CN104019986A - 数控车床主轴可靠性加载试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明创造涉及一种数控车床主轴可靠性加载试验装置及方法。试验装置包括试验台体和控制系统，试验台体上安装电机、径向切削力模拟加载装置、轴向切削力模拟加载装置、轴承加载单元和扭矩加载系统。被测主轴通过主轴箱固定在试验台体上。电机通过皮带驱动被测主轴，径向和轴向切削力模拟加载装置及扭矩加载系统通过轴承加载单元对被测主轴施加扭矩、径向力和轴向力。本发明创造可以模拟主轴在机床切削状态下的情况，实现对数控车床主轴的可靠性加载试验和精度衰退测试，暴露主轴的早期故障并掌握主轴的精度衰退规律。

Description

数控车床主轴可靠性加载试验装置及方法

技术领域

本发明创造涉及机床主轴测试领域，具体为一种数控车床主轴可靠性加载试验装置及方法。

背景技术

主轴作为数控机床的主运动系统，是数控机床最重要的功能部件之一。机床的可靠性在很大程度上取决于主轴系统，其故障频发且危害度高。而且，由于主轴的高速运动，在切削状态下精度容易丧失。国内有关数控机床主轴的可靠性试验起步较晚，目前对主轴的可靠性试验主要在机床上进行且只能进行简单的连续空运转试验、温升试验等，无法实现模拟动态切削力对主轴进行加载的情况，对于主轴精度衰退的测试更是匮乏。因此研发一种数控车床主轴可靠性加载试验装置及方法是本领域的技术人员亟待解决的问题。

发明内容

为了在主轴装配到机床上之前对主轴进行可靠性试验和精度衰退测试，并对主轴新产品或外购主轴进行性能评价，本发明创造的目的是提供一种数控车床主轴可靠性加载试验装置，模拟主轴在机床切削状态下的情况，实现对数控车床主轴的可靠性加载试验和精度衰退测试，暴露主轴的早期故障并掌握主轴的精度衰退规律。

本发明创造的另一目的是提供一种数控车床主轴可靠性加载试验方法。可以实现对被测主轴进行空运转试验、扭矩加载试验、轴向和径向加载试验，用于暴露主轴的早期故障并掌握主轴的精度衰退规律。

为了解决上述技术问题，本发明创造采用如下技术方案：一种数控车床主轴可靠性加载试验装置，包括试验台体和控制系统，试验台体上安装有电机、径向切削力模拟加载装置、轴向切削力模拟加载装置、轴承加载单元和扭矩加载系统。

所述的轴承加载单元由加载装置和设在其内的芯轴构成。

所述的扭矩加载系统是，测功机的轴依次连接联轴器Ⅰ、扭矩传感器、联轴器Ⅱ、轴承座组件和联轴器Ⅲ。

被测主轴通过主轴箱固定在试验台体上。

电机通过皮带驱动被测主轴，被测主轴的另一端面与卡盘连接，卡盘卡持芯轴，芯轴的另一端与联轴器Ⅲ连接。

径向切削力模拟加载装置和轴向切削力模拟加载装置分别与加载装置活动连接。

液压系统分别连接径向切削力模拟加载装置和轴向切削力模拟加载装置。

上述的一种数控车床主轴可靠性加载试验装置，所述的径向切削力模拟加载装置是：支撑板Ⅰ通过可调支架Ⅰ和底板Ⅰ与试验台体固定，液压缸Ⅰ安装在支撑板Ⅰ上，液压缸Ⅰ的末端依次安装压力传感器Ⅰ和加载棒Ⅰ，加载棒Ⅰ与轴承加载单元的加载装置活动连接。

上述的一种数控车床主轴可靠性加载试验装置，优选的，液压缸Ⅰ的末端设有弹性装置Ⅰ，压力传感器Ⅰ设在加载棒Ⅰ和弹性装置Ⅰ之间。

上述的一种数控车床主轴可靠性加载试验装置，所述的轴向切削力模拟加载装置是：支撑板Ⅱ通过可调支架Ⅱ和底板Ⅱ与试验台体固定，液压缸Ⅱ安装在支撑板Ⅱ上，液压缸Ⅱ的末端依次安装压力传感器Ⅱ和加载棒Ⅱ，加载棒Ⅱ与杠杆的一端活动连接，杠杆的另一端与轴承加载单元的加载装置的端面活动连接。

