CN111238810A - 基于同步液压缸驱动加载的电主轴可靠性试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于同步液压缸驱动加载的电主轴可靠性试验装置；包括主轴装夹部分、加载单元部分、加载单元支撑部分、主要径向加载部分、轴向加载部分、扭矩加载部分；主轴装夹部分包括传力杆；加载单元部分包括加载单元主体、1号至5号球形凹槽；加载单元支撑部分包括1号加载头；主要径向加载部分包括2号加载头；轴向加载部分包括3号至5号加载头；扭矩加载部分包括液压泵、扭矩传输测试装置；本发明对数控机床主轴可靠性试验中的两种常见主轴都适用，减少了试验成本，具有通用性；本发明在进行轴向、径向和扭矩加载时可以选择顺序、分别和同步加载的形式进行，更贴近主轴实际工况，减少了试验台因为不同加载需要拆装的步骤，节省了时间。

Description

基于同步液压缸驱动加载的电主轴可靠性试验装置

技术领域

本发明涉及一种应用于数控机床主轴可靠性主轴测试系统的加载方式，更确切地说，本发明涉及到一种能够利用液压系统对数控机床主轴可靠性试验台实现轴向、径向和扭矩同步加载的方式，具体涉及一种基于同步液压缸驱动加载的电主轴可靠性试验装置。

背景技术

“数控机床的水平是一个国家机械化、现代化的重要标志，代表一个国家的科学水平、创新能力和综合能力，中国要成为数控机床的生产大国。”源于国家的支持和本身数控机床在机械制造行业中的基础性作用，数控机床的稳定性对国家机械行业的发展具有战略意义。其中，主轴座位数控机床的重要组成部分，其可靠性对数控机床的加工精度和发展有着重要影响。尽管近年来的国产机床在国内市场的占有率有了一定的提高，但是国内的机床产商要么是加工精度和可靠性存在不足，要么就是在像主轴、刀库和刀架等部分采用进口方式来提高产品的质量。因此，切实利用主轴可靠性试验台采集的数据来提高主轴的可靠性能够切实帮助国内的生产厂商根据存在的不足改进生产和装配的工艺，在提高数控机床可靠性的路上取得实质性的进步。

可靠性是指产品在规定条件下和时间内完成规定功能的能力。同样机械产品也需要机械可靠性来增加机械产品的可靠性。当今液压系统被广泛应用于机械的各个分支中，无论是用于大型机械的运动传递，还是在小型机械中的夹紧，都是需要针对液压系统存在的常见问题进行预见和控制的。需要采集主轴的加载数据，要对液压系统进行实时的监测来保证加载的准确性。一旦出现漏油或者堵塞的情况，不仅会造成数据的误差，还有可能对试验台的电路等造成破坏。

无论是加工中心，还是车床的主轴都可以利用理想化的理论模型进行受力分析，都可以将实际工况分解为主轴的轴向、径向和扭矩三个方向的力的加载。

综上所述，除了要在加载部分安装显示加载状况的监测元件，还需要对液压系统的压力等进行实时的监控来确保整个测试系统的稳定和准确。

目前已有的试验装置采用的加载方式大多是只能实现单一加载或者两者加载，少有实现三者同步加载的装置，并且再利用液压加载的时候也没有考虑加载过程中带来的偏心情况，扭矩记载也多使用一定功率的测功机实现扭矩的控制，受到测功机功率的限制，试验台的应用范围也就出现了一定的限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是实现数控机床主轴可靠性试验台更真实可控的加载，利用液压系统在轴向、径向和扭矩加载上既能够实现顺序加载，还能够实现选择性加载。主要包括液压加载部分的安装、系统监测元件的安装和液压加载的控制系统。

本发明根据当今出现的数控机床主轴可靠性试验台的加载方式和监测方式提出的，充分考虑了主轴的实际工作状况，利用同步液压缸和液压马达实现轴向、径向和扭矩的分布或同步加载的方式。

本发明无论是径向加载、轴向加载还有扭矩加载采用的都是液压加载，径向和轴向都使用了同步缸进行加载，确保了加载不会出现偏心，而扭矩的加载也可以同步对液压系统的控制调节扭矩加载的范围，适用范围更广。本发明在借助控制监测系统后不仅监测被加载后的主轴的状况，还会同步显示液压加载系统的真实状况，避免故障发生的同时，还能够帮助缩小误差提供依据。经过这样测试后生产的数控机床主轴一定能够帮助生产商不断提高可靠性的同时，还能够帮助企业增加核心竞争力。

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：

一种基于同步液压缸驱动加载的电主轴可靠性试验装置，包括主轴装夹部分2、加载单元部分3、加载单元支撑部分4、主要径向加载部分5、轴向加载部分6、扭矩加载部分7；

所述主轴装夹部分2包括传力杆207；

所述加载单元部分3包括加载单元主体301、加载单元右端盖309、1号球形凹槽314、2号球形凹槽315、3号球形凹槽316、4号球形凹槽317、5号球形凹槽318；

