立式加工中心可靠性快速检测装置的制作方法

本发明涉及机床可靠性试验技术领域，特别涉及一种立式加工中心可靠性快速检测装置。

背景技术：

可靠性是产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。对数控机床而言，其可靠性不仅指机床本身能够平稳运行，更重要的是能够保证长时间加工出合格的产品，因此可靠性是数控机床的重要指标。数控机床可靠性涉及数控机床的整个寿命周期，从数控机床的设计、制造、装配、安装、调试、用户使用到机床报废，都与数控机床的可靠性技术密切相关。

为提高数控机床可靠性，需开展数控机床可靠性试验。常规的可靠性试验有全寿命试验、现场跟踪统计试验。但这些可靠性试验存在着周期较长，见效慢，所需样本量大，成本高等缺陷，从而使企业和产品不能适应市场的快速发展，满足用户需要。因此需要在数控机床出厂前快速测试其可靠性，并发现其潜在的薄弱点，并对其进行改进，提高数控机床的可靠性。目前，一部分国内数控机床生产厂商在数控机床出厂前进行了一定程度的可靠性和精度测试，但一般只涉及到简单圆台的轻切削和空运转试验。虽然在刚出厂时，数控机床的可靠性和精度能够满足出厂需求。但在用户使用一段时间后，数控机床的精度和可靠性会较快地衰退，因此国产数控机床的可靠性和精度保持性一直制约着其市场份额的提升。相对的，国外的一些数控机床厂商一般采取抽样连续切削可靠性试验。如日本山崎马扎克公司，通过对同一批次的一台或几台机床实施3个月的连续切削试验来检验机床可靠性。该方法时间和材料消耗巨大，试验成本很高，而且在完成试验后，该机床也无法上市进行销售。

若开发一种模拟实际切削的力加载机构和数控机床精度检测装置，通过对机床施加超过实际工况但又不超过数控机床实际负载能力的载荷，模拟机床加工状态，并同时采用精度检测装置和采集系统来快速测试数控机床的可靠性和数控机床精度，进而对数控机床的可靠性和精度保持进行评估，检测数控机床可靠性和精度水平，这样的一套数控机床可靠性减速检测装置将具有非常广阔的应用前景。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种立式加工中心可靠性快速检测装置，该装置具有结构简单、功能强大、便携易安装等优点。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种立式加工中心可靠性快速检测装置，立式加工中心1包括立式加工中心主轴2、立式加工中心工作台3和立式加工中心数控系统4，其中，所述装置包括：精度检测模块5，用于检测所述立式加工中心1的运动精度和主轴回转精度；动静力高低频加载模块6，用于对所述立式加工中心1施加不同频率、方向和大小的力和力矩，以模拟加工中心切削状态；数据采集分析模块7，用于采集所述立式加工中心数控系统4和所述立式加工中心1的多项加工中心状态信息，并根据所述多项加工中心状态信息得到所述立式加工中心1的健康状态。

本发明实施例的立式加工中心可靠性快速检测装置，能够检测加工中心主轴静刚度、动刚度、静态回转精度、动态回转精度、加工中心定位误差、重复定位误差等多项加工中心状态信息，可对加工中心可靠性进行快速检测，具有结构简单、功能强大、便携易安装等优点。

