CN104458303A - 重型数控立式车床可靠性试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重型数控立式车床可靠性试验系统，旨在克服目前重型数控立式车床可靠性试验装置不能模拟动、静态切削力和扭矩加载的问题，其包括有配重块惯性加载及加载辅助装置、电液伺服切削力加载装置及立式测功机扭矩加载装置。配重块惯性加载及加载辅助装置安装在重型数控立式车床中的回转工作台上，电液伺服切削力加载装置中的径向电液伺服加载装置安装在回转工作台周边的地面上，径向电液伺服加载装置的一端和加载工作台的圆周表面接触，轴向电液伺服加载装置的顶端固定安装在重型数控立式车床中的滑枕底端，轴向电液伺服加载装置底端与加载工作台的上表面接触连接，立式测功机扭矩加载装置同和加载工作台与回转工作台的中心处固定连接。

Description

重型数控立式车床可靠性试验系统

技术领域

本发明涉及一种应用于重型机械加工设备可靠性领域的试验装置，更确切地说，本发明涉及一种能够对重型数控立式车床实现动、静态切削力和扭矩加载的重型数控立式车床可靠性试验系统。

背景技术

重型机床是国防军工、航空航天、交通运输和水利工程等支柱产业的重要数控加工装备之一。目前国内研发的重型数控机床在精度、速度、大型化、重量化和多轴联动等方面取得一定的发展。但由于重型机床自身和工件庞大、负载变化大、行程大等特点，容易受到工况及环境的影响，使其故障频繁，可靠性问题严重，已经成为机床生产企业与用户关注的焦点和重型数控机床发展的瓶颈。因此研究开发重型数控立式车床可靠性试验系统具有重要的实际意义。

我国的重型数控立式车床研发和可靠性试验研究起步较晚，目前国内仅有一些能够对重型数控立式车床功能部件进行功能简单的可靠性试验装置。例如，某些试验台可以对数控立式车床的工作台、滑枕等进行空运转试验或者在工作台上添加重物进行模拟惯性载荷的可靠性试验，但试验模拟的工况与真实工况有很大的差距。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了目前重型数控立式车床可靠性试验装置不能模拟动、静态切削力和扭矩加载的问题，提供了一种采用轴向电液伺服加载装置、径向电液伺服加载装置、测功机扭矩加载装置和配重块分别对重型数控立式车床进行模拟轴向与径向的动静态切削力、扭矩以及惯性载荷的混合加载的重型数控立式车床可靠性试验系统。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的重型数控立式车床可靠性试验系统包括有配重块惯性加载及加载辅助装置、电液伺服切削力加载装置及立式测功机扭矩加载装置。

所述的配重块惯性加载及加载辅助装置包括结构相同的配重块和加载辅助装置。

所述的加载辅助装置包括加载工作台、辅助导轨副、6个结构相同的压板与2个结构相同的固定装置。

加载工作台采用2个结构相同的固定装置安装在重型数控立式车床中的回转工作台的正上方，结构相同的配重块均匀地安装在加载工作台正下方的回转工作台上，辅助导轨副的静导轨安装在加载工作台周边的底面上，辅助导轨副的动导轨通过垫板、6个结构相同的压板与T型螺栓固定在回转工作台上，电液伺服切削力加载装置中的径向电液伺服加载装置安装在回转工作台周边的地面上，径向电液伺服加载装置中的加载杆和加载工作台的圆周表面接触，轴向电液伺服加载装置的顶端固定安装在滑枕的底端，轴向电液伺服加载装置底端的轴向加载杆与加载工作台的上表面接触连接，立式测功机扭矩加载装置通过其立式测功机支撑架固定安装在加载工作台的中心处，同时立式测功机扭矩加载装置通过扭矩加载杆固定在机床回转工作台的中心处。

技术方案中所述的配重块为板式的扇形体，扇形体的外圆弧端设置有两个U型槽，每个U型槽外侧的扇形体的上表面设置有一个半球凹坑，而每个U型槽的外侧的下表面上设置有一个半球凸起，每块配重块上表面、下表面上的半球凹坑、半球凸起对正，每块配重块上表面、下表面上的半球凹坑、半球凸起结构尺寸相同。

技术方案中所述的加载工作台为平板圆盘类结构件，加载工作台的圆心处设置一个中心通孔，中心通孔周围均匀地分布有用于固定立式测功机支撑架(31)的6个螺纹孔，加载工作台的周围下表面均布有用于安装辅助导轨副中的静导轨的螺纹孔，加载工作台外圆周处相距180°各设置有一个用于和2个结构相同的固定装置中固定杆一端的燕尾凸台相互配合的燕尾开口通槽。

技术方案中所述的径向电液伺服加载装置包括有径向电液伺服加载单元、径向电液伺服加载底座、径向安装座、两个结构相同的径向加载支撑架及径向导轨。所述的径向电液伺服加载单元沿纵向安装在径向电液伺服加载底座上，伺服加载底座通过螺栓固定在径向安装座的两个平行对称的T型槽上，径向安装座与两个结构相同的径向加载支撑架的顶端通过螺栓连接，两个结构相同的径向加载支撑架采用螺栓固定安装在径向导轨上。

技术方案中所述的径向电液伺服加载单元包括伺服阀、伺服油缸、位移传感器、弹性装置、拉压力传感器、加载杆和杆端关节轴承。所述的杆端关节轴承由杆端关节轴承底座和连杆组成，连杆的左端与杆端关节轴承底座为球铰连接，连杆的右端与伺服油缸左端面通过螺纹连接，杆端关节轴承的杆端关节轴承底座与径向电液伺服加载底座中的底板为铰接；弹性装置中的左侧连接板与伺服压缸活塞杆的右端螺纹连接，弹性装置中的右侧连接板与双头螺柱的左端螺纹连接，双头螺柱的右端与拉压力传感器螺纹连接，拉压力传感器的右端与加载杆螺纹连接。

