CN109000903B - 滚动直线导轨及滚珠丝杠系统可靠性试验加载装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种滚动直线导轨及滚珠丝杠系统可靠性试验加载装置及及使用方法，包括：X向载荷加载组件、Y向及Z向载荷加载组件，实现了Y方向和Z方向统一受力，并实现滑动加载的方式。本发明提供了一种新的机床性能测试手段，该试验加载装置与待测机床进行配装使用后，能够真实模拟出对机床直线进给运动中直线导轨和滚珠丝杠副的载荷施加，完全不用消耗材料实物和加工刀具，有效降低了机床性能测试成本，在保证机床优良性能的同时还有效降低了机床制造成本。

Description

滚动直线导轨及滚珠丝杠系统可靠性试验加载装置及方法

技术领域

本发明属于机床可靠性测试技术领域，特别是涉及滚动直线导轨及滚珠丝杠系统可靠性试验加载装置及方法。

背景技术

目前数控机床在装备制造业中的地位日益显著,加工精度和加工效率都大幅提升,成为了诸多行业内不可或缺的加工设备。对于机床制造生产企业来讲机床产品的可靠性越高，其所制造出来的机床性能越优良，提高机床性能的可以提高机床产品的价格，同时可以省下一笔后期维护和售后服务的费用。

在机床定型前，机床的性能测试是必不可少的环节，通过机床性能测试过程，可以不断发现机床在使用过程中可能出现的故障，再根据故障诊断结果来改进原有设计，进一步提升机床性能，直到测试出机床的极限性能，并在极限性能下将机床定型。这一不断发现问题并做出修正的过程是机床产品设计中必不可少的步骤。为制造出成熟的产品提供保证。

目前机床性能测试实现方式主要有两种，一种是对机床进行运行进行实际测试，通过加工实际的零件来获得机床的各项性能指标，另一种方式是通过计算机实现机床运行过程的仿真。两种测试方法都存在相当大的局限性。第一种方式需要消耗大量的人力物力和财力。机械加工材料和机床刀具的消耗都计入机床制造成本，提高产品的成本意味着降低了产品的市场竞争力，虽然这种测试方法是最为可靠的测试方法，但是不能满足很多机床企业降低成本提升利润空间的需求。虽然通过计算机进行可靠性模拟测试能够大大降低成本并节省时间，但是产品的可靠性会大幅降低，因为在设备实际运行过程中会存在相当大的不确定性和和突发情况，这些都是计算机仿真模拟测试装置所不能做到的。虽然能降低成本但是提高了机床故障发生率。

机床直线进给运动中，如果能使用专门的加载测试机构来模拟机床实际运行过程中受力方式来进行可靠性分析，又能免去消耗材料实物和加工刀具，可有效降低机床从产品测试成本，保证机床优良性能的同时降低机床制造成本。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供滚动直线导轨及滚珠丝杠系统可靠性试验加载装置及方法，能够较为真实的模拟机床导轨以及滚珠丝杠在实际加工过程中的受力条件，又无需消耗材料实物和加工刀具，有效降低机床性能测试成本，保证机床优良性能的同时降低机床制造成本。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：滚动直线导轨及滚珠丝杠系统可靠性试验加载装置，包括：X向载荷加载组件、Y向及Z向载荷加载组件；