另外，根据本发明上述实施例的立式加工中心可靠性快速检测装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，所述精度检测模块5包括检测棒51、第一位移传感器52、第二位移传感器53、第三位移传感器54、第四位移传感器55、第五位移传感器56、传感器安装座57和磁座58，其中，所述第一位移传感器52、所述第二位移传感器53、所述第三位移传感器54、所述第四位移传感器55和第五位移传感器56均设置于传感器安装座57上，所述传感器安装座57设置于所述磁座58上，所述磁座58吸附在所述立式加工中心工作台3上；所述动静力高低频加载模块6包括：气动式并联机构和主轴加载连接接口61，其中，所述气动式并联机构设置于立式加工中心工作台3上，所述主轴加载连接接口61设置于气动式并联机构上方，所述主轴加载连接接口61上端和立式加工中心主轴2连接，主轴加载连接接口61下端夹持所述检测棒51；所述数据采集分析模块7包括传感器、采集卡、通信板卡和数据分析仪，所述传感器设置于所述立式加工中心1的各个驱动轴和立式加工中心四周，所述采集卡用于同步采集传感器信号，所述通信板卡连接所述立式加工中心数控系统4，以读取所述立式加工中心1的多项加工中心状态信息，所述数据分析仪根据所述多项加工中心状态信息评价和监控所述立式加工中心1的可靠性。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述的检测棒51可以为标准圆柱棒、标准球、偏心标准球、标准双球或偏心标准双球。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一位移传感器52和所述第二位移传感器53相互垂直、共面且沿水平方向；所述第三位移传感器54和所述第四位移传感器55分别与所述第一位移传感器52和所述第二位移传感器53平行，且所述第三位移传感器54和所述第四位移传感器55相互垂直、共面且沿水平方向；所述第五位移传感器56和所述第一位移传感器52、所述第二位移传感器53、所述第三位移传感器54、所述第四位移传感器55垂直。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述位移传感器指向所述标准球、所述偏心标准球、所述标准双球或所述偏心标准双球的球心。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述气动式并联机构包括动平台8、第一支链9、第二支链10、第三支链11、第四支链12和第五支链13，其中，所述动平台8通过螺栓连接主轴加载连接接口61；所述第一支链9、第二支链10、第三支链11、第四支链12和第五支链13共同连接动平台8和立式加工中心工作台3；所述第一支链9包括第一虎克铰91、第一连接杆92、第一转动铰链93、第一气缸安装法兰94、第一气缸活塞杆95、第一气缸缸筒96、第一拉压力传感器97、第一传感器连接杆98、第二虎克铰99和第一安装底座910；所述第一连接杆92通过第一虎克铰91连接动平台8；所述第一气缸安装法兰94通过第一转动铰链93连接第一连接杆92；所述第一气缸安装法兰94通过螺栓固接第一气缸活塞杆95；所述第一气缸活塞杆95通过第一移动副连接第一气缸缸筒96；所述第一拉压力传感器97通过螺栓固接在第一气缸缸筒96下端；所述第一传感器连接杆98固接在第一拉压力传感器97下端；所述第一传感器连接杆98通过第二虎克铰99连接第一安装底座910；所述第三支链11、第四支链12和第一支链9的结构和连接方式相同；所述第二支链10包括第三虎克铰101、第二连接杆102、第二气缸安装法兰103、第二气缸活塞杆104、第二气缸缸筒105、第二拉压力传感器106、第二传感器连接杆107、第四虎克铰108和第二安装底座109；所述第二连接杆10通过第三虎克铰101连接动平台8；所述第二气缸安装法兰103通过螺栓固接第二连接杆102；所述第二气缸安装法兰103和第二气缸活塞杆104通过螺栓固接；所述第二气缸活塞杆104通过第二移动副连接第二气缸缸筒105；所述第二拉压力传感器106通过螺栓固接在第二气缸缸筒105下端；所述第二传感器连接杆107固接在第二拉压力传感器106下端；所述第二传感器连接杆107通过第四虎克铰108连接第二安装底座109；所述第五支链13和所述第二支链10的结构和连接方式相同，且所述第二支链10和所述第五支链13始终处于同一平面内。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述主轴加载连接接口61包括主轴刀柄611、轴承上盖板612、上轴承613、轴承座614、下轴承615、轴承下盖板616、挡圈617、锁紧螺母618、弹簧夹套619和刀柄螺帽6110；其中，所述主轴刀柄611通过液压吸合连接在立式加工中心主轴2上，所述轴承座614通过所述上轴承613和所述下轴承615连接所述主轴刀柄611，所述轴承上盖板612和轴承下盖板616分别通过螺栓安装在轴承座614的上表面和下表面，所述挡圈617安装在下轴承615的下端并通过锁紧螺母618锁紧，所述检测棒51通过弹簧夹套619安装在主轴刀柄611下端，并通过刀柄螺帽6110锁紧；所述轴承座614通过螺栓和所述动平台8连接，使所述主轴加载连接接口61安装在气动式并联机构上。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述动静力高低频加载模块6可拆卸所述第一支链9、所述第二支链10、所述第三支链11、所述第四支链12和所述第五支链13上的安装底座，收拢所述第一支链9、所述第二支链10、所述第三支链11、所述第四支链12和所述第五支链13，并安装在安装底座14上。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一支链9、所述第二支链10、所述第三支链11、所述第四支链12和所述第五支链13的气缸的行程不同。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述装置还包括温度传感器、振动加速度传感器、频率变送器和电流互感器，以检测所述多项加工中心状态信息。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的立式加工中心可靠性快速检测装置的结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的精度检测模块的实施例的三维结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的立式加工中心可靠性快速检测装置的示意图；

