CN109443763A - 用于机床主轴可靠性的测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于机床主轴可靠性的测试装置及测试方法，该测试装置包括安装于平台上的主轴单元、测试组件和加载组件，主轴单元依次与测试组件和加载组件传动连接，测试组件包括依次电连接的扭矩传感器、信号采集器和具有显示单元的信号处理器，测试组件包括叶轮和喷气单元；扭矩传感器一端与主轴单元同轴传动连接，扭矩传感器另一端与叶轮传动连接，喷气单元能够向叶轮喷射不同压力气体以便调整作用在叶轮上的扭矩进而调整作用于主轴单元的扭矩，上述结构采用高压空气产生的阻转转矩进行模拟扭矩加载，整体结构设计合理、结构简单、负载调节范围大、测试过程操作便捷，所使用的扭矩加载能源环保，实现扭矩加载过程中扭矩、转速和功率的监测。

Description

用于机床主轴可靠性的测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及机械设备可靠性测试技术领域，尤其涉及一种用于机床主轴可靠性的测试装置，本发明还涉及一种用于机床主轴可靠性的测试方法。

背景技术

数控系统和数控机床的可靠性水平，对数控装备运行和使用可靠性及产品竞争力有着至关重要的作用。数控系统可靠性测试根据相关国家标准和规范，结合数控机床实际应用，通过实验测试的方法，来获取能够反映数控系统故障信息、运行状态和可靠性指标等可靠性数据，即在实验室条件下模拟实际工况，对被测系统施加相应负载，实现数控系统实际工况下的模拟加载。

目前，模拟加载方法主要有：负载盘加载、电磁加载和测功机加载等。其中，负载盘加载主要优点是结构简单，安装方便，但负载调节范围小且难以连续稳定加载；电磁加载由磁粉制动器加载，主要优点是转速范围宽，控制方便，制动力矩大，可实现自动化操作等，但容易出现磁饱和及磁滞效应，使得力矩与电流不是严格的线性关系；测功机加载可实现连续平稳、大范围调节加载，具有能量回馈功能，但不能长时间加载，且加载装置的能量主要以热能形式散失。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述存在的至少一个问题，该目的是通过以下技术方案实现的。

本发明提供了一种用于机床主轴可靠性的测试装置，包括安装于平台上的主轴单元、测试组件和加载组件，所述主轴单元依次与所述测试组件和所述加载组件传动连接，所述测试组件包括依次电连接的扭矩传感器、信号采集器和具有显示单元的信号处理器，所述测试组件包括叶轮和喷气单元；所述扭矩传感器的一端与所述主轴单元同轴传动连接，所述扭矩传感器的另一端与所述叶轮传动连接，所述喷气单元能够向所述叶轮喷射不同压力的气体以便调整作用在所述叶轮上的扭矩进而调整作用于所述主轴单元的扭矩。

优选地，所述喷气单元包括支架、喷嘴和空压机，所述支架设置在所述叶轮远离所述主轴单元的一侧，所述支架与所述平台固接，所述支架与所述叶轮间隔设置，所述喷嘴设置在所述支架上，所述喷嘴的喷射方向与所述叶轮的旋转方向垂直，所述喷嘴通过具有阀门的供气管与所述空压机连通。

优选地，所述喷嘴的数量为多个，所述叶轮在所述支架上垂直形成投影，各所述喷嘴均布在所述投影内，各所述喷嘴绕所述叶轮的轴线周向设置。

优选地，所述供气管上设置有调压过滤器。

优选地，所述扭矩传感器的另一端依次通过第一联轴器和加载杆与所述叶轮传动连接，所述第一联轴器的一端与所述扭矩传感器的另一端传动连接，所述第一联轴器的另一端与所述加载杆的一端传动连接，所述加载杆的另一端与所述叶轮固接。