所述加载单元支撑部分4包括加载单元支架主体401、1号加载头410；

所述主要径向加载部分5包括2号加载头508；

所述轴向加载部分6包括3号加载头604、4号加载头605、5号加载头606；

所述扭矩加载部分7包括液压泵部分7-1；液压泵部分7-1包括液压泵7-101、扭矩传输测试装置7-104；

所述扭矩传输测试装置7-104中的联轴器将液压泵7-101的主轴和传力杆207连接起来；

所述1号球形凹槽314和2号球形凹槽315中心的连线都过加载单元主体301的圆心且互相垂直；

所述加载单元支架主体401最顶端的外圆半径和加载单元主体301的外圆半径配做，

所述2号加载头508和1号球形凹槽314半径配做，1号加载头410和2号球形凹槽315半径配做；3号加载头604、4号加载头605和5号加载头606的半径分别和加载单元右端盖309上的3号球形凹槽316、4号球形凹槽317和5号球形凹槽318半径配做。

技术方案中所述加载单元支撑部分4还包括1号加载杆407、1号传感器408、1号液压缸409；

所述1号加载杆407和1号加载头410通过螺纹连接，1号液压缸409将施加的载荷借助1号加载杆407和1号加载头410组成的结构传递到加载单元主体301上；装有1号传感器408的盒子锁紧于1号加载杆407紧靠1号加载头410处。

技术方案中所述模拟加载部分中的主要径向加载部分5还包括1号加载底座501、2号液压缸505、2号加载杆506、2号传感器507；

所述1号加载底座501通过地脚螺栓固定在地平铁上，2号液压缸505通过螺栓和1号加载底座501连接，2号加载杆506与2号加载头508通过螺纹连接，装有2号传感器507的盒子锁紧于2号加载杆506紧靠2号加载头508处。

技术方案中所述模拟加载部分中的轴向加载部分6还包括2号加载底座601、3号液压缸602、3号传感器607、4号传感器608、5号传感器609、3号加载杆610、4号加载杆611和5号加载杆612；

所述3号液压缸602和2号加载底座601通过螺栓连接；3号液压缸控制3号加载杆610、4号加载杆611和5号加载杆612，这三个加载杆前端都配有相同的加载头，依次是3号加载头604、4号加载头605和5号加载头606；装有3号传感器607的盒子锁紧于3号加载杆610紧靠3号加载头604处，装有4号传感器608的盒子锁紧于4号加载杆611紧靠4号加载头605处，装有5号传感器609的盒子锁紧于5号加载杆612紧靠5号加载头606处。

技术方案中所述扭矩加载部分7还包括油箱部分7-2、液压调压控制部分7-3、工业机器人部分7-4、负载装置部分7-5和配重叠堆7-6；

所述液压泵7-101固定在2号加载底座601上，所述扭矩传输测试装置7-104中设置传感器；

所述液压泵7-101上设有1号出油口7-102和1号回油口7-103；

所述油箱部分7-2包括油箱主体7-201、2号出油口7-202、2号回油口7-203；液压油管将2号出油口7-202和1号回油口7-103连接起来，实现液压泵7-101和油箱主体7-201的连接；

所述液压调压控制部分7-3包括液压控制柜主体7-301、3号出油口7-302、3号回油口7-303、4号出油口7-304、4号回油口7-305、5号出油口7-306、5号回油口7-307、6号出油口7-308、6号回油口7-309；

所述负载装置部分7-5包括负载支架7-501、1号负载液压缸7-502、2号负载液压缸7-503、3号负载液压缸7-504；

所述工业机器人部分7-4在负载支架7-501上设置配重叠堆7-6；

所述液压控制柜主体7-301内部设置控制阀和蓄能器；

3号回油口7-303和1号出油口7-102连接，3号出油口7-302和2号回油口7-203连接；

4号出油口7-304和4号回油口7-305与1号负载液压缸7-502通过油管连接，5号出油口7-306和5号回油口7-307与2号负载液压缸7-503通过油管连接，6号出油口7-308和6号回油口7-309与3号负载液压缸7-504通过油管连接。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明对数控机床主轴可靠性试验中的两种常见主轴都适用，减少了试验成本的同时，更具有通用性。

2.本发明在进行轴向、径向和扭矩加载的时候可以选择顺序、分别和同步加载的形式进行，更贴近主轴实际工况的同时，还可以根据具体的实验要求选择不同的加载方式，减少了试验台因为不同加载需要拆装的步骤，节省了时间，保持了数据采集的一致性。

3.本发明中的扭矩加载采用的一整套液压系统来进行，可以根据实际情况采用齿轮泵、叶片泵甚至是柱塞泵来实现扭矩加载，调节范围更广，在实现扭矩加载可以正反转的同时误差量更小。

4.本发明安装过后只需要更换主轴装夹部分即可完成新的实验数据测定和采集，主轴扭矩过大或者过小的时候通过调节液压系统的泵或者负载即可完成准确的扭矩加载，具有适用范围广，灵活性强，经济性好的优点。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是本发明的总体布局图；

