CN206504863U - 切削力自动控制的主轴可靠性试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了属于机械试验设备及方法技术领域，涉及一种切削力自动控制的主轴可靠性试验装置。克服了现有技术存在的无法准确地动态模拟主轴真实工况、控制方式复杂且设备制造成本高问题，主轴可靠性试验装置，主要由主轴安装台、切削力自动控制装置、切削扭矩加载装置、状态监测设备和辅助设备组成；切削力自动控制装置由切削力大小加载机构、切削力方向调节机构、电磁锁紧机构和加载装置支架组成；切削力方向调节机构由弧形调节机构和径向调节机构组成；本实用新型仅需要一个加载器便能实现空间切削力的加载，与现有多台加载器合力加载的方法相比，能够解决当前控制与加载精度低的问题并且降低了试验装置的制造成本。

Description

切削力自动控制的主轴可靠性试验装置

技术领域

本实用新型属于机械试验设备及方法技术领域，涉及一种模拟机床主轴工况的主轴可靠性试验装置。

背景技术

主轴是数控机床的关键部件之一，其可靠性水平直接影响整机的可靠性。对主轴进行可靠性试验，发现其薄弱环节并有针对性地进行改善，能够极大提高机床的可靠性。因此，国内外进行了大量针对机床主轴的可靠性试验。但是在对机床主轴进行可靠性试验的过程中，极少有试验装置能够近似模拟真实工况。在加载装置的设计上，国内外大部分试验台仅能够实现载荷参数中对切屑力大小的动态控制，切削力方向的改变往往需要停机后手动调节。而部分切削力方向可控制的试验装置，是利用多台加载器通过力的合成来实现，在高频加载模式下，同时控制三个方向的切削力大小很难实现对切削力的准确控制。从经济角度上考虑，现有的多台加载器方案的装置复杂，导致试验装置成本较高，成为可靠性试验台难以普及的重要原因之一。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术存在的无法准确模拟主轴真实工况、控制方式复杂且设备制造成本昂贵的问题，提供了一种切削力自动控制的主轴可靠性试验装置及试验方法。

主轴可靠性试验装置可按照特定的加载规律进行主轴的可靠性试验，最大程度还原受试主轴的真实工况。为获取试验装置工作状态信息，对试验装置的工作参数进行状态监测，从而为后期故障诊断提供数据支持，为机床主轴可靠性加载试验提供强有力的技术保障。并且该方案能够高效地激发受试主轴薄弱环节的故障，验证机床主轴的可靠性。

针对切削力方向控制的问题，研发一套切削力自动控制装置，仅由一个加载器控制切削的大小，一个调整机构控制切削力的方向。针对加载器的选择问题，采用螺旋传动与压电陶瓷相结合的两级加载方式，既能够保证加载机构的刚性与加载长度范围，又能提供极高的加载频率。通过电磁离合锁紧机构在调整好切削力方向后对该方向进行固定，增大了切削力方向调节装置的刚性。

为解决上述技术问题，本实用新型是采用如下技术方案实现的，结合附图说明如下：

一种切削力自动控制的主轴可靠性试验装置，主要由主轴安装台8、切削力自动控制装置7、切削扭矩加载装置、状态监测设备和辅助设备组成；

所述主轴安装台8包括主轴抱夹10、主轴11和主轴安装台底座14；

所述主轴抱夹10包裹固定主轴11的外圈，主轴与主轴抱夹10固定，主轴安装台底座14支撑主轴抱夹10，主轴安装台底座14安装在辅助设备中的地平铁1上；

所述切削力自动控制装置7由切削力大小加载机构、切削力方向调节机构、电磁锁紧机构和加载装置支架组成：

所述切削力大小加载机构包括步进电机29、螺旋副30、压电陶瓷加载器31和旋转传动轴承座35；

旋转传动轴承座35固定螺旋副30，螺旋副30一端与步进电机29利用联轴器连接，螺旋副30的另一端与压电陶瓷加载器31紧固连接；

所述切削力方向调节机构分为弧形调节机构和径向调节机构两部分；

所述弧形调节机构包括弧形滑道20、弧形驱动步进电机27、滚轮37、弧形运动机构底板38、弧形齿条43和齿轮44；

所述径向调节机构包括径向旋转驱动台底座23、径向旋转驱动台底部轴承座24、伺服电动推杆25、径向旋转驱动台顶部轴承座26；

所述步进电机29通过螺旋副30带动压电陶瓷加载器31在弧形运动机构底板38上做往复直线运动；

所述弧形滑道20固定在加载装置支架中的加载机构底板22上，弧形运动机构底板38底部设有滚轮37，滚轮37能够在各自的弧形滑道20上滑动；从而实现整个弧形运动机构底板38在平面内的弧形运动。

所述弧形驱动步进电机27驱动齿轮44在弧形齿条43上运动，从而使弧形运动机构底板38按弧形滑道运动；

所述的旋转驱动台底座23固定在地平铁1上表面，径向旋转驱动台底部轴承座24固定在径向旋转驱动台底座23上，伺服电动推杆25安装在径向旋转驱动台底部轴承座24上，伺服电动推杆25驱动径向旋转驱动台顶部轴承座26上下运动，切削力加载装置骨架33绕加载装置支架中的轴承47旋转，从而使切削力加载装置骨架33内包裹的所有部件，最关键的是压电陶瓷加载器31绕受试主轴的轴线旋转；

