CN110608873A - 基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置，克服了只针对低转速、切削力较大的电主轴试验，不能模拟出高转速状态下的载荷情况的问题，该装置包括扭矩加载部分、动态切削力加载部分与辅助设备部分；扭矩加载部分包括立式测功机与膜片联轴器；立式测功机安装在辅助设备部分的地平铁上，立式测功机的输出端与膜片联轴器连接，膜片联轴器另一端与加载单元部分的输入轴连接；加载单元部分安装在立式测功机上；1至2套高速电主轴定位安装部分安装在加载单元部分的一侧或两侧，加载单元部分的两端和1至2套高速电主轴定位安装部分连接；动态切削力加载部分安装在加载单元部分前方的地平铁上；辅助设备部分和其它部分采用数据线连接。

Description

基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置

技术领域

本发明涉及一种高速电主轴的可靠性试验装置，更确切的说，本发明涉及 一种基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置。

背景技术

高速电主轴是数控机床的核心功能部件，高速电主轴在促进高速切削技术 发展、简化数控机床结构、降低机床成本等方面都发挥着巨大的作用；高速电 主轴一般应用于数控雕刻机、精密磨床以及高速加工中心等数控装备中，其转 速大多可达18000-54000r/min，其中在个别高端装备中，高速电主轴的转速甚 至高达100000r/min以上；对高速电主轴进行可靠性试验，并有针对性地改善 其薄弱环节，能够极大的提高装备的可靠性水平。

高速电主轴可靠性试验装置主要是按照特定的加载规律对高速电主轴进行 可靠性试验，利用合适的方法模拟出高速电主轴在实际工作环境下所受到的载 荷。目前，国内科研机构对高速电主轴的加载试验主要有测功机扭矩加载、双 主轴对拖扭矩加载、对高速电主轴做轴向和径向的静态加载、电液伺服加载等 方法；上述方法能够针对转速较低且受到切削力较大的高速电主轴进行可靠性 试验，但是由于这些方法的动态加载频率较低，并不能真实地模拟出高速电主 轴在高转速状态下的载荷情况；同时，从经济角度出发，合理的制定试验方案， 节约试验资源，对于高速电主轴可靠性试验装置的普及也起到关键作用。综上 所述，设计一种既能够有效地模拟出高速电主轴在实际工作中的载荷情况，又 能节约试验资源的可靠性试验装置是极其重要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的只能够针对转速较低 且受到切削力较大的电主轴进行可靠性试验，由于这些方法的动态加载频率较 低，并不能真实地模拟出高速电主轴在高转速状态下的载荷情况的问题，提供 了一种基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的基于超 声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置包括1至2套结构相同的高速电主 轴定位安装部分、加载单元部分、扭矩加载部分、动态切削力加载部分与辅助 设备部分；

所述的扭矩加载部分包括立式测功机与膜片联轴器；

所述的辅助设备部分中的地平铁安装在地基上，立式测功机的底端采用螺 栓安装在地平铁上，立式测功机的输出端与膜片联轴器的一端连接，膜片联轴 器的另一端与加载单元部分中的输入轴连接；加载单元部分通过2个结构相同 的加载单元支撑并采用螺栓安装在立式测功机上端的法兰上；1至2套结构相同 的高速电主轴定位安装部分安装在加载单元部分的一侧或两侧，加载单元部分 的模拟刀柄的两端和左右两侧的1至2套结构相同的安装在高速电主轴定位安 装部分中被测的高速电主轴机械连接；动态切削力加载部分通过4个结构相同 的立柱安装在加载单元部分前方的地平铁上；辅助设备部分和1至2套结构相 同的高速电主轴定位安装部分、扭矩加载部分、动态切削力加载部分之间采用 数据线连接。

技术方案中所述的高速电主轴定位安装部分包括高速电主轴安装台与高速 电主轴位置调节机构；所述的高速电主轴位置调节机构包括4个结构相同的第 一滑块、2根结构相同的第一导轨、滚珠丝杠、2个结构相同的轴承座、第一伺 服电机、升降板、第二伺服电机、2个结构相同的滚珠丝杠升降器及第一转轴；

所述的2个结构相同的第一滑轨对称地安装在升降板纵向对称线的两侧， 每根第一导轨上配装2个结构相同的第一滑块；滚珠丝杠通过两个结构相同的 轴承支座安装在升降板的纵向对称线上，第一伺服电机输出端通过刚性联轴器 与滚珠丝杠的一端连接，第一伺服电机采用螺栓安装在升降板的右侧，两个结 构相同的滚珠丝杠升降器沿升降板的纵向对称线安装在升降板的下面，两个结 构相同的滚珠丝杠升降器的顶端和升降板的底端面固定连接，两个结构相同的 滚珠丝杠升降器之间采用第一转轴连接，一侧的滚珠丝杠升降器的输入端采用 刚性联轴器与第二伺服电机的输出端连接，第二伺服电机与两个结构相同的滚 珠丝杠升降器安装在地平铁上，高速电主轴安装台通过其中的主轴定位底板与4个结构相同的第一滑块的顶端螺栓连接，主轴定位底板通过其底端面上的丝杠 螺母支架与滚珠丝杠套装在一起。

技术方案中所述的高速电主轴安装台还包括主轴抱夹与2个结构相同的激 光位移传感器；所述的激光位移传感器采用型号为CL-3000的激光位移传感器； 所述的主轴定位底板为长方形板类结构件，其上均匀地设置有4个用于安装主 轴抱夹的长条形通孔，在4个长条形通孔的外侧设置有4组每组2个用于和4 个结构相同的第一滑块相连接的螺栓通孔；

所述被测的高速电主轴安装在主轴抱夹上的中心通孔内,并采用螺栓插入 主轴抱夹顶端的螺纹孔内固定高速电主轴；主轴抱夹采用螺栓安装在主轴定位 底板上，2个结构相同的激光位移传感器通过自带的磁力吸座固定在主轴抱夹 上，2个结构相同的激光位移传感器之间夹角为90°，2个结构相同的激光位移 传感器的激光头对准高速电主轴的近端。

技术方案中所述的加载单元部分包括第一轴承加载单元、轴承转向器加载 单元、第二轴承加载单元、模拟刀柄与2个结构相同的加载单元支撑；所述的 第一轴承加载单元与第二轴承加载单元分别安装在轴承转向器加载单元的左右 两侧，第一轴承加载单元、轴承转向器加载单元与第二轴承加载单元上的半球 形凹坑在同一侧的外壁上；模拟刀柄插入第一轴承加载单元、轴承转向器加载 单元与第二轴承加载单元中，模拟刀柄的两端从第一轴承加载单元与第二轴承 加载单元的左右端伸出；2个结构相同的加载单元支撑对称安装在第一轴承加载 单元、轴承转向器加载单元与第二轴承加载单元的下方，2个结构相同的加载单 元支撑和第一轴承加载单元、轴承转向器加载单元及第二轴承加载单元的底端面垂直,2个结构相同的加载单元支撑的顶端和第一轴承加载单元、轴承转向器 加载单元及第二轴承加载单元的底端面相接触并固定连接。

技术方案中所述的动态切削力加载部分包括动态切削力位置调整机构与加 载装置安装机构；所述的动态切削力位置调整机构包括直线运动机构与角度调 整机构；所述的直线运动机构包括4个结构相同的立柱、2个结构相同的支撑梁、 2个结构相同的第二滑轨、4个结构相同的第二滑块、安装底座、推杆电动缸与 推杆电动缸支座；

所述的4个结构相同的立柱的底端利用螺栓安装在地平铁的安装面上，4个 结构相同的立柱为左、右各2个并相互平行对称地布置；2个结构相同的支撑梁 的两端分别与左、右2个立柱之间的内柱壁的上端固定连接，2个结构相同的支 撑梁相互平行对正并分别和左、右2个立柱垂直；2个支撑梁的上方平行地分别 安装有1根第二导轨，每根第二导轨上配装有2个结构相同的第二滑块；安装 底座采用螺栓与4个结构相同的第二滑块的顶端相连接；推杆电动缸支座的两 端和右侧的2个结构相同的立柱之间的内壁上端固定连接；推杆电动缸通过脚 座固定安装在推杆电动缸支座上，推杆电动缸垂直于推杆电动缸支座，推杆电 动缸活塞杆的伸出端通过角度调整机构中的连接支座与安装底座相连接；角度 调整机构通过其中的角度调整箱体安装在安装底座上；加载装置安装机构通过 其中的加载装置底座安装在角度调整机构中的盖板上。

