CN104535355A - 重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台 - Google Patents

Abstract

本发明属于重型机械加工设备可靠性试验技术领域，涉及重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台；克服了目前可靠性试验装置无法对重型数控龙门镗铣床工作台进给系统进行模拟实际工况的加载可靠性试验问题,包括配重块惯性加载及加载辅助装置部分、X方向加载部分、Y方向加载部分、Z方向加载部分和自动控制部分；X方向加载部分包括激振器、1号拉压力传感器、辅助加载工作台、X方向1号、2号加载杆和盖板；Y方向加载部分为二套相同的液压加载装置，Z方向加载部分包括电液伺服加载单元；自动控制部分包括上位工控机、可编程控制器PLC、激振器控制仪、Y向伺服控制器、Z向伺服控制器、工作台、辅助工作台运动方向的伺服控制器。

Description

重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台

技术领域

本发明属于重型机械加工设备可靠性试验技术领域，尤其涉及一种模拟动、静态切削负荷和惯性载荷的重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台。

背景技术

重型数控龙门镗铣床广泛适用于各类机械加工部门，加工各种平面、沟槽、齿轮等。配置万能铣头、圆工作台、分度头等各种铣床附件，可进一步扩大机床的使用范围。其应用范围变得越来越广，但由于重型数控龙门镗铣床自身和工件庞大、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。由于重型机床体积庞大等因素进行整机试验相对比较困难，因此研究开发重型机床关键功能部件的可靠性试验台，通过可靠性试验暴漏、找出影响重型机床可靠性的因素，进而采取提高重型机床可靠性水平的措施，这具有非常重要的实际意义。

重型数控龙门镗铣床中工作台移动式相比龙门移动式加工精度高，主要是环境因素，尤其是温度对加工精度的影响，工作台移动式相比龙门移动式较小。由于国内重型数控龙门镗铣床的研究起步较晚，因此目前国内还没有对重型数控龙门镗铣床的关键功能部件进行可靠性研究，目前仅有的试验台也只是对其进行空运转或者用户现场试验等，专门针对重型数控龙门镗铣床关键功能部件的可靠性试验装置国内几乎空白。本发明根据工作台移动式重型数控龙门镗铣床工作台进给系统的实际使用工况，提出了一种具有模拟实际切削负载和惯性载荷的重型数控龙门镗铣床工作台进给系统的可靠性试验台。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了目前可靠性试验装置无法对重型数控龙门镗铣床工作台进给系统进行模拟实际工况的加载可靠性试验问题,提供了一种具有模拟实际动、静态切削负载和惯性载荷的重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的，结合附图说明如下：

一种重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台，包括配重块惯性加载及加载辅助装置部分、X方向加载部分、Y方向加载部分、Z方向加载部分和自动控制部分；

所述的配重块惯性加载及加载辅助装置部分包括配重块5和加载辅助装置；配重块5固定在工作台4上，所述加载辅助装置包括加载工作台8和加载导轨副6；所述加载导轨副6固定在加载工作台8下表面；

所述X方向加载部分包括激振器13、1号拉压力传感器14、辅助加载工作台15、辅助伺服电机和蜗杆箱16、X方向2号加载杆40、X方向1号加载杆20和盖板24；所述激振器13固定在辅助加载工作台15上；所述X方向1号加载杆20与1号拉压力传感器14、X方向2号加载杆40、激振器13依次固定连接；所述盖板24通过底座25将X方向2号加载杆40固定在加载工作台15上；所述盖板24位于1号拉压力传感器14和激振器13之间；所述辅助伺服电机和蜗杆箱16驱动辅助工作台15沿X方向移动；

所述Y方向加载部分为二套相同的液压加载装置17，位于加载工作台8的同一侧；所述液压加载装置17包括电液伺服加载单元、Y方向辅助导轨28；所述电液伺服加载单元包括Y方向加载杆19、拉压力传感器26、位移传感器35和伺服油缸32；所述拉压力传感器26的左端与Y方向加载杆19右端固定连接，拉压力传感器26的右端与伺服油缸32固定连接；所述位移传感器35设置在伺服油缸32上；所述伺服油缸32通过Y方向辅助导轨28固定在地面上；

所述的Z方向加载部分包括电液伺服加载单元和Z方向加载底座10；所述电液伺服加载单元固定在Z方向加载底座10上；

所述的Z方向加载部分中的电液伺服加载单元和Y方向加载部分中的电液伺服加载单元结构相同；

所述加载工作台8沿Z方向上下移动，Z方向加载杆与加载工作台8的上表面接触连接，Y方向加载杆19与加载工作台8侧表面接触连接；

所述自动控制部分包括上位工控机、可编程控制器PLC、激振器控制仪、Y向伺服控制器、Z向伺服控制器、工作台运动方向的伺服控制器和辅助工作台运动方向的伺服控制器；

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，所述的Y向伺服控制器的RS-232C端口与上位工控机的RS-232C端口电线连接，所述的Z向伺服控制器的RS-232C端口与上位工控机的RS-232C端口电线连接，所述的激振器控制仪的RS-232C端口与上位工控机的RS-232C端口电线连接；所述的工作台运动伺服控制仪的RS-232C端口与上位工控机的RS-232C端口电连接，所述的辅助工作台运动伺服控制仪的RS-232C端口与上位工控机的RS-232C端口电连接。