技术方案中所述的弹性装置还包括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。所述的左侧连接板与右侧连接板结构相同，均为一个长方形平板，左侧连接板与右侧连接板的中心位置处设置有螺纹通孔，螺纹通孔的两侧各有一个通孔，2个结构相同的套筒的外径大于左侧连接板与右侧连接板上两侧通孔的直径；2个规格相同的螺栓插入左侧连接板与右侧连接板两侧的通孔中，2个结构相同的套筒套装在左侧连接板与右侧连接板之间的两个螺栓上，再采用2个规格相同的螺母在左侧连接板或右侧连接板的外侧将左侧连接板、2个结构相同的套筒与右侧连接板固定连接在一起。

技术方案中所述的轴向电液伺服加载装置包括轴向电液伺服加载单元和轴向电液伺服加载底座。所述的轴向电液伺服加载单元和径向电液伺服加载装置中的径向电液伺服加载单元的结构相同，轴向电液伺服加载单元包括轴向伺服阀、轴向加载杆、轴向拉压力传感器、轴向弹性装置、轴向位移传感器、轴向杆端关节轴承和轴向伺服油缸；轴向伺服阀与径向电液伺服加载单元的伺服阀、轴向伺服油缸与径向电液伺服加载单元的伺服油缸、轴向位移传感器与径向电液伺服加载单元的位移传感器、轴向弹性装置与径向电液伺服加载单元的弹性装置、轴向拉压力传感器与径向电液伺服加载单元的拉压力传感器、轴向加载杆与径向电液伺服加载单元的加载杆和轴向杆端关节轴承与径向电液伺服加载单元的杆端关节轴承结构相同。

技术方案中所述的测功机扭矩加载装置包括扭矩加载杆、弹性联轴器、3号轴承端盖、立式测功机支撑架、立式测功机、1号安装支架、2号安装支架、3号安装支架、1号轴承端盖及2号轴承端盖。所述的扭矩加载杆的左端与弹性联轴器的右端螺栓连接，弹性联轴器的左端与立式测功机输出端螺栓连接，立式测功机的顶端与1号安装支架的底端相接触并采用螺栓固定，立式测功机的底端与2号安装支架顶端相接触并采用螺栓固定，1号安装支架的上端通过轴承安装在立式测功机支撑架中的端盖的小直径孔中，1号轴承端盖扣装在立式测功机支撑架中的端盖的大直径孔中，2号安装支架的下端通过轴承安装在3号安装支架的大直径孔内，3号安装支架采用螺栓固定在立式测功机支撑架内的台阶端面上，2号轴承端盖扣装在3号安装支架的大直径孔内，3号轴承端盖扣装在3号安装支架的小直径孔内。

技术方案中所述的1号安装支架为圆盘类结构件，由支架盘与中空阶梯轴组成，支架盘与中空阶梯轴的大直径端连成一体，两者的回转轴线共线；支架盘上以回转轴线为中心均匀地分布有用于与立式测功机顶端法兰盘固定连接的螺纹孔，1号安装支架的中空阶梯轴由两段轴组成，上端为安装1号轴承的小直径轴段，下端为大直径轴段，小直径轴段与大直径轴段所形成与1号轴承内环接触连接的轴肩。

技术方案中所述的立式测功机支撑架由支撑架底座和端盖组成，支撑架底座和端盖采用螺栓连接；支撑架底座为回转类筒式结构件，支撑架底座由底端法兰盘与支撑架筒壁组成，支撑架底座的底端法兰盘上设置有以回转轴线为中心的6个U型口，支撑架底座的中心处设置有阶梯孔，支撑架底座中的支撑架筒壁的两侧各开有一个长方形窗口，立式测功机支撑架的端盖为圆盘类结构件，立式测功机支撑架的端盖的中心处设置有凸圆环体，立式测功机支撑架的端盖的中心处设置有支撑架阶梯通孔，上端为安装1号轴承端盖的大直径孔，下端为安装轴承的小直径孔。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的重型数控立式车床可靠性试验系统采用电液伺服加载装置、立式测功机扭矩加载装置和配重块分别对重型数控立式车床进行模拟动、静态切削力、扭矩以及惯性载荷的混合加载，通过对被测的重型数控立式车床进行模拟真实工况的可靠性试验，暴露和激发产品故障，为产品的可靠性增长和评估提供实用的基础数据。

2.本发明所述的重型数控立式车床可靠性试验系统中的电液伺服切削力加载装置，其动态切削力的幅值、频率、波形，扭矩加载的大小、转速，配重块的重量以及加载时间等加载负载的参数可以根据不同工况进行调节。

3.本发明所述的重型数控立式车床可靠性试验系统中的电液伺服切削力加载装置中能够沿重型数控立式车床回转工作台的轴向方向和径向方向同时进行动、静态切削力的加载，而且各方向的电液伺服切削力加载装置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，实现实时监控和闭环控制及反馈。

4.本发明所述的重型数控立式车床可靠性试验系统针对不同型号的重型数控立式车床，只需更换轴向电液伺服加载装置的加载底座、辅助导轨、加载工作台等过渡件就可以对其进行可靠性加载试验，体现了本试验系统的灵活性和通用性。

5.本发明所述的重型数控立式车床可靠性试验系统中自动控制部分是集于上位机统一控制，同时能够实现对轴向电液伺服加载装置、径向电液伺服加载装置以及测功机扭矩加载装置的控制。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述的重型数控立式车床可靠性试验系统结构组成的轴测投影图；