技术方案中所述的角度调整机构还包括第三伺服电机、主动齿轮、从动齿 轮轴与内齿轮；所述的连接支座采用焊接方式安装在安装底座的底端面上，连 接支座的右端面与安装底座的右端面共面；推杆电动缸的活塞杆与连接支座采 用销轴连接；第三伺服电机利用轴向法兰盘与安装底座的底端面连接；第三伺 服电机的电机轴插入安装底座上的通孔中，并与主动齿轮采用键连接；角度调 整箱体采用螺栓安装在安装底座的上端面上；从动齿轮轴中的从动齿轮和两侧 的主动齿轮与内齿轮啮合连接；内齿轮利用沉头螺钉安装在角度调整箱体的内 部底面上；从动齿轮轴中的从动轴上端插入安装在角度调整箱体顶端的盖板上 的弧形通槽中并伸出。

技术方案中所述的加载装置安装机构还包括第二转轴、液压缸、拉力传感 器、螺纹杆、超声波振子底座、能量转换器、变幅杆、加载杆、2个结构相同的 第三导轨、2个结构相同的第三滑块与超声波发生装置；所述的液压缸固定安装 在加载装置底座的右端，拉力传感器、螺纹杆安装在液压缸的左侧，拉力传感 器的右端与液压缸中的活塞杆的伸出端螺纹连接，拉力传感器的左端与螺纹杆 的右端螺纹连接，螺纹杆的左端与超声波振子底座中支撑壁上的螺纹孔连接；2 个结构相同的第三导轨固定安装在加载装置底座的左端，2个结构相同的第三导 轨对称地安装在加载装置底座纵向对称线的两侧，2个结构相同的第三滑块安装 在2个结构相同的第三导轨上为滑动连接，超声波振子底座固定安装在2个结 构相同的第三滑块上，能量转换器、变幅杆、加载杆依次由右至左地安装在超 声波振子底座上，能量转换器的右端通过其中的安装支座并采用螺栓安装在超 声波振子底座的右端，能量转换器的左端与变幅杆的右端螺纹连接，变幅杆的 左端与加载杆的右端螺纹连接，超声波发生装置的连接端与能量转换器采用信 号线连接，第二转轴与加载装置底座上的第一个轴承安装孔内的角接触球轴承 过盈装配。

技术方案中所述的辅助设备部分和1至2套结构相同的高速电主轴定位安 装部分、扭矩加载部分、动态切削力加载部分之间采用数据线连接是指：

所述的辅助设备部分包括控制柜、油气润滑装置、水冷却机与液压站；所 述的控制柜包括第一伺服驱动器、第二伺服驱动器、第三伺服驱动器、第四伺 服驱动器、电磁换向阀和A/D数据采集卡；所述的油气润滑装置的油气输出管 与1至2套结构相同的高速电主轴的润滑油接口相连接；所述的水冷却机中的 出水管与进水管分别和1至2套结构相同的高速电主轴的进水接口与出水接口 连接；所述的液压站中电磁换向阀的A口与液压缸的进油接口连接，电磁换向 阀的B口与液压缸的出油接口连接；所述的第一伺服驱动器的CN2接口和电源 接口与第一伺服电机的编码器线和电源线连接；第二伺服驱动器的CN2接口和 电源接口与第二伺服电机的编码器线和电源线连接；第三伺服驱动器的CN2接 口和电源接口与推杆电动缸的编码器线和电源线连接；第四伺服驱动器的CN2 接口和电源接口与第三伺服电机的编码器线和电源线连接；

所述的A/D数据采集卡中的位移信号采集卡与1至2套结构相同的高速电 主轴安装台上的激光位移传感器的通过信号线连接；A/D数据采集卡中的温度信 号采集卡与1至2套结构相同的高速电主轴内部的温度传感器通过信号线连接； A/D数据采集卡中的电流信号采集卡与1至2套结构相同的高速电主轴内部的电 流传感器通过信号线连接；A/D数据采集卡中的拉力信号采集卡与拉力传感器通 过信号线连接。

技术方案中所述的地平铁为矩形板式结构件，其上沿纵向设置有相互平行 的安装其它零部件的T形槽，同时沿地平铁纵向的一侧左右对称地加工有一排 共4个结构相同的用于安装滚珠丝杠升降器下端丝杠部分的通孔；控制柜安装 在地平铁右下侧的地面上；油气润滑装置、水冷却机与液压站安装在地平铁右 侧的地面上；所述的控制柜还包括显示器、输入设备、上位工控机、A/D数据采 集卡、下位可编程控制器PLC；其中：输入设备包括鼠标和键盘；

所述的上位工控机通过VGA接口与显示器连接，上位工控机通过USB接口 与鼠标和键盘连接，上位工控机通过网线接口与A/D数据采集卡进行连接，上 位工控机通过RS485接口与下位可编程控制器PLC进行连接；所述的下位可编 程控制器PLC有5个输出端，分别为Y01、Y02、Y03、Y04和Y05，其中Y01、 Y02、Y03和Y04分别和第一伺服驱动器、第二伺服驱动器、第三伺服驱动器与 第四伺服驱动器的CN1接口连接，Y05与电磁换向阀的线圈端连接；

所述的A/D数据采集卡中包括4个NI系列采集卡，分别为温度信号采集卡、 电流信号采集卡、位移信号采集卡和拉力信号采集卡，每个采集卡有3个接口， 即接口0、接口1和接口2；温度信号采集卡通过信号线与高速电主轴内部的温 度传感器连接，电流信号采集卡通过信号线与高速电主轴内部的电流传感器连 接，位移信号采集卡通过信号线与激光位移传感器连接，拉力信号采集卡通过 信号线与拉力传感器连接，信号线一端为三接头，一端为单接头，三接头端与 采集卡中的接口0、接口1和接口2连接，单接头端和相应传感器连接。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置从经济 角度出发，能够满足两种试验需求，即：对单根高速电主轴进行加载试验和对2 根高速电主轴同步进行加载试验，一定程度上解决了试验装置制造成本昂贵的 问题，合理的利用了试验资源；

2.本发明所述的基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置中的高 速电主轴定位安装部分结构设计简单，极易操作，能够针对任意型号任意尺寸 的高速电主轴进行可靠性加载试验，充分体现了本混合加载的高速电主轴可靠 性试验装置的灵活性和通用性；

3.本发明所述的基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置能够对 高速电主轴进行高频动态切削力加载和扭矩加载。在模拟高速电主轴在实际工 作环境下受到的切削力的同时，充分的考虑到了其高速旋转的特性。最大程度 的模拟了高速电主轴在实际工作中所受到的载荷。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述的基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置结 构组成的俯视图；

图2为本发明所述的基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置中 高速电主轴安装台的轴测投影视图；

图3为本发明所述的基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置中 高速电主轴位置调节机构的轴测投影视图；

图4为本发明所述的基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置中 加载单元部分结构组成的轴测投影视图；

图5为本发明所述的基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置中 加载单元部分结构组成的主视图上的全剖视图；

图6为本发明所述的基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置中 扭矩加载部分结构组成的主视图；

图7为本发明所述的基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置中 动态切削力加载部分直线运动机构结构组成的轴测投影视图；

图8为本发明所述的基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置中 动态切削力加载部分角度调整机构结构组成的轴测投影视图；

图9为本发明所述的基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置中 加载装置安装机构部分结构组成的轴测投影视图；

图10为本发明所述的基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置中 加载装置安装机构结构组成的轴测投影视图；

图11为本发明所述的基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置的 控制原理框图；

图12为本发明所述的基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置的 工作原理框图。

图中：1.地平铁,2.控制柜,3.油气润滑装置,4.水冷却机,5.液压站,6.高速 电主轴安装台,7.高速电主轴位置调节机构,8.高速电主轴,9.主轴抱夹,10.主 轴定位底板,11.激光位移传感器,12.第一滑块,13.第一导轨,14.滚珠丝杠,15. 轴承支座,16.第一伺服电机,17.升降板,18.第二伺服电机,19.滚珠丝杠升降 器,20.第一转轴,21.第一轴承加载单元,22.轴承转向器加载单元,23.第二轴承 加载单元,24.模拟刀柄,25.加载单元支撑,26.立式测功机,27.膜片联轴器,28. 立柱,29.支撑梁,30.第二导轨,31.第二滑块,32.安装底座,33.推杆电动缸,34. 推杆电动缸支座,35.连接支座,36.第三伺服电机,37.角度调整箱体,38.主动齿 轮,39.从动齿轮轴,40.盖板,41.内齿轮,42.加载装置底座,43.第二转轴,44.液 压缸,45.拉力传感器,46.螺纹杆,47.超声波振子底座,48.能量转换器,49.变幅 杆,50.加载杆,51.第三导轨,52.第三滑块,53.超声波发生装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