上述的一种数控车床主轴可靠性加载试验装置，优选的，液压缸Ⅱ的末端设有弹性装置Ⅱ，压力传感器Ⅱ设在加载棒Ⅱ和弹性装置Ⅱ之间。

上述的一种数控车床主轴可靠性加载试验装置，主轴箱通过垫板和调整垫与试验台体固定。

上述的一种数控车床主轴可靠性加载试验装置，扭矩加载系统通过X-Y工作台固定在试验台体上。

上述的一种数控车床主轴可靠性加载试验装置，试验台体通过减振垫安装在地面上。

一种数控车床主轴可靠性加载试验方法，利用上述的试验装置，方法如下：

1)用千分表测定被测主轴初始状态的径向和轴向的回转精度，及测定被测主轴初始状态的静刚度；

2)被测主轴通过主轴箱固定在试验台体上，电机通过皮带驱动被测主轴运转，对被测主轴进行72h的连续空运转，每24h停机一次，测试被测主轴的回转精度和静刚度；

3)对被测主轴进行24h的加载试验：扭矩加载系统通过轴承加载单元对被测主轴施加扭矩加载、径向切削力模拟加载装置通过轴承加载单元对被测主轴施加径向模拟切削力载荷、轴向切削力模拟加载装置通过轴承加载单元对被测主轴施加轴向模拟切削力载荷；电机通过皮带驱动被测主轴运转，同时，扭矩加载系统和/或径向切削力模拟加载装置和/或轴向切削力模拟加载装置间歇式对被测主轴加载，每次加载时间不少于3min，每两次加载之间的间歇时间不大于30s；加载试验进行12h后停机一次，测试被测主轴的回转精度和静刚度；

4)加载试验完成后，最后测试被测主轴的回转精度和静刚度。

本发明创造的有益效果是：

1、本发明创造可以实现对被测主轴进行扭矩加载试验、径向加载试验和轴向加载试验，即径向切削力模拟加载装置通过加载装置对被测主轴施加径向载荷；轴向切削力模拟加载装置通过加载装置对被测主轴施加轴向载荷；扭矩加载系统通过加载装置对被测主轴施加扭矩载荷。并可以根据实际工作状态任意组合施加三个方向的载荷，也可以实现加载时间、加载力、加载频率、加载幅度的调节。本发明创造将真实工作环境下的切削力对主轴可靠性产品的重要影响这一因素考虑进去，实现了对主轴的静态力加载和动态力加载，模拟真实切削过程中主轴受力情况，更好地还原了主轴的真实工作状态，使得试验中得到的主轴故障数据和测得的可靠性值更为真实可靠。

2、本发明创造整个实验过程循环有序进行，并且将主轴发生的故障记录到控制系统，与现场跟踪试验采集的主轴故障数据相比，提高了试验效率和故障采集速度，节省了大量的人力、物力和时间。

3、本发明创造，将被测主轴的连续空运转试验、扭矩加载、轴向力加载、径向力加载、主轴回转精度保持性测试、静刚度衰退测试进行了有效结合，试验方法科学且效率高，不仅对主轴的可靠性进行有效测试，还创新性地对主轴的精度保持性和刚度保持性进行测试，实现了多功能于一体。

附图说明

图1是本发明创造的立体结构示意图(省略了液压系统和控制系统)。

图2是本发明创造另一方向的立体示意图。

图3是图1的A向视图(省略了液压系统和控制系统)。

图4是图1的B向视图(省略了液压系统和控制系统)。

图5是本发明创造的俯视图(省略了液压系统和控制系统)。

图6是本发明创造的侧视图。

具体实施方式

实施例1 一种数控车床主轴可靠性加载试验装置

如图1-图6所示，一种数控车床主轴可靠性加载试验装置，由试验台体(10)、电机(20)、径向切削力模拟加载装置(30)、轴向切削力模拟加载装置(40)、轴承加载单元(50)、扭矩加载系统(60)、液压系统(80)和控制系统(90)构成。