图2为本发明所述的重型数控立式车床可靠性试验系统中电液伺服切削力加载装置、立式测功机扭矩加载装置和配重块惯性加载装置分别对重型数控立式车床进行轴向、径向切削力，扭矩以及惯性载荷混合加载状态的轴测投影图；

图3为本发明所述的重型数控立式车床可靠性试验系统中径向电液伺服切削力加载装置结构组成的轴测投影图；

图4为本发明所述的重型数控立式车床可靠性试验系统中立式测功机扭矩加载装置结构组成的轴测投影图；

图5为本发明所述的重型数控立式车床可靠性试验系统中立式测功机安装结构的主视图上的剖视图；

图6为本发明所述的重型数控立式车床可靠性试验系统中所采用的配重块结构组成的轴测投影图；

图7为本发明所述的重型数控立式车床可靠性试验系统中自动控制装置的结构原理框图；

图中：1.联系梁，2.立柱，3.滑枕，4.横梁，5.护栏，6.轴向电液伺服加载装置，7.加载工作台，8.辅助导轨副，9.回转工作台，10.径向电液伺服加载装置，11.伺服阀，12.压板，13.配重块，14.操作面板，15.伺服油缸，16.径向电液伺服加载底座，17.径向安装座，18.径向加载支撑架，19.径向导轨，20.位移传感器，21.弹性装置，22.拉压力传感器，23.轴向电液伺服加载底座，24.加载杆，25.杆端关节轴承,26.固定装置，27.立式测功机扭矩加载装置，28.扭矩加载杆，29.弹性联轴器，30.3号轴承端盖，31.立式测功机支撑架，32.立式测功机,33.1号安装支架，34.2号安装支架，35.3号安装支架，36.1号轴承端盖，37.2号轴承端盖。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

本发明根据重型数控立式车床实际使用工况，提出了一种采用电液伺服装置模拟实际切削力、采用立式测功机模拟扭矩负载和采用配重块模拟惯性载荷对重型数控立式车床进行可靠性试验的试验系统。

参阅图1，本发明所述的重型数控立式车床可靠性试验系统包括配重块惯性加载及加载辅助装置、电液伺服切削力加载装置、立式测功机扭矩加载装置(27)以及自动控制装置。

利用本发明所述的重型数控立式车床可靠性试验系统进行可靠性试验的对象即重型数控立式车床可以为不同型号的单柱或双柱重型数控立式车床。重型数控立式车床包括联系梁1、立柱2、垂直刀架3(单刀架为一个，双刀架为两个)、横梁4、护栏5、回转工作台9以及操作面板14等。

对重型数控立式车床进行切削力的分析：

重型数控立式车床在进行切削加工时，加工工件受到的切削力是一个合力F，可分解成三个方向的分力，分别是垂直于基面与切削速度方向一致的主切削力F_c；处于基面内并与工件轴线平行，与进给方向相反的进给力F_f；以及处于基面内并与工件轴线相垂直的背向力F_p。本发明所述的重型数控立式车床可靠性试验系统为了便于实现模拟实际工况进行动静态切削力的加载，将主切削力F_c平移到回转工作台9的轴心，等效于一个沿径向方向的力F_c'和扭矩M_c(M_c＝F_c×r，r为回转工作台9的半径)，然后将F_c'与背向力F_p合成一个沿径向方向的力F_径。本发明所述的重型数控立式车床可靠性试验系统通过径向电液伺服加载装置10模拟合成之后的沿径向方向的力F_径，利用轴向电液伺服加载装置6模拟与进给方向相反的进给力F_f，采用立式测功机扭矩加载装置27模拟由主切削力F_c平移而产生的扭矩M_c，因此通过径向电液伺服加载装置10、轴向电液伺服加载装置6以及立式测功机扭矩加载装置27就可以模拟在实际切削过程中产生的三个方向的切削力即主切削力F_c、背向力F_p以及进给力F_f。

一.配重块惯性加载及加载辅助装置

所述的配重块惯性加载及加载辅助装置包括若干块结构相同的配重块13和加载辅助装置。

参阅图6，所述的配重块13为板式的扇形体，扇形体的外圆弧端设置有两个U型槽，每个U型槽外侧的扇形体上表面设置有一个半球凹坑，而每个U型槽的外侧的下表面上设置有一个半球凸起，每块配重块13上表面、下表面上的半球凹坑、半球凸起对正，每块配重块13上表面、下表面上的半球凹坑、半球凸起结构尺寸相同，共准备若干块结构相同的配重块13，两块及两块以上结构相同的配重块13叠放在一起时，上边的配重块13的两个半球凸起与下边的配重块13的两个半球凹坑相互配装起到定位的作用，多块结构相同的配重块13如此可稳固地叠置在一起。同时两块及两块以上结构相同的配重块13叠放在一起时，每块配重块13上的两个U型槽相对正，形成一个从上到下的贯通的长U型槽，采用两个T型螺栓插入若干块结构相同的配重块13所形成的二个从上到下的贯通的长U型槽中，将若干块结构相同的配重块13固定在回转工作台9上。配重块13用于模拟实际工况下的加工零件及工装的重量，实现惯性载荷的模拟，进行可靠性试验时，结构相同的配重块13的(个数)重量即惯性载荷可根据实际工况进行增减。

参阅图1和图2，所述的加载辅助装置包括加载工作台7、辅助导轨副8、6个结构相同的压板12与2个结构相同的固定装置26。

所述的加载工作台7为平板的圆盘类结构件，加载工作台7的圆心处设置一个中心通孔，中心通孔周围均匀地分布有6个螺纹孔，用于固定立式测功机支撑架31，加载工作台7下表面的以其回转轴线为中心的周边均匀地分布有多个螺纹孔，用于通过螺栓固定辅助导轨副8的静导轨(上导轨)，加载工作台7外圆周处相距180°各设置有一个燕尾开口通槽，用于分别与2个结构相同的固定装置26中固定杆一端的燕尾凸台相互配合。

