本實用新型屬于機械試驗設備及方法技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種模擬機床主軸工況的主軸可靠性試驗裝置。

背景技術(shù)：

主軸是數(shù)控機床的關(guān)鍵部件之一，其可靠性水平直接影響整機的可靠性。對主軸進行可靠性試驗，發(fā)現(xiàn)其薄弱環(huán)節(jié)并有針對性地進行改善，能夠極大提高機床的可靠性。因此，國內(nèi)外進行了大量針對機床主軸的可靠性試驗。但是在對機床主軸進行可靠性試驗的過程中，極少有試驗裝置能夠近似模擬真實工況。在加載裝置的設計上，國內(nèi)外大部分試驗臺僅能夠?qū)崿F(xiàn)載荷參數(shù)中對切屑力大小的動態(tài)控制，切削力方向的改變往往需要停機后手動調(diào)節(jié)。而部分切削力方向可控制的試驗裝置，是利用多臺加載器通過力的合成來實現(xiàn)，在高頻加載模式下，同時控制三個方向的切削力大小很難實現(xiàn)對切削力的準確控制。從經(jīng)濟角度上考慮，現(xiàn)有的多臺加載器方案的裝置復雜，導致試驗裝置成本較高，成為可靠性試驗臺難以普及的重要原因之一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的無法準確模擬主軸真實工況、控制方式復雜且設備制造成本昂貴的問題，提供了一種切削力自動控制的主軸可靠性試驗裝置及試驗方法。

主軸可靠性試驗裝置可按照特定的加載規(guī)律進行主軸的可靠性試驗，最大程度還原受試主軸的真實工況。為獲取試驗裝置工作狀態(tài)信息，對試驗裝置的工作參數(shù)進行狀態(tài)監(jiān)測，從而為后期故障診斷提供數(shù)據(jù)支持，為機床主軸可靠性加載試驗提供強有力的技術(shù)保障。并且該方案能夠高效地激發(fā)受試主軸薄弱環(huán)節(jié)的故障，驗證機床主軸的可靠性。

針對切削力方向控制的問題，研發(fā)一套切削力自動控制裝置，僅由一個加載器控制切削的大小，一個調(diào)整機構(gòu)控制切削力的方向。針對加載器的選擇問題，采用螺旋傳動與壓電陶瓷相結(jié)合的兩級加載方式，既能夠保證加載機構(gòu)的剛性與加載長度范圍，又能提供極高的加載頻率。通過電磁離合鎖緊機構(gòu)在調(diào)整好切削力方向后對該方向進行固定，增大了切削力方向調(diào)節(jié)裝置的剛性。

為解決上述技術(shù)問題，本實用新型是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的，結(jié)合附圖說明如下：

一種切削力自動控制的主軸可靠性試驗裝置，主要由主軸安裝臺8、切削力自動控制裝置7、切削扭矩加載裝置、狀態(tài)監(jiān)測設備和輔助設備組成；

所述主軸安裝臺8包括主軸抱夾10、主軸11和主軸安裝臺底座14；

所述主軸抱夾10包裹固定主軸11的外圈，主軸與主軸抱夾10固定，主軸安裝臺底座14支撐主軸抱夾10，主軸安裝臺底座14安裝在輔助設備中的地平鐵1上；

所述切削力自動控制裝置7由切削力大小加載機構(gòu)、切削力方向調(diào)節(jié)機構(gòu)、電磁鎖緊機構(gòu)和加載裝置支架組成：

所述切削力大小加載機構(gòu)包括步進電機29、螺旋副30、壓電陶瓷加載器31和旋轉(zhuǎn)傳動軸承座35；

旋轉(zhuǎn)傳動軸承座35固定螺旋副30，螺旋副30一端與步進電機29利用聯(lián)軸器連接，螺旋副30的另一端與壓電陶瓷加載器31緊固連接；

所述切削力方向調(diào)節(jié)機構(gòu)分為弧形調(diào)節(jié)機構(gòu)和徑向調(diào)節(jié)機構(gòu)兩部分；

所述弧形調(diào)節(jié)機構(gòu)包括弧形滑道20、弧形驅(qū)動步進電機27、滾輪37、弧形運動機構(gòu)底板38、弧形齒條43和齒輪44；

所述徑向調(diào)節(jié)機構(gòu)包括徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動臺底座23、徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動臺底部軸承座24、伺服電動推桿25、徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動臺頂部軸承座26；

所述步進電機29通過螺旋副30帶動壓電陶瓷加載器31在弧形運動機構(gòu)底板38上做往復直線運動；

所述弧形滑道20固定在加載裝置支架中的加載機構(gòu)底板22上，弧形運動機構(gòu)底板38底部設有滾輪37，滾輪37能夠在各自的弧形滑道20上滑動；從而實現(xiàn)整個弧形運動機構(gòu)底板38在平面內(nèi)的弧形運動。

所述弧形驅(qū)動步進電機27驅(qū)動齒輪44在弧形齒條43上運動，從而使弧形運動機構(gòu)底板38按弧形滑道運動；

所述的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動臺底座23固定在地平鐵1上表面，徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動臺底部軸承座24固定在徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動臺底座23上，伺服電動推桿25安裝在徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動臺底部軸承座24上，伺服電動推桿25驅(qū)動徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動臺頂部軸承座26上下運動，切削力加載裝置骨架33繞加載裝置支架中的軸承47旋轉(zhuǎn)，從而使切削力加載裝置骨架33內(nèi)包裹的所有部件，最關(guān)鍵的是壓電陶瓷加載器31繞受試主軸的軸線旋轉(zhuǎn)；