所述的电磁锁紧机构包括电磁离合器28；

所述电磁离合器28安装在弧形运动机构底板38上；

所述切削扭矩加载装置包括电力测功机6与联轴器18，联轴器18连接模拟刀具17与电力测功机6,从而将夹持着模拟刀具17的受试主轴11与电力测功机6连接。

技术方案中所述状态检测设备包括流量传感器3、激光位移传感器15、压力传感器32、电流传感器和温度传感器；

流量传感器3安装在油气润滑控制器2与液压站4油液的出口处；激光位移传感器15用磁力底座吸附在主轴抱夹10的外壳上；压力传感器32安装于切削力大小加载机构中的加载棒34的前部，电流传感器安装于受试主轴的三相供电线路中；温度传感器设置于主轴11的外壳处或预装入主轴11中。

所述辅助设备还包括油气润滑控制器2、液压站4、冷却控制柜5、工控机9；

电力测功机6、切削力自动控制装置7、主轴安装台8安装在地平铁1上；油气润滑控制器2、液压站4、冷却控制柜5、工控机9放置在地面上；

技术方案中所述弧形滑道20设有三条；

径向旋转驱动台底部轴承座24设有两个；

径向旋转驱动台顶部轴承座26设有两个；

电磁离合器28设有两个；

轴承47设有两个。

技术方案中所述主轴安装台还包括底座位置调节器12，所述底座位置调节器12利用螺旋机构实现主轴水平径向位置的微调，在使用激光对中仪检测后，能够按照激光对中仪提示位置调整底座位置调节器，实现水平方向的对中；

所述的电磁锁紧机构还包括电磁力锁紧片39、弹簧复位轴40、导向杆41、锁紧摩擦片42；

所述电磁离合器28内置上下两块磁铁，上端磁铁与自身外壳固定，下端磁铁与导向杆41和弹簧复位轴40上端同时固联，导向杆41和弹簧复位轴40下端与电磁力锁紧片39连接，弹簧复位轴40最下端与锁紧摩擦片42连接；

电磁力锁紧片39设有两片；

弹簧复位轴40设有两根；

导向杆41设有两根；

摩擦锁紧片42设有两片。

技术方案中所述的切削力大小加载机构还包括轴承加载装置16，轴承加载装置16由一对轴承与外壳组成，外壳的加载面有一个球形凹坑，以便压电陶瓷加载器31前端的加载棒34与球形凹坑配合。相当于在轴承外加一个外壳，使得加载点在外壳上，通过轴承将模拟切削力传递到受试主轴11。

一种切削力自动控制的主轴可靠性试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：获取并处理载荷与状态参数；

1.1在现场机床主轴上分别安装切削力检测仪、转矩仪与流量传感器3以便采集实际工况参数；

1.2将采集到的切削力大小、切削力方向、切削扭矩、油气润滑量以及冷却液流量数据储存到采集系统的软件数据库中，将不同机床采集到的参数随机分配到一定时间段内，制作成随机循环加载谱；

1.3通过可移动储存介质或远程网络，将编制的随机循环加载谱或已有载荷谱传输到切削力自动控制的主轴可靠性试验装置的工控机9中；

步骤2：对切削力自动控制的主轴可靠性试验装置工作前进行检测与调试；

2.1松开主轴安装台8的地脚螺栓13，使用激光对中仪，检测主轴安装台8与电力测功机6的对中性，并根据激光对中仪的指示调整主轴安装台底座14，在高度方位上若出现不对中误差，需要根据激光对中仪的示数增加或减少主轴安装台底座14与地脚螺栓13间的垫片，直到对中仪中提示对中性偏差在合理范围以内，紧固主轴安装台8的地脚螺栓13；

2.2启动主轴，不开启切削力自动控制装置，用三向振动传感器检测切削力自动控制装置振动，若超过出现异常振动值则说明切削力自动控制装置安装时径向位置存在偏差，压迫到主轴，在水平方向和竖直方向上轻微调整加载装置支架的位置，直至检测到的振动值几乎为零；

2.3调整径向振动检测的两台激光位移传感器15，使检测值最小，即测量点为轴的最外直径；

2.4开启主轴变频器，正确启动主轴并空运行一段时间，开启工控机中的状态监测软件，观察传感器检测到的状态参数是否正常，若确定无误，则完成实验前的调试与检测工作，准备进入步骤3；

步骤3：切削力自动控制的主轴可靠性试验装置模拟工况加载试验：

3.1根据受试主轴加载工况的要求，确定可靠性试验的总试验时间、试验流程以及流程中每步需要设定的试验参数和试验时间；

3.2开启受试主轴并进入模拟加载模式，分别对可靠性试验装置切削力大小、切削力方向、切削扭矩、油气润滑量以及冷却液流量进行控制；

3.3若状态检测软件出现异常或故障报警，则立即停机；根据检测信号，对受试主轴或试验装置进行检查，分析产生信号异常突变的原因或者可能存在的故障，记录到数据库中；每次试验完毕后对试验数据进行分类整理和存储，用于后期的分析。

