CN114235454B - 一种五轴数控机床旋转工作台可靠性试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了五轴数控机床旋转工作台可靠性试验装置及方法，五轴数控机床旋转工作台可靠性试验装置，它包括：旋转工作台底座、旋转工作台、加载装置、升降装置、控制台、液压站、地平铁；旋转工作台固定在旋转工作台底座上；旋转工作台底座驱动旋转工作台Z轴方向上旋转；旋转工作台轴接有转作业摇篮，转作业摇篮轴接在两侧箱体上；其中一侧箱体中设有摇篮驱动电机，摇篮驱动电机驱动转作业摇篮旋转；转作业摇篮上设有加载盘，加载盘顶部设有球形加载部；加载装置包括：压电陶瓷加载杆、保持架、液压缸、第一旋转块、第二旋转块、耳块、加载底座、连接块；它是含有5个自由度的高频力加载装置。还公开了加载试验方法和试验数据分析方法。

Description

一种五轴数控机床旋转工作台可靠性试验装置及方法

技术领域

本发明机床加工中心旋转工作台设备试验技术领域；具体涉及一种五轴数控机床旋转工作台可靠性试验装置及方法。

背景技术

近几年随着装备制造业的快速发展，我国已成为数控加工中心生产及应用的大国，目前国内研发的数控加工中心在精度、速度、大型化和多轴联动方面取得了明显进展。尤其随着近些年我国对于高端数控机床的需求越来越大，五轴数控加工中心作为高端机床的代表地位显著提升。但随着功能的增多，故障隐患增多，先进功能和性能指标不能维持，可靠性问题严重，已经成为企业、用户与销售市场关注的焦点和数控加工中心产业发展的瓶颈。国产五轴数控加工中心可靠性水平偏低的主要原因之一是国产数控加工中心关键功能部件的可靠性水平较低，因此研究开发数控加工中心关键功能部件可靠性试验装置和试验技术具有重要的实际意义。对于五轴数控中心的核心功能部件旋转工作台，其可靠性的好坏对于五轴数控加工中心而言尤为重要，开展旋转工作台的可靠性技术研究愈发重要。

我国的五轴数控加工中心关键功能部件可靠性试验研究起步较晚，目前仅有一些功能简单的可靠性试验装置。目前还没有发现有关于五轴数控加工中心的旋转工作台的可靠性试验装置及方法，研究旋转式托盘交换器的可靠性试验技术迫在眉睫。

发明内容

本发明目的是为了解决上述问题，而提出了一种五轴数控机床旋转工作台可靠性试验装置及方法。

五轴数控机床旋转工作台可靠性试验装置，它包括：旋转工作台底座1、旋转工作台2、加载装置3、升降装置4、控制台6、液压站7、地平铁8；

所述的旋转工作台2固定在旋转工作台底座1上；旋转工作台底座1驱动旋转工作台2Z轴方向上旋转；

所述的旋转工作台2中轴接有转作业摇篮23，转作业摇篮23轴接在两侧箱体上；其中一侧箱体中设有摇篮驱动电机，摇篮驱动电机驱动转作业摇篮23旋转；

所述的转作业摇篮23上设有加载盘22，加载盘22顶部设有球形加载部；

所述的所述的加载装置包括：压电陶瓷加载杆31、保持架32、液压缸33、第一旋转块34、第二旋转块35、耳块36、加载底座37、连接块39；压电陶瓷加载杆31与液压缸33连接；液压缸33设在保持架32中；第一旋转块34设在保持架32的另一端；第一旋转块34与第二旋转块35轴接；第二旋转块35通过耳块36与加载底座37上的环形槽38铰接；加载底座37上设有连接块39，加载底座37通过连接块39与移动升降装置4连接；