所述的電磁鎖緊機構(gòu)包括電磁離合器28；

所述電磁離合器28安裝在弧形運動機構(gòu)底板38上；

所述切削扭矩加載裝置包括電力測功機6與聯(lián)軸器18，聯(lián)軸器18連接模擬刀具17與電力測功機6,從而將夾持著模擬刀具17的受試主軸11與電力測功機6連接。

技術(shù)方案中所述狀態(tài)檢測設備包括流量傳感器3、激光位移傳感器15、壓力傳感器32、電流傳感器和溫度傳感器；

流量傳感器3安裝在油氣潤滑控制器2與液壓站4油液的出口處；激光位移傳感器15用磁力底座吸附在主軸抱夾10的外殼上；壓力傳感器32安裝于切削力大小加載機構(gòu)中的加載棒34的前部，電流傳感器安裝于受試主軸的三相供電線路中；溫度傳感器設置于主軸11的外殼處或預裝入主軸11中。

所述輔助設備還包括油氣潤滑控制器2、液壓站4、冷卻控制柜5、工控機9；

電力測功機6、切削力自動控制裝置7、主軸安裝臺8安裝在地平鐵1上；油氣潤滑控制器2、液壓站4、冷卻控制柜5、工控機9放置在地面上；

技術(shù)方案中所述弧形滑道20設有三條；

徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動臺底部軸承座24設有兩個；

徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動臺頂部軸承座26設有兩個；

電磁離合器28設有兩個；

軸承47設有兩個。

技術(shù)方案中所述主軸安裝臺還包括底座位置調(diào)節(jié)器12，所述底座位置調(diào)節(jié)器12利用螺旋機構(gòu)實現(xiàn)主軸水平徑向位置的微調(diào)，在使用激光對中儀檢測后，能夠按照激光對中儀提示位置調(diào)整底座位置調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)水平方向的對中；

所述的電磁鎖緊機構(gòu)還包括電磁力鎖緊片39、彈簧復位軸40、導向桿41、鎖緊摩擦片42；

所述電磁離合器28內(nèi)置上下兩塊磁鐵，上端磁鐵與自身外殼固定，下端磁鐵與導向桿41和彈簧復位軸40上端同時固聯(lián)，導向桿41和彈簧復位軸40下端與電磁力鎖緊片39連接，彈簧復位軸40最下端與鎖緊摩擦片42連接；

電磁力鎖緊片39設有兩片；

彈簧復位軸40設有兩根；

導向桿41設有兩根；

摩擦鎖緊片42設有兩片。

技術(shù)方案中所述的切削力大小加載機構(gòu)還包括軸承加載裝置16，軸承加載裝置16由一對軸承與外殼組成，外殼的加載面有一個球形凹坑，以便壓電陶瓷加載器31前端的加載棒34與球形凹坑配合。相當于在軸承外加一個外殼，使得加載點在外殼上，通過軸承將模擬切削力傳遞到受試主軸11。

一種切削力自動控制的主軸可靠性試驗裝置的試驗方法，包括以下步驟：

步驟1：獲取并處理載荷與狀態(tài)參數(shù)；

1.1在現(xiàn)場機床主軸上分別安裝切削力檢測儀、轉(zhuǎn)矩儀與流量傳感器3以便采集實際工況參數(shù)；

1.2將采集到的切削力大小、切削力方向、切削扭矩、油氣潤滑量以及冷卻液流量數(shù)據(jù)儲存到采集系統(tǒng)的軟件數(shù)據(jù)庫中，將不同機床采集到的參數(shù)隨機分配到一定時間段內(nèi)，制作成隨機循環(huán)加載譜；

1.3通過可移動儲存介質(zhì)或遠程網(wǎng)絡，將編制的隨機循環(huán)加載譜或已有載荷譜傳輸?shù)角邢髁ψ詣涌刂频闹鬏S可靠性試驗裝置的工控機9中；

步驟2：對切削力自動控制的主軸可靠性試驗裝置工作前進行檢測與調(diào)試；

2.1松開主軸安裝臺8的地腳螺栓13，使用激光對中儀，檢測主軸安裝臺8與電力測功機6的對中性，并根據(jù)激光對中儀的指示調(diào)整主軸安裝臺底座14，在高度方位上若出現(xiàn)不對中誤差，需要根據(jù)激光對中儀的示數(shù)增加或減少主軸安裝臺底座14與地腳螺栓13間的墊片，直到對中儀中提示對中性偏差在合理范圍以內(nèi)，緊固主軸安裝臺8的地腳螺栓13；

2.2啟動主軸，不開啟切削力自動控制裝置，用三向振動傳感器檢測切削力自動控制裝置振動，若超過出現(xiàn)異常振動值則說明切削力自動控制裝置安裝時徑向位置存在偏差，壓迫到主軸，在水平方向和豎直方向上輕微調(diào)整加載裝置支架的位置，直至檢測到的振動值幾乎為零；

2.3調(diào)整徑向振動檢測的兩臺激光位移傳感器15，使檢測值最小，即測量點為軸的最外直徑；

2.4開啟主軸變頻器，正確啟動主軸并空運行一段時間，開啟工控機中的狀態(tài)監(jiān)測軟件，觀察傳感器檢測到的狀態(tài)參數(shù)是否正常，若確定無誤，則完成實驗前的調(diào)試與檢測工作，準備進入步驟3；