图4为根据本发明一个实施例的第一支链和动平台实施例结构爆炸视图；

图5为根据本发明一个实施例的第二支链和动平台实施例结构爆炸视图；

图6为根据本发明一个实施例的主轴加载连接接口的实施例结构爆炸视图；

图7为根据本发明一个实施例的动静力高低频加载模块处于收纳状态的示意图。

附图标记说明：

立式加工中心1、立式加工中心主轴2、立式加工中心工作台3、立式加工中心数控系统4、精度检测模块5、动静力高低频加载模块6、数据采集分析模块7、动平台8、第一支链9、第二支链10、第三支链11、第四支链12、第五支链13、安装底座14、检测棒51、第一位移传感器52、第二位移传感器53、第三位移传感器54、第四位移传感器55、第五位移传感器56、传感器安装座57、磁座58、主轴加载连接接口61、主轴刀柄611、轴承上盖板612、上轴承613、轴承座614、下轴承615、轴承下盖板616、挡圈617、锁紧螺母618、弹簧夹套619、刀柄螺帽6110、第一虎克铰91、第一连接杆92、第一转动铰链93、第一气缸安装法兰94、第一气缸活塞杆95、第一气缸缸筒96、第一拉压力传感器97、第一传感器连接杆98、第二虎克铰99、第一安装底座910、第三虎克铰101、第二连接杆102、第二气缸安装法兰103、第二气缸活塞杆104、第二气缸缸筒105、第二拉压力传感器106、第二传感器连接杆107、第四虎克铰108和第二安装底座109。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的立式加工中心可靠性快速检测装置。

图1是本发明一个实施例的立式加工中心可靠性快速检测装置的结构示意图。

如图1所示，该立式加工中心可靠性快速检测装置，立式加工中心1包括立式加工中心主轴2、立式加工中心工作台3和立式加工中心数控系统4，其中，装置包括：精度检测模块5、动静力高低频加载模块6和数据采集分析模块7。

其中，精度检测模块5，用于检测立式加工中心1的运动精度和主轴回转精度；动静力高低频加载模块6，用于对立式加工中心1施加不同频率、方向和大小的力和力矩，以模拟加工中心切削状态；数据采集分析模块7，用于采集立式加工中心数控系统4和立式加工中心1的多项加工中心状态信息，并根据多项加工中心状态信息得到立式加工中心1的健康状态。本发明实施例的装置能够检测加工中心主轴静刚度、动刚度、静态回转精度、动态回转精度、加工中心定位误差、重复定位误差等多项加工中心状态信息，可对加工中心可靠性进行快速检测，具有结构简单、功能强大、便携易安装等优点。

具体而言，立式加工中心1包括立式加工中心主轴2、立式加工中心工作台3和立式加工中心数控系统4。本发明实施例的装置包括动静力高低频加载模块6，数据采集分析模块7和精度检测模块5。动静力高低频加载模块6和精度检测模块5安装在立式加工中心工作台3上。数据采集分析模块7连接立式加工中心数控系统4。

精度检测模块5可检测加工中心运动精度和主轴回转精度。动静力高低频加载模块6可对加工中心施加不同频率、方向和大小的力和力矩，模拟加工中心切削状态。数据采集分析模块7可实时采集数控系统内的状态信息和安装在加工中心上的温度传感器、振动传感器等信号，并根据采集的信号对加工中心健康状态进行评估和监控。

下面将结合具体实施例对立式加工中心可靠性快速检测装置进行详细阐述。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，精度检测模块5包括检测棒51、第一位移传感器52、第二位移传感器53、第三位移传感器54、第四位移传感器55、第五位移传感器56、传感器安装座57和磁座58，其中，第一位移传感器52、第二位移传感器53、第三位移传感器54、第四位移传感器55和第五位移传感器56均设置于传感器安装座57上，传感器安装座57设置于磁座58上，磁座58吸附在立式加工中心工作台3上。

其中，在本发明的一个实施例中，检测棒51可以为标准圆柱棒、标准球、偏心标准球、标准双球或偏心标准双球。

进一步地，在本发明的一个实施例中，第一位移传感器52和第二位移传感器53相互垂直、共面且沿水平方向；第三位移传感器54和第四位移传感器55分别与第一位移传感器52和第二位移传感器53平行，且第三位移传感器54和第四位移传感器55相互垂直、共面且沿水平方向；第五位移传感器56和第一位移传感器52、第二位移传感器53、第三位移传感器54、第四位移传感器55垂直。