技术方案中所述的X方向加载部分还包括X方向加载座21、X方向加载座盖22、1号销轴23；

所述的X方向加载座21固定在工作台4上；X方向加载座21的上表面设有一半圆凹槽；

所述的X方向1号加载杆20左端设有一凹圈，凹圈安装在X方向加载座21的半圆凹槽里，凹圈的中间设有一销孔，1号销轴23穿过X方向加载座盖22的销孔和X方向1号加载杆20凹圈的销孔，将X方向1号加载杆20与X方向加载座盖22和X方向加载座21相互固定。

技术方案中所述液压加载装置17还包括Y方向加载支撑架29、Y方向安装底座30以及Y方向电液伺服加载底座31；

所述的电液伺服加载单元还包括电液伺服阀34、弹性装置36、杆端关节轴承33；

所述的电液伺服阀34固定在伺服油缸32的上表面；

所述的杆端关节轴承33与伺服油缸32固定连接，杆端关节轴承33铰接在Y方向电液伺服加载底座31上；

所述杆端关节轴承33由杆端关节轴承底座和连杆组成，连杆的右端为球状体，安装在杆端关节轴承底座内，连杆能够在杆端关节轴承底座中转动，连杆的左端与伺服油缸32右端面通过螺纹连接，杆端关节轴承33的杆端关节轴承底座通过铰链铰接在Y方向电液伺服加载底座31中的底板顶端表面上；

所述弹性装置36与伺服油缸32活塞杆的左端通过螺纹连接；

所述位移传感器35的左端联接孔套装在弹性装置36与伺服油缸32活塞杆的螺纹连接的螺杆上；

所述的Y方向电液伺服加载底座31固定在Y方向安装底座30上；

所述的Y方向安装底座30固定在Y方向加载支撑架29上；

所述的Y方向加载支撑架29设为二个，固定在Y方向辅助导轨28上。

技术方案中所述盖板24由上板和销轴组成；上板设有四个通孔，销轴上端通过过盈配合固定在盖板24中心的销孔中，销轴与X方向2号加载杆40靠近右端的平面的销孔配合；

所述底座25固定在辅助加载工作台15上；所述底座25由地板和两个侧板组成，两个侧板上面各有两个螺纹孔，螺栓穿过上板的通孔与侧板上的螺纹孔。

技术方案中所述Y方向辅助导轨28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8相互垂直，Y方向辅助导轨28的纵向对称面和伺服油缸32的轴线共面，并与两个Y方向加载支撑架29相互平行的轴线垂直共面，伺服油缸32的轴线与加载工作台8相互垂直，Y方向加载装置部分中的加载杆19与配重块惯性加载及加载辅助装置中的加载工作台8侧表面接触连接。

技术方案中所述可编程控制器PLC的输出端分别与冷却机和电磁换向阀电线连接；

所述Y向伺服控制器的信号输出端与电液伺服阀34的信号输入端电线连接；

所述的Z向伺服控制器的信号输出端与Z方向电液伺服阀的信号输入端电线连接；

所述激振器控制仪的励磁电流输出端与激振器13励磁电流输入端电线连接。

技术方案中所述配重块5设有二块以上，所述的配重块5成正方体，配重块的外侧开有三个U型槽；U形槽两侧的上表面各设置有一个半球凸起，U型槽两侧的下表面各设置有一个半球凹坑，每块配重块上表面的半球凸起与下表面半球凹坑对正；每块配重块上的三个U型槽对正，形成一个从上到下贯通的三个长U型槽，通过螺栓与长U型槽的配合，将二块以上结构相同的配重块5固定在工作台4上。

技术方案中所述的加载导轨副6由导轨副连接板39、2个结构相同的滑块37和2个结构相同的导轨38组成；

所述滑块37固定在加载工作台8的下表面；所述导轨38固定在导轨副连接板39的上表面；在工作台4与导轨副连接板39之间设置垫块27，垫块27的上表面与导轨副连接板39的下表面接触；导轨副连接板39固定在工作台4上。

技术方案中所述加载工作台8通过4个结构相同的固定装置7限位，所述固定装置7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固定连接，固定装置底座的底端固定在地面上，固定杆另一端设置有一个直角口，直角口与加载工作台8的四个直角边相互配合安装在一起，限制加载工作台8沿X、Y两个方向移动；

所述Z方向加载底座10固定在重型数控龙门镗铣床上的滑枕11上；所述滑枕11能够沿着重型数控龙门镗铣床上的横梁12沿Y向移动。

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龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台采用液压加载装置、激振器和配重块加载部分对重型数控龙门镗铣床进行模拟动、静态铣削力及扭矩，对被测的重型数控龙门镗铣床工作台进给系统进行模拟真实工况的可靠性试验，并进行实时的故障数据采集。为后期的可靠性评估、可靠性建模和可靠性预测提供实用的基础数据，大大缩短了数据采集时间。

