CN103743567A - 一种数控磨床砂轮主轴可靠性试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数控磨床砂轮主轴的可靠性试验装置，该装置可以模拟数控磨床的各种不同工况，变频器驱动主轴电机以不同的转速运转，周向加载装置施加不同的周向载荷，径向加载装置施加不同的径向载荷，记录运行过程中的故障数据，通过这些数据来计算、评价数控磨床砂轮主轴的可靠性水平。本发明适用于数控磨床砂轮主轴的可靠性试验，在数控磨床的可靠性设计时，用来评价砂轮主轴的可靠性水平，具有较好的应用前景。

Description

一种数控磨床砂轮主轴可靠性试验装置

技术领域

本发明涉及一种数控磨床砂轮主轴可靠性试验装置，属于精密制造技术和工业自动化控制领域。

背景技术

数控磨床广泛应用在机械加工制造业中，利用数控程序控制伺服电机驱动砂轮磨削轴类、平面、曲面等。数控磨床通常为精密零件加工的最后一道工序，所以数控磨床性能的好坏和可靠性的高低对零件加工的精度和加工的效率有着重要的影响。

无论是轴类数控磨床，还是平面数控磨床和曲面数控磨床均包含有砂轮主轴，砂轮主轴的主要作用是带动砂轮做高速旋转，由于砂轮主轴直接驱动砂轮，而砂轮又直接与工件接触，所以砂轮主轴可靠性的高低对加工零件的精度有直接的影响。在数控磨床运行过程中砂轮主轴存在着径向跳动、轴向串动、轴承温升过高等问题，一旦出现这些问题，加工出的零件很可能是废品，严重的还可能导致主轴抱死等事故。

为了提高数控磨床的可靠性，通常需要采集数控磨床的故障数据，然后计算数控磨床的平均无故障时间。在设计数控磨床时，为了提高数控磨床整机的可靠性，需要选择可靠性高的零部件，而要想了解零部件的可靠性水平，必须进行可靠性试验。

数控磨床的砂轮主轴是数控磨床的主要部件之一，要想提升砂轮主轴的可靠性，需要对砂轮主轴进行可靠性试验。砂轮主轴在运行过程中的转速不同、周向载荷不同、径向载荷也不同，所以试验装置必须能够模拟这些不同的工作情况，暴露数控磨床砂轮主轴运行中的故障，为评估数控磨床砂轮主轴的可靠性提供数据。

目前数控磨床在设计时对砂轮主轴的试验主要是空载情况下的平衡试验，而很少进行可靠性试验，导致数控磨床砂轮主轴的可靠性基础数据很少，设计人员无法把握数控磨床砂轮主轴的可靠性水平。

针对以上所述，本发明所设计的数控磨床砂轮主轴可靠性试验装置可以模拟数控磨床的各种不同的工况，砂轮主轴以不同的转速运转、周向载荷和径向载荷可以根据需要进行变化，可编程控制器和触摸屏保存运行过程中的故障数据，通过这些数据来计算、评价数控磨床砂轮主轴的可靠性水平。

发明内容

本发明的目的是提供一种数控磨床砂轮主轴的可靠性试验装置，该装置可以模拟数控磨床的各种不同的工况，变频器驱动主轴电机以不同的转速运转，周向加载装置施加不同的周向载荷，径向加载装置施加不同的径向载荷，记录运行过程中的故障数据，通过这些数据来计算、评价数控磨床砂轮主轴的可靠性水平。砂轮主轴包括砂轮主轴、主轴电机、轴承，对砂轮主轴进行可靠性试验其实主要是针对砂轮主轴、主轴电机和轴承进行可靠性试验，由于砂轮主轴在实际工作中的工作条件是未知的、随机的，为了模拟这种随机的工况，所设计的试验装置能够模拟这种随机工作条件。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种数控磨床砂轮主轴可靠性试验装置，该试验装置包括周向加载装置、径向加载装置和电气控制系统；试验方法包括数据采集和处理方法。

该试验装置的周向加载装置包括轴承a、转子、定子、轴承b、联轴器a、轴承端盖、轴承座、轴承c、砂轮主轴、轴承d、同步带轮a、同步带、主轴电机、同步带轮b、轴承e；砂轮主轴由轴承c和轴承d支撑，砂轮主轴一端安装有同步带轮a，主轴电机的输出轴上安装有同步带轮b，同步带装在同步带轮a和同步带轮b上；砂轮主轴的另一端通过联轴器a与转子相连，转子为笼形结构；定子通过轴承a和轴承b安装在转子上；砂轮主轴与转子连接端装有轴承e，轴承e安装在轴承座中，轴承e一端有轴承端盖。

