摆臂固定立柱42之间过渡配合，并且通过螺栓与立柱固定架38紧固连接；整个轴向力施加装置应该使摆臂40满足其对称面与机床主轴的轴线等高，保证摆臂40能顺利并且正确的把轴向力施加到分力轴承单元上。

参考图7，所述分力轴承单元包括轴承套左端盖43、轴承套外壳45、弹性挡圈44、1号轴承46、2号轴承48、1号轴承外隔离环47、1号金属密封环49、圆柱轴套50、2号金属密封环4、3号轴承10、4号轴承18、2号轴承外隔离环11、金属密封圈21和轴承套右端盖20。

所述的轴承左端盖43是圆环形，一端有方形凸台，并且圆周方向均布四个沉头孔；所述的轴承套外壳45是空心圆柱体，左端面圆周均匀分布四个螺纹孔，右端面圆周也均匀分布六个螺纹孔；所述的1号轴承外隔离环47和2号轴承外隔离环11是截面为梯形的圆环，外圆柱表面有环形槽，同时有圆周分布着八个连接环形槽和内测两斜面的人字形孔；所述轴承套右端盖20是一端有凸圆环的空心圆盘，并且圆周方向均匀分布六个沉头孔；

3号轴承10与4号轴承18成对安装，两者之间放着2号轴承外隔离环11，同时4号轴承18的左侧顶住金属密封圈21，金属密封圈21的右侧顶住加载棒12的轴肩，3号轴承10和4号轴承18与加载棒12之间过盈配合，且与轴承套外壳45采用平均间隙较小的过渡配合或者具有较小间隙量的间隙配合；2号金属密封环4的凸起的圆环顶住3号轴承10内环的左侧，2号金属密封环4与轴承套外壳45采用平均间隙较小的过渡配合或者具有较小间隙量的间隙配合；圆柱轴套50装在加载棒12上并且顶住2号金属密封圈62的左侧，1号金属密封环49安装方式与2号金属密封环4相反，并且一侧顶住圆柱轴套50；1号轴承46和2号轴承48成对安装，并且两者之间安装1号轴承外隔离环47，并且2号轴承48的内环顶住1号金属密封环49的左侧，1号轴承46和2号轴承48与加载棒12之间过盈配合，且与轴承套外壳45采用平均间隙较小的过渡配合或者具有较小间隙量的间隙配合；弹性挡圈44安装在1号轴承46的左侧；轴承套右端盖20与轴承套外壳45通过螺栓紧固连接，并且其一端的凸圆环与金属密封圈21间隙配合；轴承左端盖43右侧凸圆环顶住1号轴承46的外环，并且通过螺钉与轴承套外壳45紧固连接。

由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台的工作原理：

参阅图1、参阅图2，图中给出了对机床主轴加载试验时的示意图。在试验之前，先根据动、静态切削力大小及方向，调整好液压加载装置的位置和角度，使切削力加载装置能顺利地对方形轴承单元或圆形轴承单元进行加载。最后通过上位工控机来控制，在VB控制界面上选定一定参数通过RS-232C端口与下位测功机控制仪、伺服阀控制器通讯，测功机控制仪控制测功机给转动的加载棒施加扭矩，扭矩传感器和转速传感器检测到信号通过信号放大器和A/D卡反馈给上位工控机，进行闭环控制，同时上位工控机采集液压加载装置上的压力传感器和位移传感器的反馈信号，对液压加载装置进行闭环控制，整个控制过程是实时监控。同时上位工控机控制冷却机，给测功机提供风冷却，使得测功机能够长时间正常的运转。

本发明所述的由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台在对机床主轴进行可靠性试验时，根据需要模拟的切削工况，设置好切削力加载装置。在VB界面上设置好加载力、振动频率、加载波形、加载时间、加载扭矩以及机床主轴转速等各项参数，试验开始后，上位工控机控制机床主轴的转速，同时控制液压加载系统和扭矩加载系统，加载过程结束后，伺服阀控制液压加载系统加载头缩回，同时停止扭矩加载系统。

本发明中所述的实施例是为了便于该技术领域的技术人员能够理解和应用本发明，是一种比较具体的技术方案而非限制。如果相关的技术人员在坚持本发明基本技术方案的情况下做出不需要经过创造性劳动的等效结构变化或各种修改都在本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台，主要由机床主轴支撑部分、扭矩加载部分和切削力加载部分组成，其特征在于：

所述主轴支撑部分由主轴箱垫板(14)和垫铁组合(15)组成，所述主轴箱垫板(14)为板类结构件，所述垫铁组合(15)为四套相同规格的数控铣床垫铁，主轴箱垫板(14)通过螺栓和T形螺母固定在地平铁(1)上，同时压紧安装在主轴箱垫板(14)下平面数控铣床垫铁上；