所述X向载荷加载组件包括：液压缸、Y向导轨2、Y向导轨2滑块，液压缸与受力加载平台底座的侧端相连，液压缸底面与Y向导轨2滑块相连，Y向导轨2滑块与Y向导轨相连；

所述Y向及Z向载荷加载组件包括：施加载荷机构、受力加载平台；

所述施加载荷机构包括手轮、外壳、X向导轨、X向导轨滑块、Y向导轨、Y向导轨滑块、Z向滚珠丝杠副、上轴承座、下轴承座、提升平台、提升平台支撑杆、提升平台连接件、提升平台导轨、提升平台导轨滑块、Z向直杆、力传感器；外壳与X向导轨滑块相连接，X向导轨滑块与X向导轨相连，X向导轨两端分别与Y向导轨滑块相连，Y向导轨滑块与Y向导轨相连，手轮通过上轴承座与Z向滚珠丝杠副上端相连接，Z向滚珠丝杠副下端与下轴承座相连接，Z向滚珠丝杠副与安装平台相连接，安装平台一侧与Z向导轨滑块和Z向滚珠丝杠副相连接，安装平台另一侧与提升平台连接件相连接，提升平台连接件与提升平台导轨相连接，提升平台导轨与提升平台导轨滑块相连接，提升平台一端与提升平台连接件通过铰链连接，另一端与提升平台支撑杆相连接，提升平台支撑杆一端与提升平台通过铰链连接，另一端与提升平台导轨滑块相连接，提升平台与Z向直杆的一端相连接，Z向直杆另一端与力传感器相连接。

所述受力加载平台包括受力加载平台上侧板、受力加载平台底座、受力加载平台上侧板导轨、受力加载平台上侧板导轨滑块、固定滑块、支撑杆，受力加载平台上侧板与受力加载平台底座通过铰链连接，受力加载平台上侧板侧端安装受力加载平台上侧板导轨，受力加载平台底座安装有固定滑块，固定滑块与支撑杆一端相连接，支撑杆另一端与受力加载平台上侧板导轨滑块相连接，受力加载平台上侧板导轨滑块与受力加载平台上侧板导轨相连接。

所述的滚动直线导轨及滚珠丝杠系统可靠性试验加载装置，其中：提升平台导轨与提升平台导轨滑块采用自带锁紧功能；受力加载平台上侧板导轨滑块与受力加载平台上侧板导轨采用自带锁紧功能。3、根据权利要求1所述的滚动直线导轨及滚珠丝杠系统可靠性试验加载装置，其特征在于：所述提升平台中加工出一个六边形孔并在该孔上焊接有六角螺母，将Z向直杆的螺纹端穿过六边形孔，与六角螺母固定。

所述的滚动直线导轨及滚珠丝杠系统可靠性试验加载装置，其中：提升平台与提升平台连接件间夹角在0至90度范围内变化，包括90度；受力加载平台上侧板和受力加载平台底座间夹角在0至90度范围内变化，包括0度。

滚动直线导轨及滚珠丝杠系统可靠性试验加载装置及其方法，包括如下步骤：

步骤一：选定一个需要进行性能测试的某机床的直线导轨，将直线导轨及滚珠丝杠系统可靠性试验加载装置吊装在待测试直线导轨和待测试滚珠丝杠工作台上并进行固定；

步骤二：调整受力加载平台上侧板和受力加载平台底座间夹角在0至90度范围内变化,固定受力加载平台上侧板导轨滑块，再分别调节X向导轨滑块和Y向导轨滑块,在固定的位置锁紧,然后旋转手轮，调节Z向直杆与受力加载平台间相互作用力,继续旋转直到通过力传感器收集的数据达到预定数值为止。

步骤三：调节受力加载平台侧面液压缸到固定位置，与液压保压系统相连接，启动液压保压系统。

步骤四：启动待测试机床并运行加工程序，开始模拟机床直线进给运动，并真实模拟机床在受力条件下的实际运行状态，进而测试出在当前施加载荷下条件下的机床性能；

步骤五：重新设定调整受力加载平台上侧板和受力加载平台底座间夹角或重新调节X向导轨滑块,Y向导轨滑块的位置或改变手轮旋转角度施加不同载荷，重复步骤二三四及步骤五，完成不同加载方式或加载位置等不同条件下的机床性能测试。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，提供了一种全新的机床性能测试手段，通过全新设计的对于机床进给运动中所涉及的滚动直线导轨及滚珠丝杠系统可靠性试验加载装置，在与待测机床进行配装使用后，能够真实模拟出对机床直线进给运动中直线导轨和滚珠丝杠副的载荷施加，完全不用消耗材料实物和加工刀具，有效降低了机床性能测试成本，在保证机床优良性能的同时还有效降低了机床制造成本。