该试验装置的径向加载装置包括轨道板、顶块、弹簧、滑块、丝杠、联轴器b、伺服电机、底座、导杆、支撑板a、支撑板b、电机支撑板；轴承座安装在导轨板中，轴承座可以在导轨板内沿导轨滑动；轴承座的一侧与顶块接触，顶块与弹簧一端相连，弹簧的另一端与滑块相连，滑块顶部设有螺纹孔，丝杠通过该螺纹孔与滑块相啮合，滑块底端设有通孔，导杆通过该通孔可实现自由滑动，导杆和丝杠均安装在支撑板a和支撑板b上；丝杠通过联轴器与伺服电机相连;伺服电机由电机支撑板支撑；支撑板a、支撑板b、电机支撑板均安装在底座上。

该试验装置的电气控制系统包括位移传感器a、位移传感器b、温度传感器、限位行程开关a、限位行程开关b、原点行程开关、伺服驱动器、可编程控制器、交流接触器a、交流接触器b、交流接触器c、绿色指示灯、红色指示灯、触摸屏、变频器a、变频器b、启动按钮、停止按钮、复位按钮、紧急停止按钮；位移传感器a、位移传感器b、温度传感器、限位行程开关a、限位行程开关b、原点行程开关连接在可编程控制器的输入端，交流接触器a、交流接触器b、交流接触器c39、绿色指示灯、红色指示灯连接在可编程控制器的输出端，伺服驱动器、变频器a、变频器b连接在可编程控制器的输出端，触摸屏通过通信电缆与可编程控制器的通信口相连。

为了更好的模拟砂轮主轴的实际工作情况，在可编程控制器内部存储了多种主轴转速信号、变频器b输出电压信号和伺服电机转角信号，按下启动按钮后，可编程控制器控制砂轮主轴依次以不同的转速运转、变频器b依次输出不同的电压、伺服电机依次转动不同的角度，以达到本试验装置的目的。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明所述的试验装置可以模拟数控磨床砂轮主轴的工作条件，记录数控磨床砂轮主轴的故障数据，从而计算和评价数控磨床砂轮主轴的可靠性水平。

2、本发明所述的试验装置可以根据不同数控磨床的砂轮主轴进行试验，只需要根据砂轮主轴的功率选择合适的变频器即可，而且在按下启动按钮后，系统自动按照预定的速度和载荷运行，中间无需人为操作，在出现故障时自动记录故障数据。

本发明适用于数控磨床砂轮主轴的可靠性试验，在数控磨床的可靠性设计时，用来评价砂轮主轴的可靠性水平，具有较好的应用前景。

附图说明

图1是数控磨床砂轮主轴可靠性试验装置的周向加载装置原理图。

图2是数控磨床砂轮主轴可靠性试验装置的径向加载装置原理图。

图3是数控磨床砂轮主轴可靠性试验装置的电气控制原理图。

图4是数控磨床砂轮主轴可靠性试验装置的砂轮主轴转速曲线图。

图5是数控磨床砂轮主轴可靠性试验装置的变频器输出电压曲线图。

图6是数控磨床砂轮主轴可靠性试验装置的伺服电机转角曲线图。

图中：1、轴承a，2、转子，3、定子，4、轴承b，5、联轴器a，6、轴承端盖，7、轴承座，8、位移传感器a，9、轴承c，10、砂轮主轴，11、轴承d，12、位移传感器a，13、同步带轮a，14、同步带，15、主轴电机，16、同步带轮b，17、温度传感器，18、轴承e，19、轨道板，20、顶块，21、弹簧，22、限位行程开关a，23、滑块，24、原点行程开关，25、限位行程开关b，26、丝杠，27、联轴器b，28、伺服电机，29、底座，30、导杆，31、支撑板a，32、支撑板b，33、电机支撑板，34、交流接触器触点a，35、伺服驱动器，36、可编程控制器，37、交流接触器a，38、交流接触器b，39、交流接触器c，40、绿色指示灯，41、红色指示灯，42、触摸屏，43、变频器a，44、交流接触器触点b，45、变频器b，46、交流接触器触点c，47、启动按钮，48、停止按钮，49、复位按钮，50、紧急停止按钮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