步驟3：切削力自動控制的主軸可靠性試驗裝置模擬工況加載試驗：

3.1根據(jù)受試主軸加載工況的要求，確定可靠性試驗的總試驗時間、試驗流程以及流程中每步需要設定的試驗參數(shù)和試驗時間；

3.2開啟受試主軸并進入模擬加載模式，分別對可靠性試驗裝置切削力大小、切削力方向、切削扭矩、油氣潤滑量以及冷卻液流量進行控制；

3.3若狀態(tài)檢測軟件出現(xiàn)異?；蚬收蠄缶?，則立即停機；根據(jù)檢測信號，對受試主軸或試驗裝置進行檢查，分析產(chǎn)生信號異常突變的原因或者可能存在的故障，記錄到數(shù)據(jù)庫中；每次試驗完畢后對試驗數(shù)據(jù)進行分類整理和存儲，用于后期的分析。

技術(shù)方案步驟1中所述數(shù)控機床基本信息包括機床型號及編號、主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、伺服驅(qū)動電機功率、刀庫容量；

切削工藝數(shù)據(jù)包括加工內(nèi)容、工件數(shù)量、加工方式、刀具及刀柄型號、切削速度、背吃刀量和切削寬度；

機床運行情況包括機床的運行班次、因機床故障造成的停機時間及恢復使用時間。

技術(shù)方案所述步驟1.3中的載荷譜是指基于機床切削力、切削扭矩、轉(zhuǎn)速及循環(huán)次數(shù)的內(nèi)在對應關(guān)系，通過數(shù)學手段分析并處理采集的這些初始載荷參數(shù)，將其編制出載荷譜；或是采用等效實際工況的方法編制簡化載荷譜；應用載荷譜的規(guī)律分別控制切削力大小加載機構(gòu)、切削力方向控制機構(gòu)、電力測功機、冷卻液流量控制閥以及油氣潤滑控制器，實現(xiàn)對主軸實際工況的模擬；在進行可靠性加載試驗前需要根據(jù)編制的載荷譜和試驗任務需要確定試驗時間及流程。

技術(shù)方案所述對切削力自動控制的主軸可靠性試驗裝置工作前進行調(diào)試包括主軸與測功機通過聯(lián)軸器安裝后的對中性調(diào)節(jié)、加載裝置安裝位置調(diào)節(jié)以及傳感器的安裝；

調(diào)試之后，為了衡量主軸的性能，進行空運轉(zhuǎn)試驗作為加載試驗的對照組；啟動主軸，在其他實驗條件均一致的情況下，根據(jù)加載實驗要求，選定主軸常用轉(zhuǎn)速進行空運轉(zhuǎn)試驗，在空運轉(zhuǎn)試驗中，利用變頻器控制主軸的正反向旋轉(zhuǎn)，利用測功機測量主軸轉(zhuǎn)速，采集主軸軸端振動、軸承溫度、位移、電壓一系列數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)記錄在表中；只有當上述調(diào)試通過后，才可以按照載荷譜進行切削力自動控制的主軸可靠性試驗。

技術(shù)方案步驟3.3中所述的分析產(chǎn)生信號異常突變的原因或者可能存在的故障是指：

根據(jù)采集到的故障發(fā)生時的振動信號或者噪聲信號，運用傅里葉變換、小波分析及S變換的故障診斷方法對信號進行觀察與分析，提取主軸故障特征，判斷主軸在有故障和無故障下的狀態(tài)情況，進一步分析受試主軸的故障類型、故障間隔參數(shù)，為評估主軸的可靠性提供基礎(chǔ)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比本實用新型的有益效果是：

1、切削力加載方向變化機構(gòu)結(jié)構(gòu)新穎，僅需要一個加載器便能實現(xiàn)空間切削力的加載。與現(xiàn)有多臺加載器合力加載的方法相比，能夠解決當前控制與加載精度低的問題并且降低了試驗臺的制造成本。

2、加載器設計采用兩級加載模式，既能夠滿足加載距離及加載力大小范圍變化的要求，也能夠滿足加載頻率的要求，且整套裝置剛性大并易于加工。

3、試驗裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對切削力大小、切削力方向、切削扭矩、冷卻液流量、油氣潤滑量的控制，以較為全面的方式綜合模擬機床主軸實際工況。并且能夠?qū)崿F(xiàn)對試驗裝置運行過程中的狀態(tài)參數(shù)進行全面監(jiān)測，較為準確地反映被測主軸的運行狀態(tài)。

4、主軸可靠性試驗方法簡單實用，易實現(xiàn)程序流程化操作，大大提高了主軸可靠性試驗的效率與可信度。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步的說明：

圖1為本實用新型所述的切削力自動控制的主軸可靠性試驗裝置的軸測投影圖；

圖2為本實用新型所述的主軸安裝臺軸測圖；

圖3為本實用新型所述的切削力自動控制裝置軸測圖；

圖4為本實用新型所述的切削力大小加載機構(gòu)軸測圖；

圖5為本實用新型所述的徑向調(diào)節(jié)機構(gòu)正視圖；

圖6為本實用新型所述的弧形調(diào)節(jié)機構(gòu)軸測圖；

圖7為本實用新型所述的電磁鎖緊機構(gòu)正視圖；

圖8為本實用新型所述的加載裝置支架軸測圖；

圖9為切削力自動控制的主軸可靠性試驗裝置的控制原理圖；

圖10為本實用新型所述的切削力自動控制的主軸可靠性試驗裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖11為本實用新型所述的切削力自動控制的主軸可靠性試驗方法流程圖；