技术方案步骤1中所述数控机床基本信息包括机床型号及编号、主轴转速、进给速度、伺服驱动电机功率、刀库容量；

切削工艺数据包括加工内容、工件数量、加工方式、刀具及刀柄型号、切削速度、背吃刀量和切削宽度；

机床运行情况包括机床的运行班次、因机床故障造成的停机时间及恢复使用时间。

技术方案所述步骤1.3中的载荷谱是指基于机床切削力、切削扭矩、转速及循环次数的内在对应关系，通过数学手段分析并处理采集的这些初始载荷参数，将其编制出载荷谱；或是采用等效实际工况的方法编制简化载荷谱；应用载荷谱的规律分别控制切削力大小加载机构、切削力方向控制机构、电力测功机、冷却液流量控制阀以及油气润滑控制器，实现对主轴实际工况的模拟；在进行可靠性加载试验前需要根据编制的载荷谱和试验任务需要确定试验时间及流程。

技术方案所述对切削力自动控制的主轴可靠性试验装置工作前进行调试包括主轴与测功机通过联轴器安装后的对中性调节、加载装置安装位置调节以及传感器的安装；

调试之后，为了衡量主轴的性能，进行空运转试验作为加载试验的对照组；启动主轴，在其他实验条件均一致的情况下，根据加载实验要求，选定主轴常用转速进行空运转试验，在空运转试验中，利用变频器控制主轴的正反向旋转，利用测功机测量主轴转速，采集主轴轴端振动、轴承温度、位移、电压一系列数据，并将数据记录在表中；只有当上述调试通过后，才可以按照载荷谱进行切削力自动控制的主轴可靠性试验。

技术方案步骤3.3中所述的分析产生信号异常突变的原因或者可能存在的故障是指：

根据采集到的故障发生时的振动信号或者噪声信号，运用傅里叶变换、小波分析及S变换的故障诊断方法对信号进行观察与分析，提取主轴故障特征，判断主轴在有故障和无故障下的状态情况，进一步分析受试主轴的故障类型、故障间隔参数，为评估主轴的可靠性提供基础。

与现有技术相比本实用新型的有益效果是：

1、切削力加载方向变化机构结构新颖，仅需要一个加载器便能实现空间切削力的加载。与现有多台加载器合力加载的方法相比，能够解决当前控制与加载精度低的问题并且降低了试验台的制造成本。

2、加载器设计采用两级加载模式，既能够满足加载距离及加载力大小范围变化的要求，也能够满足加载频率的要求，且整套装置刚性大并易于加工。

3、试验装置能够实现对切削力大小、切削力方向、切削扭矩、冷却液流量、油气润滑量的控制，以较为全面的方式综合模拟机床主轴实际工况。并且能够实现对试验装置运行过程中的状态参数进行全面监测，较为准确地反映被测主轴的运行状态。

4、主轴可靠性试验方法简单实用，易实现程序流程化操作，大大提高了主轴可靠性试验的效率与可信度。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明：

图1为本实用新型所述的切削力自动控制的主轴可靠性试验装置的轴测投影图；

图2为本实用新型所述的主轴安装台轴测图；

图3为本实用新型所述的切削力自动控制装置轴测图；

图4为本实用新型所述的切削力大小加载机构轴测图；

图5为本实用新型所述的径向调节机构正视图；

图6为本实用新型所述的弧形调节机构轴测图；

图7为本实用新型所述的电磁锁紧机构正视图；

图8为本实用新型所述的加载装置支架轴测图；

图9为切削力自动控制的主轴可靠性试验装置的控制原理图；

图10为本实用新型所述的切削力自动控制的主轴可靠性试验装置结构图；

图11为本实用新型所述的切削力自动控制的主轴可靠性试验方法流程图；

图中：

1.地平铁，2.油气润滑控制器，3.流量传感器，4.液压站，5.冷却控制柜，6.电力测功机，7.切削力自动控制装置，8.主轴安装台，9.工控机，10.主轴抱夹，11.主轴，12.底座位置调节器，13.地脚螺栓，14.主轴安装台底座，15.激光位移传感器，16.轴承加载装置，17.模拟刀具，18.联轴器，19.加载机构安装支架，20.弧形滑道，21.立柱，22.加载机构底板，23.径向旋转驱动台底座，24.径向旋转驱动台底部轴承座，25.伺服电动推杆，26.径向旋转驱动台顶部轴承座，27.弧形驱动步进电机，28.电磁离合器，29.步进电机，30.螺旋副，31.压电陶瓷加载器，32.压力传感器，33.切削力加载装置骨架，34.加载棒，35.螺旋传动轴承座，36.一级切削力加载机构底座，37.滚轮，38.弧形运动机构底板，39.电磁力锁紧片，40.弹簧复位轴，41.导向杆,42.锁紧摩擦片,43.弧形齿条,44.齿轮,45.滚轮支板，46.切削力加载装置外壳,47.轴承。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作详细的描述：