本发明采用的技术方案为一种数控磨床砂轮主轴可靠性试验装置及实施方法，该试验装置包括周向加载装置、径向加载装置和电气控制系统；试验方法包括数据采集和处理方法。

如图1-3所示，该试验装置的周向加载装置包括轴承a1、转子2、定子3、轴承b4，联轴器a5、轴承端盖6、轴承座7、轴承c9、砂轮主轴10、轴承d11、同步带轮a13、同步带14、主轴电机15、同步带轮b16、轴承e18；砂轮主轴10由轴承c9和轴承d11支撑，砂轮主轴10一端安装有同步带轮a13，主轴电机15的输出轴上安装有同步带轮b16，同步带14装在同步带轮a13和同步带轮b16上；砂轮主轴10的另一端通过联轴器a5与转子2相连，转子2为笼形结构；定子3通过轴承a1和轴承b4安装在转子2上；砂轮主轴10与转子2连接端装有轴承e18，轴承e18安装在轴承座7中，轴承e18一端有轴承端盖6。

该试验装置的径向加载装置包括轨道板19、顶块20、弹簧21、滑块23、丝杠26、联轴器b27、伺服电机28、底座29、导杆30、支撑板a31、支撑板b32、电机支撑板33；轴承座7安装在导轨板19中，轴承座7可以在导轨板19内沿导轨滑动；轴承座7的一侧与顶块20接触，顶块20与弹簧21一端相连，弹簧21的另一端与滑块23相连，滑块23一侧设有螺纹孔，丝杠26通过该螺纹孔与滑块23相啮合，滑块23另一侧设有通孔，导杆30通过该通孔可实现自由滑动，导杆30和丝杠26均安装在支撑板a31和支撑板b32上；丝杠26通过联轴器27与伺服电机28相连;伺服电机28由电机支撑板33支撑；支撑板a31、支撑板b32、电机支撑板33均安装在底座29上。

该试验装置的电气控制系统包括位移传感器a8、位移传感器b12、温度传感器17、限位行程开关a22、限位行程开关b25、原点行程开关24、伺服驱动器35、可编程控制器36、交流接触器a37、交流接触器b38、交流接触器c39、绿色指示灯40、红色指示灯41、触摸屏42、变频器a43、变频器b45、启动按钮47、停止按钮48、复位按钮49、紧急停止按钮50；位移传感器a8、位移传感器b12、温度传感器17、限位行程开关a22、限位行程开关b25、原点行程开关24连接在可编程控制器36的输入端，交流接触器a37、交流接触器b38、交流接触器c39、绿色指示灯40、红色指示灯41连接在可编程控制器36的输出端，伺服驱动器35、变频器a43、变频器b45连接在可编程控制器36的输出端，触摸屏42通过通信电缆与可编程控制器36的通信口相连。

如图4-6所示，系统通电后，如果滑块23不在原点行程开关24处，按下复位按钮49，可编程控制器36控制交流接触器a37得电，交流接触器触点a34接通，伺服驱动器35通电；可编程控制器36向伺服驱动器35发送反向信号，伺服驱动器35控制伺服电机28反转，滑块23沿导杆30运动，碰到原点行程开关24时停止。

按下启动按钮47，可编程控制器36控制交流接触器b38得电，交流接触器触点b44接通，变频器a43通电；可编程控制器36向变频器a43发送转动信号，变频器a43控制主轴电机15以n₁的转速运转；可编程控制器36控制交流接触器c39得电，交流接触器触点c46接通，变频器b45通电；可编程控制器36向变频器b45发送信号，变频器b45输出U₁的电压给定子3，定子3施加给转子2一定的周向转矩，相当于给砂轮主轴10施加一定的周向载荷；可编程控制器36控制交流接触器a37得电，交流接触器触点a34接通，伺服驱动器35通电；可编程控制器36向伺服驱动器35发送正向信号，伺服驱动器35控制伺服电机28正转，伺服电机28正转的角度为θ₁，滑块23沿导杆30移动，弹簧21被压缩，形成对砂轮主轴10的径向加载；运行一段时间后，可编程控制器36控制变频器a43和变频器b45停止，砂轮主轴10停止运转，停止施加周向载荷；可编程控制器36控制伺服电机28反转，滑块23沿导杆30移动到原位置时停止，一个循环结束。

停止一段时间后，可编程控制器30控制主轴电机15以n₂的转速运转，变频器45输出U₂的电压，伺服电机28转动θ₂的角度；运行一段时间后停止；按照同样的规律，即主轴电机15的转速依次为n₁、n₂、n₃、n₄、n₅，变频器45输出的电压依次为U₁、U₂、U₃、U₄、U₅、U₆、U₇，伺服电机28的输出转角依次为θ₁、θ₂、θ₃，一直循环；之所以将主轴电机15、变频器b45输出电压和伺服电机28的转角的数量均设置为质数，是为了得到更多的转速、电压和转角的组合，更加贴近实际地模拟砂轮主轴的工作时的情况。