目前，国内科研机构所设计的电主轴可靠性试验装置只能够针对转速较低 且受到切削力较大的电主轴进行可靠性试验，由于这些方法的动态加载频率较 低，并不能真实地模拟出高速电主轴在高转速状态下的载荷情况。本发明提供 了一种对高速电主轴进行动态切削力加载和扭矩加载的可靠性试验装置,在模 拟高速电主轴在实际工作环境下受到的切削力的同时，充分的考虑到了其高速 旋转的特性；同时，本发明还从经济角度出发，能够满足两种不同的试验需求， 即：对单根高速电主轴进行加载试验和对2根高速电主轴同步进行加载试验， 一定程度上解决了试验装置制造成本昂贵的问题，合理的利用了试验资源。

一种基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置包括1至2套结构 相同的高速电主轴定位安装部分、加载单元部分、扭矩加载部分、动态切削力 加载部分与辅助设备部分。

参阅图1，所述的高速电主轴定位安装部分、加载单元部分、扭矩加载部分 和动态切削力加载部分安装在辅助设备部分中的地平铁1上，地平铁1安装在 地基上，地平铁1上沿纵向加工有1排共4个用于安装滚珠丝杠升降器19下端 的通孔；辅助设备部分中的控制柜2安装在地平铁1右下侧的地面上，辅助设 备部分中的油气润滑装置3、水冷却机4和液压站5安装在地平铁1右侧的地面 上；

所述的扭矩加载部分中的立式测功机26的底端采用螺栓安装在地平铁1的 安装面上，膜片联轴器27的一端与立式测功机26的输出端相连接，膜片联轴 器27的另一端与轴承转向器加载单元22中的输入轴相连接；加载单元部分中 的模拟刀柄24的伸出端和高速电主轴定位安装部分中的高速电主轴8机械连 接；高速电主轴定位安装部分中2个结构相同的滚珠丝杠升降器19通过螺栓安 装在地平铁1的安装面上，滚珠丝杠升降器19下端多余的丝杠部分插入地平铁 1上的通孔内与地基上的盲孔中，该部分可以根据试验需求将高速电主轴定位安 装部分在加载单元部分的两侧对称安装2套；动态切削力加载部分通过其中的4 个结构相同的立柱28并采用螺栓安装在加载单元部分前方的地平铁1的安装面 上，加载装置安装机构中的加载杆50的球形加载头与加载单元部分中的球形凹 坑相接触。

一.高速电主轴定位安装部分

参阅图2与图3，所述的高速电主轴定位安装部分包括高速电主轴安装台6 和高速电主轴位置调节机构7，根据试验需求将1至2套结构相同的高速电主轴 定位安装部分安装在加载单元部分的一侧或对称地安装在加载单元部分的两 侧。

所述的高速电主轴安装台6包括主轴抱夹9、主轴定位底板10与2个结构 相同的激光位移传感器11。

所述的高速电主轴8为被测部件，其内部自带有温度传感器和电流传感器；

所述的主轴抱夹9为特制长方体形结构件，通过铸造与机加工相结合的方 式制造而成，主轴抱夹9的长度与高速电主轴8的长度相同，在其中间设置有 通孔，通孔直径与高速电主轴8的直径相同，其底端面左右两侧设置有长方形 安装板，2个安装板上各加工有3个用于与主轴定位底板10连接的螺栓通孔， 其顶端设置有1个用于固定高速电主轴8的螺纹孔；

所述的主轴定位底板10为长方形板类结构件，其上均匀地设置有4个用于 安装主轴抱夹9的长条形通孔，在4个长条形通孔的外侧设置有4组每组2个 用于和4个结构相同的第一滑块12相连接的螺栓通孔；

所述的激光位移传感器11的型号为CL-3000，其上带有磁力吸座；

所述的高速电主轴8安装在主轴抱夹9上的中心通孔内，定位安装后采用 螺栓插入主轴抱夹9顶端的螺纹孔内固定高速电主轴8；主轴抱夹9通过螺栓安 装在主轴定位底板10上，螺栓与主轴定位底板10上长方形通孔的配合使得主 轴抱夹9在完全定位之前能够在水平方向进行微小的位置调整；2个结构相同的 激光位移传感器11利用磁力吸座分别吸附在主轴抱夹9的侧面和顶端面的中心 位置处，2个结构相同的激光位移传感器11之间呈90°夹角，安装时需要保证 2个结构相同的激光位移传感器11的激光头对准高速电主轴8的输出端；

所述的高速电主轴位置调节机构7包括4个结构相同的第一滑块12、2块 结构相同的第一导轨13、滚珠丝杠14、2个结构相同的轴承支座15、第一伺服 电机16、升降板17、第二伺服电机18、2个结构相同的滚珠丝杠升降器19以 及第一转轴20。

所述的第一滑块12、第一导轨13、滚珠丝杠14和2个结构相同的轴承支 座15组成丝杠导轨副；第一导轨13的横截面为工字形，第一滑块12中间加工 有工字形通槽；

所述的升降板17为长方形板类结构件，沿升降板17纵向的中心处的左侧 设置有安装2个结构相同的轴承支座15的1号螺钉通孔，升降板17纵向的中 心处的右侧设置有安装第一伺服电机16的2号螺钉通孔；在1号螺钉通孔与2 号螺钉通孔的两侧平行对称地设置有安装第一导轨13的3号螺钉孔，升降板17 底面上的纵向中心处设置有安装2个结构相同的滚珠丝杠升降器19的4号螺钉 孔。

所述的滚珠丝杠升降器19为JWB系列，主要包括精密滚珠丝杠副与高精度 蜗轮蜗杆副，其中高精度蜗轮蜗杆副是利用蜗杆驱动蜗轮减速旋转，从而带动 与蜗轮连接在一起的螺母转动，精密滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间放入适量 的滚珠，当螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，丝杠与螺母之间产生滚动摩擦， 从而将螺母的旋转运动变换为丝杠的上下直线运动；滚珠丝杠升降器19的上端 安装有法兰，法兰通过螺栓和升降板17底端面的4号螺栓通孔连接，滚珠丝杠 升降器19的中/下端通过螺栓安装在地平铁1的安装面上，滚珠丝杠升降器19 下端的丝杠部分插入地平铁1上的通孔中与地基上的盲孔内。

所述的升降板17上沿纵向的两侧对称安装有2个结构相同的第一导轨13， 每个第一导轨13上装配2个结构相同的第一滑块12；主轴定位底板10与4个 结构相同的第一滑块12的顶端采用螺栓连接；沿纵向的前后两个轴承支座15 将滚珠丝杠14定位安装在升降板17上，主轴定位底板10通过其底端的丝杠螺 母支架与滚珠丝杠14套装在一起；第一伺服电机16通过刚性联轴器与滚珠丝 杠14的一端连接，第一伺服电机16通过驱动滚珠丝杠14来带动主轴定位底板 10进行直线往复运动；两个结构相同的滚珠丝杠升降器19沿升降板17的纵向 安装在升降板17的下面，两个结构相同的滚珠丝杠升降器19上端的法兰和升 降板17的底端面通过螺栓连接，两个结构相同的滚珠丝杠升降器19之间采用 第一转轴20连接，一侧的滚珠丝杠升降器19的输入端采用刚性联轴器与第二 伺服电机18的输出端连接，第二伺服电机18通过两个滚珠丝杠升降器19将旋 转运动变换为直线运动，带动升降板17在垂直方向移动。

所述的高速电主轴定位安装部分可以根据不同高速电主轴8的尺寸选用合 适的主轴抱夹9；如仅需对单根电主轴进行可靠性试验时，可以将高速电主轴8 安装在任意一侧，为了保证不同直径和长度的高速电主轴8均能够与加载单元 部分中的模拟刀柄24准确连接，可以通过高速电主轴位置调节机构7来调整高 速电主轴8的左右距离和垂直高度，可以通过主轴定位底板10上的长方形通孔 来调整高速电主轴8前后的水平位置。