图2a是本发明中主轴装夹部分的示意图一；

图2b是本发明中主轴装夹部分的侧视图；

图3是本发明中主轴装夹部分的示意图二；

图4是本发明中的加载单元部分装配的组合图；

图5是本发明中加载单元部分的示意图一；

图6是本发明中加载单元部分的示意图二；

图7a是本发明中加载单元支撑部分装配组合的主视图；

图7b是是本发明中加载单元支撑部分的侧视图；

图8是本发明中径向加载部分的俯视图；

图9是图8中按照箭头方向看到的局部放大图；

图10是本发明中主要径向加载部分的布局图；

图11是本发明中轴向加载部分的俯视图；

图12是本发明中轴向加载部分的布局图；

图13是本发明中扭距加载部分的布局图；

图14是本发明中液压泵部分的侧视图；

图15a是本发明中液压泵部分的布局视图；

图15b是本发明中液压泵部分的俯视图；

图15c是图15b中按照箭头方向看到的局部放大图；

图16是本发明中油箱部分的布局图；

图17是本发明中油箱部分的的俯视图；

图18是本发明中液压调压控制部分的布局图；

图19是本发明中液压调压控制部分的俯视图；

图20是本发明中扭矩加载部分中的主要油管连接示意图；

图21是本发明中负载装置部分布局图；

图22是本发明中负载装置部分的侧视图；

图23是本发明中主要径向加载部分的液压原理图；

图24是本发明中轴向加载部分的液压原理图；

图25是本发明中负载装置部分的液压原理图；

图26是本发明中整个装置运行的流程图；

图中：1、软件电器控制部分；2、主轴装夹部分；3、加载单元部分；4、主要径向加载部分；5、加载单元支撑部分；6、轴向加载部分；7、扭矩加载部分；

201、1号平衡垫块；202、2号平衡垫块；203、3号平衡垫块；204、4号平衡垫块；205、主轴；206、主轴力传输装置；207、传力杆；

301、加载单元主体；302、1号滚珠轴承；303、2号滚珠轴承；304、加载单元左端盖、305、1号螺栓；306、2号螺栓；307、3号螺栓；308、4号螺栓；309、加载单元右端盖；310、5号螺栓；311、6号螺栓；312、7号螺栓；313、8号螺栓；314、1号球形凹槽；315、2号球形凹槽；316、3号球形凹槽；317、4号球形凹槽；318、5号球形凹槽；

401、加载单元支架主体；402、支架底座；403、9号螺栓；404、10号螺栓；405、11号螺栓；406、12号螺栓；407、1号加载杆；408、1号传感器；409、1号液压缸；410、1号加载头；

501、1号加载底座；502、1号“T”形螺母；503、1号地脚螺栓；504、13号螺栓；505、2号液压缸；506、2号加载杆；507、2号传感器；508、2号加载头；

601、2号加载底座；602、3号液压缸；603、14号螺栓；604、3号加载头；605、4号加载头；606、5号加载头；607、3号传感器；608、4号传感器；609、5号传感器；610、3号加载杆；611、4号加载杆；612、5号加载杆；

7-1、液压泵部分；7-2、油箱部分；7-3、液压调压控制部分；7-4、工业机器人部分；7-5、负载装置部分；7-6、配重叠堆；

7-101、液压泵；7-102、1号出油口；7-103、1号回油口；7-104、扭矩传输测试装置；7-105、2号地脚螺栓；7-106、2号“T”形螺母；

7-201、油箱主体；7-202、2号出油口；7-203、2号回油口；

7-301、液压控制柜主体；7-302、3号出油口；7-303、3号回油口；7-304、4号出油口；7-305、4号回油口；7-306、5号出油口；7-307、5号回油口；7-308、6号出油口；7-309、6号回油口；

7-501、负载支架；7-502、1号负载液压缸；7-503、2号负载液压缸；7-504、3号负载液压缸；

5-1、1号加载缸；5-2、2号加载缸；5-3、3号加载缸；

6-1、4号加载缸；6-2、5号加载缸；6-3、6号加载缸；6-4、7号加载缸；

7-11、8号加载缸；7-12、9号加载缸；7-13、10号加载缸；7-14、11号加载缸。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

本发明是一种模拟数控机床主轴真实加载工况的试验装置，因此可根据功能将装置分为七大部分，如图1中所依次是软件电器控制部分1、主轴装夹部分2、加载单元部分3、加载单元支撑部分4、主要径向加载部分5、轴向加载部分6、扭矩加载部分7，其中加载单元部分3、加载单元支撑部分4和主要径向加载部分5共同组成了径向加载部分。其中，加载单元部分3、加载单元支撑部分4、主要径向加载部分5、轴向加载部分6、扭矩加载部分7共同组成了模拟加载部分。如图13所示，扭矩加载部分7由液压泵部分7-1、油箱部分7-2、液压调压控制部分7-3、工业机器人部分7-4、负载装置部分7-5和配重叠堆7-6组成的。试验装置的冷却方式根据主轴情况可分别选取油冷和液冷方式。