所述的6个结构相同的压板12为侧面成Z字形的板式结构件，压板12的一端加工有安装2个T型螺栓的螺栓通孔，压板12的一端通过2个T型螺栓与在工作台9连接，Z字形的压板12的另一端压在辅助导轨副8中的动导轨(下导轨)上；

所述的2个结构相同的固定装置26皆由固定装置底座和固定杆组成，固定装置底座的顶端和固定杆的一端通过螺栓固连接，固定装置底座的底端法兰盘通过4个螺栓固定在地面上，固定杆前(另一)端设置有一个燕尾凸台，燕尾凸台与加载工作台7的燕尾通槽相互配合安装在一起，限制加载工作台7的旋转，使加载工作台7只能沿垂直方向上下移动；

所述的辅助导轨副8可以是圆形的滑动导轨、滚动导轨或静压导轨副，辅助导轨副8由静导轨(上导轨)和动导轨(下导轨)组成，为便于安装配重块13，通过垫板将辅助导轨副8及加载工作台7垫高，使加载工作台7与回转工作台9的回转轴线共线，使加载工作台7与回转工作台9之间在保证相互平行的情况下留有一定的空间，辅助导轨副8的动导轨(下导轨)通过垫板、压板12和T型螺栓固定在回转工作台9上并与其同步旋转，而辅助导轨副8的静导轨(上导轨)与加载工作台7的周边地面固连。安装时，要保证圆形的辅助导轨副8与回转工作台9同轴。试验时，装有配重块13的回转工作台9、辅助导轨副8的动导轨在机床驱动系统拖动下同步回转，加载工作台7通过固定装置26只能垂直上下移动，而不能转动，使固定安装在滑枕3底端的轴向电液伺服加载装置6底端的轴向加载杆和加载工作台7的上表面接触连接，安装在加载工作台7(回转工作台9)周边地面上的径向电液伺服加载装置10的加载杆24和加载工作台7圆周表面接触连接，实现静、动态切削力的模拟加载。

二.电液伺服切削力加载装置

所述的电液伺服切削力加载装置分为径向电液伺服加载装置10和轴向电液伺服加载装置6。

1.径向电液伺服加载装置

参阅图3，所述的径向电液伺服加载装置10包括有径向电液伺服加载单元、径向电液伺服加载底座16、径向安装座17、径向加载支撑架18以及径向导轨19。

所述的径向电液伺服加载单元包括伺服阀11、伺服油缸15、位移传感器20、弹性装置21、拉压力传感器22、加载杆24和杆端关节轴承25。

所述的伺服油缸15选用单活塞或双活塞杆式液压油缸，本发明的实施例中以单活塞杆式伺服油缸为例，单活塞杆从伺服油缸15的右端伸出，伺服油缸15上表面中间开有四个螺纹孔，用于固定电液伺服阀11。

所述的伺服阀11(本发明以美国MOOG公司的G761-3005B型伺服阀为例)通过四个螺栓安装在伺服油缸15的上表面。

所述的杆端关节轴承25由杆端关节轴承底座和连杆组成，连杆的左端为球状体安装在杆端关节轴承底座中即球铰连接，连杆可以在杆端关节轴承底座中转动，连杆的右端与伺服油缸15左端面通过螺纹连接，杆端关节轴承25的杆端关节轴承底座通过铰链铰接在径向电液伺服加载底座16中的底板顶端表面上，伺服油缸15的轴线与两个支撑架18相互平行的轴线垂直共面。

所述的位移传感器20(本发明以LVDT型位移传感器为例)外壳通过螺钉固定在伺服油缸15的缸体上，其内芯与伺服油缸活塞杆右端连接，当活塞杆移动时位移传感器20的内芯也随着移动，实现位移的测量与反馈。

所述的弹性装置21由左侧连接板、右侧连接板、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，左侧连接板与右侧连接板结构相同，均为一个长方形平板，其中心位置处设置有螺纹通孔，螺纹通孔的两侧各有一个通孔，2个结构相同的套筒的外径大于左侧连接板与右侧连接板上两侧通孔的直径。2个规格相同的螺栓插入左侧连接板与右侧连接板两侧的通孔中，2个结构相同的套筒套装在左侧连接板与右侧连接板之间的两个螺栓上，最后再通过螺母将左侧连接板、2个结构相同的套筒与右侧连接板固定连接在一起。左侧的连接板上的螺纹孔与伺服压缸15活塞杆的右端通过螺纹连接，右侧的连接板上的螺纹孔与双头螺柱的左端螺纹连接。弹性装置可以吸收部分位移但可以传递力(弹性装置的固有频率应大于加载激振频率二倍以上)。双头螺柱的右端与拉压力传感器22螺纹连接，拉压力传感器22的右端与加载杆24螺纹连接。

所述的径向电液伺服加载底座16是由四块长方形钢板(即左壁板、前壁板、后壁板与底板)采用焊接或机械连接而成的右端敞开的箱体式结构件，径向电液伺服加载底座16的底板上设置有四个通孔，用于安装T型螺栓，将径向电液伺服加载底座16固定在径向安装座17上，即固定在径向安装座17的底板顶端面上；

所述的径向安装座17为矩形平板类结构件，上表面设置有两个平行对称的T型槽，径向安装座17下表面左右两侧均布有四个螺纹孔，分别用于和两个结构相同的径向加载支撑架18相互固定；