2.本发明所述的X方向模拟切削力加载采用激振器和辅助工作台来实现动、静态铣削力的模拟。当辅助工作台与被试工作台刚性联接时，通过控制试验工作台与辅助工作台的相关参数产生相互作用力，即静态铣削力。当辅助工作台与被试工作台通过激振器联接时，通过控制激振器参数及辅助工作台与试验工作台的相关参数，能够模拟动态铣削力。从而实现工作台在X方向上的移动距离内的动、静态铣削力的加载。

3.本发明所述的Y方向和Z方向电液伺服加载装置可实现动、静态铣削力的模拟加载，并能够根据实际工况来调节加载动态铣削力的大小、频率以及试验时间，同时可以将试验参数储存，以便后续的查询和分析。

4.本发明所述的重型数控龙门铣床的可靠性试验系适应范围比较广，能够针对不同型号的重型数控龙门镗铣床工作台进给系统，只需更换液压缸底座、加载导轨、配重块的数量以及模拟工作台就可以对其进行可靠性加载试验与性能参数的检测与监测，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龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验系统中的自动控制部分主要通过位移传感器和拉压力传感器对模拟的铣削力实时监测。实现实时监控和闭环控制及反馈，来提高模拟铣削力的精度。同时将加载的动态削力参数显示在上位工控机的人机操作界面上。

6.本发明所述的重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验系统中自动控制部分是集于上位机统一控制，同时能够实现对电液伺服加载装置的控制和对检测与监测部分的控制。

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龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台结构组成的轴测投影图；

图2为本发明所述的重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台中Y方向电液伺服加载部分的轴测投影图；

图3为本发明所述的重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台中X方向加载装置的轴测投影图；

图4为本发明所述的重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台中的配重块的轴测投影图；

图5为本发明所述的重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台中的水平固定装置的轴测投影图；

图6为本发明所述的重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台中的加载导轨副安装的轴测投影图；

图7为本发明所述的重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台中的Y方向电液伺服加载受力分析原理图；

图8为本发明所述的重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台中自动控制部分的结构原理框图；

图中：1.床身，2.蜗条，3.伺服电机和蜗杆箱，4.工作台，5.配重块，6.加载导轨副，7.固定架，8.加载工作台，9.立柱，10.Z方向加载座，11.滑枕，12.横梁，13激振器，14.1号拉压力传感器，15.辅助加载工作台，16.辅助伺服电机和蜗杆箱，17.液压加载装置，18.压板，19.Y方向加载杆，20.X方向1号加载杆，21.X方向加载座，22.X方向加载座盖，23.1号销轴，24.盖板，25.底座，26.拉压力传感器，27.垫块，28.Y方向辅助导轨，29.Y方向加载支撑架，30.Y方向安装底座，31.Y方向电液伺服加载底座，32.伺服油缸，33.杆端关节轴承,34.电液伺服阀，35.位移传感器，36.弹性装置，37.滑块，38.导轨，39.导轨副连接板，40.X方向2号加载杆

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，本发明所述的重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台包括配重块惯性加载及加载辅助装置部分、X方向加载部分、Y方向加载部分、Z方向加载部分以及自动控制部分。

本发明专利中进行可靠性试验的对象为工作台移动式重型数控龙门镗铣床的工作台进给系统，重型数控龙门镗铣床工作台进给系统包括床身1、蜗条2、伺服电机和蜗杆箱3、工作台4。本发明适用于多种型号的重型数控龙门镗铣床工作台进给系统的模拟动、静态切削负载和惯性载荷的可靠性台。

对重型数控龙门镗铣床工作台进给系统进行切削负载的分析：

重型数控龙门镗铣床工作台进给系统在进行切削加工时，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；处于基面内与进给方向相反的进给力F_f；以及处于基面内并与进线方向相垂直的背向力F_p。本发明所述的重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台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平移到刀具的轴心，等效于一个沿切削速度方向的力F_c'和扭矩M_c(M_c＝F_c×r，r为切削半径),等效之后的力F_c'与进给力方向相同，将两个力合成一个进给方向的合力F_合。因此在切削加工过程中工作台进给系统受到的切削力为沿进给方向的合力F_合、背向力F_p和扭矩M_c(M_c＝F_c×r)。