所述的加载底座37通过移动升降装置4横向和纵向的移动；

所述的移动升降装置包括：移动平台装置、升降装置；移动平台装置和升降装置均为丝杠副；

所述的移动平台装置包括：移动驱动电机41、水平联轴器42、滑轨座43、水平丝杠44、丝母、滑动装置上座46；滑轨座43中设有滑轨，水平丝杠44和滑轨平行，水平丝杠44轴接在滑轨座43中；丝母设在滑动装置上座46底部；丝母套接在水平丝杠44上；移动驱动电机41通过水平联轴器42与水平丝杠44连接；移动驱动电机41驱动滑动装置上座46在滑轨座43上滑动；

所述的升降装置包括：支撑柱51、垂直丝杠52、锁紧块53、丝杠螺母54、升降装置上端盖盘55、垂直联轴器56、升降驱动电机57、连接固定架58；

所述的支撑柱51设有2根，2根支撑柱51设在垂直丝杠52两边；支撑柱51、垂直丝杠52相互平行；2根支撑柱51底部固定在滑动装置上座46上；2根支撑柱51顶部通过连接固定架58连接；锁紧块53设有2个，2个锁紧块53分别套接在支撑柱51上；垂直丝杠52两端分别轴接在滑动装置上座46、连接固定架58中；升降驱动电机57通过垂直联轴器56与垂直丝杠52连接；

两个锁紧块53、丝杠螺母54与加载底座37上的连接块39连接。

本发明的另一个目的是提供一种五轴数控机床旋转工作台可靠性试验方法。

一种五轴数控机床旋转工作台可靠性试验方法，它包括如下步骤：开启试验台、加载试验、记录实验数据、关闭试验台、数据分析；

S1.开启试验台

开启试验台电源，打开控制台，开启液压站，控制台控制升降装置和加载装置，使加载装置至于非工作位，等待加载试验；所述的试验台为上述的五轴数控机床旋转工作台可靠性试验装置；

S2.加载试验

1）调整加载装置至工作位，控制台发送指令，通过升降装置调整加载装置至工作位；

2）控制台发送指令，液压缸带动压电陶瓷加载杆接触加载球头并加载静态力至压电陶瓷加载杆工作基力；

3）将要施加得动态力程序输入控制台中压电陶瓷加载杆控制软件，所述的动态力加载程序由旋转工作台实际工作时受到的实际工况载荷通过雨流计数等载荷谱编制方法得到；

4）控制台发送指令，加载装置对旋转工作台进行动态力加载；

5）加载试验结束，控制台控制加载装置至非工作位；

6）按照载荷谱更改加载角度，重复上述加载试验流程；

S3.记录实验数据

试验结束后，通过旋转台控制软件记录旋转工作台转位精度，如有故障产生，详细记录故障信息，所述的故障信息包括故障时间、故障部位和故障原因；

S4.关闭试验台

控制台控制升降装置和加载装置，使工加载装置至于非工作位；关闭液压站，关闭控制台，关闭试验台电源；

S5.数据分析

将采集到的精度指标存放入控制台分析软件中，进行长时间多次的可靠性试验后，以时间为横坐标，每次检测装置记录数据为变量代入可靠性模型分析，得到对应的可靠性指标，对对应型号的旋转工作台进行可靠性评价；

对采集到的故障信息进行小样本数据分析，求解其MTBF值，对对应型号的旋转工作台进行可靠性评价。

所述的可靠性模型为退化模型；

所述的退化模型包括：维纳过程、逆高斯过程和/伽马模型。

本发明提供了五轴数控机床旋转工作台可靠性试验装置及方法，五轴数控机床旋转工作台可靠性试验装置，它包括：旋转工作台底座1、旋转工作台2、加载装置3、升降装置4、控制台6、液压站7、地平铁8；

所述的旋转工作台2固定在旋转工作台底座1上；旋转工作台底座1驱动旋转工作台2Z轴方向上旋转；

所述的旋转工作台2中轴接有转作业摇篮23，转作业摇篮23轴接在两侧箱体上；其中一侧箱体中设有摇篮驱动电机，摇篮驱动电机驱动转作业摇篮23旋转；

所述的转作业摇篮23上设有加载盘22，加载盘22顶部设有球形加载部；

所述的所述的加载装置包括：压电陶瓷加载杆31、保持架32、液压缸33、第一旋转块34、第二旋转块35、耳块36、加载底座37、连接块39。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明五轴数控机床旋转工作台可靠性试验装置及方法系统地给出了一套针对与五轴数控加工中心的关键功能部件旋转工作台的可靠性试验装置及方法，填补了在这一领域里的研究空白。