电机(20)、径向切削力模拟加载装置(30)、轴向切削力模拟加载装置(40)、轴承加载单元(50)和扭矩加载系统(60)安装在试验台体(10)上。

试验台体(10)通过减振垫(11)安装在地面上。进行测试前，通过调整试验台体(10)底部的减振垫(11)使试验台体的台面水平。优选的，台面上设计有若干用于固定的T型槽，径向切削力模拟加载装置(30)、轴向切削力模拟加载装置(40)和扭矩加载系统(60)通过T型块或螺栓与T型槽的配合固定在试验台体的台面上。

轴承加载单元(50)由加载装置(51)和设在其内的芯轴(52)构成。

扭矩加载系统(60)是：测功机(61)的轴依次连接联轴器Ⅰ(62)、扭矩传感器(63)、联轴器Ⅱ(64)、轴承座组件(65)和联轴器Ⅲ(66)。

主轴箱(72)通过垫板(74)和调整垫(75)与试验台体(10)固定。被测主轴(71)通过主轴箱(72)固定在试验台体(10)上。被测主轴(71)的端面与卡盘(73)连接。优选的，垫板(74)通过T型块或螺栓与试验台体台面上的T型槽配合将主轴箱与试验台体固定。调整垫(75)用于调整被测主轴的中心高度。

电机(20)通过皮带(21)驱动被测主轴(71)，被测主轴(71)的另一端面与卡盘(73)连接，卡盘(73)卡持芯轴(52)，芯轴(52)的另一端与联轴器Ⅲ(66)连接。

径向切削力模拟加载装置(30)是：支撑板Ⅰ(31)通过可调支架Ⅰ(32)和底板Ⅰ(33)与试验台体(10)固定，液压缸Ⅰ(34)安装在支撑板Ⅰ(31)上，液压缸Ⅰ(34)的末端依次安装压力传感器Ⅰ(35)和加载棒Ⅰ(36)，液压系统(80)带动液压缸Ⅰ(34)，进而带动加载棒Ⅰ(36)与加载装置(51)活动连接。径向切削力模拟加载装置，对加载装置施加径向载荷，加载可实现加载时间、加载力、加载频率、加载幅度的调节。优选的，液压缸Ⅰ(34)的末端设有弹性装置Ⅰ(37)，压力传感器Ⅰ(35)设在加载棒Ⅰ(36)和弹性装置Ⅰ(37)之间。弹性装置Ⅰ(37)可以起到防止过载，保护主轴的作用，压力传感器Ⅰ(35)，可以检测实际施加力的数值。

轴向切削力模拟加载装置(40)是：支撑板Ⅱ(41)通过可调支架Ⅱ(42)和底板Ⅱ(43)与试验台体(10)固定，液压缸Ⅱ(44)安装在支撑板Ⅱ(41)上，液压缸Ⅱ(44)的末端依次安装压力传感器Ⅱ(45)和加载棒Ⅱ(46)，液压系统(80)带动液压缸Ⅱ(44)，进而带动加载棒Ⅱ(46)与杠杆(47)的一端活动连接，杠杆(47)的另一端与轴承加载单元(50)的加载装置(51)的端面活动连接。轴向切削力模拟加载装置，对加载装置施加轴向载荷，加载可实现加载时间、加载力、加载频率、加载幅度的调节。优选的，液压缸Ⅱ(44)的末端设有弹性装置Ⅱ(48)，压力传感器Ⅱ(45)设在加载棒Ⅱ(46)和弹性装置Ⅱ(48)之间。弹性装置Ⅱ(48)可以起到防止过载，保护主轴的作用，压力传感器Ⅱ(45)，可以检测实际施加力的数值。

扭矩加载系统(60)通过X-Y工作台(67)固定在试验台体(10)上。通过X-Y工作台调整扭矩加载系统的位置，使测功机61的轴，联轴器、扭矩传感器、轴承座组件、轴承加载单元和被测主轴处于同一轴线上。

控制系统(90)与电机(20)、液压系统(80)、测功机(61)、压力传感器Ⅱ(45)、压力传感器Ⅰ(35)和扭矩传感器(63)相连接。控制电机(20)、液压系统(80)、测功机(61)运行，采集压力传感器Ⅱ(45)、压力传感器Ⅰ(35)和扭矩传感器(63)的信息。