本发明所述的重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台通过Z方向加载部分模拟背向力F_p；

如果进给方向沿X方向，则X方向加载部分模拟沿进给方向的合力F_合，即平移之后的F_c'和进给力F_f，Y方向加载部分模拟扭矩M_c；

如果进给方向沿Y方向，则Y方向加载部分模拟沿进给方向的合力F_合和扭矩M_c。

一.配重块惯性加载及加载辅助装置部分

所述的配重块惯性加载及加载辅助装置部分包括配重块5和加载辅助装置。

参阅图4，所述的配重块5成正方体，配重块的外侧开有三个U型槽，U形槽两侧的上表面各设置有一个半球凸起，U型槽两侧的下表面各设置有一个半球凹坑，每块配重块5上表面、下表面上的半球凸起、半球凹坑对正，每块配重块5上表面、下表面上的半球凸起、半球凹坑结构尺寸相同，共准备若干块结构相同的配重块5，两块及两块以上结构相同的配重块5叠放在一起时，上边的配重块5的两个半球凸起与下边的配重块5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5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5叠放在一起时，每块配重块5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5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5固定在工作台4上。配重块5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5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5，所述的加载辅助装置包括加载工作台8、4个结构相同的固定装置7、4个结构相同的压板18和加载导轨副6。

参阅图1和图6，所述的加载导轨副6由导轨副连接板39、2个结构相同的滑块37和2个结构相同的导轨38组成。加载导轨副6可以是滑动导轨副或滚动导轨副或静压导轨副。所述的加载工作台8为长方形的板类结构件，加载工作台8的两侧沿X方向均布有多个螺纹孔，用于通过螺栓固定加载导轨副6中的滑块37。所述导轨副连接板39为长方形的板类结构件，导轨副连接板39的两侧沿X方向均布有多个螺纹孔，用于通过螺栓固定加载导轨副6中的导轨38。安装时，先放置垫块27在工作台4上，然后，安装导轨副连接板39及滑块37、导轨38。使垫块27的下表面与工作台4接触，垫块27的上表面与导轨副连接板39的下表面接触，并调整垫块27正好位于导轨38的正下方，使其刚度达到最好。导轨副连接板39通过压板18和T型螺栓固定在工作台4上，作为一个整体沿X方向移动。所述的4个结构相同的压板18为侧面成Z字形的板式结构件，压板18的一端加工有安装2个T型螺栓的螺栓通孔，压板18的一端通过2个T型螺栓与在工作台4连接，Z字形的压板18的另一端压在导轨副连接板39的边缘；

参阅图5，所述的4个结构相同的固定装置7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定连接，固定装置底座的底端法兰盘通过4个螺栓固定在地面上，固定杆另一端设置有一个直角口，直角口与加载工作台8的四个直角边相互配合安装在一起，限制加载工作台8的沿X、Y两个方向的移动，使加载工作台8只能沿Z方向上下移动；

试验时，装有配重块5及加载导轨副6的工作台4在机床驱动系统拖动下沿X方向移动，加载工作台8通过固定装置7只能沿Z方向上下移动，而不能沿X、Y方向移动，使固定安装在滑枕11底端的电液伺服加载单元的Z方向加载杆与加载工作台8的上表面接触连接，安装在加载工作台8同一侧的地面上的Y方向加载部分中的加载杆19和加载工作台8侧面的表面接触连接，实现静、动态切削力的模拟加载。

二.X方向加载部分

参阅图1和图3，所述的X方向加载部分包括激振器13、1号拉压力传感器14、辅助加载工作台15、辅助伺服电机和蜗杆箱16、X方向1号加载杆20、X方向加载座21、X方向加载座盖22、1号销轴23、盖板24、X方向2号加载杆40以及底座25。

所述的激振器13本发明以ES-10-240型为例，激振器13由激振器本体和底座组成，底座由地板和两个侧板焊接或机械固连而成，地板两侧各开有两个U型口，通过T型螺栓穿过四个U口将激振器13固定在辅助加载工作台15。

所述的辅助加载工作台15跟重型龙门镗铣床的工作台4结构相同，都安装在床身1上。

所述的辅助伺服电机和蜗杆箱16跟重型龙门镗铣床的伺服电机和蜗杆箱3结构也相同，辅助伺服电机和蜗杆箱16和重型龙门镗铣床的伺服电机和蜗杆箱3分别通过结构相同的螺栓固定安装在辅助加载工作台15的右端和工作台4的左端，并通过伺服电机和蜗杆箱3中的蜗杆与蜗条2相互啮合，产生驱动力来驱动辅助加载工作台15和工作台4在床身上沿X方向移动。

所述的X方向加载座21为台阶型板类结构件，成前后对称，前后两侧各开有两个U型口，通过T型螺栓穿过四个U口将X方向加载座21固定在工作台4上；X方向加载座21的上表面有一半圆的凹槽，X方向1号加载杆20凹圈安装在X方向加载座21上表面的半圆凹槽中。

所述的X方向1号加载杆20为轴类结构件，左端有一凹圈，凹圈刚好安装在X方向加载座21的半圆凹槽里，凹圈的中间一销孔，1号销轴23穿过X方向加载座盖22的销孔和X方向1号加载杆20凹圈的销孔，将X方向1号加载杆20与X方向加载座盖22和X方向加载座21相互固定；所述的X方向1号加载杆20的右端与1号拉压力传感器14的左端螺纹连接。所述的1号拉压力传感器14的右端与X方向2号加载杆40的左端螺纹连接。