2.本发明所述的旋转式托盘交换器可靠性试验装置，通过升降装置、加载装置和旋转工作台底座搭建了一套含有5个自由度的高频力加载装置，为模拟五轴机床旋转工作台实际工况提供完备的试验装置，本发明所提出的高自由度可靠性试验加载装置不仅能够提供高自由度的动态加载力，同时具有较高的加载精度。

3.本发明所述的五轴数控机床选旋转工作台可靠性试验方法系统的给出了全套针对于旋转工作台的可靠性试验方法，包括试验准备工作、加载试验方法、试验数据分析方法等。使得旋转工作台可靠性试验更加符合实际工况，试验结果对于旋转工作台研发更具有指导意义。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述的五轴数控机床旋转工作台可靠性试验装置总体图的轴测投影图；

图2为本发明所述的五轴数控机床旋转工作台可靠性试验装置的旋转工作台及其底座的轴测投影图；

图3为本发明所述五轴数控机床旋转工作台可靠性试验装置加载装置的爆炸图；

图4本发明所述的所述五轴数控机床旋转工作台可靠性试验装置加载装置的爆炸图的侧视图；

图5本发明所述的所述五轴数控机床旋转工作台可靠性试验装置的升降装置的爆炸图；

图6本发明所述的所述五轴数控机床旋转工作台可靠性试验方法的原理流程图；

图中：旋转工作台底座1，旋转工作台底座上架11，旋转工作台底架12，连接钢板121，旋转驱动电机14，旋转工作台2，旋转工作台左箱体21，加载盘22，转作业摇篮23，旋转工作台底座右箱体24，加载装置3，压电陶瓷加载杆31，保持架32，液压缸33，第一旋转块34，第二旋转块35，耳块36，加载底座37，环形槽38，连接块39，移动升降装置4，移动驱动电机41，水平联轴器42，滑轨座43，水平丝杠44，丝母，滑动装置上座46，支撑柱51，垂直丝杠52，锁紧块53，丝杠螺母54，升降装置上端盖盘55，垂直联轴器56，升降驱动电机57，连接固定架58，控制台6，液压站7，地平铁8。

具体实施方式

实施例1五轴数控机床旋转工作台可靠性试验装置

参见图1至图5所示，五轴数控机床旋转工作台可靠性试验装置，它包括：旋转工作台底座1、旋转工作台2、加载装置3、移动升降装置4、控制台6、液压站7、地平铁8；

所述的旋转工作台底座1包括：旋转工作台底座上架11、旋转工作台底架12、转动副、旋转驱动电机14；

旋转工作台底架12底板设有连接钢板121，连接钢板121为正方形，连接钢板121通过螺栓锁固固定在地平铁8上；

所述的转动副为蜗轮蜗杆结构，蜗轮蜗杆结构设在旋转工作台底架12中；旋转驱动电机14设在旋转工作台底架12旁；旋转驱动电机14与转动副中的蜗杆连接；旋转工作台底座上架11与转动副中的蜗轮连接；旋转驱动电机14驱动转动副在Z轴方向上旋转工作台底座上架11；

所述的旋转工作台2底部通过螺栓锁固在旋转工作台底座上架11上；

所述的旋转工作台2包括：旋转工作台左箱体21、加载盘22、转作业摇篮23、旋转工作台底座右箱体24；

所述的转作业摇篮23两端轴接在旋转工作台左箱体21和旋转工作台底座右箱体24上端；旋转工作台左箱体21中设有摇篮驱动电机；

加载盘22为底部为圆形盘状结构，加载盘22为底部上部为圆柱钢杆，加载盘22顶部设有球形加载部221；加载盘22通过螺栓固定在旋转作业摇篮23的工作圆盘上；摇篮驱动电机驱动旋转作业摇篮23和加载盘22旋转；