如果用传统方式即单一方向加载力的方式，会导致液压缸非常长，一般要长于导轨，在有限的可靠性试验条件下，通常无法完成。该发明采用了Y向及Z向载荷加载组件，实现了Y方向和Z方向统一受力，并实现滑动加载的方式，使得液压缸非常短。

附图说明

图1数控机床直线进给系统的机床导轨受力加载装置等总装配图等轴侧视图；

图2数控机床直线进给系统的机床导轨受力加载装置总装配图二维平面图；

图3对作用于受力加载平台上侧板的力分解；

图中，1—手轮，2—上轴承座,3—Z向滚珠丝杠副,4—X向导轨,5—Y向导轨滑块，6—提升平台，7—Z向直杆，8—Y向导轨，9—力传感器，10—受力加载平台上侧板，11—液压缸，12—法兰盘，13—Y向导轨2滑块，14—Y向导轨2，15—受力加载平台底座，16—固定滑块，17—支撑杆，18—受力加载平台上侧板导轨滑块，19—受力加载平台上侧板导轨，20—下轴承座，21—提升平台导轨滑块，22—提升平台导轨，23—提升平台支撑杆，24—提升平台连接件，25—安装平台，26—Z向导轨滑块，27—Z向导轨，28—X向导轨滑块，29—外壳。

具体实施方式

下面结合附图1和附图2和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

滚动直线导轨及滚珠丝杠系统可靠性试验加载装置，包括：X向载荷加载组件、Y向及Z向载荷加载组件；

所述X向载荷加载组件包括：液压缸11、Y向导轨2(图中14)、Y向导轨2滑块13，液压缸11与受力加载平台底座15的侧端相连，液压缸11底面与Y向导轨2滑块13相连，Y向导轨2滑块13与Y向导轨14相连；

所述Y向及Z向载荷加载组件包括：施加载荷机构、受力加载平台；

所述施加载荷机构包括手轮1、外壳29,X向导轨4，X向导轨滑块28，Y向导轨8，Y向导轨滑块5，Z向滚珠丝杠副3，上轴承座2、下轴承座20、提升平台6、提升平台支撑杆23、提升平台连接件24、提升平台导轨22、提升平台导轨滑块21、Z向直杆7、力传感器9；外壳29与X向导轨滑块28相连接，X向导轨滑块28与X向导轨4相连，X向导轨4两端分别与Y向导轨滑块5相连，Y向导轨滑块5与Y向导轨8相连，手轮1通过上轴承座2与Z向滚珠丝杠副3上端相连接，Z向滚珠丝杠副3下端与下轴承座20相连接，Z向滚珠丝杠副3与安装平台25相连接，安装平台25一侧与Z向导轨滑块26和Z向滚珠丝杠副3相连接，安装平台25另一侧与提升平台连接件24相连接，提升平台连接件24与提升平台导轨22相连接，提升平台导轨22与提升平台导轨滑块21相连接，提升平台6一端与提升平台连接件24通过铰链连接，另一端与提升平台支撑杆23相连接，提升平台支撑杆23一端与提升平台6通过铰链连接，另一端与提升平台导轨滑块21相连接，提升平台6与Z向直杆7的一端相连接，Z向直杆7另一端与力传感器9相连接；

所述受力加载平台包括受力加载平台上侧板10、受力加载平台底座15、受力加载平台上侧板导轨19、受力加载平台上侧板导轨滑块18、固定滑块16、支撑杆17，受力加载平台上侧板10与受力加载平台底座15通过铰链连接，受力加载平台上侧板10侧端安装受力加载平台上侧板导轨19，受力加载平台底座15安装有固定滑块16，固定滑块16与支撑杆17一端相连接，支撑杆17另一端与受力加载平台上侧板导轨滑块18相连接，受力加载平台上侧板导轨滑块18与受力加载平台上侧板导轨19相连接。