一种主轴可靠性试验装置，由主轴安装台、切削力自动控制装置、切削扭矩加载装置、状态监测设备以及辅助设备五大模块构成。通过主轴安装台对受试主轴进行夹持固定；切削力自动控制装置可以完成切削力大小、切削力方向的控制；切削扭矩加载装置可以实现对主轴的切削扭矩加载；状态监测设备能够实现对受试主轴工作状态的实时监测；辅助设备为试验系统提供所需的支撑平台，实现油气润滑、液压源、冷却量的控制，进行状态监控等功能。

本实用新型所述的主轴安装台由主轴抱夹10、主轴11、底座位置调节器12、地脚螺栓13、主轴安装台底座14组成。实现对受试主轴的夹持固定，对受试主轴安装相位角的调整，底座安装位置的微调以及与地平铁的连接功能。

本实用新型所述的切削力自动控制装置由切削力大小加载机构、切削力方向调节机构、电磁锁紧机构以及加载装置支架四大部分构成：

切削力大小加载机构由轴承加载装置16、步进电机29、螺旋副30、压电陶瓷加载器31、加载棒34、旋转传动轴承座35、一级切削力螺旋加载机构底座36组成。由螺旋加载机构实现一级恒定值切削力加载，压电陶瓷加载器31实现二级高频切削力加载。

压电陶瓷加载器31采用现有的压电叠堆，在一定电压的作用下，叠堆前段的杆便会轻微振动。步进电机29通过螺旋副30带动压电陶瓷加载器31在弧形运动机构底板38上做往复直线运动，从而实现第一级加载。通过控制压电陶瓷加载器31的电压，实现第二级高频加载。

切削力方向调节机构由弧形调节机构和径向调节机构组成，通过控制两个方向的变化实现加载机构对主轴空间任意方向的加载。弧形调节机构由弧形滑道20、弧形驱动步进电机27、滚轮37、弧形运动机构底板38、弧形齿条43、齿轮44、滚轮支板45构成，能够实现压电陶瓷加载器31与主轴轴线夹角的调节；径向调节机构由径向旋转驱动台底座23、径向旋转驱动台底部轴承座24、伺服电动推杆25、径向旋转驱动台顶部轴承座26组成。实现压电陶瓷加载器31与主轴径向倾角的调节。

电磁锁紧机构由电磁离合器28、电磁力锁紧片39、弹簧复位轴40、导向杆41、锁紧摩擦片42组成。实现方向调节后快速锁紧弧形调节机构的功能，而径向调节机构由伺服电动推杆25内部反向自锁，从而增加切削力自动控制装置加载过程的刚性。

加载装置支架由加载机构安装支架19、立柱21、加载机构底板22、切削力加载装置骨架33、切削力加载装置外壳46、轴承47组成。实现对切削力自动装置的位置固定与支撑。

本实用新型所述的切削扭矩加载装置包含电力测功机6、模拟刀具17与联轴器18，联轴器的作用是连接模拟刀具17与电力测功机6，从而将夹持着模拟刀具17的主轴11与电力测功机连接，实现对主轴的切削扭矩加载。

本实用新型所述的状态检测设备由流量传感器3、激光位移传感器15、压力传感器32、电流传感器、温度传感器组成。实现对受试主轴工作状态的实时监测，为故障检测与故障报警提供有力硬件保障。压力传感器32安装于切削力大小加载机构中的加载棒34的前部，与轴承加载装置16的大致距离为10cm；

本实用新型所述的辅助设备由地平铁1、油气润滑控制器2、液压站4、冷却控制柜5、工控机9、模拟刀具17组成。其作用分别为提供试验系统所需的支撑平台、实现油气润滑控制、提供液压源、实现冷却量控制、实现上位机控制、实现模拟加载的功能。

技术方案中所述主轴安装台的底座安装位置的微调装置设有四个；

地脚螺栓13设有六个；

激光位移传感器15设有两台；

加载机构安装支架19设有两个；

弧形滑道20设有三条；

立柱21设有两根；

径向旋转驱动台底部轴承座24设有两个；

径向旋转驱动台顶部轴承座26设有两个；

电磁离合器28设有两个；

电磁力锁紧片39设有两片；

弹簧复位轴40设有两根；

导向杆41设有两根；

摩擦锁紧片42设有两片；

滚轮支板45设有五块；

轴承47设有两个。

本实用新型所述的切削力自动控制装置的控制原理如下：工控机通过RS232通讯方式控制PLC，PLC控制伺服驱动器进而实现对切削力方向、切削力方向锁紧以及切削力大小三部分的控制。对于切削力方向控制，由伺服电动推杆25实现切削力自动控制装置的径向位置的调节。弧形驱动步进电机27调整切削力自动控制装置的弧形位置。电磁锁紧机构实现锁紧。对于切削力大小的控制，分为两级加载控制。在第一级加载中，伺服驱动器控制步进电机驱动螺旋机构，使压电陶瓷加载器31整体做直线进给运动。在第二级加载中，伺服驱动器控制压电陶瓷加载器31的电压，基于逆压电效应实现高频切削力加载。从反馈回路上看，每个部分都有传感器，将状态传输回工控机，实现对系统的闭环控制。