所述的加载装置包括：压电陶瓷加载杆31、保持架32、液压缸33、第一旋转块34、第二旋转块35、耳块36、加载底座37、环形槽38、连接块39；

所述的压电陶瓷加载杆31为压电陶瓷加载棒，可以进行50N-1000N高频动态力加载；

所述的压电陶瓷加载杆31和加载盘22上的球形加载部221配合加载，给旋转工作台3提供高频加载力；

所述的保持架32由两矩形钢板和两钢柱组成，起固定压电陶瓷加载杆31作用；压电陶瓷加载杆31与液压缸33连接；

所述的液压缸33为单活塞液压缸，起为加载装置提供静态力作用，主要为压电陶瓷加载杆31提供其工作前的静态力基值作用；

第一旋转块34设在保持架32的另一端；第一旋转块34主体为含有环形槽的两块钢板，一端与液压缸33焊接，另外一端通过环形槽与第二旋转块35通过螺栓连接，同时可通过其上的旋转槽更改加载角度；第二旋转块35为钢结构，一端通过旋转槽与第一旋转块34连接，另外一端通过耳块36与加载底座37连接；耳块36为一对，耳块36通过其上的螺栓孔与加载底座37上的环形槽38连接，并可以通过环形槽38更改加载角度；环形槽38位于加载底座37上，由4个相同的环形槽组成，可进行0°到100°范围内调节；连接块39位于加载底座37另一侧；连接块39由三块开有通孔的钢板组成，用于连接升降装置；

所述的移动升降装置包括：移动平台装置、升降装置；

所述的移动平台装置为水平丝杠副，移动平台装置中的滑动装置上座46通过丝杠副水平移动；

所述的移动平台装置包括：移动驱动电机41、水平联轴器42、滑轨座43、水平丝杠44、丝母、滑动装置上座46；滑轨座43中设有滑轨，水平丝杠44和滑轨平行，水平丝杠44轴接在滑轨座43中；丝母设在滑动装置上座46底部；丝母套接在水平丝杠44上；移动驱动电机41通过水平联轴器42与水平丝杠44连接；移动驱动电机41驱动滑动装置上座46在滑轨座43上滑动；

所述的升降装置为垂直丝杠副，升降装置为加载装置调节加载高度；

所述的升降装置包括：支撑柱51、垂直丝杠52、锁紧块53、丝杠螺母54、升降装置上端盖盘55、垂直联轴器56、升降驱动电机57、连接固定架58；

所述的支撑柱51设有2根，2根支撑柱51设在垂直丝杠52两边；支撑柱51、垂直丝杠52相互平行；2根支撑柱51底部固定在滑动装置上座46上；2根支撑柱51顶部通过连接固定架58连接；锁紧块53设有2个，2个锁紧块53分别套接在支撑柱51上；垂直丝杠52两端分别轴接在滑动装置上座46、连接固定架58中；升降驱动电机57通过垂直联轴器56与垂直丝杠52连接；