所述的径向加载支撑架18是小发动机支腿(本专利申请以P06型为例)，底部上有四个U形孔,通过螺栓将其固定在径向导轨19上；

所述的径向导轨19为长方形平板结构件，沿径向导轨19的纵向在上表面中间位置设置有两个平行对称的T型槽，在两个平行对称的T型槽的外侧平行对称地设置有2对长条通孔。

所述的径向电液伺服加载底座16通过螺栓固定在径向安装座17的两个平行对称的T型槽上，径向安装座17与两个结构相同的径向加载支撑架18的顶端面通过螺栓连接。所述的两个结构相同的径向加载支撑架18安装在径向导轨19上，两个结构相同的径向加载支撑架18可以在径向导轨19上左右移动调整位置，当位置调整好后，通过T型螺栓固定在径向导轨19上。

径向电液伺服加载装置10通过径向导轨19安装在地面上，径向导轨19的纵向对称面与配重块惯性加载及加载辅助装置中的加载工作台7的直径方向平行共面，径向导轨19的纵向对称面和伺服油缸15的轴线共面，并与两个支撑架18相互平行的轴线垂直共面，伺服油缸15的轴线沿加载工作台7的径向方向，与加载工作台7的轴线垂直相交，径向电液伺服加载装置10中径向电液伺服加载单元的加载杆24与配重块惯性加载及加载辅助装置中的辅助导轨副8的静导轨接触连接。

2.轴向电液伺服加载装置

参阅图1至图2，所述的轴向电液伺服加载装置6包括轴向电液伺服加载单元和轴向电液伺服加载底座23。

所述的轴向电液伺服加载单元跟径向电液伺服加载装置10中的径向电液伺服加载单元的结构和组成一样，包括轴向伺服阀、轴向加载杆、轴向拉压力传感器、轴向弹性装置、轴向位移传感器、轴向双头螺柱、轴向杆端关节轴承和轴向伺服油缸。轴向伺服阀与径向电液伺服加载单元的伺服阀11、轴向伺服油缸与径向电液伺服加载单元的伺服油缸15、轴向位移传感器与径向电液伺服加载单元的位移传感器20、轴向弹性装置与径向电液伺服加载单元的弹性装置21、轴向双头螺柱与径向电液伺服加载单元的双头螺柱、轴向拉压力传感器与径向电液伺服加载单元的拉压力传感器22、轴向加载杆与径向电液伺服加载单元的加载杆24和轴向杆端关节轴承与径向电液伺服加载单元的杆端关节轴承25结构相同。

轴向杆端关节轴承由轴向杆端关节轴承底座和轴向连杆组成，轴向连杆的左端与轴向杆端关节轴承底座为球铰连接，轴向连杆的右端与轴向伺服油缸的左端面通过螺纹连接，轴向杆端关节轴承的轴向杆端关节轴承底座与轴向电液伺服加载底座23中的轴向后壁板为铰接；轴向弹性装置中的轴向左侧连接板与轴向伺服压缸的活塞杆的右端螺纹连接，轴向弹性装置中的轴向右侧连接板与轴向双头螺柱的左端螺纹连接，轴向双头螺柱的右端与轴向拉压力传感器的左端螺纹连接，轴向拉压力传感器的右端与轴向加载杆螺纹连接。

所述的轴向电液伺服加载底座23是由四块长方形钢板(即顶板、左壁板、右壁板与轴向后壁板)焊接或机械连接而成的底端敞开的箱体式结构件，其顶板的外侧有一个主拉丁和四个辅助拉丁，四个辅助拉丁形状如蘑菇状，位于顶板外侧四角，主拉丁形状也如蘑菇状，位于顶板外侧中间，重型数控立式车床上的滑枕3内部的碟形弹簧将顶板上的主拉丁和四个辅助拉丁强力提升拉紧固定。轴向电液伺服加载装置6通过调节滑枕3的位置，可以沿回转工作台9的径向方向移动，试验多位置的轴向加载。

三.立式测功机扭矩加载装置

所述的测功机扭矩加载装置27包括带连接盘的扭矩加载杆28、弹性联轴器29、3号轴承端盖30、立式测功机支撑架31、立式测功机32、1号安装支架33、2号安装支架34、3号安装支架35、1号轴承端盖36及2号轴承端盖37。

参阅图4和图5，所述的1号安装支架33为圆盘类结构件(阶梯轴)，由支架盘与中空阶梯轴组成，支架盘与中空阶梯轴的大直径端连成一体，两者的回转轴线共线；支架盘上以回转轴线为中心均布有6个螺纹孔，用于与立式测功机32顶端法兰盘固定连接，1号安装支架33的中空阶梯轴由两段轴组成，上端为小直径轴段，下端为大直径轴段，小直径轴段安装1号轴承，小直径轴段与大直径轴段所形成的轴肩对1号轴承起轴向定位作用。

所述的2号安装支架34与1号安装支架33的结构相同，由2号支架盘与2号中空阶梯轴的大直径端连成一体，2号安装支架34安装位置与1号安装支架33的安装位置相反，2号安装支架34的2号支架盘上以回转轴线为中心均布6个有螺纹孔，用于与立式测功机32底端法兰盘固定连接，2号安装支架34的2号小直径轴段安装2号轴承，2号小直径轴段与2号大直径轴段所形成的轴肩对2号轴承起轴向定位作用。

所述的3号安装支架35为圆盘类结构件，由3号支架盘与3号中空轴的一端连成一体，两者的回转轴线共线；3号支架盘上以其回转轴线为中心均布有6个螺栓通孔，3号支架盘上的6个螺栓通孔与立式测功机支撑架31内壁台阶上的6个螺纹孔对正，采用6个螺栓将3号安装支架35固定连接在立式测功机支撑架31的内壁台阶上，3号中空轴的中心孔为2段直径的阶梯孔，上端为下端为3号大直径孔，3号轴承安装在3号小直径孔内，3号小直径孔与3号大直径孔所形成的凸肩对3号轴承起轴向定位作用。