圖中：

1.地平鐵，2.油氣潤滑控制器，3.流量傳感器，4.液壓站，5.冷卻控制柜，6.電力測功機，7.切削力自動控制裝置，8.主軸安裝臺，9.工控機，10.主軸抱夾，11.主軸，12.底座位置調(diào)節(jié)器，13.地腳螺栓，14.主軸安裝臺底座，15.激光位移傳感器，16.軸承加載裝置，17.模擬刀具，18.聯(lián)軸器，19.加載機構(gòu)安裝支架，20.弧形滑道，21.立柱，22.加載機構(gòu)底板，23.徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動臺底座，24.徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動臺底部軸承座，25.伺服電動推桿，26.徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動臺頂部軸承座，27.弧形驅(qū)動步進電機，28.電磁離合器，29.步進電機，30.螺旋副，31.壓電陶瓷加載器，32.壓力傳感器，33.切削力加載裝置骨架，34.加載棒，35.螺旋傳動軸承座，36.一級切削力加載機構(gòu)底座，37.滾輪，38.弧形運動機構(gòu)底板，39.電磁力鎖緊片，40.彈簧復位軸，41.導向桿,42.鎖緊摩擦片,43.弧形齒條,44.齒輪,45.滾輪支板，46.切削力加載裝置外殼,47.軸承。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型作詳細的描述：

一種主軸可靠性試驗裝置，由主軸安裝臺、切削力自動控制裝置、切削扭矩加載裝置、狀態(tài)監(jiān)測設備以及輔助設備五大模塊構(gòu)成。通過主軸安裝臺對受試主軸進行夾持固定；切削力自動控制裝置可以完成切削力大小、切削力方向的控制；切削扭矩加載裝置可以實現(xiàn)對主軸的切削扭矩加載；狀態(tài)監(jiān)測設備能夠?qū)崿F(xiàn)對受試主軸工作狀態(tài)的實時監(jiān)測；輔助設備為試驗系統(tǒng)提供所需的支撐平臺，實現(xiàn)油氣潤滑、液壓源、冷卻量的控制，進行狀態(tài)監(jiān)控等功能。

本實用新型所述的主軸安裝臺由主軸抱夾10、主軸11、底座位置調(diào)節(jié)器12、地腳螺栓13、主軸安裝臺底座14組成。實現(xiàn)對受試主軸的夾持固定，對受試主軸安裝相位角的調(diào)整，底座安裝位置的微調(diào)以及與地平鐵的連接功能。

本實用新型所述的切削力自動控制裝置由切削力大小加載機構(gòu)、切削力方向調(diào)節(jié)機構(gòu)、電磁鎖緊機構(gòu)以及加載裝置支架四大部分構(gòu)成：

切削力大小加載機構(gòu)由軸承加載裝置16、步進電機29、螺旋副30、壓電陶瓷加載器31、加載棒34、旋轉(zhuǎn)傳動軸承座35、一級切削力螺旋加載機構(gòu)底座36組成。由螺旋加載機構(gòu)實現(xiàn)一級恒定值切削力加載，壓電陶瓷加載器31實現(xiàn)二級高頻切削力加載。

壓電陶瓷加載器31采用現(xiàn)有的壓電疊堆，在一定電壓的作用下，疊堆前段的桿便會輕微振動。步進電機29通過螺旋副30帶動壓電陶瓷加載器31在弧形運動機構(gòu)底板38上做往復直線運動，從而實現(xiàn)第一級加載。通過控制壓電陶瓷加載器31的電壓，實現(xiàn)第二級高頻加載。

切削力方向調(diào)節(jié)機構(gòu)由弧形調(diào)節(jié)機構(gòu)和徑向調(diào)節(jié)機構(gòu)組成，通過控制兩個方向的變化實現(xiàn)加載機構(gòu)對主軸空間任意方向的加載?；⌒握{(diào)節(jié)機構(gòu)由弧形滑道20、弧形驅(qū)動步進電機27、滾輪37、弧形運動機構(gòu)底板38、弧形齒條43、齒輪44、滾輪支板45構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)壓電陶瓷加載器31與主軸軸線夾角的調(diào)節(jié)；徑向調(diào)節(jié)機構(gòu)由徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動臺底座23、徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動臺底部軸承座24、伺服電動推桿25、徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動臺頂部軸承座26組成。實現(xiàn)壓電陶瓷加載器31與主軸徑向傾角的調(diào)節(jié)。

電磁鎖緊機構(gòu)由電磁離合器28、電磁力鎖緊片39、彈簧復位軸40、導向桿41、鎖緊摩擦片42組成。實現(xiàn)方向調(diào)節(jié)后快速鎖緊弧形調(diào)節(jié)機構(gòu)的功能，而徑向調(diào)節(jié)機構(gòu)由伺服電動推桿25內(nèi)部反向自鎖，從而增加切削力自動控制裝置加載過程的剛性。

加載裝置支架由加載機構(gòu)安裝支架19、立柱21、加載機構(gòu)底板22、切削力加載裝置骨架33、切削力加載裝置外殼46、軸承47組成。實現(xiàn)對切削力自動裝置的位置固定與支撐。

本實用新型所述的切削扭矩加載裝置包含電力測功機6、模擬刀具17與聯(lián)軸器18，聯(lián)軸器的作用是連接模擬刀具17與電力測功機6，從而將夾持著模擬刀具17的主軸11與電力測功機連接，實現(xiàn)對主軸的切削扭矩加載。