2个锁紧块53、丝杠螺母54与加载底座37上的连接块39连接；

实施例2五轴数控机床旋转工作台可靠性试验方法

参见图1至图6所示，一种五轴数控机床旋转工作台可靠性试验方法，包含如下步骤：试验前准备工作、开启试验台、加载试验、记录实验数据、关闭试验台、数据分析；

1.试验前准备工作

1）检查液压站液压是否在正常压力位，若不在进行相应调整。

2）检查液压缸工作情况是否正常。

3）检查压电陶瓷工作情况是否正常。

4）检查检测机构是否正常工作。

5）检查电机工作是否正常。

6）根据加载需求，调整加载装置加载角度。

7）确保试验环境否和试验条件。

2.开启试验台

开启试验台电源，打开控制台，开启液压站，控制台控制升降装置和加载装置，使加载装置至于非工作位，等待加载试验。

3.加载试验

1）调整加载装置至工作位，控制台发送指令，通过升降装置调整加载装置至工作位。

2）控制台发送指令，液压缸带动压电陶瓷加载杆接触加载球头并加载静态力至压电陶瓷加载杆工作基力。

3）将要施加得动态力程序输入控制台中压电陶瓷加载杆控制软件，所述的动态力加载程序由旋转工作台实际工作时受到的实际工况载荷通过雨流计数等载荷谱编制方法得到。

4）控制台发送指令，加载装置对旋转工作台进行动态力加载。

5）加载试验结束，控制台控制加载装置至非工作位。

6）按照载荷谱更改加载角度，重复上述加载试验流程。

4.记录实验数据

试验结束后，通过旋转台控制软件记录旋转工作台转位精度，如有故障产生，详细记录故障信息，包括故障时间，故障部位，故障原因等。

5.关闭试验台

控制台控制升降装置和加载装置，使工加载装置至于非工作位。关闭液压站，关闭控制台，关闭试验台电源。

6.数据分析

将采集到的精度指标存放入控制台分析软件中，进行长时间多次了靠性试验后，以时间为横坐标，每次检测装置记录数据为变量代入可靠性模型分析，得到对应的可靠性指标，对对应型号的旋转工作台进行可靠性评价。

所述的可靠性模型包括维纳过程、逆高斯过程、伽马模型等退化模型。

对采集到的故障信息进行小样本数据分析，求解其MTBF值，对对应型号的旋转工作台进行可靠性评价。

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，它只适用于一定范围内的不同型号，不同尺寸的五轴数控机床旋转工作台可靠性试验，基本的技术方案不变，但其所用零部件的规格型号将随之改变，如加载液压缸、丝杠螺母尺寸等，故本发明不限于实施这一种比较具体技术方案的描述。本发明中所提出的可靠性试验方法不仅适用于本发明中所提出的试验装置才能进行，同样适用于所有五轴数控机床旋转工作台可靠性实验装置，针对于不同类型的可靠性试验装置，都可在本方法中提出的载荷谱编制思路得到相应的加载谱，以及不同的数据分析模型进行数据分析工作。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 (7)

1.五轴数控机床旋转工作台可靠性试验装置，其特征在于，它包括：旋转工作台底座（1）、旋转工作台（2）、加载装置（3）、升降装置（4）、控制台（6）、液压站7、地平铁8；

所述的旋转工作台（2）固定在旋转工作台底座（1）上；旋转工作台底座（1）驱动旋转工作台（2）Z轴方向上旋转；

所述的旋转工作台（2）包括：旋转工作台左箱体（21）、加载盘（22）、转作业摇篮（23）、旋转工作台底座右箱体（24）；

所述的旋转工作台（2）中轴接有转作业摇篮（23），转作业摇篮（23）轴接在两侧箱体上；其中一侧箱体中设有摇篮驱动电机，摇篮驱动电机驱动转作业摇篮（23）旋转；

所述的转作业摇篮（23）上设有加载盘（22），加载盘（22）顶部设有球形加载部；

所述的加载装置包括：压电陶瓷加载杆（31）、保持架（32）、液压缸（33）、第一旋转块（34）、第二旋转块（35）、耳块（36）、加载底座（37）、连接块（39）；

所述的压电陶瓷加载杆（31）和加载盘（22）上的球形加载部（221）配合加载，给旋转工作台（3）提供高频加载力；

压电陶瓷加载杆（31）与液压缸（33）连接；液压缸（33）设在保持架（32）中；第一旋转块（34）设在保持架（32）的另一端；第一旋转块（34）与第二旋转块（35）轴接；第二旋转块（35）通过耳块（36）与加载底座（37）上的环形槽（38）铰接；加载底座（37）上设有连接块（39），加载底座（37）通过连接块（39）与移动升降装置（4）连接；