所述的立式测功机支撑架31由支撑架底座和端盖组成，支撑架底座和端盖采用螺栓连接；支撑架底座为回转类筒式结构件，支撑架底座由底端法兰盘与支撑架筒壁组成，支撑架底座的底端法兰盘上设置有以回转轴线为中心的6个U型口，立式测功机支撑架31采用螺栓与6个U型口固定在加载工作台7上，支撑架底座的中心处设置有阶梯孔，支撑架底座中的支撑架筒壁的两侧各开有一个长方形窗口，立式测功机支撑架31的端盖为圆盘类结构件，立式测功机支撑架31的端盖的中心处设置有凸圆环体，立式测功机支撑架31的端盖的中心处设置有支撑架阶梯通孔，孔径由上至下为由大至小，小直径孔用于安装轴承，大直径孔用于安装1号轴承端盖36，1号轴承端盖36中心处的圆环形凸台与轴承外环接触连接对轴承实现轴向定位，立式测功机支撑架31的端盖采用螺栓固定在立式测功机支撑架31的支撑架底座中的支撑架筒壁的顶端面上。

所述的立式测功机32可以为电力测功机或者电涡流测功机，实施例中采用DWL型立式电涡流测功机,立式测功机32上下两端的壳体法兰盘分别通过螺栓与1号安装支架33和2号安装支架34固定连接。

所述的1号轴承端盖36为圆盘类结构件，1号轴承端盖36中心处设置有1号圆环形凸台，1号圆环形凸台的回转轴线与1号轴承端盖36的回转轴线共线，1号圆环形凸台的外径与立式测功机支撑架31的端盖中心处的支撑架阶梯通孔中的小直径孔直径相等，1号轴承端盖36扣装在立式测功机支撑架31的端盖中心处的支撑架阶梯通孔内，1号轴承端盖36中心处的1号圆环形凸台与立式测功机支撑架31的端盖中心处的支撑架阶梯通孔中的小直径孔接触连接，再采用螺栓将其固定在立式测功机支撑架31中的端盖的支撑架阶梯通孔中的台阶上。

所述的2号轴承端盖37为圆盘类结构件，2号轴承端盖37中心处设置有2号圆环形凸台，2号圆环形凸台的回转轴线与2号轴承端盖37的回转轴线共线，2号圆环形凸台中心处的2号轴承端盖37上设置有2号中心通孔；2号轴承端盖37采用螺栓固定在3号安装支架35的顶端面上，2号圆环形凸台的底端面与其下面的轴承外轴承环的顶端面接触连接实现定位作用。

所述的3号轴承端盖30为圆盘类结构件，3号轴承端盖30与2号轴承端盖37基本相同，3号轴承端盖30中心处设置的3号圆环形凸台的外径小于2号轴承端盖37上的2号圆环形凸台的外径，3号轴承端盖30扣装在3号安装支架35底端的中心处，并采用螺栓将其固定在3号安装支架35底端面上。

所述的扭矩加载杆28右端通过T型螺栓固定在机床回转工作台9的上表面中心处，扭矩加载杆28的轴线与回转工作台9的轴线重合，扭矩加载杆28的左端通过螺栓与弹性联轴器29的右端连接，弹性联轴器29的左端与立式测功机32输出法兰端通过螺栓连接。立式测功机32的回转轴线、弹性联轴器的回转轴线、扭矩加载杆的回转轴线均与回转工作台9的轴线重合。立式测功机32的顶端面与1号安装支架33的底端面相接触并采用螺栓固定，立式测功机32的底端面与2号安装支架34的顶端面相接触并采用螺栓固定，1号安装支架33通过轴承安装在立式测功机支撑架31中的端盖的小直径孔中，2号安装支架34通过轴承安装在3号安装支架35内，3号安装支架35采用螺栓固定在立式测功机支撑架31内的阶梯孔的台阶端面上。所述的立式测功机支撑架31通过螺栓固定在加载工作台7的中心处。

四.自动控制装置

参阅图7，所述的自动控制装置包括上位工控机、下位可编程控制器PLC、下位的1号伺服控制器、2号伺服控制器、下位的立式测功机控制仪、PCI采集卡、拉压力传感器、位移传感器、扭矩传感器、转速传感器和多个信号放大器。

所述的可编程控制器PLC的RS-232C端口与上位工控机的RS-232C端口电连接，可编程控制器PLC的输出端分别与冷却机和电磁换向阀连接，分别控制冷却机的启停、冷却水的温度等参数，为液压泵站和立式测功机32提供冷却水，以及通过控制电磁换向阀来控制泵站的启停和给电液伺服切削力加载装置提供液压油。

所述的立式测功机控制仪的RS-232C端口与上位工控机的RS-232C端口电线连接，立式测功机控制仪的励磁电流输出端与立式测功机32励磁电流输入端电线连接，立式测功机控制仪输出控制信号给立式测功机32，控制立式测功机加载扭矩。扭矩传感器和转速传感器的信号输出及供电端与立式测功机控制仪的扭矩转速输入及供电端电线连接，扭矩传感器和转速传感器将检测到的信号经过信号放大器放大后传给立式测功机控制仪，实现闭环控制，并且所加载的扭矩以及转速在VB控制界面实时显示。冷却机与上位工控机电线连接，立式测功机32在工作时需要冷却水时，通过上位工控机通过控制PLC来控制冷却机给立式测功机32提供冷却水。