试验方案及方法

本实用新型的另一目的在于提出一种基于主轴可靠性试验装置的可靠性试验方法，包括以下步骤：

步骤1：载荷及状态参数的获取与处理

1.1在现场机床主轴上分别安装切削力检测仪、转矩仪与流量传感器以便采集实际工况参数。

1.2将采集到的切削力大小、切削力方向、切削扭矩、油气润滑量以及冷却液流量数据储存到采集系统的数据库软件中，将不同台主轴采集到的参数随机分配到一定时间段内，制作成随机循环加载谱。

1.3通过可移动储存介质或远程网络，将编制的随机循环加载谱或已有载荷谱传输到实验装置工控机中。

步骤2：试验装置工作前检测与调试

2.1松开主轴安装台的地脚螺栓，使用激光对中仪，检测主轴安装台与电力测功机的对中性，并根据激光对中仪的指示调整主轴安装台底座14，在高度方位上若出现不对中误差，需要根据激光对中仪的示数在主轴安装台底座14与地脚螺栓13之间增加或减少垫片，直到对中仪中提示对中性偏差在合理范围以内，紧固主轴安装台的地脚螺栓。

2.2启动主轴，不开启切削力自动控制装置，用三向振动传感器检测切削力自动控制装置振动，若出现异常振动值则说明切削力自动控制装置安装时径向位置存在偏差，压迫到主轴，这时需要在水平方向和竖直方向上轻微调整加载装置支架的位置，直至检测到的振动值只受外部环境影响，且数值几乎为零。

2.3调整检测径向振动的两台激光位移传感器，使示数最小，即测量点垂直通过轴线。

2.4开启主轴变频器，正确启动主轴并空运行一段时间，开启工控机中的状态监测软件，并观察传感器检测到的状态参数是否正常，若确定无误。则完成实验前的调试与检测工作。准备进入正式实验阶段。

步骤3：可靠性试验装置模拟工况加载试验

3.1根据步骤1中收集到的主轴随机循环加载谱，分析受试主轴加载工况的要求，确定可靠性试验的总试验时间、试验流程以及流程中每步需要设定的试验参数和试验时间。

3.2开启受试主轴并进入模拟加载模式，分别对可靠性试验装置切削力大小、切削力方向、切削扭矩、油气润滑量以及冷却液流量进行控制。

3.3若状态检测软件出现异常或故障报警，则立即停机。根据检测信号，对受试主轴或试验装置进行检查，分析产生信号异常突变的原因或者可能存在的故障，记录到数据库中。每次试验完毕后对试验数据进行分类整理和存储，以便后期的分析。

具体实施例

本实用新型所述的主轴可靠性试验装置及方法主要由两大部分组成，即主轴可靠性试验装置部分和主轴可靠性试验方法部分。

一、主轴可靠性试验装置部分

本实用新型专利所述的主轴可靠性试验装置，由主轴安装台8、切削力自动控制装置7、切削扭矩加载装置、状态监测设备以及辅助设备五大模块构成。

参阅图1，所述的主轴可靠性试验装置组成结构包含地平铁1、油气润滑控制器2、流量传感器3、液压站4、冷却控制柜5、电力测功机6、切削力自动控制装置7、主轴安装台8、工控机9。其中电力测功机6、切削力自动控制装置7、主轴安装台8安装在地平铁1上。油气润滑控制器2、液压站4、冷却控制柜5、电力测功机6以及工控机9放置在地面。主要部件的功能如下：

油气润滑控制器2按照可靠性试验方法的规律调节供给受试主轴的油气润滑量，从而模拟实际工况中对主轴的油气润滑量；流量传感器3安装在油气润滑控制器2与液压站4油液的出口处，实现流量监控的功能；液压站4为受试主轴内部的拉刀机构提供拉力，实现更换模拟刀具17的功能；冷却控制柜5为主轴提供冷却液，其中有流量控制阀，能根据需求控制冷却液的流量；电力测功机6实现对主轴模拟切削扭矩的加载；切削力自动控制装置7实现对主轴模拟切削力大小以及方向的加载；主轴安装台8实现对受试主轴的安装并且具有位置的调整功能；工控机9实现对整个可靠性试验系统的参数采集与控制功能，同时能够在显示器中显示试验台的运行状况。

参阅图2，所述的主轴安装台包含主轴抱夹10、主轴11、底座位置调节器12、地脚螺栓13、主轴安装台底座14组成。主轴抱夹10机械包裹整个主轴11的外圈，实现对受试主轴的固定。主轴安装台底座14支撑主轴抱夹10并提供一定的安装高度，两者同样通过螺栓连接。4个底座位置调节器12利用螺旋机构实现主轴水平径向位置的微调，在使用激光对中仪检测后，可按照激光对中仪提示位置分别调整4个底座位置调节器，实现水平与地面方向的对中。主轴安装台底座14安装在地平铁1上。当高度方向存在不对中时，可通过增加或减少地脚螺栓13与主轴安装台底座14之间的垫片调整竖直方向的对中偏差。图中包含两台激光位移传感器15，垂直分布，利用磁力吸座固定在主轴抱夹外表面，调整位置使激光位移传感器15激光头对准受试主轴距离激光位移传感器15最近端，使得所检测的位移值最小，可实现对主轴径向跳动以及回转精度等参数的检测。轴承加载装置16由一对轴承与外壳组成，外壳的加载面上有一个球形凹坑，以便压电陶瓷加载器31前端的加载棒34与其配合。模拟刀具17是为了模拟主轴实际切削时的刀具，同时方便切削力以及切削扭矩的加载，其一端与主轴11内部的拉刀机构连接，另一端与联轴器18通过键进行连接。联轴器18连接模拟刀具17与电力测功机6的输出端，以便电力测功机6对受试主轴11进行切削扭矩的加载。