所述扭矩加载部分由加同轴装配的载棒(12)、弹性膜片联轴器(9)和测功机(8)组成，所述加载棒(12)为阶梯轴，其大端装卡在主轴箱的三爪卡盘上，小端与弹性膜片联轴器(9)的一端键连接，所述测功机(8)的输出轴与弹性膜片联轴器(9)的另一端键连接，测功机(8)安装在移动平台(7)上，移动平台(7)固定在移动平台底座(6)上，移动平台(7)的移动方向与机床主轴轴线方向平行，移动平台底座(6)的截面为T形的垫板，固定在地平铁(1)上；

所述切削力加载部分采用两种加载方式：切削合力加载方式和切削轴向力与径向力分开加载方式，所述切削合力加载方式由切削力液压加载装置、合力轴承单元和合力轴承单元定位预紧装置组成；所述切削轴向力与径向力分开加载方式由径向力加载装置、轴向力加载装置和分力轴承单元组成。

2.根据权利要求1所述的由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台，其特正在于：

所述切削力液压加载装置由液压加载装置、1号切削力液压加载装置支腿(2)、2号切削力液压加载装置支腿(5)和切削力液压加载装置支撑板(3)组成，所述切削力液压加载装置支撑板(3)固定在1号切削力液压加载装置支腿(2)和2号切削力液压加载装置支腿(5)上，所述液压加载装置装在切削力液压加载装置支撑板(3)上。

3.根据权利要求1或2所述的由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台，其特正在于：

所述液压加载装置由滑板(51)、保持架(52)、关节轴承(53)、液压缸(54)、伺服阀(55)、位移传感器支架(57)、弹性装置(58)、力传感器(59)、阶梯轴(61)以及加载杆(60)组成，所述保持架(52)通过螺栓和T型螺母安装在滑板(51)上，液压缸(54)的左端面与左端的关节轴承(53)带螺纹的端杆螺纹连接，液压缸(54)上端面通过关节轴承铰接在保持架(52)中顶板的下端面上，位移传感器支架(57)固定在液压缸前端，位移传感器活塞杆与液压缸(54)活塞杆右端固定连接，液压缸(54)活塞杆通过其右端与弹性装置(58)螺纹连接，弹性装置(58)通过双头螺柱与力传感器(59)连接，力传感器(59)通过双头螺柱与加载杆(60)连接，伺服阀(55)安装在液压缸(54)上；

所述的滑板(51)为一矩形板类结构件，滑板(51)的上平面设有2条平行的T形槽，滑板(51)的下平面设有与阶梯轴(61)上端配合的的阶梯盲孔，切削力液压加载装置支撑板(3)上设有与阶梯轴(61)的下端配合的中心通孔，所述阶梯盲孔的回转轴线与滑板(51)的上、下平面相垂直，滑板(51)与切削力液压加载装置支撑板(3)采用螺栓固定连接。

4.根据权利要求3所述的由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台，其特正在于：

所述的液压缸(54)选用单活塞杆或者双活塞杆式液压油缸，活塞杆从液压缸(54)的右端伸出，液压缸(54)的左端面与左端的关节轴承(53)带螺纹的一端杆螺纹连接，液压缸(54)的活塞杆的端部固定位移传感器支架(57)，液压缸(54)上端面通过关节轴承铰接在保持架(52)中顶板的下端面上，液压缸(54)的纵向对称轴线处于保持架(52)的纵向对称面内，保持架(52)通过螺栓和T型螺母固定在滑板(51)上，所述的位移传感器支架(57)另一端设有通孔，用于固定位移传感器的内芯，当活塞杆移动时位移传感器的内芯也随着移动，位移传感器便能测得活塞杆的位移。

5.根据权利要求3所述的由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台，其特正在于：

所述的弹性装置(58)由结构相同的前后2个连接板和2个连接板之间的2个套筒组成，连接板上设有2个通孔，通过穿过连接板通孔和套筒的2根双头螺柱将连接板和套筒用螺母固连在一起，弹性装置(58)用于吸收部分激振位移且传递力，其固有频率应大于激振频率二倍以上。