二.加载单元部分

参阅图4与图5，所述的加载单元部分包括第一轴承加载单元21、轴承转 向器加载单元22、第二轴承加载单元23、模拟刀柄24与2个结构相同的加载 单元支撑25

所述的第一轴承加载单元21和第二轴承加载单元23为结构相同件，均包 括有箱体、一对结构相同的角接触球轴承、定位套、2个结构相同的1号轴承端 盖和2个结构相同的密封圈；

所述的箱体的横截面为矩形，采用铸造的制造工艺，箱体中心处设置有圆 通孔，圆通孔内均安装有一对角接触球轴承与定位套，一对角接触球轴承位于 定位套的两侧，3者之间依次为接触连接；2个轴承端盖安装在箱体的左右两个 端的孔口处，轴承端盖与角接触球轴承之间放置有密封圈；第一轴承加载单元 21及第二轴承加载单元23的箱体同侧外壁上分别加工有半球形凹坑；

所述的轴承转向器加载单元22包括箱体、锥齿轮副、输入轴、定位套、3 对结构相同的角接触球轴承、3个结构相同的2号轴承端盖与3个结构相同的密 封圈；

所述的箱体横截面为T形，采用铸造工艺制成，箱体分为两部分，分别为 锥齿轮副安装箱与输入轴安装箱；所述的锥齿轮副安装箱的中心处设置有3段 式阶梯孔，两端孔的结构尺寸相等，两端孔的孔径小于中间段孔的孔径，锥齿 轮副安装箱的中间段孔安装有一对锥齿轮，传动比为1:1，锥齿轮副安装箱的两 端孔内各安装有一对角接触球轴承；锥齿轮副安装箱左右两端的孔口处分别安 装有轴承端盖，轴承端盖与角接触球轴承之间安装有密封圈；锥齿轮副安装箱 的外壁中心处加工有半球形凹坑，该半球形凹坑和第一轴承加载单元21及第二 轴承加载单元23的箱体同侧外壁上的半球形凹坑结构相同；输入轴安装箱的中 心处设置有中心孔，输入轴安装箱中心孔的上、下端各安装有一个角接触球轴 承，定位套套装在上、下端两个角接触球轴承之间的输入轴上，输入轴上加工 有键槽，输入轴与锥齿轮副中的主动锥齿轮之间采用键连接，输入轴与上、下 端两个角接触球轴承的内轴承环之间为过盈配合；输入轴安装箱的下端的孔口 处安装有2号轴承端盖，2号轴承端盖与角接触球轴承中间放置有密封圈；

参阅图5，所述的模拟刀柄24为5段式直杆阶梯轴，材质为45钢；模拟 刀柄24的左右两端即第一段轴段与第五段轴段的左右两端分别加工有2个环形 槽，2个环形槽结构尺寸满足模拟刀柄24的左右两端能被高速电主轴8中的拉 刀机构夹紧；模拟刀柄24从左至右第一轴段为较长轴段，第二轴段的直径大于 第一轴段直径，第三轴段的直径大于第二轴段直径且长度较短，第四轴段直径 与第二轴段直径相同，其上加工有键槽，第五轴段直径和长度均与第一轴段直 径和长度相同；所述的模拟刀柄24与锥齿轮副安装箱箱体内左右两端安装的2 对角接触球轴承、第一轴承加载单元21和第二轴承加载单元23内部的2对角 接触球轴承的内环采用过盈配合；模拟刀柄24第二轴段的左端面与锥齿轮副安 装箱箱体内左端的角接触球轴承相接触，第三轴段与锥齿轮副安装箱箱体内的 从动锥齿轮左端面相接触，第四轴段与锥齿轮副安装箱箱体内的从动锥齿轮采 用键连接，定位套套装在从动锥齿轮和锥齿轮副安装箱箱体内右端的角接触球 轴承之间的第五轴段上；

所述的加载单元支撑25为板式结构件，采用焊接工艺制造，其纵向截面 近似为“门”字形，数量为2个，加载单元支撑25包括2个支撑板、1个上安 装板和2个下安装板；2个支撑板竖直、平行与对正地放置，上安装板对称地放 置在2个支撑板的顶端并采用焊接方式固定连接，竖直、平行与对正地放置的2 个支撑板的外侧端面和处于顶端的上安装板的外侧端面共面，2个支撑板和上安 装板垂直；2个支撑板底端与2个下安装板的上端面中心处垂直连接，下安装板 沿纵向的两侧加工有螺栓通孔；

所述的第一轴承加载单元21和第二轴承加载单元23分别安装在轴承转向 器加载单元22的左右两侧，第一轴承加载单元21、轴承转向器加载单元22和 第二轴承加载单元23上的半球形凹坑在同一侧的外壁上；模拟刀柄24插入第 一轴承加载单元21、轴承转向器加载单元22与第二轴承加载单元23中，模拟 刀柄24两端的伸出端和左右两侧的高速电主轴8连接；加载单元支撑25对称 地安装在第一轴承加载单元21、轴承转向器加载单元22与第二轴承加载单元 23的下面，加载单元支撑25的上安装板与第一轴承加载单元21、轴承转向器加载单元22及第二轴承加载单元23的底端面相接触并固定连接，加载单元支 撑25的下安装板通过螺栓安装在立式测功机26上端的法兰上，加载单元支撑 25的作用是支撑加载单元部分；

三.扭矩加载部分

参阅图6，所述的扭矩加载部分包括立式测功机26和膜片联轴器27。

所述的立式测功机26的型号为DWL40，其内部自带有转速扭矩传感器；立 式测功机26配套有测功机控制器，测功机控制器的输出端与立式测功机26的 RS232C接口通过信号线连接，并驱动立式测功机26进行扭矩加载，其内部集成 有用于采集转速扭矩信号的数据采集卡，数据采集卡将采集的信号反馈到屏幕 上；

所述的膜片联轴器27采用型号为JMI3的联轴器；

所述的立式测功机26的底端采用螺栓安装在地平铁1的安装面上，膜片联 轴器27的一端与立式测功机26的输出端(顶端)连接，膜片联轴器27的另一 端与轴承转向器加载单元22中的输入轴的下端相连接；测功机控制器利用螺栓 安装在控制柜2的左侧箱体上。

四.动态切削力加载部分

所述的动态切削力加载部分包括动态切削力位置调整机构和加载装置安装 机构。

所述的动态切削力位置调整机构包括直线运动机构与角度调整机构。

参阅图7，所述的直线运动机构包括4个结构相同的立柱28、2个结构相同 的支撑梁29、2根结构相同的第二滑轨30、4个结构相同的第二滑块31、安装 底座32、推杆电动缸33与推杆电动缸支座34；

所述的立柱28包括柱体、安装底座与4结构相同的直角三角形的筋板；

所述的柱体为中空的正方形等横截面的壳体结构件，顶端封闭底端敞开；

所述的安装底座为正方形的板类结构件，安装底座的四角处设置有安装螺 栓的结构相同的螺栓通孔，柱体底部与正方形的安装底座焊接连接，柱体的对 称中心线与正方形的安装底座的对称中心线共线；4结构相同的直角三角形的筋 板采用焊接工艺对称地安装在柱体四壁与安装底座的上表面之间；

所述的支撑梁29为工字形等纵截面的板类结构件，采用焊接工艺制造，其 数量为2个；

所述的1根第二导轨30与2个结构相同的第二滑块31组成了导轨滑块副， 第二导轨30的数量为2个，第二滑块31的数量为4个，组成了2套结构相同 的导轨滑块副；第二导轨30沿径向的横截面为圆形，第二滑块31中间加工有 圆形通孔，第二导轨30直径与第二滑块31上的圆形通孔直径相等；

所述的安装底座32为一矩形板类结构件，安装底座32的四角处分别加工 有一组用于安装第二滑块31的螺栓通孔，每组螺栓通孔的数量为4个，4组螺 钉通孔之中设置有1个安装第三伺服电机36输出轴的通孔；

所述的推杆电动缸33为KHE系列电动缸，其最大行程为1200mm，有效运行 速度为500mm/s；

所述的推杆电动缸支座34为纵截面为工字形的板类结构件，采用焊接工艺 制造而成，推杆电动缸支座34通过两端的安装座并采用螺栓安装在横向布置的 2个结构相同的立柱28之间的内壁上；