参阅图3，所述的切削力自动控制装置由切削力大小加载机构、切削力方向调节机构、电磁锁紧机构以及加载装置支架四大部分构成。具体说明如下：

参阅图2、图3、图4，所述的切削力大小加载机构由轴承加载装置16、步进电机29、螺旋副30、压电陶瓷加载器31、加载棒34、旋转传动轴承座35、一级切削力加载机构底座36组成。切削力大小中的第一级切削力加载由螺旋加载机构实现。步进电机29与螺旋副30采用联轴器同轴连接，旋转传动轴承座35实现对螺旋副30的固定与导向功能。螺旋副30的另一端与压电陶瓷加载器31尾端固连，步进电机29的转动通过螺旋副转为直线运动后带动压电陶瓷加载器31在弧形运动机构底板38上做往复直线运动。因此，当步进电机29旋转一定步距角时，能够通过螺旋副30驱动压电陶瓷加载器31向前直线运动一定距离。由于步进电机的步距角很小，且螺旋传动具有减速增力并且反向自锁的功能，整个一级切削力螺旋加载机构具有较大的刚度并且可以施加较大的恒定力。二级高频切削力加载是利用压电陶瓷加载器31自身的逆压电效应，实现高频加载。

参阅图5与图6，所述的切削力方向调节机构由径向调节机构和弧形调节机构组成，通过控制两个方向的变化控制加载棒34与轴承加载装置16的空间夹角，最终实现一定范围内对主轴11空间任意方向的加载。

参阅图1、图3、图5和图8，所述的切削力径向调节机构由径向旋转驱动台底座23、径向旋转驱动台底部轴承座24、伺服电动推杆25、径向旋转驱动台顶部轴承座26组成。径向旋转驱动台底部轴承座24安装在径向旋转驱动台底座23上，将伺服电动推杆25安装在径向旋转驱动台底部轴承座24上，伺服电动推杆25驱动径向旋转驱动台顶部轴承座26上下运动，使切削力加载装置骨架33及其上方部件绕轴承47旋转，从而使压电陶瓷加载器31绕受试主轴的轴线旋转，从而实现加载棒34与主轴径向角度的调节。

参阅图3、图6，所述的弧形调节机构由弧形滑道20、弧形驱动步进电机27、滚轮37、弧形运动机构底板38、弧形齿条43、齿轮44、滚轮支板45构成。三条弧形滑道20安装在加载机构底板22上，弧形运动机构底板38底部安装有五个滚轮支板45，中间一条滑道安装一个滚轮支板45，两边的滑道安装两个滚轮支板45。每个滚轮支板45在其四个角落分别安装有一个滚轮37，使得滚轮37能够在弧形滑道20上滑动，实现弧形运动底板38按照给定的弧形轨迹运动，目的是使加载棒34始终指向轴承加载装置16的球形凹槽中。弧形驱动步进电机27驱动齿轮44在弧形齿条43上按照弧形滑道既定的规律运动，从而使弧形运动机构底板38及其上部的各个部件按弧形滑道既定规律运动，实现切削力自动控制装置的切削力加载方向与主轴轴线夹角的调节。

参阅图3、图4和图7，所述的电磁锁紧机构由电磁离合器28、电磁力锁紧片39、弹簧复位轴40、导向杆41、锁紧摩擦片42组成。电磁离合器28采用现有产品，固定在弧形运动机构底板38上表面，内置上下两块磁铁，上磁铁与自身外壳固定，下磁铁与导向杆41和弹簧复位轴40上端同时固联。导向杆41下端与电磁力锁紧片39连接，弹簧复位轴40下端先与电磁力锁紧片39连接后，再与锁紧摩擦片42通过螺纹联接；在加载状态下，PLC发出信号使得电磁离合器28处于通电状态，由于电磁力的作用弹簧复位轴40、电磁力锁紧片39锁紧摩擦片42向上运动，使摩擦片与加载机构地板牢牢接触。由于摩擦力的作用，电磁离合器28，弧形运动机构底板38，电磁力锁紧片39弹簧复位轴40，加载机构地板22，锁紧摩擦片42这些部分牢牢固定在一起，无法相对运动，从而实现整个弧形运动机构锁紧。需要调整加载力方向时，PLC发出信号使得电磁离合器28断电，电磁力锁紧片39在弹簧复位轴40中弹簧力的作用下处于松弛状态，此时锁紧摩擦片42与加载机构底板22处于脱离状态。使得弧形调整机构可以自由运动。