优选地，所述加载杆上套装有带座轴承，所述带座轴承的轴承座与所述平台固接。

优选地，所述扭矩传感器通过支座与所述平台连接。

优选地，所述主轴单元通过第二联轴器与扭矩传感器的一端传动连接。

优选地，所述主轴单元依次电连接有伺服驱动器和控制器，所述控制器控制所述伺服驱动器，以便所述伺服驱动器调整所述主轴单元的转速。

本发明还提供一种用于机床主轴可靠性的测试方法，其通过如上所述的用于机床主轴可靠性的测试装置实施，该方法的步骤如下：

S1：启动主轴单元；

S2：设定主轴单元的转速，将主轴单元保持在固定转速；

S3：启动测试组件和加载组件；

S4：设定加载组件的供气压力；

S5：开启加载组件的阀门，使得高压气体作用在叶轮上；

S6：检测主轴单元的转速和扭矩，并对转速和扭矩进行分析处理，将分析处理的结果进行显示；

S7：调整供气压力，对主轴单元的转速和扭矩进行重复检测，直至测试完毕。

与现有技术相比，本发明所述提供的用于机床主轴可靠性的测试装置及测试方法的有益效果为：

1、采用高压空气进行加载，能源环保，结构简单，容易操作。

2、通过扭矩传感器可实时监测加载扭矩、转速和加载功率。

3、可与数控系统配合实验，更加接近数控系统可靠性测试的实际工况。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明所提供的用于机床主轴可靠性的测试装置的结构示意图；

图2为本发明所述提供的用于机床主轴可靠性的测试装置的第一视角的结构示意图(不包括伺服驱动器、控制器、信号采集器、信号处理器、空压机和调压过滤器)；

图3为图2所示的用于机床主轴可靠性的测试装置的第二视角的结构示意图；

图4为图2所示的用于机床主轴可靠性的测试装置的第三视角的结构示意图；

图5为本发明所提供的用于机床主轴可靠性的测试方法的流程。

附图标记

1为主轴单元；

2为测试组件，21为信号处理器，22为扭矩传感器，221为支座，23为信号采集器；

3为加载组件，31为叶轮，32为喷气单元，321为喷嘴，322为支架，323为空压机，324为调压过滤器；

4为第一联轴器；

5为第二联轴器；

6为伺服驱动器；

7为控制器；

8为平台；

9为加载杆；

10为带座轴承，101为轴承座。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

请参考图1至图5，图1为本发明所提供的用于机床主轴可靠性的测试装置的结构示意图；图2为本发明所述提供的用于机床主轴可靠性的测试装置的第一视角的结构示意图(不包括伺服驱动器、控制器、信号采集器、信号处理器、空压机和调压过滤器)；图3为图2所示的用于机床主轴可靠性的测试装置的第二视角的结构示意图；图4为图2所示的用于机床主轴可靠性的测试装置的第三视角的结构示意图；图5为本发明所提供的用于机床主轴可靠性的测试方法的流程。

在一种具体实施方式中，本发明所提供的用于机床主轴可靠性的测试装置，包括安装于平台8的主轴单元1、测试组件2和加载组件3，所述主轴单元1依次与所述测试组件2和所述加载组件3传动连接，所述测试组件2包括依次电连接的扭矩传感器22、信号采集器23和具有显示单元的信号处理器21，所述测试组件2包括叶轮31和喷气单元32；所述扭矩传感器22的一端与所述主轴单元1同轴传动连接，所述扭矩传感器22的另一端与所述叶轮31传动连接，所述喷气单元32能够向所述叶轮31喷射不同压力的气体以便调整所述叶轮31的轴的扭矩进而调整作用于所述主轴单元1的扭矩。上述结构中，主轴单元1、测试组件2和加载组件3均设置在平台8上，测试组件2设置在加载组件3和主轴单元1之间，测试组件2中的扭矩传感器22的一端与主轴单元1传动连接，扭矩传感器22的另一端与加载组件3传动连接，其中，加载组件3中的叶轮31与扭矩传感器22的另一端传动连接，喷气单元32与叶轮31间隔设置。