所述的加载底座（37）通过移动升降装置（4）横向和纵向的移动。

2.根据权利要求1所述的五轴数控机床旋转工作台可靠性试验装置，其特征在于：所述的移动升降装置包括：移动平台装置、升降装置；移动平台装置和升降装置均为丝杠副。

3.根据权利要求2所述的五轴数控机床旋转工作台可靠性试验装置，其特征在于，所述的移动平台装置包括：移动驱动电机（41）、水平联轴器（42）、滑轨座（43）、水平丝杠（44）、丝母、滑动装置上座（46）；滑轨座（43）中设有滑轨，水平丝杠（44）和滑轨平行，水平丝杠（44）轴接在滑轨座（43）中；丝母设在滑动装置上座（46）底部；丝母套接在水平丝杠（44）上；移动驱动电机（41）通过水平联轴器（42）与水平丝杠（44）连接；移动驱动电机（41）驱动滑动装置上座（46）在滑轨座（43）上滑动。

4.根据权利要求2或3所述的五轴数控机床旋转工作台可靠性试验装置，其特征在于，所述的升降装置包括：支撑柱（51）、垂直丝杠（52）、锁紧块（53）、丝杠螺母（54）、升降装置上端盖盘（55）、垂直联轴器（56）、升降驱动电机（57）、连接固定架（58）；

所述的支撑柱（51）设有2根，2根支撑柱（51）设在垂直丝杠（52）两边；支撑柱（51）、垂直丝杠（52）相互平行；2根支撑柱（51）底部固定在滑动装置上座（46）上；2根支撑柱（51）顶部通过连接固定架（58）连接；锁紧块（53）设有2个，2个锁紧块（53）分别套接在支撑柱（51）上；垂直丝杠（52）两端分别轴接在滑动装置上座（46）、连接固定架（58）中；升降驱动电机（57）通过垂直联轴器（56）与垂直丝杠（52）连接；

两个锁紧块（53）、丝杠螺母（54）与加载底座（37）上的连接块（39）连接。

5. 五轴数控机床旋转工作台可靠性试验方法，它包括如下步骤：开启试验台、加载试验、记录实验数据、关闭试验台、数据分析；

S1.开启试验台

开启试验台电源，打开控制台，开启液压站，控制台控制升降装置和加载装置，使加载装置至于非工作位，等待加载试验；所述的试验台为权利要求1所述的五轴数控机床旋转工作台可靠性试验装置；

S2.加载试验

1）调整加载装置至工作位，控制台发送指令，通过升降装置调整加载装置至工作位；

2）控制台发送指令，液压缸带动压电陶瓷加载杆接触加载球头并加载静态力至压电陶瓷加载杆工作基力；

3）将要施加得动态力程序输入控制台中压电陶瓷加载杆控制软件，所述的动态力加载程序由旋转工作台实际工作时受到的实际工况载荷通过雨流计数等载荷谱编制方法得到；

4）控制台发送指令，加载装置对旋转工作台进行动态力加载；

5）加载试验结束，控制台控制加载装置至非工作位；

6）按照载荷谱更改加载角度，重复上述加载试验流程；

S3.记录实验数据

试验结束后，通过旋转台控制软件记录旋转工作台转位精度，如有故障产生，详细记录故障信息，所述的故障信息包括故障时间、故障部位和故障原因；

S4.关闭试验台

控制台控制升降装置和加载装置，使工加载装置至于非工作位；关闭液压站，关闭控制台，关闭试验台电源；

S5.数据分析

将采集到的精度指标存放入控制台分析软件中，进行多次的可靠性试验后，以时间为横坐标，每次检测装置记录数据为变量代入可靠性模型分析，得到对应的可靠性指标，对对应型号的旋转工作台进行可靠性评价；

对采集到的故障信息进行小样本数据分析，求解其MTBF值，对对应型号的旋转工作台进行可靠性评价；

更改加载角度重复上述实验。

6.根据权利要求5所述的五轴数控机床旋转工作台可靠性试验方法，其特征在于：所述的可靠性模型为退化模型。

7.根据权利要求6所述的五轴数控机床旋转工作台可靠性试验方法，其特征在于：所述的退化模型包括：维纳过程、逆高斯过程、伽马模型。