实施例2 一种数控车床主轴可靠性加载试验方法

采用实施例1的试验装置，方法如下：

1)用千分表测定被测主轴(71)初始状态的径向和轴向的回转精度，及测定被测主轴初始状态的静刚度；

2)被测主轴(71)通过主轴箱(72)固定在试验台体(10)上，电机(20)通过皮带(21)驱动被测主轴运转，对被测主轴进行72h的连续空运转，每24h停机一次，测试被测主轴的回转精度和静刚度；

3)对被测主轴(71)进行24h的加载试验：

扭矩加载系统(60)通过轴承加载单元(50)对被测主轴施加扭矩加载。

径向切削力模拟加载装置(30)通过轴承加载单元(50)对被测主轴施加径向模拟切削力载荷。

轴向切削力模拟加载装置(40)通过轴承加载单元(50)对被测主轴施加轴向模拟切削力载荷。

电机(20)通过皮带(21)驱动被测主轴运转。同时，扭矩加载系统(60)和/或径向切削力模拟加载装置(30)和/或轴向切削力模拟加载装置(40)间歇式对被测主轴加载，每次加载时间不少于3min，每两次加载之间的间歇时间不大于30s；加载试验进行12h后停机一次，测试被测主轴的回转精度和静刚度。

本发明创造的创造性还在于任意组合扭矩加载、径向加载和轴向加载，满足被测主轴的实际工作状态。

4)加载试验完成后，最后测试被测主轴的回转精度和静刚度。

采用本发明创造的方法可以对被测主轴进行空运转试验、扭矩加载试验、轴向和径向加载试验、通过测定被测主轴的回转精度和静刚度，暴露被测主轴的早期故障并掌握被测主轴的精度衰退规律。

进行主轴回转精度测试时，对主轴施加轴向力，用千分表垂直接触待测端面，使主轴旋转，测量相应的误差最大值。测量主轴孔轴线的径向精度时，使检棒和主轴内孔紧密接触，在靠近主轴端面一点用千分表测量径向跳动，然后在距离前一测量点300mm的位置，用同样的方法测量该点的径向跳动，从而得出主轴孔轴线的径向跳动。

进行主轴静刚度测试时，对于检测主轴的径向静刚度，采用径向切削力模拟加载装置进行径向加载。先调整底板上的可调支架使支撑板水平，并使加载棒与轴承加载单元的轴线处在同一高度，然后通过液压缸推动活塞，活塞推动前端的加载棒Ⅰ将力作用在轴承加载单元上，轴承加载单元将力施加在主轴上。对于检测主轴的轴向静刚度，采用同样的调整方法调整加载棒Ⅱ到与杠杆相适合的高度，加载棒Ⅱ将力施加在杠杆上，通过杠杆原理将力作用在轴承加载单元的加载装置的端面上，由轴承加载单元将力施加在主轴上，进而实现主轴的轴向加载。径向和轴向切削力模拟加载装置上的液压系统可以实现加载时间、加载力、加载频率和加载幅度的调节。

进行扭矩加载测试时，通过X-Y工作台上的X轴和Y轴的丝杠驱动实现测功机的位置调节，并可以锁紧，使测功机及联轴器、扭矩传感器、轴承座组件和轴承加载单元满足同轴度要求。测功机对主轴进行扭矩加载，同时扭矩传感器记录扭矩的变化和数值。

进行模拟工况加载测试时，可以对主轴进行径向、轴向和扭矩的同时加载或选择性加载来模拟实际的工况。本测试属于综合性测试，主轴分别在低速、中速、高速情况下连续进行加载测试，加载系统可以对主轴进行规定时间的动态加载，每次加载测试周期的加载时间不少于3min，间歇时间不大于30s，测量结果的数值可以通过软件界面予以显示。

Claims (9)

1.一种数控车床主轴可靠性加载试验装置，其特征在于：包括试验台体(10)和控制系统(90)，试验台体(10)上安装有电机(20)、径向切削力模拟加载装置(30)、轴向切削力模拟加载装置(40)、轴承加载单元(50)和扭矩加载系统(60)；所述的轴承加载单元(50)由加载装置(51)和设在其内的芯轴(52)构成；所述的扭矩加载系统(60)是，测功机(61)的轴依次连接联轴器Ⅰ(62)、扭矩传感器(63)、联轴器Ⅱ(64)、轴承座组件(65)和联轴器Ⅲ(66)；被测主轴(71)通过主轴箱(72)固定在试验台体(10)上；电机(20)通过皮带(21)驱动被测主轴(71)，被测主轴(71)的另一端面与卡盘(73)连接，卡盘(73)卡持芯轴(52)，芯轴(52)的另一端与联轴器Ⅲ(66)连接，径向切削力模拟加载装置(30)和轴向切削力模拟加载装置(40)分别与加载装置(51)活动连接；液压系统(80)分别连接径向切削力模拟加载装置(30)和轴向切削力模拟加载装置(40)。