所述的X方向2号加载杆40为轴类结构件，靠近右端处有一平面，平面中间有一销孔，用于穿过盖板24下端面的销轴，将底座25与X方向2号加载杆40相互固定；所述的X方向2号加载杆40的右端面有一螺纹孔与激振器13的输出轴的螺纹孔配合。

所述的盖板24由上板和销轴组成，上板为板类零件，上板的上表面四个角有四个通孔，螺栓穿过通孔与底座25中侧板上面的四个螺纹孔配合并相互固定；盖板24的销轴上端通过过盈配合固定在盖板24中心的销孔中，盖板24的销轴与X方向2号加载杆40靠近右端的平面的销孔配合，当盖板24上板四角的螺栓往下拧时盖板24销轴穿过X方向2号加载杆40靠近右端的平面的销孔，将X方向2号加载杆与盖板24和底座25固定在辅助加载工作台上。

所述的底座25由地板和两个侧板焊接或机械固连而成，两个侧板上面各有两个螺纹孔，用于固定盖板24，地板两侧各开有两个U型口，通过T型螺栓穿过四个U口将底座25固定在辅助加载工作台15。

在进行重型机床工作台进给系统可靠性试验时，X方向可以进行两种加载方式，第一种，通过螺栓将盖板24和X方向2号加载杆40固定在底座25，通过控制辅助伺服电机和蜗杆箱16中的伺服电机与伺服电机和蜗杆箱3中的伺服电机实现辅助加载工作台15给工作台4进行加载；第二种，松开盖板24四角的螺栓，去掉盖板24，通过控制辅助伺服电机和蜗杆箱16中的伺服电机和激振器13，实现对工作台4的动、静态力的加载。

三.Y方向加载部分

参阅图1至图2，所述的Y方向加载部分由两套结构相同的液压加载装置17组成，每套液压加载装置17包括电液伺服加载单元、Y方向辅助导轨28、Y方向加载支撑架29、Y方向安装底座30以及Y方向电液伺服加载底座31。

参阅图1，所述的两套结构相同的液压加载装置17同时安装在辅助工作台8的右侧，其中一套安装在靠近辅助工作台8的右下角的位置，另一套安装在靠近辅助工作台8的右上角的位置上。

所述的电液伺服加载单元包括电液伺服阀34、Y向加载杆19、拉压力传感器26、弹性装置36、位移传感器35、杆端关节轴承33和伺服油缸32。

参阅图2，所述的伺服油缸32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32的左端伸出，伺服油缸32上表面中间开有四个螺纹孔，用于固定电液伺服阀34。

所述的电液伺服阀34(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32的上表面。

参阅图2，所述的杆端关节轴承33由杆端关节轴承底座和连杆组成，连杆的右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，连杆的左端与伺服油缸32右端面通过螺纹连接，杆端关节轴承33的杆端关节轴承底座通过铰链铰接在Y方向电液伺服加载底座31中的底板顶端表面上，伺服油缸32水平放置在Y方向电液伺服加载底座31上，其轴线与工作台运动方向垂直，且与两个Y方向加载支撑架29的轴线在同一个垂直平面内。

所述的位移传感器35(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32的缸体上，其内芯与伺服油缸活塞杆左端连接，当活塞杆移动时位移传感器35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36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。右侧的连接板上的螺纹孔与伺服油缸32活塞杆的左端通过螺纹连接，左侧的连接板上的螺纹孔与双头螺柱的右端螺纹连接。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)。双头螺柱的左端与拉压力传感器26螺纹连接，拉压力传感器26的左端与Y方向加载杆19右端螺纹连接。

所述的Y方向电液伺服加载底座31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，Y方向电液伺服加载底座31的底板上设置有四个通孔，用于安装T型螺栓，将Y方向电液伺服加载底座31固定在Y方向安装底座30上，即固定在Y方向安装底座30的底板顶端面上；

所述的Y方向安装底座30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，Y方向安装底座30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Y方向加载支撑架29相互固定；

所述的Y方向加载支撑架29是小发动机支腿(本发明专利以P06型为例)，底部上有四个U形孔,通过螺栓将其固定在Y方向辅助导轨28上；

所述的Y方向辅助导轨28为长方形平板结构件，沿Y方向辅助导轨28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Y方向电液伺服加载底座31通过螺栓固定在Y方向安装座30的两个平行对称的T型槽上，Y方向安装座30与两个结构相同的Y方向加载支撑架29的顶端面通过螺栓连接。所述的两个结构相同的Y方向加载支撑架29安装在Y方向辅助导轨28上，两个结构相同的Y方向加载支撑架29可以在Y方向辅助导轨28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Y方向辅助导轨28上。

液压加载装置17通过Y方向辅助导轨28安装在地面上，Y方向辅助导轨28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8的相互垂直，Y方向辅助导轨28的纵向对称面和伺服油缸32的轴线共面，并与两个Y方向加载支撑架29相互平行的轴线垂直共面，伺服油缸32的轴线与加载工作台8的相互垂直，Y方向加载装置部分中的加载杆19与配重块惯性加载及加载辅助装置中的加载工作台8侧表面接触连接。