主轴装夹部分2是由1号平衡垫块201、2号平衡垫块202、3号平衡垫块203、4号平衡垫块204、主轴205、主轴力传输装置206、传力杆207组成的。其中主轴力传输装置206需要根据被测试主轴为加工中心的主轴或是车床主轴作出相应的装夹变化。

加载单元部分3包括加载单元主体301、1号滚珠轴承302、2号滚珠轴承303、加载单元左端盖304、1号螺栓305、2号螺栓306、3号螺栓307、4号螺栓308、加载单元右端盖309、5号螺栓310、6号螺栓311、7号螺栓312、8号螺栓313、1号球形凹槽314、2号球形凹槽315、3号球形凹槽316、4号球形凹槽317、5号球形凹槽318组成的。

加载单元主体301的左右两侧内部分别是1号滚珠轴承302和2号滚珠轴承303；加载单元左端盖304和加载单元主体301通过螺栓连接；加载单元右端盖309和加载单元主体301通过螺栓连接。此时在加载单元装配组合体正中间贯穿了一个带有轴肩的传递载荷的，即传力杆207。

想要实现径向加载还需要加载单元支撑部分4来辅助支撑和径向加载，其包括加载单元支架主体401、支架底座402、9号螺栓403、10号螺栓404、11号螺栓405、12号螺栓406、1号加载杆407、1号传感器408、1号液压缸409和1号加载头410。加载单元支架主体401最顶端的外圆半径和加载单元主体301的外圆半径配做，此处的1号加载杆407和1号加载头410组成的结构对接触的加载单元主体301除了起到加载径向力的作用，还可以对加载单元主体301起到支撑作用。

1号加载杆407和1号加载头410组成的结构对所接触的加载单元主体301起到加载径向力和支撑的作用。1号加载杆前端有螺纹孔，1号加载头410上有可以配合的螺纹，直接拧紧即可完成连接。这样的结构就能够保证1号液压缸409将施加的载荷借助1号加载杆407和1号加载头410组成的结构传递到加载单元主体301上。另外主要径向加载部分中的2号加载头508和2号加载杆506也是同样的加载原理。最后根据图23所示的加载原理，就可以完成同步径向加载。1号传感器408建议选用现有的传感器种类加装即可，直接利用传感器外面使用的盒子上的螺栓，将这装有1号传感器408的盒子锁紧于1号加载杆407紧靠1号加载头410处，加载单元支架主体401和传感器盒接触的地方已经预留好了可动的凹槽余量，便于其在1号加载杆407的作用下上下移动。

如图8所示，模拟加载部分中的主要径向加载部分5包括1号加载底座501、1号“T”形螺母502、1号地脚螺栓503、13号螺栓504、2号液压缸505、2号加载杆506、2号传感器507和2号加载头508。

1号加载底座501和地平铁是通过四组相同的1号“T”形螺母502、1号地脚螺栓503固定的。2号液压缸整体是利用6个相同的13号螺栓504和1号加载底座连接在一起的，而主要加载部分如图8和图10所示，是由2号液压缸505、2号加载杆506、2号传感器507和2号加载头508组成的。其中，2号加载杆506最前端有2号加载头508螺程相同的螺孔，直接拧紧即可。2号传感器建议选用现有的传感器加装即可，直接利用盒子上的螺栓，将其锁紧于2号加载杆紧靠2号加载头508处。

如图11所示，模拟加载部分中的轴向加载部分6是由2号加载底座601、3号液压缸602、14号螺栓603、3号加载头604、4号加载头605、5号加载头606、3号传感器607、4号传感器608、5号传感器609、3号加载杆610、4号加载杆611和5号加载杆612组成的。

利用图24所示的原理图完成同步轴向加载。这三个传感器建议选用现有的传感器加装即可，直接利用传感器盒上的螺栓，将这三个传感器分别锁紧于3号加载杆610紧靠3号加载头604处、4号加载杆611紧靠4号加载头605处和5号加载杆612紧靠5号加载头606处。

如图13所示，模拟加载部分中的扭矩加载部分7是由液压泵部分7-1，油箱部分7-2，液压调压控制部分7-3，负载装置部分7-5，工业机器人部分7-4和配重叠堆7-6组成的。其中液压泵部分7-1是由液压泵7-101、扭矩传输测试装置7-104组成的，其中液压泵7-101上有1号出油口7-102和1号回油口7-103。扭矩传输测试装置7-104中必须具备一个联轴器可以将泵的主轴和传力杆207连接起来，扭矩传输测试装置7-104的作用是利用内部的联轴器将液压泵7-101的主轴和传力杆207连接起来；具体内部需要安装哪些传感器则根据具体的试验要求来定。液压调压控制部分7-3需要按照具体的使用要求加装一些控制阀、蓄能器等组件，最终构成一个完整的液压系统。负载装置部分7-5是由负载支架7-501、1号负载液压缸7-502、2号负载液压缸7-503和3号负载液压缸7-504组成的。

