基于电液伺服加载的丝杠导轨可靠性试验台的制作方法

本实用新型涉及一种基于电液伺服加载的丝杠导轨可靠性试验台,主要适用于数控磨床砂轮架进给系统可靠性领域。

背景技术：

数控磨床是装备制造业的工作母机，其发展水平和生产能力，直接反映了国家工业的综合实力，在国民经济发展中起着至关重要的作用。磨床的性能决定着装备制造业的水平，我国数控磨床与国际先进数控磨床存在着较大差距， 主要体现在可靠性方面，特别是精度保持和使用可靠性方面，进给系统是影响数控磨床可靠性的关键系统之一。

数控磨床在机械加工制造业中得到广泛应用，利用数控程序控制伺服电机 驱动砂轮磨削轴类、平面、曲面等。数控磨床通常为精密零件加工的最后一道工序，所以数控磨床性能的好坏和可靠性的高低对零件加工的精度和加工的效率有着重要的影响。

无论是轴类数控磨床，还是平面数控磨床和曲面数控磨床均包含有进给系统，进给系统的主要作用是在伺服电机的带动下通过丝杠副带动砂轮架实现直线进给，所以进给系统可靠性的高低将直接影响数控磨床的加工精度。

在数控磨床运行过程中进给系统存在丝杠定位精度不足、丝杠副摩擦力矩不足、丝杠温升过高、工作台振动过大、零部件损坏等问题，一旦出现这些问题，加工出的零件很可能是废品，严重影响生产效率，甚至会导致严重的安全事故。

为了提高进给系统的可靠性，通常需要采集该系统的故障数据，再根据故障数据提出改进进给系统可靠性的措施。在常规工作载荷下，进给系统故障较少，获得可靠性数据的周期较长，因此要想获得更多的数据就必须进行可靠性试验。

进给系统中的伺服电机转速不同、磨削力不同、进给力不同，所以试验装置必须能够模拟不同的工况，暴露数控磨床进给系统运行中的故障，为评估数控磨床进给系统的可靠性提供数据。

目前数控磨床在设计时对进给系统的试验主要是空载试验，而很少进行可靠性加载试验，导致数控磨床进给系统的可靠性基础数据很少，设计人员无法准确评估数控磨床进给系统的可靠性水平。

技术实现要素：

为了克服现有技术下的上述缺陷，本实用新型的目的在于提供一种基于电液伺服加载的丝杠导轨可靠性试验台，通过合理的结构设计解决了现有技术下实验装置的缺陷，能够模拟磨削过程中的真实工况进行动、静加载并采集相关数据来计算、评价数控磨床进给系统的可靠性。

本实用新型的技术方案是：一种基于电液伺服加载的丝杠导轨可靠性试验台，包括丝杠导轨驱动部分、载荷施加部分和自动控制部分，所述丝杠导轨驱动部分包括上、下滑鞍和丝杠螺母副，所述上、下滑鞍之间设有相互配合的导轨，所述上滑鞍上设有模拟砂轮受力装置，所述下滑鞍通过T型螺栓固定于地平铁上，所述丝杠螺母副由螺纹配合的丝杠螺母和丝杠组成，所述丝杠螺母通过丝杠螺母座与所述上滑鞍固连，所述丝杠由轴承支撑于所述下滑鞍内，所述丝杠的一端通过联轴器连接伺服电机，所述伺服电机与所述下滑鞍固连；所述载荷施加部分包括底座，所述底座与所述地平铁固定连接，所述底座上设有方向调节机构，所述方向调节机构的上表面通过支撑板固连有左、右支架，所述左、右支架之间固连有转轴，所述转轴连接有电液伺服加载装置；所述自动控制部分包括控制柜和液压泵站，所述自动控制部分与所述丝杠导轨驱动部分和所述载荷施加部分通讯相连。

优选的，所述转轴中间开有环形槽，所述电液伺服加载装置的滑板上开设有多个对应的通孔，可通过调整两者之间固定螺栓在环形槽中的位置从而调整电液伺服加载装置与转轴的安装角度，以适应于不同的加载方向。

优选的，所述转轴通过胀紧套和螺钉与左、右支架固连，所述转轴的两端为圆台，并在轴端加工有内螺纹孔，所述胀紧套的外壁上设有轴向槽，所述胀紧套内圈连接转轴，外圈接触左、右支架的内孔，通过拧紧与转轴配合的螺栓将胀紧套压入转轴和左、右支架之间，从而通过摩擦力使转轴和左、右支架固连，可以任意调节转轴相对于左、右支架的安装角度。