所述的扭矩传感器和转速传感器是立式测功机32内部的传感器，通过信号放大器和立式测功机控制仪将所加载的扭矩数值和转速反馈给上位工控机。

所述的1号伺服控制器的RS-232C端口与上位工控机的RS-232C端口电线连接，1号伺服控制器与上位工控机进行通讯，1号伺服控制器的信号输出端与伺服阀11的信号输入端电线连接，通过控制伺服阀实现加载油缸对加载工作台7进行动、静态切削力的加载，在加载过程中通过位移传感器和拉压力传感器将检测到的位移和动力力信号经信号放大器传给1号伺服控制器，实现闭环控制。

所述的2号伺服控制器与1号伺服控制器原理一样，上行方向通过RS232与上位工控机进行通讯，下行方向通过控制伺服阀实现加载油缸对加载工作台7进行动、静态切削力的加载，在加载过程中通过位移传感器和拉压力传感器将检测到的位移和动力力信号经信号放大器传给2号伺服控制器，实现闭环控制。

上位工控机控制界面是由VB编制，在控制界面上设定轴向和径向加载的静态力、动态力(大小、频率、波形)、扭矩大小及加载时间等后，与下位可编程控制器PLC、1号伺服控制器、2号伺服控制器和立式测功机控制仪通过RS232C进行串口通讯，下位可编程控制器PLC先控制冷却机给液压泵站和立式测功机32冷却，其次输出电流控制电磁换向阀动作，通过伺服油缸对加载工作台7进行轴向和径向的动态力加载，立式测功机通过弹性联轴器29对回转工作台9模拟扭矩加载。

重型数控立式车床可靠性试验系统的工作原理：

首先根据模拟的工况，在回转工作台9上通过T型螺栓固定所需的配重块13；其次通过操作面板14设定重型数控立式车床回转工作台9的转速；最后通过在VB界面上设置轴向和径向需要加载的静态力、动态力(大小、频率、波形)、扭矩大小及加载时间等参数，然后进行模拟实际工况的可靠性试验。扭矩传感器和转速传感器检测到的信号通过信号放大器反馈给测功机控制仪，进行闭环实时控制。同时上位工控机控制冷却机，给液压泵站提供冷却水，保证液压泵站能够长时间正常的运转。在上位工控机的自动控制和监测下，整个试验过程循环有序地不断进行。

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，本发明只是一种优化的实施例，或者说是一种较佳的具体的技术方案，故本发明不限于实施这一种比较具体技术方案的描述。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 (10)

1.一种重型数控立式车床可靠性试验系统，其特征在于，所述的重型数控立式车床可靠性试验系统包括有配重块惯性加载及加载辅助装置、电液伺服切削力加载装置及立式测功机扭矩加载装置(27)；

所述的配重块惯性加载及加载辅助装置包括结构相同的配重块(13)和加载辅助装置；

所述的加载辅助装置包括加载工作台(7)、辅助导轨副(8)、6个结构相同的压板(12)与2个结构相同的固定装置(26)；

加载工作台(7)采用2个结构相同的固定装置(26)安装在重型数控立式车床中的回转工作台(9)的正上方，结构相同的配重块(13)均匀地安装在加载工作台(7)正下方的回转工作台(9)上，辅助导轨副(8)的静导轨安装在加载工作台(7)周边的底面上，辅助导轨副(8)的动导轨通过垫板、6个结构相同的压板(12)与T型螺栓固定在回转工作台(9)上，电液伺服切削力加载装置中的径向电液伺服加载装置(10)安装在回转工作台(9)周边的地面上，径向电液伺服加载装置(10)中的加载杆(24)和加载工作台(7)的圆周表面接触，轴向电液伺服加载装置(6)的顶端固定安装在滑枕(3)的底端，轴向电液伺服加载装置(6)底端的轴向加载杆与加载工作台(7)的上表面接触连接，立式测功机扭矩加载装置(27)通过其立式测功机支撑架(31)固定安装在加载工作台(7)的中心处，同时立式测功机扭矩加载装置(27)通过扭矩加载杆(28)固定在机床回转工作台(9)的中心处。

2.按照权利要求1所述的重型数控立式车床可靠性试验系统，其特征在于，所述的配重块(13)为板式的扇形体，扇形体的外圆弧端设置有两个U型槽，每个U型槽外侧的扇形体的上表面设置有一个半球凹坑，而每个U型槽的外侧的下表面上设置有一个半球凸起，每块配重块(13)上表面、下表面上的半球凹坑、半球凸起对正，每块配重块(13)上表面、下表面上的半球凹坑、半球凸起结构尺寸相同。

3.按照权利要求1所述的重型数控立式车床可靠性试验系统，其特征在于，所述的加载工作台(7)为平板圆盘类结构件，加载工作台(7)的圆心处设置一个中心通孔，中心通孔周围均匀地分布有用于固定立式测功机支撑架(31)的6个螺纹孔，加载工作台(7)的周围下表面均布有用于安装辅助导轨副(8)中的静导轨的螺纹孔，加载工作台(7)外圆周处相距180°各设置有一个用于和2个结构相同的固定装置(26)中固定杆一端的燕尾凸台相互配合的燕尾开口通槽。

4.按照权利要求1所述的重型数控立式车床可靠性试验系统，其特征在于，所述的径向电液伺服加载装置(10)包括有径向电液伺服加载单元、径向电液伺服加载底座(16)、径向安装座(17)、两个结构相同的径向加载支撑架(18)及径向导轨(19)；

所述的径向电液伺服加载单元沿纵向安装在径向电液伺服加载底座(16)上，伺服加载底座(16)通过螺栓固定在径向安装座(17)的两个平行对称的T型槽上，径向安装座(17)与两个结构相同的径向加载支撑架(18)的顶端通过螺栓连接，两个结构相同的径向加载支撑架(18)采用螺栓固定安装在径向导轨(19)上。