参阅图1，所述的Y方向加载部分是由两套结构相同的液压加载装置17组成，两套液压加载装置处于工作台4的同一侧，因此两套液压加载装置17通过加载力大小不同起到施加扭矩加载的作用。

参阅图7，所述的Y方向加载部分中两套液压加载装置对加载工作台8进行动静态力加载时受力情况的分析，主要分为2种情况。第一种情况是加载工作台8受到两套液压加载装置加载的大小相同的力F1和F2，此时加载工作台8只承受Y方向的力的作用；第二种情况是加载工作台受到大小不相同的力F1和F2，此时加载工作台则承受Y方向的力和扭矩的作用。加载力和扭矩的大小根据可靠性试验需要，可以通过改变两套液压加载装置加载力的大小而改变。

四.Z方向加载部分

参阅图1，所述的Z方向加载部分包括电液伺服加载单元和Z方向加载底座10。

所述的Z方向加载部分中的电液伺服加载单元和Y方向加载部分中的电液伺服加载单元结构相同，包括电液伺服阀、加载杆、拉压力传感器、弹性装置、位移传感器、关节轴承和伺服油缸。

参阅图2，Z方向电液伺服阀与Y方向电液伺服加载单元的电液伺服阀34、Z方向伺服油缸与Y方向电液伺服加载单元的伺服油缸32、Z方向位移传感器与Y方向电液伺服加载单元的位移传感器35、Z方向弹性装置与Y方向电液伺服加载单元的弹性装置36、Z方向拉压力传感器与Y方向电液伺服加载单元的拉压力传感器26、Z方向加载杆与Y方向电液伺服加载单元的Y方向加载杆19、Z方向杆端关节轴承与Y方向电液伺服加载单元的杆端关节轴承33结构相同。

参阅图2，Z方向杆端关节轴承由Z方向杆端关节轴承底座和Z方向连杆组成，Z方向连杆的右端与Z方向杆端关节轴承底座为球铰连接，Z方向连杆的左端与Z方向伺服油缸的右端面通过螺纹连接，Z方向杆端关节轴承的Z方向杆端关节轴承底座与Z方向加载底座10中的Z方向后壁板为铰接；Z方向弹性装置中的右侧连接板与Z方向伺服油缸的活塞杆的左端螺纹连接，Z方向弹性装置中的左侧连接板与Z方向拉压力传感器的右端螺纹连接，Z方向拉压力传感器的左端与Z方向加载杆螺纹连接。

所述的Z方向位移传感器(本发明以LVDT型位移传感器为例)外壳通过螺钉固定在Z方向伺服油缸的缸体上，其内芯与Z方向伺服油缸活塞杆左端连接，当活塞杆移动时Z方向位移传感器的内芯也随着移动，实现位移的测量与反馈。

所述的Z方向加载底座10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，重型数控龙门镗铣床上的滑枕11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。Z方向加载部分通过调节滑枕11的位置，可以沿加载工作台8的Y方向移动，可试验不同位置的Z方向加载。

五.自动控制部分

参阅图8，所述的自动控制部分包括上位工控机、可编程控制器PLC、激振器控制仪、Y向伺服控制器、Z向伺服控制器、工作台运动伺服控制仪和辅助工作台运动伺服控制仪。

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加载单元提供液压油。

所述的Y向伺服控制器的RS-232C端口与上位工控机的RS-232C端口电线连接，Y向伺服控制器与上位工控机进行通讯，Y向伺服控制器的信号输出端与电液伺服阀34的信号输入端电线连接，通过控制伺服阀实现伺服油缸32对加载工作台8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Y向伺服控制器，实现闭环控制。

所述的Z向伺服控制器与Y向伺服控制器原理一样，上行方向通过RS-232与上位工控机进行通讯，下行方向通过控制伺服阀实现伺服油缸对加载工作台8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拉压力信号经信号放大器传给Z向伺服控制器，实现闭环控制。

所述的激振器控制仪的RS-232C端口与上位工控机的RS-232C端口电线连接，激振器控制仪的励磁电流输出端与激振器13励磁电流输入端电线连接，激振器控制仪输出控制信号给激振器13，控制激振器加载力。拉压力传感器和位移传感器的信号输出及供电端与激振器控制仪的力与位移的输入及供电端电线连接，拉压力传感器和位移传感器将检测到的信号经过信号放大器放大后传给激振器控制仪，实现闭环控制，并且所加载力的大小、波形以及频率等信息，在VB控制界面实时显示。