优选的，所述导轨为V-平组合导轨，V型导轨储油性能好并起导向作用，平导轨的工艺性好，能起到支撑和保持机床精度的作用，因此V-平组合导轨能够很好的满足因磨床拖板重且运动速度高,从而要求较好润滑的条件，使得导轨更加安全可靠。

优选的，所述上滑鞍上设有用于模拟惯性负载的砝码，以代替电机、皮带和主轴等砂轮架实际加工过程当中所应有的重量，砝码质量可根据实际工况的不同进行相应的调整。

优选的，所述模拟砂轮受力装置通过螺栓与所述上滑鞍固连，所述模拟砂轮受力装置的受力一侧为圆盘形，在圆盘的外端面上设有四个均匀分布的受力杆，所述受力杆的端面为球面，受力杆的球面设计使得模拟砂轮受力装置可以满足多方位、多角度的受力需求。

优选的，所述方向调节机构包括两对移动方向相互垂直的导轨机构，所述导轨机构的导轨为矩形滑动导轨，所述导轨机构还设有用于调节移动距离的丝杠螺母副，所述丝杠螺母副中丝杠的一端设有手动调节旋钮，使得电液伺服加载装置可以在水平面内任意移动并保持在固定位置时的锁紧。

优选的，所述电液伺服加载装置包括液压缸，所述的液压缸为双活塞杆式液压油缸，两个活塞杆分别从所述液压缸的两端伸出，所述液压缸的上端面通过螺栓连接有上端盖，所述上端盖通过关节轴承与液压缸支撑架相连，所述上端盖和所述液压缸的上端面之间固定有1号轴，所述1号轴的轴线和所述液压缸的上活塞杆的轴线平行，所述1号轴上套装有可在1号轴上滑动的直线轴承，所述直线轴承的一端和所述上活塞杆的端部固连，另一端连接有位移传感器，所述液压缸的下活塞杆的端部通过螺纹连接拉压力传感器的一端，所述拉压力传感器的另一端通过弹性装置连接加载杆，所述弹性装置可以吸收部分位移，弹性装置的固有频率应大于激振频率的两倍以上，所述位移传感器和所述拉压力传感器与所述控制柜通讯相连，所述位移传感器和所述拉压力传感器可将检测到的信号传递给控制柜，实现双闭环控制。

优选的，所述弹性装置由上方连接板、下方连接板、两个结构相同的套筒和两个规格相同的螺栓及螺母组成，其中上方连接板与下方连接板结构相同，所述的上方连接板与下方连接板各为一长方形平板，其中心位置处设置有螺纹通孔，螺纹通孔的两侧各有一个通孔，2个结构相同的套筒的外径大于上方连接板与下方连接板上两侧通孔的直径，2个规格相同的螺栓插入上方连接板与下方连接板两侧的通孔中，2个结构相同的套筒套装在两个连接板之间的螺栓上，最后再通过2个结构相同的螺母将其固定连接在一起。

优选的，所述液压缸上设有电液伺服阀，所述电液伺服阀与所述液压泵站通讯相连，所述电液伺服阀接受模拟电信号后可相应输出调制的流量和压力，具有动态响应快、控制精度高、使用寿命长等优点，液压泵站通过电液伺服阀控制液压缸反应速度快，控制精度高，使得实验数据更加精确可靠。

优选的，所述加载杆的外端面为内凹的球面，所述加载杆与所述受力杆球面接触，可保证加载杆在任意方向、任意角度加载时力大小和方向的准确性。

优选的，所述控制柜包括上位工控机、下位可编程控制器PLC和信号转换模块，所述上位工控机通过信号放大器和所述信号转换模块与所述位移传感器、拉压力传感器和电液伺服阀通讯相连，所述下位可编程控制器PLC的上行方向与所述上位工控机通讯相连，所述下位可编程控制器PLC的下行方向分别连接有伺服驱动器和电磁换向阀，所述伺服驱动器的输出端与伺服电机的电源接口和编码器接口连接，所述电磁换向阀与所述液压泵站相连。