在测试过程中，将主轴单元1启动，主轴单元1旋转，主轴单元1驱动叶轮31转动，信号采集器23采集扭矩传感器22所监测到的主轴单元1此时的扭矩和转速，并将扭矩和转速传输至信号处理器21，信号处理器21将扭矩和转速处理后通过显示单元进行实时显示；启动加载组件3，固定喷射单元所喷射气流的气压，喷射单元向叶轮31喷射高压气流，叶轮31受到高压气流的作用转速发生变化，此时，主轴单元1的扭矩和转速同时发生变化，信号采集器23采集扭矩传感器22所监测到的主轴单元1加载后的扭矩和转速，信号处理器21将主轴单元1加载后的扭矩和转速处理后通过显示单元进行实时显示；通过调整喷射单元所喷射气流的气压，使得主轴单元1的扭矩和转速发生变化，从而测试主轴单元1处于不同扭矩加载条件下的扭矩和转速。

上述结构采用高压空气产生的阻转转矩进行模拟扭矩加载，整体结构设计合理、结构简单、负载调节范围大、测试过程操作便捷，所使用的扭矩加载能源环保，能够有效实现扭矩加载过程中扭矩、转速和功率的监测。

需要理解的是，上述主轴单元1通过数控系统控制，通过在数控系统中写入G代码，从而实现主轴单元1的自动启动和停止，能够有效提高检测的效率。同时，上述主轴单元1、测试单元和加载单元需要同轴设置，上述各部件安装在平台8的过程中需要利用百分表或者激光对中仪进行同轴度的调节，并且保证同轴度在0.1mm以内，以保证运行过程中测试装置的动平衡。另外，上述扭矩传感器22与叶轮31同轴设置，从而能够使得扭矩加载均匀，提高检测的精度。

需要指出的是，上述喷气单元32所喷射的为高压气流，为了保证对叶轮31的扭矩加载均匀稳定，需要保证高压气流的压力稳定，因此，喷射单元需要对高压气流进行稳压处理，避免出现压力波动导致的扭矩加载变化，保证测试的精度。同时，上述信号处理器21一般为计算机，在计算机上安装测试软件，将信号采集器23连接计算机的主机，通过测试软件对信号采集器23所采集的扭矩和转速进行读取和分析，并生成测试人员可直观读取的数据和/或图表，从而使得测试人员能够实时快速获得当前测试的数据。

进一步理解的是，所述喷气单元32包括支架322、喷嘴321和空压机323，所述支架322设置在所述叶轮31远离所述主轴单元1的一侧，所述支架322与所述平台8固接，所述支架322与所述叶轮31间隔设置，所述喷嘴321设置在所述支架322上，所述喷嘴321的喷射方向与所述叶轮31的旋转方向垂直，所述喷嘴321通过具有阀门的供气管与所述空压机323连通。将具有喷嘴321的支架322间隔设置在叶轮31远离主轴单元1的一侧，使得喷嘴321的喷射口平行于叶轮31的转动轴线(与叶轮31的旋转方向垂直)。空压机323启动产生高压气流，当需要对主轴单元1进行扭矩加载时，设定高压气流的压力，开启阀门，高压气流经供气管进入喷嘴321，在经过喷嘴321抵达叶轮31上，叶轮31在主轴单元1的带动下进行转动，当高压气流作用在叶轮31上时，根据流体力学的原理可知，高压气流对叶轮31的转动形成了阻力，该阻力即为对主轴单元1的扭矩加载力，通过调整高压气流的压力，使得阻力发生变换，从而实现对主轴单元1实现不同的扭矩加载，进而实现不同工况的有效模拟。

需要指出的是，上述叶轮31上包括有多个扇叶，各扇叶旋转时形成气流的方向与高压气流的喷射方向相反，也就是说通过高压气流的喷射能够实现对叶轮31产生阻力，从而有效实现对主轴单元1的扭矩加载。

进一步地，所述喷嘴321的数量为多个，所述叶轮31在所述支架322上垂直形成投影，各所述喷嘴321均布在所述投影内，各所述喷嘴321绕所述叶轮31的轴线周向设置。通过上述结构，能够使得喷嘴321对叶轮31形成的阻力更加均匀，扭矩加载的效果更佳，避免出现偏载现象，提高测试装置的使用寿命，降低维修更换的成本，同时，使得检测的精度得到提高。

需要理解的是，上述喷嘴321的数量至少为三个，而且各喷嘴321在投影内形成的结构为正多边形的结构，通过该结构能够有效保证各喷嘴321对叶轮31形成的阻力更加均匀，提高主轴单元1的扭矩加载效果，从而提高测试的精度。