所述的4个结构相同的立柱28利用螺栓安装在地平铁1的安装面上，左右 各2个并相互平行对称；2个结构相同的支撑梁29的两端分别与左、右2个立 柱28之间的内柱壁相连接，连接方式为焊接或者螺栓固定，2个结构相同的支 撑梁29和左、右2个立柱28为前、后平行对称分布，2个结构相同的支撑梁 29分别和左、右2个立柱28垂直；前、后平行对称分布的2个支撑梁29的上 方均安装有1个第二导轨30，第二导轨30与支撑梁29为平行安装，每个第二 导轨30上配装有2个第二滑块31；安装底座32采用螺栓与4个结构相同的第 二滑块31的顶端相连接；推杆电动缸支座34两端的安装座和右侧的2个结构 相同的立柱28之间的内壁相连接，连接方式为螺栓固定；推杆电动缸33通过 脚座安装在推杆电动缸支座34上，推杆电动缸33与推杆电动缸支座34之间为 垂直连接，推杆电动缸33的活塞杆通过角度调整机构中的连接支座35与安装 底座32的底端面相连接，通过控制推杆电动缸33的活塞杆的伸缩来驱动安装 底座32进行直线往复运动。

参阅图8，所述的角度调整机构包括连接支座35、第三伺服电机36、角度 调整箱体37、主动齿轮38、从动齿轮轴39、盖板40与内齿轮41。

所述的连接支座35包括1个安装板和2个连接板，安装板为长方形板类结 构件，连接板为半椭圆形板类结构件；所述的2个连接板通过焊接的方式平行 安装在安装板的左右两侧，2个连接板上各加工有1个通孔，2个连接板上的通 孔的回转轴线共线；

所述的角度调整箱体37包括箱体与盖板40；

所述的箱体为壳体式结构件，包括主箱体和2个结构相同的安装板，采用 铸造和焊接方式制造而成；所述的主箱体横截面为长方形，其上端面加工有1 个长方形槽，槽的长和宽小于主箱体的长和宽，底端也开有一个长方形通槽， 槽的长度与主箱体的长度相同，宽度小于主箱体的宽度；2个安装板平行安装在 主箱体底端面的左右两侧，每个安装板上各加工有2个螺栓通孔；

所述的盖板40为长方形板类结构件，盖板40的结构尺寸与主箱体的外形 尺寸相等；盖板40的一侧加工有弧形通槽，另一侧加工有轴承安装孔，轴承安 装孔内装有角接触球轴承；

所述的从动齿轮轴39包括从动齿轮、从动轴；从动齿轮与从动轴是利用热 胀冷缩的原理将从动齿轮加热到200度左右后套装在从动轴上，待冷却后制作 而成，从动齿轮在从动轴的1/3处；

所述的内齿轮41的形状为180度半圆状，其圆心与主动齿轮38和从动齿 轮轴39的圆心在同一位置，其它尺寸应满足能够与主箱体上的长方形槽的下端 内壁和左右两侧内壁相切；

所述的连接支座35采用焊接的方式定位安装在安装底座32的底端面上， 其右端面与安装底座32的右端面共面；推杆电动缸33的活塞杆与连接支座35 采用销轴连接；第三伺服电机36利用轴向法兰盘与安装底座32的底端面连接； 第三伺服电机36的电机轴穿过安装底座32中的通孔，并与主动齿轮38采用键 连接的方式进行配装；角度调整箱体37通过螺栓定位安装在安装底座32的上 端面；从动齿轮轴39中的从动齿轮与主动齿轮38和内齿轮41始终处于啮合连 接状态；内齿轮41利用沉头螺钉定位安装在角度调整箱体37上的长方形槽的 槽底面上，并与主箱体上的长方形槽的下端内壁和左右两侧内壁相切；从动齿轮轴39的从动轴上端插入已安装在角度调整箱体37顶端的盖板40上的弧形通 槽中并伸出。

所述的第三伺服电机36带动主动齿轮38旋转；从动齿轮轴39绕自身轴线 旋转的同时沿着弧形通槽做往复运动。

参阅图9与图10，所述的加载装置安装机构包括加载装置底座42、第二转 轴43、液压缸44、拉力传感器45、螺纹杆46、超声波振子底座47、能量转换 器48、变幅杆49、加载杆50、2个结构相同的第三导轨51、2个结构相同的第 三滑块52与超声波发生装置53。

所述的加载装置底座42为长方形板类结构件，加载装置底座42的右侧沿 纵向对称线设置有2个轴承安装孔，2个轴承安装孔的圆心位于加载装置底座 42的纵向对称线上；加载装置底座42的右侧沿纵向对称线对称地设置有安装液 压缸44的螺栓孔，加载装置底座42的左侧沿纵向对称线对称地设置有安装2 个结构相同的第三导轨51的螺栓通孔；

所述的液压缸44采用HOB系列的的液压缸，液压缸44的最大行程为100mm， 液压缸44一侧的左、右端设置有矩形的安装底座，安装底座的前后端设置有安 装螺栓的螺栓通孔，液压缸44中活塞杆的伸出端加工有安装螺纹；

所述的拉力传感器45采用型号为DYLY-104的传感器，属于S型拉力传感 器；拉力传感器45的左、右端均设置有螺纹孔，螺纹孔的尺寸和螺纹杆46右 端与液压缸44中活塞杆的伸出端上的螺纹结构相等，螺纹杆46、拉力传感器 45与液压缸44之间依次为螺纹连接；

所述的螺纹杆46为直杆类结构件，螺纹杆46的两端设置有螺纹，螺纹杆 46的两端螺纹和拉力传感器45左端的螺纹孔的螺纹与超声波振子底座47支撑 壁上的螺纹孔的螺纹结构相等，超声波振子底座47、螺纹杆46与拉力传感器 45之间依次为螺纹连接；

所述的超声波振子底座47为L形板类结构件，超声波振子底座47由底座 板与支撑壁组成，底座板的一端与支撑壁的一端垂直接触连接，并采用焊接工 艺连成一体；底座板一(右)端加工有用于安装能量转换器48的螺栓通孔，另 一(左)端加工有用于安装变幅杆49的螺栓通孔，中间加工有用于与第三滑块 52连接的螺栓通孔；支撑壁的中心处设置有安装螺纹杆46的螺纹孔；

所述的能量转换器48包括能量转换器主体和安装支座；所述的能量转换器 主体的型号为XSJM2840K，其结构分为两部分，左半部分的形状为一圆台，圆台 左端面直径大于右端面直径，左端面中心处设置有螺纹孔，能量转换器主体的 右半部分的形状为圆柱体；所述的安装支座包括1个半椭圆形定位支座和2个 前后布置的安装板，定位支座上加工有圆形通孔，通孔的直径与能量转换器主 体右半部分圆柱体的直径相同，2个安装板以焊接的方式安装在定位支座底端的 前、后两侧，2个安装板上各加工1个螺栓通孔；

所述的变幅杆49包括变幅杆主体和安装支座，变幅杆主体为JLW系列，材 料为钛合金，其结构分为两部分，左、右两部分的形状均为圆柱体，左半部分 圆柱体直径小于右半部分圆柱体直径，且左半部分的前端面上加工有螺纹孔。 右半部分圆柱体直径与能量转换器主体左半部分的直径相同，且右半部分的右 端面上安装螺纹杆，螺纹杆上的螺纹的结构与能量转换器主体左端面上的螺纹 孔的螺纹结构相同，变幅杆49通过螺纹杆与能量转换器主体上的螺纹孔螺纹连 接；所述的安装支座包括1个半椭圆形定位支座和2个前后布置的安装板，定 位支座上加工有圆形通孔，通孔的直径与变幅杆主体左半部分圆柱体的直径相 同，2个安装板以焊接的方式安装在定位支座底端的前、后两侧，2个安装板上 各加工1个螺栓通孔；

所述的加载杆50为直杆类结构件，加载杆50的右端加工有螺纹，加载杆 的右端螺纹与变幅杆49左半部分的螺纹孔的结构相同，加载杆50与变幅杆49 之间为螺纹连接，加载杆50左端加工有球形加载头，球形加载头的半径与加载 单元部分中的半球形凹坑的半径相等；

所述的第三导轨51和第三滑块52能够配合成导轨滑块副，第三导轨51的 数量为2个，第三滑块52的数量为2个；所述的第三导轨51的横截面为工字 形，第三滑块52中间加工有工字形通槽；

所述的超声波发生装置53的型号为JM-1018；

所述的加载装置底座42中的第一个即处于中间位置的轴承安装孔与盖板40 上的轴承安装孔的回转轴线共线即对正，第一个轴承安装孔内装有角接触球轴 承；第二个轴承安装孔位于加载装置底座42的右端，孔内安装有角接触球轴承； 从动齿轮轴39的从动轴的伸出端与加载装置底座42中右端的角接触球轴承采 用过盈配合；