常见的扭距加载方式都是借助测功机实现，而本发明借助了一套液压系统来完成。首先是液压泵部分7-1中的液压泵和2号加载底座601是利用四个相同的螺栓来连接的；接着液压负载部分7-5需要一个能够实现升降的承重平台，即负载支架7-501，承重平台下面放置了三个相同的负载有液压缸，利用图25所示的原理图就能完成同步液压支撑。而油箱部分7-2和工业机器人部分7-4则直接使用现有技术即可，液压调压控制部分7-3的作用是保证试验平台的美观，将液压系统需要加装的阀、蓄能器和液压缸等元件隐藏在内。除了工业机器人部分7-4使用独立的驱动设备，剩下的5部分则需要借助液压油管连接起来，主要油口的连接示意图参照图20，剩下负载装置部分7-5中的三个相同的负载液压缸和对应油口一一连接即可，原则就是保证形成一个完整的液压回路。

如图4所示，加载单元主体301的圆周外侧有球心半径10mm的1号球形凹槽314和2号球形凹槽315，两个球形凹槽中心的连线都过加载单元肢体301的圆心且互相垂直。2号加载头508和1号球形凹槽314半径配做，1号加载头410和2号球形凹槽315半径配做；1号加载头410和2号球形凹槽315半径配做。3号加载头604、4号加载头605和5号加载头606的半径分别和加载单元右端盖309上的3号球形凹槽316、4号球形凹槽317和5号球形凹槽318半径配做。

软件电器控制部分1主要包括整个试验装置的电路控制、软件控制和信息的采集和分析处理，这些都是在控制柜里布置的，除此之外试验装置中的润滑部分一般在主轴自身系统内都是自带的，其他则需要根据具体情况自行增减，而冷却部分则需要根据具体的情况选择油冷或者水冷的方式进行。

本发明是一种基于同步液压缸的数控加工中心的主轴可靠性测试装置，其工作原理自然是符合通用的力学分析原理，把主轴真实的工作情况理想化为本发明中的径向、轴向和扭矩的力的加载。

在实验开始之前，需要明确被测试主轴是哪一种主轴来确定采用什么样的装夹方式，目前制造加工行业主要采用的就是数控加工中心的主轴和数控车床的主轴。如果是数控加工中心的主轴，则图2a中的主轴力传输装置206则使用常见的加工中心中的液压拉刀装置进行装夹；如果是数控车床主轴，传力杆207是通过力传输装置206和主轴205连接起来的，而此时的力传输装置206就应该是用三爪卡盘形式将传力杆207和主轴205连接在一起的形式。在此步骤之前，需要完成对中和调高工作，首先利用1号平衡垫块201、2号平衡垫块202、3号平衡垫块203、4号平衡垫块204调节主轴的高度，然后再利用对中仪完成对中工作。

接着进行模拟加载部分的径向加载部分的安装，其是由加载单元支撑部分4和主要径向加载部分5共同完成的。首先，加载单元支架主体401是利用两组“T”形螺母和地脚螺栓与平铁连接起来的。1号液压缸409和加载单元支架主体401则是利用两侧面的1号螺栓403、2号螺栓404、3号螺栓405、4号螺栓406等相同的八个螺栓进行固定的，而1号加载杆407的最顶端有和1号加载头410螺程相同的螺孔，这样1号加载头和1号加载杆组合起来的装置就能够对加载单元主体301实现竖直方向的径向加载，当控制1号加载头的位置刚好顶到加载单元主体301上的2号球形凹槽315的时候还能够实现对加载单元主体301的支撑作用。1号加载头的球半径410和加载单元主体301上的2号球形凹槽315的半径配做，加载单元支架主体401最顶端的弧外圆半径和加载单元主体301外圈半径配做。1号传感器408的类型可以根据实验精度和内容需求进行选配。主要径向加载部分的1号加载底座501和地平铁是通过四组相同的1号“T”形螺母502、1号地脚螺栓503固定的。2号液压缸整体是利用6个相同的13号螺栓504和1号加载底座连接在一起的，而主要径向加载部分如图8和图10所示，是由2号液压缸505、2号加载杆506、2号传感器507和2号加载头508组成的。其中，2号加载杆506最前端有2号加载头508螺程相同的螺孔，直接拧紧即可。2号加载头和2号加载杆506组成的装置可以在控制系统的控制下对加载单元主体301通过2号球形凹槽315进行水平方向的径向力加载，其中必须保证2号加载头508的球半径和加载单元主体301上的1号球形凹槽314的半径相同。试验装置的径向加载是由加载单元支撑部分4和主要径向加载部分共同完成的，其中1号液压缸409和2号液压缸505的加载原理参照图23，其中2号加载缸5-2对应实验装置中的1号液压缸409，3号加载缸5-3对应实验装置中的2号液压缸505。而1号加载缸5-1指的是包含在实验的液压控制部分中的1号总加载缸，不是本发明的关键部分，故未画出，起的作用就是对2号加载缸5-2和3号加载缸5-3进行同时加载。当实验装置中的液压控制系统控制1号加载缸5-1进行加载，同步推动2号加载缸5-2和3号加载缸5-3就能实现同步径向加载。考虑到液压缸的尺寸会对实际加载力产生影响，建议1号液压缸409采用分离式液压缸的形式。