本實用新型所述的狀態(tài)檢測設備由流量傳感器3、激光位移傳感器15、壓力傳感器32、電流傳感器、溫度傳感器組成。實現(xiàn)對受試主軸工作狀態(tài)的實時監(jiān)測，為故障檢測與故障報警提供有力硬件保障。壓力傳感器32安裝于切削力大小加載機構(gòu)中的加載棒34的前部，與軸承加載裝置16的大致距離為10cm；

本實用新型所述的輔助設備由地平鐵1、油氣潤滑控制器2、液壓站4、冷卻控制柜5、工控機9、模擬刀具17組成。其作用分別為提供試驗系統(tǒng)所需的支撐平臺、實現(xiàn)油氣潤滑控制、提供液壓源、實現(xiàn)冷卻量控制、實現(xiàn)上位機控制、實現(xiàn)模擬加載的功能。

技術(shù)方案中所述主軸安裝臺的底座安裝位置的微調(diào)裝置設有四個；

地腳螺栓13設有六個；

激光位移傳感器15設有兩臺；

加載機構(gòu)安裝支架19設有兩個；

弧形滑道20設有三條；

立柱21設有兩根；

徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動臺底部軸承座24設有兩個；

徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動臺頂部軸承座26設有兩個；

電磁離合器28設有兩個；

電磁力鎖緊片39設有兩片；

彈簧復位軸40設有兩根；

導向桿41設有兩根；

摩擦鎖緊片42設有兩片；

滾輪支板45設有五塊；

軸承47設有兩個。

本實用新型所述的切削力自動控制裝置的控制原理如下：工控機通過RS232通訊方式控制PLC，PLC控制伺服驅(qū)動器進而實現(xiàn)對切削力方向、切削力方向鎖緊以及切削力大小三部分的控制。對于切削力方向控制，由伺服電動推桿25實現(xiàn)切削力自動控制裝置的徑向位置的調(diào)節(jié)。弧形驅(qū)動步進電機27調(diào)整切削力自動控制裝置的弧形位置。電磁鎖緊機構(gòu)實現(xiàn)鎖緊。對于切削力大小的控制，分為兩級加載控制。在第一級加載中，伺服驅(qū)動器控制步進電機驅(qū)動螺旋機構(gòu)，使壓電陶瓷加載器31整體做直線進給運動。在第二級加載中，伺服驅(qū)動器控制壓電陶瓷加載器31的電壓，基于逆壓電效應實現(xiàn)高頻切削力加載。從反饋回路上看，每個部分都有傳感器，將狀態(tài)傳輸回工控機，實現(xiàn)對系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

試驗方案及方法

本實用新型的另一目的在于提出一種基于主軸可靠性試驗裝置的可靠性試驗方法，包括以下步驟：

步驟1：載荷及狀態(tài)參數(shù)的獲取與處理

1.1在現(xiàn)場機床主軸上分別安裝切削力檢測儀、轉(zhuǎn)矩儀與流量傳感器以便采集實際工況參數(shù)。

1.2將采集到的切削力大小、切削力方向、切削扭矩、油氣潤滑量以及冷卻液流量數(shù)據(jù)儲存到采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫軟件中，將不同臺主軸采集到的參數(shù)隨機分配到一定時間段內(nèi)，制作成隨機循環(huán)加載譜。

1.3通過可移動儲存介質(zhì)或遠程網(wǎng)絡，將編制的隨機循環(huán)加載譜或已有載荷譜傳輸?shù)綄嶒炑b置工控機中。

步驟2：試驗裝置工作前檢測與調(diào)試

2.1松開主軸安裝臺的地腳螺栓，使用激光對中儀，檢測主軸安裝臺與電力測功機的對中性，并根據(jù)激光對中儀的指示調(diào)整主軸安裝臺底座14，在高度方位上若出現(xiàn)不對中誤差，需要根據(jù)激光對中儀的示數(shù)在主軸安裝臺底座14與地腳螺栓13之間增加或減少墊片，直到對中儀中提示對中性偏差在合理范圍以內(nèi)，緊固主軸安裝臺的地腳螺栓。

2.2啟動主軸，不開啟切削力自動控制裝置，用三向振動傳感器檢測切削力自動控制裝置振動，若出現(xiàn)異常振動值則說明切削力自動控制裝置安裝時徑向位置存在偏差，壓迫到主軸，這時需要在水平方向和豎直方向上輕微調(diào)整加載裝置支架的位置，直至檢測到的振動值只受外部環(huán)境影響，且數(shù)值幾乎為零。

2.3調(diào)整檢測徑向振動的兩臺激光位移傳感器，使示數(shù)最小，即測量點垂直通過軸線。

2.4開啟主軸變頻器，正確啟動主軸并空運行一段時間，開啟工控機中的狀態(tài)監(jiān)測軟件，并觀察傳感器檢測到的狀態(tài)參數(shù)是否正常，若確定無誤。則完成實驗前的調(diào)試與檢測工作。準備進入正式實驗階段。

步驟3：可靠性試驗裝置模擬工況加載試驗

3.1根據(jù)步驟1中收集到的主軸隨機循環(huán)加載譜，分析受試主軸加載工況的要求，確定可靠性試驗的總試驗時間、試驗流程以及流程中每步需要設定的試驗參數(shù)和試驗時間。