进一步地，所述供气管上设置有调压过滤器324。调压过滤器324一方面能够实现对空压机323所输出的高压气流进行调压，从而实现对主轴单元1进行不同扭矩加载，进而改变主轴单元1的扭矩，实现不同工况的有效模拟，另一方面能够对空压机323内产生的高压气流进行有效过滤，避免高压气流中的异物对叶轮31造成的损伤，保证测试装置的使用安全及使用寿命，降低装置的维护成本。

进一步地，所述扭矩传感器22的另一端依次通过第一联轴器4和加载杆9与所述叶轮31传动连接，所述第一联轴器4的一端与所述扭矩传感器22的另一端传动连接，所述第一联轴器4的另一端与所述加载杆9的一端传动连接，所述加载杆9的另一端与所述叶轮31固接。上述扭矩传感器22与叶轮31之间设置有第一联轴器4和加载杆9，扭矩传感器22的输出端依次连接第一联轴器4、加载杆9和叶轮31，通过设置第一联轴器4一方面能够实现各部件成为独立单元，使得维修更换简单便捷，有效降低维修更换的成本，另一方面能够实现两侧所连接部件进行同轴度补偿，从而有效保证测试过程中的动平衡。

需要理解的是，上述加载杆31的另一端与叶轮31同轴设置，通过该种结构能够保证主轴单元1在扭矩加载过程中受力更加均匀，降低装置的损耗，降低装置的维护成本，提高检测的精度。

需要指出的是，上述第一联轴器4为膜片联轴器，该膜片联轴器具有不用润油，结构较紧凑，强度高，使用寿命长，无旋转间隙，不受温度和油污影响，耐酸、耐碱防腐蚀等特点，从而有效提高测试装置的使用寿命，降低维护的成本。

具体理解的是，所述加载杆9上套装有带座轴承10，所述带座轴承10的轴承座101与所述平台8固接。通过上述带座轴承10能够为加载杆9提供有效支撑，避免加载杆9长时间使用产生形变，从而保证测试的精度。

需要指出的是，上述带座轴承10需要与加载杆9、扭矩传感器22、主轴单元1和第一联轴器4保持在同一轴线上，在安装时需要进行同轴度的统一调节，以保证运行过程中测试装置的动平衡。

具体地，所述扭矩传感器22通过支座221与所述平台8连接。通过该结构能够有效保证扭矩传感器22的稳定性，从而提高扭矩及转速检测的精度，进而提高测试装置的精度。

具体地，所述主轴单元1通过第二联轴器5与扭矩传感器22的一端传动连接。通过设置第二联轴器5一方面能够实现各部件成为独立单元，使得维修更换简单便捷，有效降低维修更换的成本，另一方面能够实现两侧所连接部件进行同轴度补偿，从而有效保证测试过程中的动平衡。

需要指出的是，上述第二联轴器5为梅花联轴器，梅花联轴器结构简单、向尺寸小、重量轻、转动惯量小、无需润滑、方便维修、便于检查、免维护，可连续长期运行。同时，工作稳定可靠，具有良好的减振、缓冲和电气绝缘性能。另外，具有较大的轴向、径向和角向补偿能力。

具体地，所述主轴单元1依次电连接有伺服驱动器6和控制器7，所述控制器7控制所述伺服驱动器6，以便所述伺服驱动器6调整所述主轴单元1的转速。上述控制器7具有控制面板，通过控制面板，测试人员将编写好的测试相关的G代码输入，启动后，控制器7向伺服驱动器6发送驱动指令，伺服驱动器6依据驱动指令控制转轴单元的工作，通过上述结构能够实现主轴单元1一侧智能控制，设定测试程序后需要人为操作，降低了测试的强度，提高了测试的效率。