然后进行加载单元部分的安装，如图4所示，加载单元主体301的左右两侧内部分别是1号滚珠轴承302和2号滚珠轴承303。加载单元左端盖304和加载单元主体301是通过1号螺栓305、2号螺栓306、3号螺栓307和4号螺栓308连接在一起的；加载单元右端盖309和加载单元主体301通过5号螺栓310、6号螺栓311、7号螺栓312和8号螺栓313连接在一起的。加载单元右端盖309上还有三个球形凹槽，通过图6可以看到，分别是3号球形凹槽316、4号球形凹槽317和5号球形凹槽318。加载单元主体301的圆周外侧有球心半径都是10mm的1号球形凹槽314和2号球形凹槽315，两个球形凹槽中心的连线都过加载中心圆周的圆心且互相垂直。此时加载单元中间滚贯通一个带有轴肩的加载轴体的传力杆207。

接着按照图11和图12所示进行轴向加载部分的安装，需要注意的是2号加载底座601和扭矩加载的时候共用同一个加载底座，3号液压缸602和2号加载底座601是通过四个相同的14号螺栓603连接起来的。其中3号液压缸代表的是三个相同的液压缸和一个2号总加载缸共同组成的部分，这三个相同的液压缸分别控制着3号加载杆610、4号加载杆611和5号加载杆612。这三个加载杆前端都配有相同的加载头，依次是3号加载头604、4号加载头605和5号加载头606。轴向加载的液压原理如图24所示，3号液压缸602中的总加载缸对应的是图中的4号加载缸6-1，控制3号加载杆的液压缸对应着5号加载缸6-2，控制4号加载杆的液压缸对应着6号加载缸6-3，控制5号液压缸的加载杆对应着7号加载缸6-4。当4号加载缸6-1在液压系统的控制下进行加载的时候，就可以实现5号加载缸6-2、6号加载缸6-3和7号加载缸6-4的同步加载。当轴向加载达不到要求的范围时候，可以将将1号加载缸6-1对应的总加载缸放置在外，通过油管连接。需要注意的是，布置3号液压缸602内部的三个液压缸的时候，保证中间留有如图12中所示的通道，保证传力杆207可以实现扭矩的传递。3号传感器607、4号传感器608、5号传感器609可选择的与温度、震动等类型，需要根据实际情况进行选择。另外根据三点可以确定一个平面，所以采用三点加载的方案。3号加载头604、4号加载头605和5号加载头606的半径分别和加载单元右端盖309上的3号球形凹槽316、4号球形凹槽307和5号球形凹槽318的半径配做。

最后需要安装好扭矩加载装置，此部分装置如图13所示是由液压泵部分7-1，油箱部分7-2，液压调压控制部分7-3，工业机器人部分7-4，负载装置部分7-5，和配重叠堆7-6六大部分组成的。整个扭距加载部分最终形成的是一套可以通过调节负载重量改变系统压力进而改变加载的扭距大小的装置，可以实现大范围的扭距加载调节，适用范围更广。常见的扭距加载都是采用测功机消耗机械能的方式，但是本发明使用的是液压系统中的液压泵去消耗机械能，将消耗的机械能转化为整个液压系统的压力。

首先要根据被实验对象或者实验室的需求选择流量合理的液压泵。液压泵在液压系统中扮演着动力元件的角色，可以把机械能转换为液体的压力能，刚好满足主轴需要的扭矩加载形式。

液压泵按流量是否可调节可分为变量泵和定量泵，输出流量可以根据需要来调节的称为变量泵，流量不能调节的称为定量泵。建议采用变量泵，试验实用性更强，但是重点考虑经济因素的情况下建议采用定量泵。按照液压泵的结构可以分为齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。齿轮泵具有体积较小，结构较简单，对油的清洁度要求不严，价格较便宜的特点，但是泵轴受不平衡力，磨损严重，泄漏较大，当对轴的扭矩加载测试不侧重的时候可以选用此类泵。叶片泵可以分为双作用叶片泵和单作用叶片泵。这种泵流量均匀、运转平稳、噪音小、作压力和容积效率比齿轮泵高，结构比齿轮泵复杂，可以根据实际要求采用此种泵。柱塞泵具有容积效率高，泄漏小的特点，可在高压下工作，大多用于大功率液压系统，是进行主轴可靠性试验推荐选用的液压泵结构；但是其结构复杂，材料和加工精度要求高、价格贵、对油的清洁度要求高，对试验环境和经济具有一定的要求。因此，本发明采用此类的加载方式，使用范围更广，能够满足更多的试验要求。

如图14所示，由于液压泵部分7-1要想实现扭矩的加载要借助扭矩传输测试装置7-104中的联轴器来实现和传力杆207的连接。除此以外，扭距传输测试装置7-104内壁还布置了试验所要求的传感器类型。