3.2開啟受試主軸并進入模擬加載模式，分別對可靠性試驗裝置切削力大小、切削力方向、切削扭矩、油氣潤滑量以及冷卻液流量進行控制。

3.3若狀態(tài)檢測軟件出現(xiàn)異?；蚬收蠄缶瑒t立即停機。根據(jù)檢測信號，對受試主軸或試驗裝置進行檢查，分析產(chǎn)生信號異常突變的原因或者可能存在的故障，記錄到數(shù)據(jù)庫中。每次試驗完畢后對試驗數(shù)據(jù)進行分類整理和存儲，以便后期的分析。

具體實施例

本實用新型所述的主軸可靠性試驗裝置及方法主要由兩大部分組成，即主軸可靠性試驗裝置部分和主軸可靠性試驗方法部分。

一、主軸可靠性試驗裝置部分

本實用新型專利所述的主軸可靠性試驗裝置，由主軸安裝臺8、切削力自動控制裝置7、切削扭矩加載裝置、狀態(tài)監(jiān)測設備以及輔助設備五大模塊構(gòu)成。

參閱圖1，所述的主軸可靠性試驗裝置組成結(jié)構(gòu)包含地平鐵1、油氣潤滑控制器2、流量傳感器3、液壓站4、冷卻控制柜5、電力測功機6、切削力自動控制裝置7、主軸安裝臺8、工控機9。其中電力測功機6、切削力自動控制裝置7、主軸安裝臺8安裝在地平鐵1上。油氣潤滑控制器2、液壓站4、冷卻控制柜5、電力測功機6以及工控機9放置在地面。主要部件的功能如下：

油氣潤滑控制器2按照可靠性試驗方法的規(guī)律調(diào)節(jié)供給受試主軸的油氣潤滑量，從而模擬實際工況中對主軸的油氣潤滑量；流量傳感器3安裝在油氣潤滑控制器2與液壓站4油液的出口處，實現(xiàn)流量監(jiān)控的功能；液壓站4為受試主軸內(nèi)部的拉刀機構(gòu)提供拉力，實現(xiàn)更換模擬刀具17的功能；冷卻控制柜5為主軸提供冷卻液，其中有流量控制閥，能根據(jù)需求控制冷卻液的流量；電力測功機6實現(xiàn)對主軸模擬切削扭矩的加載；切削力自動控制裝置7實現(xiàn)對主軸模擬切削力大小以及方向的加載；主軸安裝臺8實現(xiàn)對受試主軸的安裝并且具有位置的調(diào)整功能；工控機9實現(xiàn)對整個可靠性試驗系統(tǒng)的參數(shù)采集與控制功能，同時能夠在顯示器中顯示試驗臺的運行狀況。

參閱圖2，所述的主軸安裝臺包含主軸抱夾10、主軸11、底座位置調(diào)節(jié)器12、地腳螺栓13、主軸安裝臺底座14組成。主軸抱夾10機械包裹整個主軸11的外圈，實現(xiàn)對受試主軸的固定。主軸安裝臺底座14支撐主軸抱夾10并提供一定的安裝高度，兩者同樣通過螺栓連接。4個底座位置調(diào)節(jié)器12利用螺旋機構(gòu)實現(xiàn)主軸水平徑向位置的微調(diào)，在使用激光對中儀檢測后，可按照激光對中儀提示位置分別調(diào)整4個底座位置調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)水平與地面方向的對中。主軸安裝臺底座14安裝在地平鐵1上。當高度方向存在不對中時，可通過增加或減少地腳螺栓13與主軸安裝臺底座14之間的墊片調(diào)整豎直方向的對中偏差。圖中包含兩臺激光位移傳感器15，垂直分布，利用磁力吸座固定在主軸抱夾外表面，調(diào)整位置使激光位移傳感器15激光頭對準受試主軸距離激光位移傳感器15最近端，使得所檢測的位移值最小，可實現(xiàn)對主軸徑向跳動以及回轉(zhuǎn)精度等參數(shù)的檢測。軸承加載裝置16由一對軸承與外殼組成，外殼的加載面上有一個球形凹坑，以便壓電陶瓷加載器31前端的加載棒34與其配合。模擬刀具17是為了模擬主軸實際切削時的刀具，同時方便切削力以及切削扭矩的加載，其一端與主軸11內(nèi)部的拉刀機構(gòu)連接，另一端與聯(lián)軸器18通過鍵進行連接。聯(lián)軸器18連接模擬刀具17與電力測功機6的輸出端，以便電力測功機6對受試主軸11進行切削扭矩的加載。

參閱圖3，所述的切削力自動控制裝置由切削力大小加載機構(gòu)、切削力方向調(diào)節(jié)機構(gòu)、電磁鎖緊機構(gòu)以及加載裝置支架四大部分構(gòu)成。具體說明如下：

參閱圖2、圖3、圖4，所述的切削力大小加載機構(gòu)由軸承加載裝置16、步進電機29、螺旋副30、壓電陶瓷加載器31、加載棒34、旋轉(zhuǎn)傳動軸承座35、一級切削力加載機構(gòu)底座36組成。切削力大小中的第一級切削力加載由螺旋加載機構(gòu)實現(xiàn)。步進電機29與螺旋副30采用聯(lián)軸器同軸連接，旋轉(zhuǎn)傳動軸承座35實現(xiàn)對螺旋副30的固定與導向功能。螺旋副30的另一端與壓電陶瓷加載器31尾端固連，步進電機29的轉(zhuǎn)動通過螺旋副轉(zhuǎn)為直線運動后帶動壓電陶瓷加載器31在弧形運動機構(gòu)底板38上做往復直線運動。因此，當步進電機29旋轉(zhuǎn)一定步距角時，能夠通過螺旋副30驅(qū)動壓電陶瓷加載器31向前直線運動一定距離。由于步進電機的步距角很小，且螺旋傳動具有減速增力并且反向自鎖的功能，整個一級切削力螺旋加載機構(gòu)具有較大的剛度并且可以施加較大的恒定力。二級高頻切削力加載是利用壓電陶瓷加載器31自身的逆壓電效應，實現(xiàn)高頻加載。