2.如权利要求1所述的一种数控车床主轴可靠性加载试验装置，其特征在于：所述的径向切削力模拟加载装置(30)是：支撑板Ⅰ(31)通过可调支架Ⅰ(32)和底板Ⅰ(33)与试验台体(10)固定，液压缸Ⅰ(34)安装在支撑板Ⅰ(31)上，液压缸Ⅰ(34)的末端依次安装压力传感器Ⅰ(35)和加载棒Ⅰ(36)，加载棒Ⅰ(36)与轴承加载单元(50)的加载装置(51)活动连接。

3.如权利要求2所述的一种数控车床主轴可靠性加载试验装置，其特征在于：液压缸Ⅰ(34)的末端设有弹性装置Ⅰ(37)，压力传感器Ⅰ(35)设在加载棒Ⅰ(36)和弹性装置Ⅰ(37)之间。

4.如权利要求1所述的一种数控车床主轴可靠性加载试验装置，其特征在于：所述的轴向切削力模拟加载装置(40)是：支撑板Ⅱ(41)通过可调支架Ⅱ(42)和底板Ⅱ(43)与试验台体(10)固定，液压缸Ⅱ(44)安装在支撑板Ⅱ(41)上，液压缸Ⅱ(44)的末端依次安装压力传感器Ⅱ(45)和加载棒Ⅱ(46)，加载棒Ⅱ(46)与杠杆(47)的一端活动连接，杠杆(47)的另一端与轴承加载单元(50)的加载装置(51)的端面活动连接。

5.如权利要求4所述的一种数控车床主轴可靠性加载试验装置，其特征在于：液压缸Ⅱ(44)的末端设有弹性装置Ⅱ(48)，压力传感器Ⅱ(45)设在加载棒Ⅱ(46)和弹性装置Ⅱ(48)之间。

6.如权利要求1所述的一种数控车床主轴可靠性加载试验装置，其特征在于：主轴箱(72)通过垫板(74)和调整垫(75)与试验台体(10)固定。

7.如权利要求1所述的一种数控车床主轴可靠性加载试验装置，其特征在于：扭矩加载系统(60)通过X-Y工作台(67)固定在试验台体(10)上。

8.如权利要求1所述的一种数控车床主轴可靠性加载试验装置，其特征在于：试验台体(10)通过减振垫(11)安装在地面上。

9.一种数控车床主轴可靠性加载试验方法，其特征在于：利用权利要求1所述的试验装置，方法如下：

1)用千分表测定被测主轴(71)初始状态的径向和轴向的回转精度，及测定被测主轴初始状态的静刚度；

2)被测主轴(71)通过主轴箱(72)固定在试验台体(10)上，电机(20)通过皮带(21)驱动被测主轴运转，对被测主轴进行72h的连续空运转，每24h停机一次，测试被测主轴的回转精度和静刚度；

3)对被测主轴(71)进行24h的加载试验：扭矩加载系统(60)通过轴承加载单元(50)对被测主轴施加扭矩载荷，径向切削力模拟加载装置(30)通过轴承加载单元(50)对被测主轴施加径向模拟切削力载荷，轴向切削力模拟加载装置(40)通过轴承加载单元(50)对被测主轴施加轴向模拟切削力载荷；电机(20)通过皮带(21)驱动被测主轴运转，同时，扭矩加载系统(60)和/或径向切削力模拟加载装置(30和/或轴向切削力模拟加载装置(40)间歇式对被测主轴加载，每次加载时间不少于3min，每两次加载之间的间歇时间不大于30s；加载试验进行12h后停机一次，测试被测主轴的回转精度和静刚度；

4)加载试验完成后，最后测试被测主轴的回转精度和静刚度。