所述的第二转轴43的两端分别与盖板40中的角接触球轴承和加载装置底 座42中第一个轴承安装孔内的角接触球轴承进行过盈装配；

所述的液压缸44通过螺栓安装在加载装置底座42的右端处；所述拉力传 感器45的两端分别和液压缸44的活塞杆的左端与螺纹杆46的右端连接，连接 方式为螺纹连接；螺纹杆46的左端与超声波振子底座47中支撑壁上的螺纹孔 连接；2个结构相同的第三导轨51对称地安装在加载装置底座42左端的前、后 两侧，或者说，2个结构相同的第三导轨51对称地安装在加载装置底座42纵向 对称线左端的两侧，每个第三导轨51上配装有1个第三滑块52。超声波振子底 座47通过螺栓与安装在第三导轨51上的第三滑块52的顶端固定安装；

所述的能量转换器48中安装支座通过螺栓与超声波振子底座47右端相连 接，能量转换器主体的右端插入安装支座上同直径的通孔中；变幅杆49中的安 装支座通过螺栓与超声波振子底座47左端相连接，变幅杆主体的左端插入安装 支座上同直径的通孔中；能量转换器48中能量转换器主体左半部分的螺纹孔与 变幅杆49中变幅杆主体右半部分的螺纹杆相连接，能量转换器48与变幅杆49 组成超声波振子；加载杆50通过其右端的螺纹与变幅杆49左半部分的螺纹孔 相连接；

所述的超声波发生装置53通过信号线与能量转换器48的接线端相连接； 超声波发生装置53将交流电信号转换成为超声频的电振荡信号，能量转换器48 将超声频的电振荡信号转换为同频的机械振动，之后经过变幅杆49将微小的振 动幅值放大，传递给至加载杆50的球形加载头。

所述的动态切削力加载部分的安装位置需要同时保证：

当加载装置安装机构位于第二导轨30的中心处，且未进行角度调整时，加 载杆50的球形加载头指向加载单元部分的中点位置；当液压缸44未被注油时， 加载杆50的球形加载头与轴承转向器加载单元22加载面的距离为10mm。

所述的动态切削力加载部分可以通过动态切削力位置调整机构和加载装置 安装机构来调整切削力的大小和方向以及动态加载的频率，使其与高速电主轴 在实际工作中所受到的载荷一致。

所述的动态切削力加载部分可以根据2种试验需求选择对不同半球形凹坑 进行加载，即：当对单个高速电主轴8进行可靠性试验时，动态切削力加载部 分对第一轴承加载单元21或第二轴承加载单元23中的半球形凹坑进行加载； 当对2个高速电主轴8同时进行可靠性试验时，动态切削力加载部分对轴承转 向器加载单元22中的半球形凹坑进行加载。

五.辅助设备部分

参阅图1，所述的辅助设备部分包括地平铁1、控制柜2、油气润滑装置3、 水冷却机4与液压站5；

所述的地平铁1安装在地基上，地平铁1为矩形板式结构件，其上沿纵向 设置有相互平行的安装其它零部件的T形槽，同时沿地平铁1纵向的一侧左右 对称地加工有一排共4个结构相同的用于安装滚珠丝杠升降器19下端的通孔；

所述的控制柜2包括显示器、输入设备、上位工控机、A/D数据采集卡、下 位可编程控制器PLC、第一伺服驱动器、第二伺服驱动器、第三伺服驱动器和第 四伺服驱动器；其中：

显示器型号为FKA156，尺寸为15.6英寸；

输入设备为正常的鼠标和键盘；

上位工控机的型号为IPC-2460；

A/D数据采集卡型号cDAQ-9189；

下位可编程控制器PLC为6ES7422系列；

第一伺服驱动器、第二伺服驱动器、第三伺服驱动器和第四伺服驱动器均 为IS620M系列，其中第一伺服驱动器用于驱动第一伺服电机16，第二伺服驱动 器用于驱动第二伺服电机18，第三伺服驱动器用于驱动推杆电动缸33，第四伺 服驱动器用于驱动第三伺服电机36；

所述的油气润滑装置3的型号为YQZ-150K,其公称排量为150ml/min，公称 压力为0.8MPa，油箱容积为1.8L，电机为AV220V/25W；

所述的水冷却机4的型号为MCW-70C-01-3385；其制冷量为7.0kw，输入功 率为3.3kw，额定电流6.9A，制冷剂/充注量为R22/2.0kg，电源为 3PH/AC380V/50HZ；

所述的液压站5需要根据实际情况加工定制，主要由液压泵、驱动电机、 油箱、电磁换向阀等装置组成，其中液压泵额定压力为21MPa，额定流量为 16L/min，油箱容量为50L，电机功率为7.5KW；

控制柜2安装在地平铁1右下侧的地面上；油气润滑装置3、水冷却机4和 液压站5安装在地平铁1右侧的地面上；

所述的油气润滑装置3为高速电主轴8内部的轴承提供油气润滑，油气润 滑装置3的油气输出管与高速电主轴8的润滑油接口相连接；

所述的水冷却机4中的出水管和进水管分别与高速电主轴8的进水接口和 出水接口相连接，冷却水在高速电主轴8的定子外和主轴轴承外循环，从而带 走高速旋转产生的热量；

所述的液压站5中电磁换向阀的A接口和B接口分别与液压缸44的进油接 口和出油接口相连接，电磁换向阀中的P接口和T接口与油箱连接，液压站5 为液压缸44持续供油，以确保液压缸44能够完成伸缩动作；

参阅图11，所述的上位工控机通过VGA接口与显示器连接，上位工控机通 过USB接口与鼠标和键盘连接，上位工控机通过网线接口与A/D数据采集卡进 行连接，上位工控机通过RS485接口与下位可编程控制器PLC进行连接；

所述的下位可编程控制器PLC有5个输出端，分别为Y01、Y02、Y03、Y04 和Y05，其中Y01、Y02、Y03和Y04分别与第一伺服驱动器、第二伺服驱动器、 第三伺服驱动器、第四伺服驱动器的CN1接口连接，Y05与电磁换向阀的线圈端 连接；第一伺服驱动器、第二伺服驱动器、第三伺服驱动器和第四伺服驱动器 的CN2接口和电源接口分别与第一伺服电机16、第二伺服电机18、推杆电动缸 33和第三伺服电机36的编码器线和电源线连接；

所述的A/D数据采集卡中包括4个NI系列采集卡，分别为温度信号采集卡、 电流信号采集卡、位移信号采集卡和拉力信号采集卡，每个采集卡有3个接口， 即接口0、接口1和接口2；温度信号采集卡与高速电主轴8内部的温度传感器 通过信号线连接，电流信号采集卡与高速电主轴8内部的电流传感器通过信号 线连接，位移信号采集卡与激光位移传感器11通过信号线连接，拉力信号采集 卡与拉力传感器通过信号线连接，信号线一端为三接头，一端为单接头，三接 头端与采集卡中的接口0、接口1和接口2连接，单接头端和相应传感器连接。

所述的上位工控机控制界面由VC++编制，上位工控机一方面与A/D数据采 集卡进行通讯，A/D数据采集卡采集高速电主轴8内部的温度传感器和电流传感 器、激光位移传感器11和拉力传感器45的信号，并将各个传感器的信号传入 VC++程序中，另一方面上位工控机通过RS232接口与下位可编程控制器PLC进 行通讯，下位可编程控制器PLC能够完成以下任务：

1.通过第一伺服驱动器驱动第一伺服电机16，实现对高速电主轴8左右距 离的调节；

2.通过第二伺服驱动器驱动第二伺服电机18，实现对高速电主轴8垂直高 度的调节；

3.通过第三伺服驱动器驱动推杆电动缸33，实现对加载装置安装机构左右 位置的调节；

4.通过第四伺服驱动器驱动第三伺服电机36，实现对加载装置安装机构角 度的调节；

5.通过控制液压缸44中电磁换向阀的得电与失电以选择液压缸44的进出 油回路，实现对液压缸44伸缩动作的控制。

参阅图12，所示为基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置的工 作原理框图；

试验前确定高速电主轴8的典型工况，并对其在实际工作中所受载荷的变 化规律进行统计分析。

一、高速电主轴定位安装部分

1.高速电主轴安装台

首先按照要求安装试验装置，确保各部分接线正确，针对不同型号的高速 电主轴8的尺寸定做合适的主轴抱夹9。如需对2根高速电主轴8同时进行可靠 性试验，可以将2根高速电主轴8对称安装在加载单元的两侧，如仅需对单根 高速电主轴8进行可靠性试验时，可以将1根高速电主轴8安装在加载单元的 左侧或右侧。