上位工控机控制界面是由VB编制，在控制界面上选定X方向、Y方向、Z方向加载的动态力大小、频率、波形以及加载时间等后，与可编程控制器PLC、激振器控制仪、两个Y向伺服控制器、Z向伺服控制器工作台运动方向伺服控制器和辅助工作台运动方向伺服控制器通过RS-232C进行串口通讯，可编程控制器PLC先控制冷却机给液压泵站冷却，其次输出电流控制电磁换向阀动作，通过液压缸对加载工作台8进行动态力的加载，并通过调节Y方向加载的两个电液伺服加载装置的力的大小，来模拟实际工况中由切削对工作台产生的扭矩。同时，在工作台运动方向，可以通过X方向加载部分对工作台进行X方向动态力加载。

重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台的工作原理：

首先根据图1所示，安装X方向加载装置，使X方向1号加载杆20轴线与激振器13的轴线同轴，并且，与工作台4的导轨方向平行，调试试验使其运行正常。然后，安装Z方向加载装置，使Z方向电液伺服加载单元的加载杆的轴线垂直于水平面(工作台上平面)。再安装Y方向加载装置，使Y方向加载杆19的轴线在水平面内，并与工作台4的导轨方向垂直。再安装调试自动控制部分。试验前，根据重型数控龙门镗铣床加工工件的重量分布规律，在工作台4上安装配重块，模拟工件重量，实现惯性加载。然后，通过控制台控制界面设定进给速度、X方向负载、Y方向负载、Z方向负载、扭矩大小等相关参数，并启动冷却系统，进行可靠性试验。在试验过程中，所设置的压力、速度、位移等传感器实时把相关信号传回主机并控制相对应的激振器、加载液压缸等动作，实现闭环控制，并把相关试验数据存储，为后续的可靠性分析提供依据。

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)

1.一种重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台，包括配重块惯性加载及加载辅助装置部分、X方向加载部分、Y方向加载部分、Z方向加载部分和自动控制部分；其特征在于：

所述配重块惯性加载及加载辅助装置部分包括配重块(5)和加载辅助装置；配重块(5)固定在工作台(4)上，所述加载辅助装置包括加载工作台(8)和加载导轨副(6)；所述加载导轨副(6)固定在加载工作台(8)下表面；

所述X方向加载部分包括激振器(13)、1号拉压力传感器(14)、辅助加载工作台(15)、辅助伺服电机和蜗杆箱(16)、X方向2号加载杆(40)、X方向1号加载杆(20)和盖板(24)；所述激振器(13)固定在辅助加载工作台(15)上；所述X方向1号加载杆(20)与1号拉压力传感器(14)、X方向2号加载杆(40)、激振器(13)依次固定连接；所述盖板(24)通过底座(25)将X方向2号加载杆(40)固定在加载工作台(15)上；所述盖板(24)位于1号拉压力传感器(14)和激振器(13)之间；所述辅助伺服电机和蜗杆箱(16)驱动辅助工作台(15)沿X方向移动；

所述Y方向加载部分为二套相同的液压加载装置(17)，位于加载工作台(8)的同一侧；所述液压加载装置(17)包括电液伺服加载单元、Y方向辅助导轨(28)；所述电液伺服加载单元包括Y方向加载杆(19)、拉压力传感器(26)、位移传感器(35)和伺服油缸(32)；所述拉压力传感器(26)的左端与Y方向加载杆(19)右端固定连接，拉压力传感器(26)的右端与伺服油缸(32)固定连接；所述位移传感器(35)设置在伺服油缸(32)上；所述伺服油缸(32)通过Y方向辅助导轨(28)固定在地面上；

所述的Z方向加载部分包括电液伺服加载单元和Z方向加载底座(10)；所述电液伺服加载单元固定在Z方向加载底座(10)上；

所述的Z方向加载部分中的电液伺服加载单元和Y方向加载部分中的电液伺服加载单元结构相同；

所述加载工作台(8)沿Z方向上下移动，Z方向加载杆与加载工作台(8)的上表面接触连接，Y方向加载杆(19)与加载工作台(8)侧表面接触连接。

2.根据权利要求1所述的一种重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台，其特征在于：

所述自动控制部分包括上位工控机、可编程控制器PLC、激振器控制仪、Y向伺服控制器、Z向伺服控制器、工作台运动方向的伺服控制器和辅助工作台运动方向的伺服控制器；

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，所述的Y向伺服控制器的RS-232C端口与上位工控机的RS-232C端口电线连接，所述的Z向伺服控制器的RS-232C端口与上位工控机的RS-232C端口电线连接，所述的激振器控制仪的RS-232C端口与上位工控机的RS-232C端口电线连接；所述的工作台运动伺服控制仪的RS-232C端口与上位工控机的RS-232C端口电连接，所述的辅助工作台运动伺服控制仪的RS-232C端口与上位工控机的RS-232C端口电连接。

3.根据权利要求1所述的一种重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台，其特征在于：

所述的X方向加载部分还包括X方向加载座(21)、X方向加载座盖(22)、1号销轴(23)；

所述的X方向加载座(21)固定在工作台(4)上；X方向加载座(21)的上表面设有一半圆凹槽；

所述的X方向1号加载杆(20)左端设有一凹圈，凹圈安装在X方向加载座(21)的半圆凹槽里，凹圈的中间设有一销孔，1号销轴(23)穿过X方向加载座盖(22)的销孔和X方向1号加载杆(20)凹圈的销孔，将X方向1号加载杆(20)与X方向加载座盖(22)和X方向加载座(21)相互固定。