參閱圖5與圖6，所述的切削力方向調(diào)節(jié)機構(gòu)由徑向調(diào)節(jié)機構(gòu)和弧形調(diào)節(jié)機構(gòu)組成，通過控制兩個方向的變化控制加載棒34與軸承加載裝置16的空間夾角，最終實現(xiàn)一定范圍內(nèi)對主軸11空間任意方向的加載。

參閱圖1、圖3、圖5和圖8，所述的切削力徑向調(diào)節(jié)機構(gòu)由徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動臺底座23、徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動臺底部軸承座24、伺服電動推桿25、徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動臺頂部軸承座26組成。徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動臺底部軸承座24安裝在徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動臺底座23上，將伺服電動推桿25安裝在徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動臺底部軸承座24上，伺服電動推桿25驅(qū)動徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動臺頂部軸承座26上下運動，使切削力加載裝置骨架33及其上方部件繞軸承47旋轉(zhuǎn)，從而使壓電陶瓷加載器31繞受試主軸的軸線旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)加載棒34與主軸徑向角度的調(diào)節(jié)。

參閱圖3、圖6，所述的弧形調(diào)節(jié)機構(gòu)由弧形滑道20、弧形驅(qū)動步進電機27、滾輪37、弧形運動機構(gòu)底板38、弧形齒條43、齒輪44、滾輪支板45構(gòu)成。三條弧形滑道20安裝在加載機構(gòu)底板22上，弧形運動機構(gòu)底板38底部安裝有五個滾輪支板45，中間一條滑道安裝一個滾輪支板45，兩邊的滑道安裝兩個滾輪支板45。每個滾輪支板45在其四個角落分別安裝有一個滾輪37，使得滾輪37能夠在弧形滑道20上滑動，實現(xiàn)弧形運動底板38按照給定的弧形軌跡運動，目的是使加載棒34始終指向軸承加載裝置16的球形凹槽中。弧形驅(qū)動步進電機27驅(qū)動齒輪44在弧形齒條43上按照弧形滑道既定的規(guī)律運動，從而使弧形運動機構(gòu)底板38及其上部的各個部件按弧形滑道既定規(guī)律運動，實現(xiàn)切削力自動控制裝置的切削力加載方向與主軸軸線夾角的調(diào)節(jié)。

參閱圖3、圖4和圖7，所述的電磁鎖緊機構(gòu)由電磁離合器28、電磁力鎖緊片39、彈簧復位軸40、導向桿41、鎖緊摩擦片42組成。電磁離合器28采用現(xiàn)有產(chǎn)品，固定在弧形運動機構(gòu)底板38上表面，內(nèi)置上下兩塊磁鐵，上磁鐵與自身外殼固定，下磁鐵與導向桿41和彈簧復位軸40上端同時固聯(lián)。導向桿41下端與電磁力鎖緊片39連接，彈簧復位軸40下端先與電磁力鎖緊片39連接后，再與鎖緊摩擦片42通過螺紋聯(lián)接；在加載狀態(tài)下，PLC發(fā)出信號使得電磁離合器28處于通電狀態(tài)，由于電磁力的作用彈簧復位軸40、電磁力鎖緊片39鎖緊摩擦片42向上運動，使摩擦片與加載機構(gòu)地板牢牢接觸。由于摩擦力的作用，電磁離合器28，弧形運動機構(gòu)底板38，電磁力鎖緊片39彈簧復位軸40，加載機構(gòu)地板22，鎖緊摩擦片42這些部分牢牢固定在一起，無法相對運動，從而實現(xiàn)整個弧形運動機構(gòu)鎖緊。需要調(diào)整加載力方向時，PLC發(fā)出信號使得電磁離合器28斷電，電磁力鎖緊片39在彈簧復位軸40中彈簧力的作用下處于松弛狀態(tài)，此時鎖緊摩擦片42與加載機構(gòu)底板22處于脫離狀態(tài)。使得弧形調(diào)整機構(gòu)可以自由運動。

徑向調(diào)節(jié)機構(gòu)利用伺服電動推桿25內(nèi)部電機自身的反向自鎖特性，從而增加切削力自動控制裝置加載過程的剛性。

參閱圖3、圖8，所述的加載裝置支架由加載機構(gòu)安裝支架19、立柱21、加載機構(gòu)底板22、切削力加載裝置骨架33、切削力加載裝置外殼46、軸承47組成。整個切削力自動控制裝置一端通過軸承47配合，由加載機構(gòu)安裝支架19支撐，另一端由徑向調(diào)節(jié)機構(gòu)中的伺服電動推桿25固定，實現(xiàn)伺服控制下，切削力自動控制裝置繞主軸11軸線的回轉(zhuǎn)方向調(diào)節(jié)。加載機構(gòu)安裝支架19與地平鐵連接。