2.高速电主轴位置调节机构

调整高速电主轴8的位置以确保1根或2根高速电主轴8能够与模拟刀柄 24准确连接，具体的调整方式为：通过调节第一伺服电机16和第二伺服电机 18来调整高速电主轴8的左右距离和垂直高度，通过主轴定位底板10上的长方 形通孔来调整高速电主轴8的前、后的水平位置。

二、加载单元部分

当对单个高速电主轴8进行可靠性试验时，动态切削力加载部分对第一轴 承加载单元21或第二轴承加载单元23中的半球形凹坑进行加载；当对2个高 速电主轴8同时进行可靠性试验时，动态切削力加载部分对轴承转向器加载单 元22中的半球形凹坑进行加载。

三、扭矩加载部分

按照高速电主轴8在实际工作中所受载荷的变化规律，利用测功机控制器 驱动立式测功机26对高速电主轴8进行扭矩加载。

四、动态切削力加载部分

动态切削力加载部分包括动态切削力位置调整机构和加载装置安装机构。

1.动态切削力位置调整机构

按照高速电主轴8在实际工作中所受载荷的变化规律，对切削力的方向进 行调整，具体为：通过控制推杆电动缸33中活塞杆的伸缩来驱动加载装置安装 机构进行直线往复运动；通过第三伺服电机36带动主动齿轮38旋转，主动齿 轮38带动从动齿轮轴39中的从动齿轮旋转，从动齿轮轴39绕自身轴线旋转的 同时沿着弧形通槽做往复运动，从而带动加载装置安装机构进行角度调整。

2.加载装置安装机构

按照高速电主轴8在实际工作中所受载荷的变化规律，对切削力大小和动 态加载频率进行调整，具体为：通过控制加载装置安装机构中的液压缸44来调 整切削力的大小；通过超声波发生装置53将加载频率调整至与高速电主轴8在 实际工作中所受到的载荷一致。

五、辅助设备部分

按照要求对各个部分进行组装和连线，其中油气润滑装置3为高速电主轴8 内部的轴承提供油气润滑；水冷却机4为高速电主轴8提供冷却水；液压站5 为液压缸44供油；

控制柜2中的上位工控机一方面与A/D数据采集卡进行通讯，A/D数据采集 卡采集高速电主轴8内部的温度传感器和电流传感器、激光位移传感器11和拉 力传感器45的信号，并将各个传感器的信号传入VC++程序中，另一方面上位工 控机通过RS485协议与下位可编程控制器PLC进行通讯。

试验前确定所需要检测的性能参数，其次按照要求合理的安装相应的传感 器，并对相关性能参数进行检测。每次试验完毕后，对每种典型工况下的各项 信号数据进行分类整理和储存，如果信号异常，则需要分析产生信号异常突变 的原因以及可能存在的故障，为评估高速电主轴8的可靠性提供基础数据。

Claims (9)

1.一种基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置，其特征在于，所述的基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置包括1至2套结构相同的高速电主轴定位安装部分、加载单元部分、扭矩加载部分、动态切削力加载部分与辅助设备部分；

所述的扭矩加载部分包括立式测功机(26)与膜片联轴器(27)；

所述的辅助设备部分中的地平铁(1)安装在地基上，立式测功机(26)的底端采用螺栓安装在地平铁(1)上，立式测功机(26)的输出端与膜片联轴器(27)的一端连接，膜片联轴器(27)的另一端与加载单元部分中的输入轴连接；加载单元部分通过2个结构相同的加载单元支撑(25)并采用螺栓安装在立式测功机(26)上端的法兰上；1至2套结构相同的高速电主轴定位安装部分安装在加载单元部分的一侧或两侧，加载单元部分的模拟刀柄(24)的两端和左右两侧的1至2套结构相同的安装在高速电主轴定位安装部分中被测的高速电主轴(8)机械连接；动态切削力加载部分通过4个结构相同的立柱(28)安装在加载单元部分前方的地平铁(1)上；辅助设备部分和1至2套结构相同的高速电主轴定位安装部分、扭矩加载部分、动态切削力加载部分之间采用数据线连接。

2.按照权利要求1所述的基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置，其特征在于，所述的高速电主轴定位安装部分包括高速电主轴安装台(6)与高速电主轴位置调节机构(7)；

所述的高速电主轴位置调节机构(7)包括4个结构相同的第一滑块(12)、2根结构相同的第一导轨(13)、滚珠丝杠(14)、2个结构相同的轴承座(15)、第一伺服电机(16)、升降板(17)、第二伺服电机(18)、2个结构相同的滚珠丝杠升降器(19)及第一转轴(20)；

所述的2个结构相同的第一滑轨(13)对称地安装在升降板(17)纵向对称线的两侧，每根第一导轨(13)上配装2个结构相同的第一滑块(12)；滚珠丝杠(14)通过两个结构相同的轴承支座(15)安装在升降板(17)的纵向对称线上，第一伺服电机(16)输出端通过刚性联轴器与滚珠丝杠(14)的一端连接，第一伺服电机(16)采用螺栓安装在升降板(17)的右侧，两个结构相同的滚珠丝杠升降器(19)沿升降板(17)的纵向对称线安装在升降板(17)的下面，两个结构相同的滚珠丝杠升降器(19)的顶端和升降板(17)的底端面转动连接，两个结构相同的滚珠丝杠升降器(19)之间采用第一转轴(20)连接，一侧的滚珠丝杠升降器(19)的输入端采用刚性联轴器与第二伺服电机(18)的输出端连接，第二伺服电机(18)与两个结构相同的滚珠丝杠升降器(19)安装在地平铁(1)上，高速电主轴安装台(6)通过其中的主轴定位底板(10)与4个结构相同的第一滑块(12)的顶端螺栓连接，主轴定位底板(10)通过其底端面上的丝杠螺母支架与滚珠丝杠(14)套装在一起。

3.按照权利要求2所述的基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置，其特征在于，所述的高速电主轴安装台(6)还包括主轴抱夹(9)与2个结构相同的激光位移传感器(11)；

所述的激光位移传感器(11)采用型号为CL-3000的激光位移传感器；

所述的主轴定位底板(10)为长方形板类结构件，其上均匀地设置有4个用于安装主轴抱夹(9)的长条形通孔，在4个长条形通孔的外侧设置有4组每组2个用于和4个结构相同的第一滑块(12)相连接的螺栓通孔；

所述被测的高速电主轴(8)安装在主轴抱夹(9)上的中心通孔内,并采用螺栓插入主轴抱夹(9)顶端的螺纹孔内固定高速电主轴(8)；主轴抱夹(9)采用螺栓安装在主轴定位底板(10)上，2个结构相同的激光位移传感器(11)通过自带的磁力吸座固定在主轴抱夹(9)上，2个结构相同的激光位移传感器(11)之间夹角为90°，2个结构相同的激光位移传感器(11)的激光头对准高速电主轴(8)的近端。

4.按照权利要求1所述的基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置，其特征在于，所述的加载单元部分包括第一轴承加载单元(21)、轴承转向器加载单元(22)、第二轴承加载单元(23)、模拟刀柄(24)与2个结构相同的加载单元支撑(25)；

所述的第一轴承加载单元(21)与第二轴承加载单元(23)分别安装在轴承转向器加载单元(22)的左右两侧，第一轴承加载单元(21)、轴承转向器加载单元(22)与第二轴承加载单元(23)上的半球形凹坑在同一侧的外壁上；模拟刀柄(24)插入第一轴承加载单元(21)、轴承转向器加载单元(22)与第二轴承加载单元(23)中，模拟刀柄(24)的两端从第一轴承加载单元(21)与第二轴承加载单元(23)的左右端伸出；2个结构相同的加载单元支撑(25)对称安装在第一轴承加载单元(21)、轴承转向器加载单元(22)与第二轴承加载单元(23)的下方，2个结构相同的加载单元支撑(25)和第一轴承加载单元(21)、轴承转向器加载单元(22)及第二轴承加载单元(23)的底端面垂直,2个结构相同的加载单元支撑(25)的顶端和第一轴承加载单元(21)、轴承转向器加载单元(22)及第二轴承加载单元(23)的底端面相接触并固定连接。