4.根据权利要求1所述的一种重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台，其特征在于：

所述液压加载装置(17)还包括Y方向加载支撑架(29)、Y方向安装底座(30)以及Y方向电液伺服加载底座(31)；

所述的电液伺服加载单元还包括电液伺服阀(34)、弹性装置(36)、杆端关节轴承(33)；

所述的电液伺服阀(34)固定在伺服油缸(32)的上表面；

所述的杆端关节轴承(33)与伺服油缸(32)固定连接，杆端关节轴承(33)铰接在Y方向电液伺服加载底座(31)上；

所述的杆端关节轴承(33)由杆端关节轴承底座和连杆组成，连杆的右端为球状体，安装在杆端关节轴承底座内，连杆能够在杆端关节轴承底座中转动，连杆的左端与伺服油缸(32)右端面通过螺纹连接，杆端关节轴承(33)的杆端关节轴承底座通过铰链铰接在Y方向电液伺服加载底座(31)中的底板顶端表面上；

所述弹性装置(36)与伺服油缸(32)活塞杆的左端通过螺纹连接；

所述位移传感器(35)的左端联接孔套装在弹性装置(36)与伺服油缸(32)活塞杆的螺纹连接的螺杆上；

所述的Y方向电液伺服加载底座(31)固定在Y方向安装底座(30)上；

所述的Y方向安装底座(30)固定在Y方向加载支撑架(29)上；

所述的Y方向加载支撑架(29)设为二个，固定在Y方向辅助导轨(28)上。

5.根据权利要求1所述的一种重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台，其特征在于：

所述盖板(24)由上板和销轴组成；上板设有四个通孔，销轴上端通过过盈配合固定在盖板(24)中心的销孔中，销轴与X方向2号加载杆(40)靠近右端的平面的销孔配合；

所述底座(25)固定在辅助加载工作台(15)上；所述底座(25)由地板和两个侧板组成，两个侧板上面各有两个螺纹孔，螺栓穿过上板的通孔与侧板上的螺纹孔。

6.根据权利要求1所述的一种重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台，其特征在于：

所述Y方向辅助导轨(28)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(8)相互垂直，Y方向辅助导轨(28)的纵向对称面和伺服油缸(32)的轴线共面，并与两个Y方向加载支撑架(29)相互平行的轴线垂直共面，伺服油缸(32)的轴线与加载工作台(8)相互垂直，Y方向加载装置部分中的加载杆(19)与配重块惯性加载及加载辅助装置中的加载工作台(8)侧表面接触连接。

7.根据权利要求2所述的一种重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台，其特征在于：

所述可编程控制器PLC的输出端分别与冷却机和电磁换向阀电线连接；

所述Y向伺服控制器的信号输出端与电液伺服阀(34)的信号输入端电线连接；

所述的Z向伺服控制器的信号输出端与Z方向电液伺服阀的信号输入端电线连接；

所述激振器控制仪的励磁电流输出端与激振器(13)励磁电流输入端电线连接。

8.根据权利要求1所述的一种重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台，其特征在于：

所述配重块(5)设有二块以上，所述的配重块(5)成正方体，配重块的外侧开有三个U型槽；U形槽两侧的上表面各设置有一个半球凸起，U型槽两侧的下表面各设置有一个半球凹坑，每块配重块上表面的半球凸起与下表面半球凹坑对正；每块配重块上的三个U型槽对正，形成一个从上到下贯通的三个长U型槽，通过螺栓与长U型槽的配合，将二块以上结构相同的配重块(5)固定在工作台(4)上。

9.根据权利要求1所述的一种重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台，其特征在于：

所述的加载导轨副(6)由导轨副连接板(39)、2个结构相同的滑块(37)和2个结构相同的导轨(38)组成；

所述滑块(37)固定在加载工作台(8)的下表面；所述导轨(38)固定在导轨副连接板(39)的上表面；在工作台(4)与导轨副连接板(39)之间设置垫块(27)，垫块(27)的上表面与导轨副连接板(39)的下表面接触；导轨副连接板(39)固定在工作台(4)上。

10.根据权利要求1所述的一种重型数控龙门镗铣床工作台进给系统可靠性试验台，其特征在于：

所述加载工作台(8)通过4个结构相同的固定装置(7)限位，所述固定装置(7)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固定连接，固定装置底座的底端固定在地面上，固定杆另一端设置有一个直角口，直角口与加载工作台(8)的四个直角边相互配合安装在一起，限制加载工作台(8)沿X、Y两个方向移动；

所述Z方向加载底座(10)固定在重型数控龙门镗铣床上的滑枕(11)上；所述滑枕(11)能够沿着重型数控龙门镗铣床上的横梁(12)沿Y向移动。