6.根据权利要求2所述的由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台，其特正在于：

所述1号切削力液压加载装置支腿(2)和2号切削力液压加载装置支腿(5)为发动机支腿P06，底部上有四个U形孔，通过螺栓将其固定在地平铁(1)；

所述切削力液压加载装置支撑板(3)中心通孔的周围均匀分布有三段同圆心同结构的、用于安装螺栓的环形通槽，切削力液压加载装置支撑板(3)通过螺栓固定在1号切削力液压加载装置支腿(2)和2号切削力液压加载装置支腿(5)上；所述液压加载装置通过螺栓与切削力液压加载装置支撑板(3)紧固连接，1号液压加载装置支腿(2)、2号切削力液压加载装置支腿(5)、切削力液压加载装置支撑板(3)应保证液压加载装置水平，并且保证液压加载装置的加载杆(60)与机床主轴(13)轴线等高，通过调整液压加载装置与切削力液压加载装置支撑板(3)之间的夹角来满足加载切削合力的要求。

7.根据权利要求1所述的由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台，其特正在于：

所述合力轴承单元由左侧防尘端盖(28)、合力轴承单元外壳(29)、冷却铜管(31)、轴承座(33)、左侧轴承(30)、套筒(32)、右侧轴承(34)、轴承端盖(35)、右侧防尘端盖(36)和密封圈(62)组成，所述左侧轴承(30)、套筒(32)和右侧轴承(34)与加载棒(12)过盈配合，左侧轴承(30)和右侧轴承(34)的外环与轴承座(33)之间采用平均间隙较小的过渡配合或者具有较小间隙量的间隙配合，轴承端盖(35)通过螺钉与轴承座(33)紧固连接，冷却铜管(31)套在轴承座(33)的外圆柱面上，合力轴承单元外壳(29)套住冷却铜管(31)，其左端通过螺钉与轴承座(33)紧固连接，左侧防尘端盖(28)与右侧防尘端盖(36)通过螺钉与轴承单元外壳紧固连接。

8.根据权利要求1所述的由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台，其特正在于：

所述合力轴承单元定位预紧装置由定位架装置支撑架(25)、定位装置固定架(26)和轴承套定位架(27)组成，所述定位架支撑架(25)安装在地平铁(1)上，所述定位架支撑架(25)的上端面通过螺栓与定位架固定架(26)下端面紧固连接，定位架固定架(26)的侧面与轴承套定位架(27)通过调节螺栓连接且安装位置可调。

9.根据权利要求1所述的由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台，其特正在于：

所述径向力加载装置由径向液压加载装置、1号径向液压加载装置支腿(16)、2号径向液压加载装置支腿(19)和径向液压加载装置支撑板(17)组成，所述径向液压加载装置、1号径向液压加载装置支腿(16)、2号径向液压加载装置支腿(19)和径向液压加载装置支撑板(17)与第一种切削合理加载方式中的液压加载装置、1号切削力液压加载装置支腿(2)、2号切削力液压加载装置支腿(5)和切削力液压加载装置支撑板结构相同，所述1号径向液压加载装置支腿(16)和2号径向液压加载装置支腿(19)通过螺栓和T型螺母固定在地平铁(1)上，并与支撑径向液压加载装置支撑板(17)通过螺栓固定连接；径向液压加载装置通过螺栓与径向液压加载装置支撑板(17)固定连接。

10.根据权利要求1所述的由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台，其特正在于：

所述轴向力施加装置由摆臂(40)、摆臂支撑架(37)、立柱固定架(38)、摆臂固定立柱(42)、立柱固定架盖板(41)和立柱套(39)组成，所述摆臂支撑架(37)通过螺栓和T型螺母固定安装在地平铁(1)上，所述立柱固定架盖板(41)固定在立柱固定架(38)顶部，所述立柱固定架(38)固定在摆臂支撑架(37)的上部，所述摆臂固定立柱(42)与立柱固定架盖板(41)上面的孔过盈配合连接，摆臂(40)与摆臂固定立柱(42)间隙配合连接。

11.根据权利要求1所述的由电液伺服和测功机混合加载的机床主轴可靠性试验台，其特正在于：

所述分力轴承单元由4个轴承和轴承左右端盖组成，所述轴承套左端盖(43)和轴承套右端盖(20)装在轴承两端的加载棒(12)上，并与轴承套外壳(45)螺纹固定连接，所述轴承包括装在加载棒(12)上的1号轴承(46)、2号轴承(48)、3号轴承(10)和4号轴承(18)，1号轴承(46)和2号轴承(48)之间装有1号轴承外隔离环(47)，3号轴承(10)和4号轴承(18)之间装有2号轴承外隔离环(11)，2号轴承(48)和3号轴承(10)之间依次装有1号金属密封环(49)、圆柱轴套(50)和2号金属密封环(4)，所述的1号轴承外隔离环(47)和2号轴承外隔离环(11)是截面为梯形的圆环，外圆柱表面有环形槽，同时有圆周分布着多个连接环形槽和内测两斜面的人字形孔。

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