一旦在运行过程中可编程控制器36计算出的径向跳动、轴向串动、轴承温升超过允许值时，可编程控制器36立即控制主轴电机15停止运转，变频器b45停止输出电压，伺服电机28驱动滑块回到原点。同时可编程控制器36向触摸屏42发送信号，触摸屏42记录故障的时间和类型，等试验结束后，可以统计触摸屏42上的故障，来计算和评估砂轮主轴的可靠性水平。

在运行过程中按下停止按钮48，可编程控制器36控制主轴电机15减速停止运转，变频器b45停止输出电压，伺服电机28驱动滑块23回到原点后停止。

在运行过程中按下紧急停止按钮50，可编程控制器36控制主轴电机15立即停止运转，变频器b45停止输出电压，伺服电机28保持不动；紧急情况解除后，可以按复位按钮49，伺服电机28驱动滑块23回到原点后停止。

触摸屏42可以控制试验装置的运行和显示试验装置的工作状态，在触摸屏42上设计有启动按钮47、停止按钮48、复位按钮49、紧急停止按钮50，这些按钮的作用同数控磨床的控制按钮是相同的；在触摸屏42上设计有绿色指示灯40和红色指示灯41，其状态显示同数控磨床指示灯相同；当试验装置出现故障时，触摸屏42可以显示故障类型、故障时间，并保存在触摸屏上，试验结束后，可以统计故障数据，作为计算、评价数控磨床砂轮主轴可靠性的依据。

以上所述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制。在本发明的设计思想和权利要求的保护范围内，对本发明做出任何修改或改变，均应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种数控磨床砂轮主轴可靠性试验装置，其特征在于：该试验装置包括周向加载装置、径向加载装置和电气控制系统；

该试验装置的周向加载装置包括轴承a（1）、转子（2）、定子（3）、轴承b（4）、联轴器a（5）、轴承端盖（6）、轴承座（7）、轴承c（9）、砂轮主轴（10）、轴承d（11）、同步带轮a（13）、同步带（14）、主轴电机（15）、同步带轮b（16）、轴承e（18）；砂轮主轴（10）由轴承c（9）和轴承d（11）支撑，砂轮主轴（10）一端安装有同步带轮a13，主轴电机（15）的输出轴上安装有同步带轮b（16），同步带（14）装在同步带轮a（13）和同步带轮b（16）上；砂轮主轴（10）的另一端通过联轴器a（5）与转子（2）相连，转子（2）为笼形结构；定子（3）通过轴承a（1）和轴承b（4）安装在转子（2）上；砂轮主轴（10）与转子（2）连接端装有轴承e（18），轴承e（18）安装在轴承座（7）中，轴承e（18）一端有轴承端盖（6）；

该试验装置的径向加载装置包括轨道板（19）、顶块（20）、弹簧（21）、滑块（23）、丝杠（26）、联轴器b（27）、伺服电机（28）、底座（29）、导杆（30）、支撑板a（31）、支撑板b（32）、电机支撑板（33）；轴承座（7）安装在导轨板（19）中，轴承座（7）可以在导轨板（19）内沿导轨滑动；轴承座（7）的一侧与顶块（20）接触，顶块（20）与弹簧（21）一端相连，弹簧（21）的另一端与滑块（23）相连，滑块（23）一侧螺纹孔，丝杠（26）通过该螺纹孔与滑块（23）相啮合，滑块（23）另一侧设有通孔，导杆（30）通过该通孔可实现自由滑动，导杆（30）和丝杠（26）均安装在支撑板a（31）和支撑板b（32）上；丝杠（26）通过联轴器（27）与伺服电机（28）相连；伺服电机（28）由电机支撑板（33）支撑；支撑板a（31）、支撑板b（32）、电机支撑板（33）均安装在底座（29）上；