径向调节机构利用伺服电动推杆25内部电机自身的反向自锁特性，从而增加切削力自动控制装置加载过程的刚性。

参阅图3、图8，所述的加载装置支架由加载机构安装支架19、立柱21、加载机构底板22、切削力加载装置骨架33、切削力加载装置外壳46、轴承47组成。整个切削力自动控制装置一端通过轴承47配合，由加载机构安装支架19支撑，另一端由径向调节机构中的伺服电动推杆25固定，实现伺服控制下，切削力自动控制装置绕主轴11轴线的回转方向调节。加载机构安装支架19与地平铁连接。

参阅图9，所述的切削力自动控制装置的控制原理如下。通过鼠标键盘将试验所需的参数输入工控机中，工控机将控制参数通过RS232通讯协议传输至PLC，PLC输出参数至伺服驱动器。控制系统需要实现切削力方向控制、切削力方向锁紧控制以及切削力大小控制三大部分。对于切削力方向控制，伺服驱动器按照给定规律驱动伺服电动推杆从而实现切削力径向调节机构的运动，调节切削力自动控制装置的径向位置。伺服驱动器控制弧形驱动步进电机，实现弧形方向调整机构的运动，从而调整切削力自动控制装置的方向。调整方向结束后，伺服驱动器输出信号给电磁线圈，从而使得电磁锁紧机构实现锁紧。对于切削力大小的控制，分为两级加载控制。一级加载中，伺服驱动器控制步进电机驱动螺旋机构，使压电陶瓷加载器整体做进给运动。在第二级加载中，伺服驱动器控制压电陶瓷加载器实现高频切削力加载。从反馈回路上看，每个模块都有传感器，以便将位置值、位移值或者压力值通过滤波后经由数据采集卡传输回工控机，实现对状态量的实时监控与闭环控制。

参阅图10，所述的主轴可靠性试验装置包含切削力自动控制装置和状态监测装置两部分。切削力自动控制装置可以完成切削力大小、切削力方向、切削扭矩、冷却液流量以及轴承润滑量的加载。分别使用切削力大小加载机构、切削力方向控制机构、电力测功机、冷却液流量控制阀以及油气润滑控制器实现。通过这些手段实现对主轴试验装置模拟工况的加载。状态监测设备所要检测的物理量有：径向振动、轴向振动、扭转振动、电流以及温度值。分别采用电涡流位移传感器、激光位移传感器、电流传感器以及温度传感器检测，以获取主轴可靠性试验装置的状态参数。应用试验台配合故障诊断系统软件，可实现对主轴可靠性的评估。

参阅图11，所述的主轴可靠性试验方法可归纳为如下步骤：

首先通过现场测试获取并记录数控机床基本信息、切削工艺数据和机床运行情况。基于机床切削力、切削扭矩、转速及循环次数的内在对应关系，通过数学手段分析并处理采集的这些初始载荷参数，将其编制出载荷谱。或是采用等效实际工况的方法编制简化载荷谱。应用载荷谱的规律分别控制切削力大小加载机构、切削力方向控制机构、电力测功机、冷却液流量控制阀以及油气润滑控制器，实现对主轴实际工况的模拟。在进行可靠性加载试验前需要根据编制的载荷谱和试验任务需要确定试验时间及流程。

在进行主轴可靠性加载试验前需要进行试验装置调试，其中包括主轴与测功机通过联轴器安装后的对中性调节、加载装置安装位置调节以及传感器的安装。调试之后，为了衡量主轴的性能，进行空运转试验作为加载试验的对照组。启动主轴，在其他实验条件均一致的情况下，根据加载实验要求，分别选定主轴常用转速进行空运转试验，在空运转试验中，利用变频器控制主轴的正反向旋转，利用测功机测量主轴转速，采集到主轴轴端振动、轴承温度、位移、电压等一系列数据，并将数据记录在下表中；只有当上述调试通过后，才可以按照载荷谱进行主轴可靠性试验。

在主轴可靠性实验过程中，需要实时监控主轴的运转情况，一旦主轴发生受试主轴部分功能丧失、受试主轴部分性能参数超出产品技术条件中允许的范围、主轴转子摩擦、主轴不对中或机械松动等故障或异常时，需要及时停机，将故障数据整理后编入主轴故障数据库中，建立主轴故障检测及维修平台。根据采集到的故障发生时的振动信号或者噪声信号，运用傅里叶变换、小波分析及S变换等常用的故障诊断方法对信号进行观察与分析，提取主轴故障特征，判断主轴在有故障和无故障下的状态情况，进一步分析受试主轴的故障类型，随后评估主轴的可靠性水平。

本实用新型中所述的实例是为了便于该领域技术人员能够理解和应用本实用新型，本实用新型只是一种优化的实例，或者说是一种较佳的具体技术方案。如果相关的技术人员在坚持本实用新型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实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种切削力自动控制的主轴可靠性试验装置，主要由主轴安装台(8)、切削力自动控制装置(7)、切削扭矩加载装置、状态监测设备和辅助设备组成；其特征在于：