优选的，所述控制柜设有显示屏和操作台，通过操作台可以设定设备的工作模式和试验参数，并通过显示屏将试验结果直观的呈现出来。

本实用新型的有益效果为：

与现有技术相比较，本实用新型所述的基于电液伺服加载的丝杠导轨可靠性试验台采用液压驱动对磨床砂轮架进行加载，即间接对传动系统进行模拟动、静态力载荷的加载，从而模拟传动系统在实际磨削过程中所承受的载荷，通过安装相关传感器，测出导轨正压力、倾覆力矩，通过对导轨进行力加载，其载荷转化为丝杠的扭矩。通过对被测丝杠和导轨模拟真实工况的可靠性试验，暴露和激发其故障，为产品的可靠性增长和评估提供基础数据；

本实用新型所述的基于电液伺服加载的丝杠导轨可靠性试验台，能够实现对作用在模拟砂轮受力装置上的扭矩和力的动、静态模拟，并通过设置砝码以模拟电机、皮带和主轴等砂轮架实际加工过程当中所应有的重量，模拟磨削力的幅值和加载频率及力矩大小在不同工况下动态可调；

本实用新型所述的基于电液伺服加载的丝杠导轨可靠性试验台，其载荷施加部分通过方向调节机构和转轴使电液伺服加载装置实现5自由度灵活调节，使得加载杆和受力杆能够更好地接触，从而更够更好地控制所加载荷的大小和受力方向；

本实用新型所述的基于电液伺服加载的丝杠导轨可靠性试验台，其载荷施加部分安装有拉压力传感器和位移传感器，能实时检测加载的模拟力的大小，实现实时监控和闭环控制及反馈；同时安装有扭矩传感器和转速传感器，对所加载的扭矩也可实现实时监控和闭环控制，使加载装置具有较高的加载精度；

本实用新型所述的基于电液伺服加载的丝杠导轨可靠性试验台，针对不同型号的砂轮架丝杠导轨进给系统，只需更换不同型号的机床功能部件及少量安装过渡件即可进行可靠性加载试验，体现了本实验台的灵活性和通用性。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的控制原理框图；

图3是本实用新型载荷施加部分的爆炸图。

具体实施方式

参见图1-3，本实用新型公开了一种基于电液伺服加载的丝杠导轨可靠性试验台，包括丝杠导轨驱动部分、载荷施加部分和自动控制部分。

所述丝杠导轨驱动部分包括上、下滑鞍和丝杠螺母副，所述上、下滑鞍之间设有相互配合的导轨，通常，所述导轨为润滑、导向性能好，精度高的V-平组合导轨。所述上滑鞍6上设有用于模拟惯性负载的砝码7和模拟砂轮受力装置8，所述模拟砂轮受力装置通过螺栓与所述上滑鞍固连，所述模拟砂轮受力装置的受力一侧为圆盘形，在圆盘的外端面上设有四个均匀分布的受力杆，所述受力杆的端面为球面。所述下滑鞍22通过T型螺栓固定于地平铁3上，所述丝杠螺母副由螺纹配合的丝杠螺母和丝杠组成，所述丝杠螺母通过丝杠螺母座与所述上滑鞍固连，所述丝杠由轴承支撑于所述下滑鞍内，所述丝杠的一端通过联轴器4连接伺服电机5，所述伺服电机与所述下滑鞍固连。