该试验装置的电气控制系统包括位移传感器a（8）、位移传感器b（12）、温度传感器（17）、限位行程开关a（22）、限位行程开关b（25）、原点行程开关（24）、伺服驱动器（35）、可编程控制器（36）、交流接触器a（37）、交流接触器b（38）、交流接触器c（39）、绿色指示灯（40）、红色指示灯（41）、触摸屏（42）、变频器a（43）、变频器b（45）、启动按钮（47）、停止按钮（48）、复位按钮（49）、紧急停止按钮（50）；位移传感器a（8）、位移传感器b（12）、温度传感器（17）、限位行程开关a（22）、限位行程开关b（25）、原点行程开关（24）连接在可编程控制器（36）的输入端，交流接触器a（37）、交流接触器b（38）、交流接触器c（39）、绿色指示灯（40）、红色指示灯（41）连接在可编程控制器（36）的输出端，伺服驱动器（35）、变频器a（43）、变频器b（45）连接在可编程控制器（36）的输出端，触摸屏（42）通过通信电缆与可编程控制器（36）的通信口相连；触摸屏（42）可以控制试验装置的运行和显示试验装置的工作状态，在触摸屏（42）上设计有启动按钮（47）、停止按钮（48）、复位按钮（49）、紧急停止按钮（50），这些按钮的作用同数控磨床的控制按钮是相同的；在触摸屏（42）上设计有绿色指示灯（40）和红色指示灯（41），其状态显示同数控磨床指示灯相同；当试验装置出现故障时，触摸屏（42）可以显示故障类型、故障时间，并保存在触摸屏上，试验结束后，可以统计故障数据，作为计算、评价数控磨床砂轮主轴可靠性的依据。

2.根据权利要求1所述的一种数控磨床砂轮主轴可靠性试验装置，其特征在于：该系统通电后，若滑块（23）不在原点行程开关（24）处，按下复位按钮（49），可编程控制器（36）控制交流接触器a（37）得电，交流接触器触点a（34）接通，伺服驱动器（35）通电；可编程控制器（36）向伺服驱动器（35）发送反向信号，伺服驱动器（35）控制伺服电机（28）反转，滑块（23）沿导杆（30）运动，碰到原点行程开关（24）时停止；

按下启动按钮（47），可编程控制器（36）控制交流接触器b（38）得电，交流接触器触点b（44）接通，变频器a（43）通电；可编程控制器（36）向变频器a（43）发送转动信号，变频器a（43）控制主轴电机（15）以n₁的转速运转；可编程控制器（36）控制交流接触器c（39）得电，交流接触器触点c（46）接通，变频器b（45）通电；可编程控制器（36）向变频器b（45）发送信号，变频器b（45）输出U1的电压给定子（3），定子（3）施加给转子（2）一定的周向转矩，相当于给砂轮主轴（10）施加一定的周向载荷；可编程控制器（36）控制交流接触器a（37）得电，交流接触器触点a（34）接通，伺服驱动器（35）通电；可编程控制器（36）向伺服驱动器（35）发送正向信号，伺服驱动器（35）控制伺服电机（28）正转，伺服电机（28）正转的角度为θ₁，滑块（23）沿导杆（30）移动，弹簧（21）被压缩，形成对砂轮主轴（10）的径向加载；运行一段时间后，可编程控制器（36）控制变频器a（43）和变频器b（45）停止，砂轮主轴（10）停止运转，停止施加周向载荷；可编程控制器（36）控制伺服电机（28）反转，滑块（23）沿导杆（30）移动到原位置时停止，一个循环结束；

停止一段时间后，可编程控制器（30）控制主轴电机（15）以n₂的转速运转，变频器（45）输出U2的电压，伺服电机（28）转动θ₂的角度；运行一段时间后停止；按照同样的规律，一直循环。

3.根据权利要求1所述的一种数控磨床砂轮主轴可靠性试验装置，其特征在于：一旦在运行过程中可编程控制器（36）计算出的径向跳动、轴向串动、轴承温升超过允许值时，可编程控制器（36）立即控制主轴电机（15）停止运转，变频器b（45）停止输出电压，伺服电机（28）驱动滑块回到原点；同时可编程控制器（36）向触摸屏（42）发送信号，触摸屏（42）记录故障的时间和类型，等试验结束后，可以统计触摸屏（42）上的故障，来计算和评估砂轮主轴的可靠性水平；

在运行过程中按下停止按钮（48），可编程控制器（36）控制主轴电机（15）减速停止运转，变频器b（45）停止输出电压，伺服电机（28）驱动滑块（23）回到原点后停止；

在运行过程中按下紧急停止按钮（50），可编程控制器（36）控制主轴电机（15）立即停止运转，变频器b（45）停止输出电压，伺服电机（28）保持不动；紧急情况解除后，可以按复位按钮（49），伺服电机（28）驱动滑块（23）回到原点后停止。

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