提升平台6上有垂直于该平台安装的Z向直杆7，该直杆选用型材热轧六角钢，并在一端车出螺纹，在提升平台上加工有一个六边形孔并在该孔上焊接有六角螺母，将热轧型材螺纹端穿过该六边形孔，与提升平台6上螺母相配合保证与提升平台垂直安装。同时热轧六角钢可以与提升平台6上的六边形孔相配合还可以保证Z向直杆7不发生旋转，利于螺母连接的防松。Z向直杆7的另一端安装有一个力传感器9与受力加载平台上侧板10直接相连来实时监测加载在受力加载平台上的力的大小。

提升平台导轨22与提升平台导轨滑块21采用自带锁紧功能；受力加载平台上侧板导轨滑块18与受力加载平台上侧板导轨19采用自带锁紧功能。

受力加载平台底座15的侧端与液压缸11相连，液压缸11底面向Y向导轨2滑块13相连，液压缸11与Y向导轨2的滑块13之间通过法兰盘12由螺栓紧固在一起，Y向导轨2滑块13在导轨中滑动可以带动液压缸11沿Y方向移动，可以和受力加载平台底座15同步移动。

受力加载平台底座15直接安装于待测机床直线进给系统的直线导轨及滚珠丝杠上,在受力加载平台底座15上有螺纹孔,可以通过螺栓连接的方式将受力加载平台固定在待测的机床直线导轨上,受力加载平台底座15底面上加工有凹槽,凹槽平面与待测机床所安装滚珠丝杠相连接。待测机床直线进给运动由待测机床中电机带动滚珠丝杠旋转，滚珠丝杠将旋转运动转变为直线运动，这时待测机床导轨就承担了导向和支撑的作用。在机床直线进给运动系统测试中需要对待测机床导轨和滚珠丝杠共同作用施加载荷来进行可靠性测试，最终得出待测机床的导轨和丝杠的寿命。

提升平台6与提升平台连接件24间夹角在0至90度范围内变化，包括90度；受力加载平台上侧板10和受力加载平台底座15间夹角在0至90度范围内变化，包括0度。

滚动直线导轨及滚珠丝杠系统可靠性试验加载装置，包括对导轨施加X,Y,Z三个方向施加载荷。

1.X方向施加载荷，即水平方向上施加垂直于待测直线导轨的作用力。X方向载荷由受力加载平台底座15侧面液压缸11来直接提供推力。液压缸11通过连接液压阀以及保压系统来提供作用力，液压缸11作用力直接作用于可靠性试验加载装置下钢板上，实现对待测导轨施加X方向载荷，并传递到待测机床导轨，待测机床导轨受到X向压力。

2.Y方向施加载荷，即对待测滚珠丝杠副施加载荷。利用Y向及Z向载荷加载组件，通过旋转手轮1驱动Z向提升装置带动Z向直杆7上下运动来调节压力值。不同的是，这里对可靠性试验加载试验台所施加的压力方向并不是垂直于地面的，而是通过受力加载平台上侧板10和受力加载平台底座15之间形成一定角度，构成一个斜面装置，并在施加一个与斜面垂直的压力，从而产生水平方向，平行于丝杠方向的分力如图3所示，也就是机床直线运动的进给方向相平行的分力来阻碍机床丝杠副的运动，从而达到模拟Y方向施加载荷的作用。