需要理解的是，上述控制器7为PLC，通过向PLC中输入G代码能够实现对主轴单元1的有效控制，从而保证测试过程有序高效进行。

请继续参考图1至图5，本发明还提供本发明还提供一种用于机床主轴可靠性的测试方法，其通过如上所述的用于机床主轴可靠性的测试装置实施，该方法的步骤如下：

S1：启动主轴单元1；

S2：设定主轴单元1的转速，将主轴单元1保持在固定转速；

S3：启动测试组件2和加载组件3；

S4：设定加载组件3的供气压力；

S5：开启加载组件3的阀门，使得高压气体作用在叶轮31上；

S6：检测主轴单元1的转速和扭矩，并对转速和扭矩进行分析处理，将分析处理的结果进行显示；

S7：调整供气压力，对主轴单元1的转速和扭矩进行重复检测，直至测试完毕。

与现有技术相比，本发明所述提供的用于机床主轴可靠性的测试装置及测试方法的有益效果为：

1、采用高压空气进行加载，能源环保，结构简单，容易操作。

2、通过扭矩传感器可实时监测加载扭矩、转速和加载功率。

3、可与数控系统配合实验，更加接近数控系统可靠性测试的实际工况。

应当理解的是，尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一元件、部件、区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于机床主轴可靠性的测试装置，包括安装于平台上的主轴单元、测试组件和加载组件，所述主轴单元依次与所述测试组件和所述加载组件传动连接，其特征在于，所述测试组件包括依次电连接的扭矩传感器、信号采集器和具有显示单元的信号处理器，所述测试组件包括叶轮和喷气单元；

所述扭矩传感器的一端与所述主轴单元同轴传动连接，所述扭矩传感器的另一端与所述叶轮传动连接，所述喷气单元能够向所述叶轮喷射不同压力的气体以便调整作用在所述叶轮上的扭矩进而调整作用于所述主轴单元的扭矩。

2.根据权利要求1所述的用于机床主轴可靠性的测试装置，其特征在于，所述喷气单元包括支架、喷嘴和空压机，所述支架设置在所述叶轮远离所述主轴单元的一侧，所述支架与所述平台固接，所述支架与所述叶轮间隔设置，所述喷嘴设置在所述支架上，所述喷嘴的喷射方向与所述叶轮的旋转方向垂直，所述喷嘴通过具有阀门的供气管与所述空压机连通。

3.根据权利要求2所述的用于机床主轴可靠性的测试装置，其特征在于，所述喷嘴的数量为多个，所述叶轮在所述支架上垂直形成投影，各所述喷嘴均布在所述投影内，各所述喷嘴绕所述叶轮的轴线周向设置。

4.根据权利要求3所述的用于机床主轴可靠性的测试装置，其特征在于，所述供气管上设置有调压过滤器。

5.根据权利要求1所述的用于机床主轴可靠性的测试装置，其特征在于，所述扭矩传感器的另一端依次通过第一联轴器和加载杆与所述叶轮传动连接，所述第一联轴器的一端与所述扭矩传感器的另一端传动连接，所述第一联轴器的另一端与所述加载杆的一端传动连接，所述加载杆的另一端与所述叶轮的轴心固接。

6.根据权利要求5所述的用于机床主轴可靠性的测试装置，其特征在于，所述加载杆上套装有带座轴承，所述带座轴承的轴承座与所述平台固接。

7.根据权利要求5所述的用于机床主轴可靠性的测试装置，其特征在于，所述扭矩传感器通过支座与所述平台连接。

8.根据权利要求1所述的用于机床主轴可靠性的测试装置，其特征在于，所述主轴单元通过第二联轴器与扭矩传感器的一端传动连接。

9.根据权利要求1所述的用于机床主轴可靠性的测试装置，其特征在于，所述主轴单元依次电连接有伺服驱动器和控制器，所述控制器控制所述伺服驱动器，以便所述伺服驱动器调整所述主轴单元的转速。

10.一种用于机床主轴可靠性的测试方法，其通过权利要求1-9任一项所述的用于机床主轴可靠性的测试装置实施，其特征在于，该方法的步骤如下：

S1：启动主轴单元；

S2：设定主轴单元的转速，将主轴单元保持在固定转速；

S3：启动测试组件和加载组件；

S4：设定加载组件的供气压力；

S5：开启加载组件的阀门，使得高压气体作用在叶轮上；

S6：检测主轴单元的转速和扭矩，并对转速和扭矩进行分析处理，将分析处理的结果进行显示；

S7：调整供气压力，对主轴单元的转速和扭矩进行重复检测，直至测试完毕。