进一步地，在本发明的一个实施例中，位移传感器指向标准球、偏心标准球、标准双球或偏心标准双球的球心。

具体而言，如图2所示，精度检测模块5包括检测棒51，第一位移传感器52，第二位移传感器53，第三位移传感器54，第四位移传感器55，第五位移传感器56，传感器安装座57和磁座58。检测棒51可以是标准圆柱棒、标准球、偏心标准球、标准双球或偏心标准双球。第一位移传感器52和第二位移传感器53相互垂直、共面且沿水平方向；第三位移传感器54和第四位移传感器55分别与第一位移传感器52和第二位移传感器53平行，且第三位移传感器54和第四位移传感器55相互垂直、共面且沿水平方向；第五位移传感器56和第一位移传感器52、第二位移传感器53、第三位移传感器54、第四位移传感器55垂直。五个位移传感器均安装在传感器安装座57上，并指向标准球、偏心标准球、标准双球或偏心标准双球的球心。传感器安装座57安装在磁座58上；磁座58吸附在立式加工中心工作台3上；精度检测模块5可用于检测立式加工中心运动精度、重复定位精度和主轴回转精度。

进一步地，在本发明的一个实施例中，动静力高低频加载模块6包括：气动式并联机构和主轴加载连接接口61，其中，气动式并联机构设置于立式加工中心工作台3上，主轴加载连接接口61设置于气动式并联机构上方，主轴加载连接接口61上端和立式加工中心主轴2连接，主轴加载连接接口61下端夹持检测棒51；数据采集分析模块7包括传感器、采集卡、通信板卡和数据分析仪，传感器设置于立式加工中心1的各个驱动轴和立式加工中心四周，采集卡用于同步采集传感器信号，通信板卡连接立式加工中心数控系统4，以读取立式加工中心1的多项加工中心状态信息，数据分析仪根据多项加工中心状态信息评价和监控立式加工中心1的可靠性。

进一步地，在本发明的一个实施例中，气动式并联机构包括动平台8、第一支链9、第二支链10、第三支链11、第四支链12和第五支链13，其中，动平台8通过螺栓连接主轴加载连接接口61；第一支链9、第二支链10、第三支链11、第四支链12和第五支链13共同连接动平台8和立式加工中心工作台3。

具体而言，如图3所示，其包括动静力高低频加载模块6，数据采集分析模块7和精度检测模块5。动静力高低频加载模块6安装在立式加工中心工作台3上，包括气动式并联机构和主轴加载连接接口61。气动式并联机构包括动平台8、第一支链9、第二支链10、第三支链11、第四支链12和第五支链13。动平台8通过螺栓连接主轴加载连接接口61。第一支链9、第二支链10、第三支链11、第四支链12和第五支链13分别连接动平台8和立式加工中心工作台3。

如图4所示，第一支链9包括第一虎克铰91、第一连接杆92、第一转动铰链93、第一气缸安装法兰94、第一气缸活塞杆95、第一气缸缸筒96、第一拉压力传感器97、第一传感器连接杆98、第二虎克铰99和第一安装底座910；第一连接杆92通过第一虎克铰91连接动平台8；第一气缸安装法兰94通过第一转动铰链93连接第一连接杆92；第一气缸安装法兰94通过螺栓固接第一气缸活塞杆95；第一气缸活塞杆95通过第一移动副连接第一气缸缸筒96；第一拉压力传感器97通过螺栓固接在第一气缸缸筒96下端；第一传感器连接杆98固接在第一拉压力传感器97下端；第一传感器连接杆88通过第二虎克铰99连接第一安装底座910；第三支链11、第四支链12和第一支链9的结构和连接方式相同。

如图5所示，第二支链10包括第三虎克铰101、第二连接杆102、第二气缸安装法兰103、第二气缸活塞杆104、第二气缸缸筒105、第二拉压力传感器106、第二传感器连接杆107、第四虎克铰108和第二安装底座109；第二连接杆10通过第三虎克铰101连接动平台8；第二气缸安装法兰103通过螺栓固接第二连接杆102；第二气缸安装法兰103和第二气缸活塞杆104通过螺栓固接；第二气缸活塞杆104通过第二移动副连接第二气缸缸筒105；第二拉压力传感器106通过螺栓固接在第二气缸缸筒105下端；第二传感器连接杆107固接在第二拉压力传感器106下端；第二传感器连接杆107通过第四虎克铰108连接第二安装底座109；第五支链13和第二支链10的结构和连接方式相同，且第二支链10和第五支链13始终处于同一平面内。