待测试机床直线进给运动沿Y向行进，待测导轨起到导向作用，所以在Y方向不需要对待测导轨施加载荷，机床Y向运动是由滚珠丝杠旋转运动转化为直线运动而得来，由滚珠丝杠进行驱动，所以在Y方向上施加载荷主要作用于滚珠丝杠。将受力加载平台上侧板10和受力加载平台底座15形成一个固定角度。形成一个斜面模型使Z向直杆7垂直于斜面施加载荷，载荷施加机构所提供的正压力进行了垂直于与斜面和平行于斜面的两个方向进行分解，垂直与斜面上的力可分解为Y向力和一个Z向力。Y向力会对直线进给运动产生阻碍，这一分力将作用于滚珠丝杠，而Z向力通过受力加载平台而作用于待测导轨，称为待测导轨的正压力。由于受力加载平台上侧板10和受力加载平台底座15间的夹角可以调节，在Z向直杆7上对受力加载平台施加同样的力这一夹角越大，Y向力越大，在Z向力越小，例如，当夹角达到85度，Z向分力仅为Y向分力1/10，Y向载荷主要作用于丝杠，Z向力对其结果不造成任何影响，所以可以将其忽略。

3.Z方向施加载荷，即对待测导轨施加正压力。当Z向直杆7垂直于地面，Z向直杆7垂直作用于受力加载平台上侧板10，这时受力加载平台上侧板10与受力加载平台底座15相重合，角度零度，施加载荷机构通过Z向直杆7给受力加载平台提供一个正压力，该压力通过受力加载平台传递到待测机床导轨上。当旋转手轮1驱动Z向滚珠丝杠副3运动时，Z向滚珠丝杠副3带动提升平台6运动。通过Z向直杆7一端的力传感器9可以实时监测施加载荷大小。并且由于Z向滚珠丝杠副3具有自锁的功能，直接旋转手轮1到预定载荷即可。通过调节X向导轨滑块18,Y向导轨滑块5可以使整套施加载荷的装置的运行范围在顶端X,Y方向导轨所围成的的平面上，可作用于整个待测机床工作台平面上的任何一点。

在实际测试试验时，可以单独给X方向、Y方向或Z方向施加载荷，也可以给两个方向，例如X方向，Y方向施加载荷，也可以同时给三个方向X方向、Y方向和Z方向施加载荷，实际机床的运动中，待测试的滚动直线导轨受X方向、Z方向的载荷，滚珠丝杠受Y方向的载荷。

本发明滚动直线导轨及滚珠丝杠系统可靠性试验加载装置及其方法，包括如下步骤：

步骤一：选定一个需要进行性能测试的某机床的直线导轨，将直线导轨及滚珠丝杠系统可靠性试验加载装置吊装在待测试直线导轨和待测试滚珠丝杠工作台上并进行固定；

步骤二：调整受力加载平台上侧板10和受力加载平台底座15间夹角在0至90度范围内变化,固定受力加载平台上侧板导轨滑块18，再分别调节X向导轨滑块28和Y向导轨滑块5,在固定的位置锁紧,然后旋转手轮，调节Z向直杆7与受力加载平台间相互作用力,继续旋转直到通过力传感器收集的数据达到预定数值为止。

步骤三：调节受力加载平台侧面液压缸11到固定位置，与液压保压系统相连接，启动液压保压系统。

步骤四：启动待测试机床并运行加工程序，开始模拟机床直线进给运动，并真实模拟机床在受力条件下的实际运行状态，进而测试出在当前施加载荷下条件下的机床性能；

步骤五：重新设定受力加载平台上侧板10和受力加载平台底座15间夹角或重新调节X向导轨滑块28,Y向导轨滑块5的位置或改变手轮1旋转角度施加不同载荷，重复步骤二三四及步骤五，完成不同加载方式或加载位置等不同条件下的机床性能测试。

Claims (5)