液压泵7-101和2号加载底座601需要借助四个螺栓固定，由于每次试验采用的液压泵不同，孔位的定位需要根据具体情况来定，所以图中仅给出简单的四个孔位示意图。2号加载底座601是通过六组相同的2号“T”形螺母7-106和2号地脚螺栓7-105连接起来的，其中扭矩传输测试装置7-104中安装的传感器需要根据具体的试验要求来确定。最终主轴传来的力就可以相当于液压泵站中电动机传来的力，使得液压泵能够完成出油和回油的过程。同时液压泵7-101上有1号出油口7-102和1号回油口7-103。

油箱部分7-2就是由一个油箱主体7-201和几个油口组成，其中液压油管将2号出油口7-202和1号回油口7-103连接起来，实现液压泵7-101和油箱主体7-201的连接。

接着完成液压调压控制部分7-3的安装，其中液压控制柜主体7-301内部要根据需要加装各类控制阀和蓄能器等部件，目的是补充其余的液压功能部件，形成完整的液压回路。其中3号回油口7-303和1号出油口7-102连接，3号出油口7-302和2号回油口7-203连接，管路连接可以参照图20的连管示意图。而4号出油口7-304和4号回油口7-305与1号负载液压缸7-502通过油管连接，5号出油口7-306和5号回油口7-307与2号负载液压缸7-503通过油管连接，6号出油口7-308和6号回油口7-309与3号负载液压缸7-504通过油管连接，要保证能够形成液压回路。

负载装置部分7-5是由一个能够升降的负载支架7-501和1号液压缸7-502、2号液压缸7-503和3号液压缸7-504组成的，如图21和图22所示。同样是因为三点确定一个平面，使用三个液压缸在负载支架7-501的底部完成支撑的功能。加载原理同样采用同步加载的方式，原理图如图25所示，8号加载缸7-11对应液压控制柜主体7-301中需要加装的一个3号总加载缸，9号加载缸7-12对应1号负载液压缸7-502，10号加载缸7-13对应2号负载液压缸7-503，11号加载缸7-14对应3号负载液压缸7-504，当控制系统对8号加载缸7-11对应的3号总加载缸进行作用之后，9号加载缸7-12、10号加载缸7-13和11号加载缸7-14对应的液压缸就完成了同步加载的功能。想要通过改变液压系统压力来改变扭矩的时候除了通过液压调压控制部分7-3中的调压元件来调节，还可以通过工业机器人部分7-4在负载支架7-501上直接增减配重块来实现液压系统压力的大范围压力调节。其中配重叠堆7-6推荐按照1、1、2、5、10、20、30的规格进行叠加的重量规格进行选配，重量单位则根据具体的试验状况进行选择，一般选常用单位规格为千克。选择这样的递增规格可以保证液压负载可以每次增加1千克。工业机器人部分7-4除了可以完成配重块的更换，还可以辅助进行试验台的搭建，工业机器人型号的选择要考虑实验要求和经济性等多方面因素。

一个完整的液压系统包括动力元件，即本发明中的液压泵部分7-1；执行元件，即本发明中的负载装置部分7-5；控制元件，即本发明中的液压调压控制部分7-3中包含的内容；辅助元件，建议根据具体的试验目的直接在液压控制柜主体7-301内加装即可；工作介质，建议使用一般常见的液压油。液压系统常见的执行元件有很多，本发明选择其中最易于实现，并且安全系数较高的直线类活动的液压缸在确保了安全可靠的同时，兼顾了经济性。

最后借助如图1所示中的软件电器控制部分1，可以完成对整体实验装置的控制和数据采集分析，本发明没有将冷却系统标出，实际情况中根据选取的油冷或者水冷的方式假装冷却液箱即可。整体实验装置的运行和分析简化流程图可以借助图26理解，在结束试验关闭试验装置的时候切记先对主轴进行卸载，之后再关闭其他装置即可。

本发明专利所述的目的是帮助该技术领域的技术人员能够理解和应用本发明，提供的是一种优化方案，它的是适用范围也只是市面上常见的数控加工中心和数控车床的主轴可靠性测试，至于范围之外的主轴型号，测试的基本的技术方案不变。故本发明专利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专利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。

本发明的工作原理是建立在全面模拟机床主轴的实际加载工况进行设计的，首先工作中的主轴的受力可以简化为径向、轴向和扭距三种负载，本发明借助液压系统来进行这三种负载的模拟加载,并且可以根基实际工况实现一种或多种的同步加载。最终借助传感器进行温度、振动等数据的监测和采集来进行整体数据的分析，在此基础上对主轴的可靠性提出有针对性的建议。

Claims (5)

1.一种基于同步液压缸驱动加载的电主轴可靠性试验装置，其特征在于：包括主轴装夹部分(2)、加载单元部分(3)、加载单元支撑部分(4)、主要径向加载部分(5)、轴向加载部分(6)、扭矩加载部分(7)；

所述主轴装夹部分(2)包括传力杆(207)；

所述加载单元部分(3)包括加载单元主体(301)、加载单元右端盖(309)、1号球形凹槽(314)、2号球形凹槽(315)、3号球形凹槽(316)、4号球形凹槽(317)、5号球形凹槽(318)；