所述载荷施加部分包括底座21，所述底座开有四个U形槽，通过T型螺栓与所述地平铁固定连接，可根据加载方向任意设置所述底座的安装方位。所述底座上设有方向调节机构，所述方向调节机构包括两对移动方向相互垂直的导轨机构，所述导轨机构的导轨为矩形滑动导轨，所述导轨机构还设有用于调节移动距离的丝杠螺母副，所述丝杠螺母副中丝杠的一端设有手动调节旋钮，使得电液伺服加载装置可以在水平面内任意移动并保持在固定位置时的锁紧。所述方向调节机构的上表面通过支撑板20固连有左支架18和右支架19，所述左、右支架之间固连有转轴17，所述转轴通过胀紧套和螺钉与左、右支架固连，所述转轴的两端为圆台，并在轴端加工有内螺纹孔，所述胀紧套的外壁上设有轴向槽，所述胀紧套内圈连接转轴，外圈接触左、右支架的内孔，通过拧紧与转轴配合的螺栓将胀紧套压入转轴和左、右支架之间，从而通过摩擦力使转轴和左、右支架固连，可以任意调节转轴相对于左、右支架的安装角度。所述转轴还连接有电液伺服加载装置，所述转轴中间开有环形槽，所述电液伺服加载装置的滑板16上开设有多个对应的通孔，可通过调整两者之间固定螺栓在环形槽中的位置从而调整电液伺服加载装置与转轴的安装角度，以适应于不同的加载方向。所述电液伺服加载装置包括液压缸13，所述的液压缸为双活塞杆式液压油缸并设有与液压泵站通讯相连的电液伺服阀12，两个活塞杆分别从所述液压缸的两端伸出，所述液压缸的上端面通过螺栓连接有上端盖，所述上端盖通过关节轴承14与液压缸支撑架15相连，所述上端盖和所述液压缸的上端面之间固定有1号轴，所述1号轴的轴线和所述液压缸的上活塞杆的轴线平行，所述1号轴上套装有可在1号轴上滑动的直线轴承，所述直线轴承的一端和所述上活塞杆的端部固连，另一端连接有位移传感器，所述液压缸的下活塞杆的端部通过螺纹连接拉压力传感器11的一端，所述拉压力传感器的另一端通过弹性装置10连接加载杆9，所述加载杆的外端面为内凹的球面，所述加载杆与所述受力杆球面接触。所述弹性装置由上方连接板、下方连接板、两个结构相同的套筒和两个规格相同的螺栓及螺母组成，其中上方连接板与下方连接板结构相同，所述的上方连接板与下方连接板各为一长方形平板，其中心位置处设置有螺纹通孔，螺纹通孔的两侧各有一个通孔，2个结构相同的套筒的外径大于上方连接板与下方连接板上两侧通孔的直径，2个规格相同的螺栓插入上方连接板与下方连接板两侧的通孔中，2个结构相同的套筒套装在两个连接板之间的螺栓上，最后再通过2个结构相同的螺母将其固定连接在一起。

所述自动控制部分包括控制柜2和液压泵站1，所述控制柜包括上位工控机、下位可编程控制器PLC和信号转换模块，所述信号转换模块包括D/A卡和A/D卡，所述上位工控机通过信号放大器和所述信号转换模块与所述位移传感器、拉压力传感器和电液伺服阀通讯相连，所述下位可编程控制器PLC的上行方向与所述上位工控机通讯相连，所述下位可编程控制器PLC的下行方向分别连接有伺服驱动器和电磁换向阀，所述伺服驱动器的输出端与伺服电机的电源接口和编码器接口连接，所述电磁换向阀与所述液压泵站相连，所述控制柜还设有显示屏和操作台，通过操作台可以设定设备的工作模式和试验参数，并通过显示屏将试验结果直观的呈现出来。

参见图2的程序框图，在对被测丝杠导轨进行可靠性试验时，先根据动、静态切削力的大小及方向，调整好电液伺服加载装置的位置和角度，使加载杆的轴线能够对准到模拟砂轮受力装置的球面上，然后在控制柜的VB控制界面上选定一定参数，使上位工控机通过RS-232C端口与可编程控制器PLC进行通讯，可编程控制器PLC通过伺服驱动器驱动伺服电机，同时通过扭距传感器及转速传感器获取信号，并将信号通过信号放大器和A/D卡传回给上位工控机，实现闭环控制。同时根据需要模拟的真实磨削加工工况，通过操作台设置加载力、振动频率、加载波形、加载时间、加载扭矩以及转速等各项参数，试验开始后，PLC控制伺服电机使上滑鞍空进及工进，上位工控机接收加载反馈信号后通过电液伺服阀控制液压缸对模拟砂轮受力装置加载，使载荷间接加到丝杠导轨上，同时，与液压缸相关联的位移传感器和拉压力传感器将检测到的信号通过信号放大器和A/D卡传回给上位工控机，实现双闭环控制。加载过程结束后，电液伺服阀控制液压缸的活塞杆缩回，上位工控机继续控制伺服电机驱动丝杠导轨运动，在上位工控机的自动控制和检测下，整个试验过程循环有序地不断进行。

本实用新型专利所述的实施是为了便于该技术领域的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施方案，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，不同尺寸的砂轮架丝杠导轨进行可靠性试验，范围之外的不同型号，不同尺寸的丝杠导轨的可靠性试验，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，如拉压力传感器，丝杠轴承以及其他的标准件。故本实用新型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实用新型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实用新型的保护范围内。