參閱圖9，所述的切削力自動控制裝置的控制原理如下。通過鼠標鍵盤將試驗所需的參數(shù)輸入工控機中，工控機將控制參數(shù)通過RS232通訊協(xié)議傳輸至PLC，PLC輸出參數(shù)至伺服驅(qū)動器?？刂葡到y(tǒng)需要實現(xiàn)切削力方向控制、切削力方向鎖緊控制以及切削力大小控制三大部分。對于切削力方向控制，伺服驅(qū)動器按照給定規(guī)律驅(qū)動伺服電動推桿從而實現(xiàn)切削力徑向調(diào)節(jié)機構(gòu)的運動，調(diào)節(jié)切削力自動控制裝置的徑向位置。伺服驅(qū)動器控制弧形驅(qū)動步進電機，實現(xiàn)弧形方向調(diào)整機構(gòu)的運動，從而調(diào)整切削力自動控制裝置的方向。調(diào)整方向結(jié)束后，伺服驅(qū)動器輸出信號給電磁線圈，從而使得電磁鎖緊機構(gòu)實現(xiàn)鎖緊。對于切削力大小的控制，分為兩級加載控制。一級加載中，伺服驅(qū)動器控制步進電機驅(qū)動螺旋機構(gòu)，使壓電陶瓷加載器整體做進給運動。在第二級加載中，伺服驅(qū)動器控制壓電陶瓷加載器實現(xiàn)高頻切削力加載。從反饋回路上看，每個模塊都有傳感器，以便將位置值、位移值或者壓力值通過濾波后經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡傳輸回工控機，實現(xiàn)對狀態(tài)量的實時監(jiān)控與閉環(huán)控制。

參閱圖10，所述的主軸可靠性試驗裝置包含切削力自動控制裝置和狀態(tài)監(jiān)測裝置兩部分。切削力自動控制裝置可以完成切削力大小、切削力方向、切削扭矩、冷卻液流量以及軸承潤滑量的加載。分別使用切削力大小加載機構(gòu)、切削力方向控制機構(gòu)、電力測功機、冷卻液流量控制閥以及油氣潤滑控制器實現(xiàn)。通過這些手段實現(xiàn)對主軸試驗裝置模擬工況的加載。狀態(tài)監(jiān)測設備所要檢測的物理量有：徑向振動、軸向振動、扭轉(zhuǎn)振動、電流以及溫度值。分別采用電渦流位移傳感器、激光位移傳感器、電流傳感器以及溫度傳感器檢測，以獲取主軸可靠性試驗裝置的狀態(tài)參數(shù)。應用試驗臺配合故障診斷系統(tǒng)軟件，可實現(xiàn)對主軸可靠性的評估。

參閱圖11，所述的主軸可靠性試驗方法可歸納為如下步驟：

首先通過現(xiàn)場測試獲取并記錄數(shù)控機床基本信息、切削工藝數(shù)據(jù)和機床運行情況?；跈C床切削力、切削扭矩、轉(zhuǎn)速及循環(huán)次數(shù)的內(nèi)在對應關(guān)系，通過數(shù)學手段分析并處理采集的這些初始載荷參數(shù)，將其編制出載荷譜?；蚴遣捎玫刃嶋H工況的方法編制簡化載荷譜。應用載荷譜的規(guī)律分別控制切削力大小加載機構(gòu)、切削力方向控制機構(gòu)、電力測功機、冷卻液流量控制閥以及油氣潤滑控制器，實現(xiàn)對主軸實際工況的模擬。在進行可靠性加載試驗前需要根據(jù)編制的載荷譜和試驗任務需要確定試驗時間及流程。

在進行主軸可靠性加載試驗前需要進行試驗裝置調(diào)試，其中包括主軸與測功機通過聯(lián)軸器安裝后的對中性調(diào)節(jié)、加載裝置安裝位置調(diào)節(jié)以及傳感器的安裝。調(diào)試之后，為了衡量主軸的性能，進行空運轉(zhuǎn)試驗作為加載試驗的對照組。啟動主軸，在其他實驗條件均一致的情況下，根據(jù)加載實驗要求，分別選定主軸常用轉(zhuǎn)速進行空運轉(zhuǎn)試驗，在空運轉(zhuǎn)試驗中，利用變頻器控制主軸的正反向旋轉(zhuǎn)，利用測功機測量主軸轉(zhuǎn)速，采集到主軸軸端振動、軸承溫度、位移、電壓等一系列數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)記錄在下表中；只有當上述調(diào)試通過后，才可以按照載荷譜進行主軸可靠性試驗。

在主軸可靠性實驗過程中，需要實時監(jiān)控主軸的運轉(zhuǎn)情況，一旦主軸發(fā)生受試主軸部分功能喪失、受試主軸部分性能參數(shù)超出產(chǎn)品技術(shù)條件中允許的范圍、主軸轉(zhuǎn)子摩擦、主軸不對中或機械松動等故障或異常時，需要及時停機，將故障數(shù)據(jù)整理后編入主軸故障數(shù)據(jù)庫中，建立主軸故障檢測及維修平臺。根據(jù)采集到的故障發(fā)生時的振動信號或者噪聲信號，運用傅里葉變換、小波分析及S變換等常用的故障診斷方法對信號進行觀察與分析，提取主軸故障特征，判斷主軸在有故障和無故障下的狀態(tài)情況，進一步分析受試主軸的故障類型，隨后評估主軸的可靠性水平。

本實用新型中所述的實例是為了便于該領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解和應用本實用新型，本實用新型只是一種優(yōu)化的實例，或者說是一種較佳的具體技術(shù)方案。如果相關(guān)的技術(shù)人員在堅持本實用新型基本技術(shù)方案的情況下，做出不需要經(jīng)過創(chuàng)造性勞動的等效結(jié)構(gòu)變化或各種修改都在本實用新型的保護范圍內(nèi)。