所述主轴安装台(8)包括主轴抱夹(10)、主轴(11)和主轴安装台底座(14)；

所述主轴抱夹(10)包裹固定主轴(11)的外圈，主轴安装台底座(14)支撑主轴抱夹(10)，主轴安装台底座(14)安装在辅助设备中的地平铁(1)上；

所述切削力自动控制装置(7)由切削力大小加载机构、切削力方向调节机构、电磁锁紧机构和加载装置支架组成：

所述切削力大小加载机构包括步进电机(29)、螺旋副(30)、压电陶瓷加载器(31)和旋转传动轴承座(35)；

旋转传动轴承座(35)固定螺旋副(30)，螺旋副(30)一端与步进电机(29)与相连接，螺旋副(30)的另一端与压电陶瓷加载器(31)固定连接；

所述切削力方向调节机构分为弧形调节机构和径向调节机构两部分；

所述弧形调节机构包括弧形滑道(20)、弧形驱动步进电机(27)、滚轮(37)、弧形运动机构底板(38)、弧形齿条(43)和齿轮(44)；

所述径向调节机构包括径向旋转驱动台底座(23)、径向旋转驱动台底部轴承座(24)、伺服电动推杆(25)、径向旋转驱动台顶部轴承座(26)；

所述步进电机(29)通过螺旋副(30)带动压电陶瓷加载器(31)在弧形运动机构底板(38)上做往复直线运动；

所述弧形滑道(20)固定在加载装置支架中的加载机构底板(22)上，弧形运动机构底板(38)底部设有滚轮(37)，滚轮(37)能够在弧形滑道(20)上滑动；

所述弧形驱动步进电机(27)驱动齿轮(44)在弧形齿条(43)上运动，从而使弧形运动机构底板(38)按弧形滑道运动；

所述旋转驱动台底座(23)固定在地平铁(1)上表面，所述径向旋转驱动台底部轴承座(24)固定在径向旋转驱动台底座(23)上，伺服电动推杆(25)安装在径向旋转驱动台底部轴承座(24)上，伺服电动推杆(25)驱动径向旋转驱动台顶部轴承座(26)上下运动，加载装置支架中的切削力加载装置骨架(33)绕轴承(47)旋转，从而使压电陶瓷加载器(31)绕受试主轴的轴线旋转；

所述的电磁锁紧机构包括电磁离合器(28)；

所述电磁离合器(28)安装在弧形运动机构底板(38)上；

所述切削扭矩加载装置包括电力测功机(6)与联轴器(18)，联轴器(18)连接模拟刀具(17)与电力测功机(6),从而将夹持着模拟刀具(17)的受试主轴(11)与电力测功机(6)连接。

2.根据权利要求1所述的一种切削力自动控制的主轴可靠性试验装置，其特征在于：

所述状态检测设备包括流量传感器(3)、激光位移传感器(15)、压力传感器(32)、电流传感器和温度传感器；

流量传感器(3)安装在油气润滑控制器(2)与液压站(4)油液的出口处；激光位移传感器(15)固定在主轴抱夹(10)外壳上；压力传感器(32)安装于切削力大小加载机构中的加载棒(34)的前部，电流传感器安装于受试主轴的三相供电线路中；温度传感器设置于主轴(11)的外壳处或预装入主轴(11)中；

所述辅助设备还包括油气润滑控制器(2)、液压站(4)、冷却控制柜(5)、工控机(9)；

电力测功机(6)、切削力自动控制装置(7)、主轴安装台(8)安装在地平铁(1)上；油气润滑控制器(2)、液压站(4)、冷却控制柜(5)、工控机(9)放置在地面上。

3.根据权利要求1所述的一种切削力自动控制的主轴可靠性试验装置，其特征在于：

所述弧形滑道(20)设有三条；

径向旋转驱动台底部轴承座(24)设有两个；

径向旋转驱动台顶部轴承座(26)设有两个；

电磁离合器(28)设有两个；

轴承(47)设有两个。

4.根据权利要求1所述的一种切削力自动控制的主轴可靠性试验装置，其特征在于：

所述主轴安装台还包括底座位置调节器(12)，所述底座位置调节器(12)利用螺旋机构实现主轴水平径向位置的微调，在使用激光对中仪检测后，能够按照激光对中仪提示位置调整底座位置调节器，实现水平方向的对中；

所述的电磁锁紧机构还包括电磁力锁紧片(39)、弹簧复位轴(40)、导向杆(41)、锁紧摩擦片(42)；

所述电磁离合器(28)内置上下两块磁铁，上端磁铁与自身外壳固定，下端磁铁与导向杆(41)和弹簧复位轴(40)上端同时固联，导向杆(41)和弹簧复位轴(40)下端与电磁力锁紧片(39)连接，弹簧复位轴(40)最下端与锁紧摩擦片(42)连接；

所述电磁力锁紧片(39)设有两片；

弹簧复位轴(40)设有两根；

导向杆(41)设有两根；

锁紧摩擦片(42)设有两片。

5.根据权利要求1所述的一种切削力自动控制的主轴可靠性试验装置，其特征在于：

所述的切削力大小加载机构还包括轴承加载装置(16)；

所述轴承加载装置(16)由一对轴承与外壳组成，外壳的加载面有一个球形凹坑，以便压电陶瓷加载器(31)前端的加载棒(34)与球形凹坑配合。