1.滚动直线导轨及滚珠丝杠系统可靠性试验加载装置，其特征包括：X向载荷加载组件、Y向及Z向载荷加载组件；

所述X向载荷加载组件包括：液压缸、Y向导轨2、Y向导轨2滑块，液压缸与受力加载平台底座的侧端相连，液压缸底面与Y向导轨2滑块相连，Y向导轨2滑块与Y向导轨相连；

所述Y向及Z向载荷加载组件包括：施加载荷机构、受力加载平台；

所述施加载荷机构包括手轮、外壳、X向导轨、X向导轨滑块、Y向导轨、Y向导轨滑块、Z向滚珠丝杠副、上轴承座、下轴承座、提升平台、提升平台支撑杆、提升平台连接件、提升平台导轨、提升平台导轨滑块、Z向直杆、力传感器；外壳与X向导轨滑块相连接，X向导轨滑块与X向导轨相连，X向导轨两端分别与Y向导轨滑块相连，Y向导轨滑块与Y向导轨相连，手轮通过上轴承座与Z向滚珠丝杠副上端相连接，Z向滚珠丝杠副下端与下轴承座相连接，Z向滚珠丝杠副与安装平台相连接，安装平台一侧与Z向导轨滑块和Z向滚珠丝杠副相连接，安装平台另一侧与提升平台连接件相连接，提升平台连接件与提升平台导轨相连接，提升平台导轨与提升平台导轨滑块相连接，提升平台一端与提升平台连接件通过铰链连接，另一端与提升平台支撑杆相连接，提升平台支撑杆一端与提升平台通过铰链连接，另一端与提升平台导轨滑块相连接，提升平台与Z向直杆的一端相连接，Z向直杆另一端与力传感器相连接；

所述受力加载平台包括受力加载平台上侧板、受力加载平台底座、受力加载平台上侧板导轨、受力加载平台上侧板导轨滑块、固定滑块、支撑杆，受力加载平台上侧板与受力加载平台底座通过铰链连接，受力加载平台上侧板侧端安装受力加载平台上侧板导轨，受力加载平台底座安装有固定滑块，固定滑块与支撑杆一端相连接，支撑杆另一端与受力加载平台上侧板导轨滑块相连接，受力加载平台上侧板导轨滑块与受力加载平台上侧板导轨相连接。

2.根据权利要求1所述的滚动直线导轨及滚珠丝杠系统可靠性试验加载装置，其特征在于：提升平台导轨与提升平台导轨滑块采用自带锁紧功能；受力加载平台上侧板导轨滑块与受力加载平台上侧板导轨采用自带锁紧功能。

3.根据权利要求1所述的滚动直线导轨及滚珠丝杠系统可靠性试验加载装置，其特征在于：所述提升平台中加工出一个六边形孔并在该孔上焊接有六角螺母，将Z向直杆的螺纹端穿过六边形孔，与六角螺母固定。

4.根据权利要求1所述的滚动直线导轨及滚珠丝杠系统可靠性试验加载装置，其特征在于：提升平台与提升平台连接件间夹角在0至90度范围内变化，包括90度；受力加载平台上侧板和受力加载平台底座间夹角在0至90度范围内变化，包括0度。

5.一种滚动直线导轨及滚珠丝杠系统可靠性试验加载方法，基于权利要求1所述的滚动直线导轨及滚珠丝杠系统可靠性试验加载装置实现，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：选定一个需要进行性能测试的某机床的直线导轨，将直线导轨及滚珠丝杠系统可靠性试验加载装置吊装在待测试直线导轨和待测试滚珠丝杠工作台上并进行固定；

步骤二：调整受力加载平台上侧板和受力加载平台底座间夹角在0至90度范围内变化，固定受力加载平台上侧板导轨滑块，再分别调节X向导轨滑块和Y向导轨滑块,在固定的位置锁紧,然后旋转手轮，调节Z向直杆与受力加载平台间相互作用力,继续旋转直到通过力传感器收集的数据达到预定数值为止；

步骤三：调节受力加载平台侧面液压缸到固定位置，与液压保压系统相连接，启动液压保压系统；

步骤四：启动待测试机床并运行加工程序，开始模拟机床直线进给运动，并真实模拟机床在受力条件下的实际运行状态，进而测试出在当前施加载荷下条件下的机床性能；

步骤五：重新设定整受力加载平台上侧板和受力加载平台底座间夹角或重新调节X向导轨滑块,Y向导轨滑块的位置或改变手轮旋转角度施加不同载荷，重复步骤二三四及步骤五，完成不同加载方式或加载位置下的机床性能测试。

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