5.按照权利要求4所述的重型数控立式车床可靠性试验系统，其特征在于，所述的径向电液伺服加载单元包括伺服阀(11)、伺服油缸(15)、位移传感器(20)、弹性装置(21)、拉压力传感器(22)、加载杆(24)和杆端关节轴承(25)；

所述的杆端关节轴承(25)由杆端关节轴承底座和连杆组成，连杆的左端与杆端关节轴承底座为球铰连接，连杆的右端与伺服油缸(15)左端面通过螺纹连接，杆端关节轴承(25)的杆端关节轴承底座与径向电液伺服加载底座(16)中的底板为铰接；弹性装置(21)中的左侧连接板与伺服压缸(15)活塞杆的右端螺纹连接，弹性装置(21)中的右侧连接板与双头螺柱的左端螺纹连接，双头螺柱的右端与拉压力传感器(22)螺纹连接，拉压力传感器(22)的右端与加载杆(24)螺纹连接。

6.按照权利要求5所述的重型数控立式车床可靠性试验系统，其特征在于，所述的弹性装置(21)还包括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；

所述的左侧连接板与右侧连接板结构相同，均为一个长方形平板，左侧连接板与右侧连接板的中心位置处设置有螺纹通孔，螺纹通孔的两侧各有一个通孔，2个结构相同的套筒的外径大于左侧连接板与右侧连接板上两侧通孔的直径；2个规格相同的螺栓插入左侧连接板与右侧连接板两侧的通孔中，2个结构相同的套筒套装在左侧连接板与右侧连接板之间的两个螺栓上，再采用2个规格相同的螺母在左侧连接板或右侧连接板的外侧将左侧连接板、2个结构相同的套筒与右侧连接板固定连接在一起。

7.按照权利要求1所述的重型数控立式车床可靠性试验系统，其特征在于，所述的轴向电液伺服加载装置(6)包括轴向电液伺服加载单元和轴向电液伺服加载底座(23)；

所述的轴向电液伺服加载单元和径向电液伺服加载装置(10)中的径向电液伺服加载单元的结构相同，轴向电液伺服加载单元包括轴向伺服阀、轴向加载杆、轴向拉压力传感器、轴向弹性装置、轴向位移传感器、轴向杆端关节轴承和轴向伺服油缸；轴向伺服阀与径向电液伺服加载单元的伺服阀(11)、轴向伺服油缸与径向电液伺服加载单元的伺服油缸(15)、轴向位移传感器与径向电液伺服加载单元的位移传感器(20)、轴向弹性装置与径向电液伺服加载单元的弹性装置(21)、轴向拉压力传感器与径向电液伺服加载单元的拉压力传感器(22)、轴向加载杆与径向电液伺服加载单元的加载杆(24)和轴向杆端关节轴承与径向电液伺服加载单元的杆端关节轴承(25)结构相同。

8.按照权利要求1所述的重型数控立式车床可靠性试验系统，其特征在于，所述的测功机扭矩加载装置(27)包括扭矩加载杆(28)、弹性联轴器(29)、3号轴承端盖(30)、立式测功机支撑架(31)、立式测功机(32)、1号安装支架(33)、2号安装支架(34)、3号安装支架(35)、1号轴承端盖(36)及2号轴承端盖(37)；

所述的扭矩加载杆(28)的左端与弹性联轴器(29)的右端螺栓连接，弹性联轴器(29)的左端与立式测功机(32)输出端螺栓连接，立式测功机(32)的顶端与1号安装支架(33)的底端相接触并采用螺栓固定，立式测功机(32)的底端与2号安装支架(34)顶端相接触并采用螺栓固定，1号安装支架(33)的上端通过轴承安装在立式测功机支撑架(31)中的端盖的小直径孔中，1号轴承端盖(36)扣装在立式测功机支撑架(31)中的端盖的大直径孔中，2号安装支架(34)的下端通过轴承安装在3号安装支架(35)的大直径孔内，3号安装支架(35)采用螺栓固定在立式测功机支撑架(31)内的台阶端面上，2号轴承端盖(37)扣装在3号安装支架(35)的大直径孔内，3号轴承端盖(30)扣装在3号安装支架(35)的小直径孔内。

9.按照权利要求8所述的重型数控立式车床可靠性试验系统，其特征在于，所述的1号安装支架(33)为圆盘类结构件，由支架盘与中空阶梯轴组成，支架盘与中空阶梯轴的大直径端连成一体，两者的回转轴线共线；支架盘上以回转轴线为中心均匀地分布有用于与立式测功机(32)顶端法兰盘固定连接的螺纹孔，1号安装支架(33)的中空阶梯轴由两段轴组成，上端为安装1号轴承的小直径轴段，下端为大直径轴段，小直径轴段与大直径轴段所形成与1号轴承内环接触连接的轴肩。

10.按照权利要求8所述的重型数控立式车床可靠性试验系统，其特征在于，所述的立式测功机支撑架(31)由支撑架底座和端盖组成，支撑架底座和端盖采用螺栓连接；支撑架底座为回转类筒式结构件，支撑架底座由底端法兰盘与支撑架筒壁组成，支撑架底座的底端法兰盘上设置有以回转轴线为中心的6个U型口，支撑架底座的中心处设置有阶梯孔，支撑架底座中的支撑架筒壁的两侧各开有一个长方形窗口，立式测功机支撑架(31)的端盖为圆盘类结构件，立式测功机支撑架(31)的端盖的中心处设置有凸圆环体，立式测功机支撑架(31)的端盖的中心处设置有支撑架阶梯通孔，上端为安装1号轴承端盖(36)的大直径孔，下端为安装轴承的小直径孔。