5.按照权利要求1所述的基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置，其特征在于，所述的动态切削力加载部分包括动态切削力位置调整机构与加载装置安装机构；

所述的动态切削力位置调整机构包括直线运动机构与角度调整机构；

所述的直线运动机构包括4个结构相同的立柱(28)、2个结构相同的支撑梁(29)、2个结构相同的第二滑轨(30)、4个结构相同的第二滑块(31)、安装底座(32)、推杆电动缸(33)与推杆电动缸支座(34)；

所述的4个结构相同的立柱(28)的底端利用螺栓安装在地平铁(1)的安装面上，4个结构相同的立柱(28)为左、右各2个并相互平行对称地布置；2个结构相同的支撑梁(29)的两端分别与左、右2个立柱(28)之间的内柱壁的上端固定连接，2个结构相同的支撑梁(29)相互平行对正并分别和左、右2个立柱(28)垂直；2个支撑梁(29)的上方平行地分别安装有1根第二导轨(30)，每根第二导轨(30)上配装有2个结构相同的第二滑块(31)；安装底座(32)采用螺栓与4个结构相同的第二滑块(31)的顶端相连接；推杆电动缸支座(34)的两端和右侧的2个结构相同的立柱(28)之间的内壁上端固定连接；推杆电动缸(33)通过脚座固定安装在推杆电动缸支座(34)上，推杆电动缸(33)垂直于推杆电动缸支座(34)，推杆电动缸(33)活塞杆的伸出端通过角度调整机构中的连接支座(35)与安装底座(32)相连接；角度调整机构通过其中的角度调整箱体(37)安装在安装底座(32)上；加载装置安装机构通过其中的加载装置底座(42)安装在角度调整机构中的盖板(40)上。

6.按照权利要求5所述的基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置，其特征在于，所述的角度调整机构还包括第三伺服电机(36)、主动齿轮(38)、从动齿轮轴(39)与内齿轮(41)；

所述的连接支座(35)采用焊接方式安装在安装底座(32)的底端面上，连接支座(35)的右端面与安装底座(32)的右端面共面；推杆电动缸(33)的活塞杆与连接支座(35)采用销轴连接；第三伺服电机(36)利用轴向法兰盘与安装底座(32)的底端面连接；第三伺服电机(36)的电机轴插入安装底座(32)上的通孔中，并与主动齿轮(38)采用键连接；角度调整箱体(37)采用螺栓安装在安装底座(32)的上端面上；从动齿轮轴(39)中的从动齿轮和两侧的主动齿轮(38)与内齿轮(41)啮合连接；内齿轮(41)利用沉头螺钉安装在角度调整箱体(37)的内部底面上；从动齿轮轴(39)中的从动轴上端插入安装在角度调整箱体(37)顶端的盖板(40)上的弧形通槽中并伸出。

7.按照权利要求5所述的基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置，其特征在于，所述的加载装置安装机构还包括第二转轴(43)、液压缸(44)、拉力传感器(45)、螺纹杆(46)、超声波振子底座(47)、能量转换器(48)、变幅杆(49)、加载杆(50)、2个结构相同的第三导轨(51)、2个结构相同的第三滑块(52)与超声波发生装置(53)；

所述的液压缸(44)固定安装在加载装置底座(42)的右端，拉力传感器(45)、螺纹杆(46)安装在液压缸(44)的左侧，拉力传感器(45)的右端与液压缸(44)中的活塞杆的伸出端螺纹连接，拉力传感器(45)的左端与螺纹杆(46)的右端螺纹连接，螺纹杆(46)的左端与超声波振子底座(47)中支撑壁上的螺纹孔连接；

2个结构相同的第三导轨(51)固定安装在加载装置底座(42)的左端，2个结构相同的第三导轨(51)对称地安装在加载装置底座(42)纵向对称线的两侧，2个结构相同的第三滑块(52)安装在2个结构相同的第三导轨(51)上为滑动连接，超声波振子底座(47)固定安装在2个结构相同的第三滑块(52)上，能量转换器(48)、变幅杆(49)、加载杆(50)依次由右至左地安装在超声波振子底座(47)上，能量转换器(48)的右端通过其中的安装支座并采用螺栓安装在超声波振子底座(47)的右端，能量转换器(48)的左端与变幅杆(49)的右端螺纹连接，变幅杆(49)的左端与加载杆(50)的右端螺纹连接，超声波发生装置(53)的连接端与能量转换器(48)采用信号线连接，第二转轴(43)与加载装置底座(42)上的第一个轴承安装孔内的角接触球轴承过盈装配。

8.按照权利要求1所述的基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置，其特征在于，所述的辅助设备部分和1至2套结构相同的高速电主轴定位安装部分、扭矩加载部分、动态切削力加载部分之间采用数据线连接是指：

所述的辅助设备部分包括控制柜(2)、油气润滑装置(3)、水冷却机(4)与液压站(5)；

所述的控制柜(2)包括第一伺服驱动器、第二伺服驱动器、第三伺服驱动器、第四伺服驱动器、电磁换向阀和A/D数据采集卡；

所述的油气润滑装置(3)的油气输出管与1至2套结构相同的高速电主轴(8)的润滑油接口相连接；所述的水冷却机(4)中的出水管与进水管分别和1至2套结构相同的高速电主轴(8)的进水接口与出水接口连接；所述的液压站(5)中电磁换向阀的A口与液压缸(44)的进油接口连接，电磁换向阀的B口与液压缸(44)的出油接口连接；

所述的第一伺服驱动器的CN2接口和电源接口与第一伺服电机(16)的编码器线和电源线连接；第二伺服驱动器的CN2接口和电源接口与第二伺服电机(18)的编码器线和电源线连接；第三伺服驱动器的CN2接口和电源接口与推杆电动缸(33)的编码器线和电源线连接；第四伺服驱动器的CN2接口和电源接口与第三伺服电机(36)的编码器线和电源线连接；

所述的A/D数据采集卡中的位移信号采集卡与1至2套结构相同的高速电主轴安装台(6)上的激光位移传感器(11)的通过信号线连接；A/D数据采集卡中的温度信号采集卡与1至2套结构相同的高速电主轴(8)内部的温度传感器通过信号线连接；A/D数据采集卡中的电流信号采集卡与1至2套结构相同的高速电主轴(8)内部的电流传感器通过信号线连接；A/D数据采集卡中的拉力信号采集卡与拉力传感器(45)通过信号线连接。

9.按照权利要求1或8所述的基于超声波振子加载的高速电主轴可靠性试验装置，其特征在于，所述的地平铁(1)为矩形板式结构件，其上沿纵向设置有相互平行的安装其它零部件的T形槽，同时沿地平铁(1)纵向的一侧左右对称地加工有一排共4个结构相同的用于安装滚珠丝杠升降器(19)下端丝杠部分的通孔；

控制柜(2)安装在地平铁(1)右下侧的地面上；油气润滑装置(3)、水冷却机(4)与液压站(5)安装在地平铁(1)右侧的地面上；

所述的控制柜(2)还包括显示器、输入设备、上位工控机、A/D数据采集卡、下位可编程控制器PLC；其中：输入设备包括鼠标和键盘；

所述的上位工控机通过VGA接口与显示器连接，上位工控机通过USB接口与鼠标和键盘连接，上位工控机通过网线接口与A/D数据采集卡进行连接，上位工控机通过RS485接口与下位可编程控制器PLC进行连接；

所述的下位可编程控制器PLC有5个输出端，分别为Y01、Y02、Y03、Y04和Y05，其中Y01、Y02、Y03和Y04分别和第一伺服驱动器、第二伺服驱动器、第三伺服驱动器与第四伺服驱动器的CN1接口连接，Y05与电磁换向阀的线圈端连接；

所述的A/D数据采集卡中包括4个NI系列采集卡，分别为温度信号采集卡、电流信号采集卡、位移信号采集卡和拉力信号采集卡，每个采集卡有3个接口，即接口0、接口1和接口2；温度信号采集卡通过信号线与高速电主轴(8)内部的温度传感器连接，电流信号采集卡通过信号线与高速电主轴(8)内部的电流传感器连接，位移信号采集卡通过信号线与激光位移传感器(11)连接，拉力信号采集卡通过信号线与拉力传感器连接，信号线一端为三接头，一端为单接头，三接头端与采集卡中的接口0、接口1和接口2连接，单接头端和相应传感器连接。