所述加载单元支撑部分(4)包括加载单元支架主体(401)、1号加载头(410)；

所述主要径向加载部分(5)包括2号加载头(508)；

所述轴向加载部分(6)包括3号加载头(604)、4号加载头(605)、5号加载头(606)；

所述扭矩加载部分(7)包括液压泵部分(7-1)；液压泵部分(7-1)包括液压泵(7-101)、扭矩传输测试装置(7-104)；

所述扭矩传输测试装置(7-104)中的联轴器将液压泵(7-101)的主轴和传力杆(207)连接起来；

所述1号球形凹槽(314)和2号球形凹槽(315)中心的连线都过加载单元主体(301)的圆心且互相垂直；

所述加载单元支架主体(401)最顶端的外圆半径和加载单元主体(301)的外圆半径配做，

所述2号加载头(508)和1号球形凹槽(314)半径配做，1号加载头(410)和2号球形凹槽(315)半径配做；3号加载头(604)、4号加载头(605)和5号加载头(606)的半径分别和加载单元右端盖(309)上的3号球形凹槽(316)、4号球形凹槽(317)和5号球形凹槽(318)半径配做。

2.根据权利要求1所述的一种基于同步液压缸驱动加载的电主轴可靠性试验装置，其特征在于：

所述加载单元支撑部分(4)还包括1号加载杆(407)、1号传感器(408)、1号液压缸(409)；

所述1号加载杆(407)和1号加载头(410)通过螺纹连接，1号液压缸(409)将施加的载荷借助1号加载杆(407)和1号加载头(410)组成的结构传递到加载单元主体(301)上；装有1号传感器(408)的盒子锁紧于1号加载杆(407)紧靠1号加载头(410)处。

3.根据权利要求2所述的一种基于同步液压缸驱动加载的电主轴可靠性试验装置，其特征在于：

所述模拟加载部分中的主要径向加载部分(5)还包括1号加载底座(501)、2号液压缸(505)、2号加载杆(506)、2号传感器(507)；

所述1号加载底座(501)通过地脚螺栓固定在地平铁上，2号液压缸(505)通过螺栓和1号加载底座(501)连接，2号加载杆(506)与2号加载头(508)通过螺纹连接，装有2号传感器(507)的盒子锁紧于2号加载杆(506)紧靠2号加载头(508)处。

4.根据权利要求3所述的一种基于同步液压缸驱动加载的电主轴可靠性试验装置，其特征在于：

所述模拟加载部分中的轴向加载部分(6)还包括2号加载底座(601)、3号液压缸(602)、3号传感器(607)、4号传感器(608)、5号传感器(609)、3号加载杆(610)、4号加载杆(611)和5号加载杆(612)；

所述3号液压缸(602)和2号加载底座(601)通过螺栓连接；3号液压缸控制3号加载杆(610)、4号加载杆(611)和5号加载杆(612)，这三个加载杆前端都配有相同的加载头，依次是3号加载头(604)、4号加载头(605)和5号加载头(606)；装有3号传感器(607)的盒子锁紧于3号加载杆(610)紧靠3号加载头(604)处，装有4号传感器(608)的盒子锁紧于4号加载杆(611)紧靠4号加载头(605)处，装有5号传感器(609)的盒子锁紧于5号加载杆(612)紧靠5号加载头(606)处。

5.根据权利要求4所述的一种基于同步液压缸驱动加载的电主轴可靠性试验装置，其特征在于：

所述扭矩加载部分(7)还包括油箱部分(7-2)、液压调压控制部分(7-3)、工业机器人部分(7-4)、负载装置部分(7-5)和配重叠堆(7-6)；

所述液压泵(7-101)固定在2号加载底座(601)上，所述扭矩传输测试装置(7-104)中设置传感器；

所述液压泵(7-101)上设有1号出油口(7-102)和1号回油口(7-103)；

所述油箱部分(7-2)包括油箱主体(7-201)、2号出油口(7-202)、2号回油口(7-203)；液压油管将2号出油口(7-202)和1号回油口(7-103)连接起来，实现液压泵(7-101)和油箱主体(7-201)的连接；

所述液压调压控制部分(7-3)包括液压控制柜主体(7-301)、3号出油口(7-302)、3号回油口(7-303)、4号出油口(7-304)、4号回油口(7-305)、5号出油口(7-306)、5号回油口(7-307)、6号出油口(7-308)、6号回油口(7-309)；

所述负载装置部分(7-5)包括负载支架(7-501)、1号负载液压缸(7-502)、2号负载液压缸(7-503)、3号负载液压缸(7-504)；

所述工业机器人部分(7-4)在负载支架(7-501)上设置配重叠堆(7-6)；

所述液压控制柜主体(7-301)内部设置控制阀、蓄能器液压元件；

3号回油口(7-303)和1号出油口(7-102)连接，3号出油口(7-302)和2号回油口(7-203)连接；

4号出油口(7-304)和4号回油口(7-305)与1号负载液压缸(7-502)通过油管连接，5号出油口(7-306)和5号回油口(7-307)与2号负载液压缸(7-503)通过油管连接，6号出油口(7-308)和6号回油口(7-309)与3号负载液压缸(7-504)通过油管连接。

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