进一步地，如图6所示，主轴加载连接接口61安装在气动式并联机构的动平台8上，主轴加载连接接口61上端和立式加工中心主轴2连接，主轴加载连接接口61下端连接精度检测模块5。主轴加载连接接口61包括主轴刀柄611、轴承上盖板612、上轴承613、轴承座614、下轴承615、轴承下盖板616、挡圈617、锁紧螺母618、弹簧夹套619和刀柄螺帽6110；其中，主轴刀柄611通过液压吸合连接在立式加工中心主轴2上，轴承座614通过上轴承613和下轴承615连接主轴刀柄611，轴承上盖板612和轴承下盖板616分别通过螺栓安装在轴承座614的上表面和下表面，挡圈617安装在下轴承615的下端并通过锁紧螺母618锁紧，检测棒51通过弹簧夹套619安装在主轴刀柄611下端，并通过刀柄螺帽6110锁紧；轴承座614通过螺栓和动平台8连接，使主轴加载连接接口61安装在气动式并联机构上。

进一步地，在本发明的一个实施例中，第一支链9、第二支链10、第三支链11、第四支链12和第五支链13的气缸的行程不同。

可以理解的是，第一支链9、第二支链10、第三支链11、第四支链12和第五支链13的气缸可更换为不同行程的气缸，以使改机构满足对小型、中型、大型加工中型等不同规格的立式加工中心1可靠性检测。

进一步地，在本发明的一个实施例中，如图7所示，动静力高低频加载模块6可拆卸第一支链9、第二支链10、第三支链11、第四支链12和第五支链13上的安装底座，收拢第一支链9、第二支链10、第三支链11、第四支链12和第五支链13，并安装在安装底座14上。安装底座14可以为小型一体安装底座，以缩小体积收纳。

进一步地，在本发明的一个实施例中，装置还包括温度传感器、振动加速度传感器、频率变送器和电流互感器，以检测多项加工中心状态信息。

具体而言，数据采集分析模块7包括传感器、采集卡、通信板卡和数据分析仪，传感器包括温度传感器、振动加速度传感器、频率变送器、电流互感器，并安装在立式加工中心1的各个驱动轴和立式加工中心1四周，采集卡高速同步采集传感器信号。通信板卡连接立式加工中心数控系统4，并从立式加工中心数控系统4中读取立式加工中心1的状态信息，包括跟踪误差、主轴负载率、各轴负载率、电机温度等多项立式加工中心的性能指标。数据分析仪根据传感器信号和加工中心状态信息评价和监控加工中心可靠性。

在工作时，数据采集分析模块7采集五条支链上安装的五个拉压力传感器数据，通过调节五条支链上的五支气缸的气压，对五条支链的拉压力进行调节，进而对施加在立式加工中心主轴2上的加载力进行精确控制。同时，通过g代码对立式加工中心进行控制，当立式加工中心1进行运动时，通过带动气动式并联机构运动，实现对立式加工中心在不同位置和姿态下加载力，从而对连接动平台8的立式加工中心主轴2进行多维加载，模拟数控机床切削。同时，数据采集分析模块采集传感器信号和加工中心状态信息，对立式加工中心进行状态检测和可靠性评价。

综上，本发明实施例的装置适用于立式加工中心的可靠性快速测试试验。该装置能够对立式加工中心施加三方向的力和两方向的力矩，模拟实际的机床切削状态。在对立式加工中心施加载荷的同时，还可以对立式加工中心的回转精度、重复定位精度、定位精度、跟踪误差、电机温度、各轴负载等一系列加工中心的状态进行监测，并实时反馈立式加工中心的健康状态，最终评估加工中心的可靠性和精度保持性水平。

本发明实施例的装置具有以下优点：

(1)本发明实施例的装置可对立式三轴加工中心、立式五轴加工中心等不同规格的立式加工中心施加三方向力和两方向力矩，模拟数控机床实际切削状态。

(2)本发明实施例的装置可更换机械结构中的气缸为不同行程的气缸，以使改机构满足对小型、中型、大型加工中型等不同规格的立式加工中心可靠性检测。

(3)本发明实施例的装置可实现模拟数控机床切削的同时，对数控机床的回转精度、重复定位精度和定位精度进行检测。

(4)本发明实施例的装置可实现对数控机床检测的同时，对数控机床的跟踪误差、主轴负载率、各轴负载率、电机温度等多项数控机床性能指标进行监测，可实时反馈立式加工中心的健康状态，最终评估加工中心的可靠性和精度保持性水平。

(5)本发明实施例的装置结构简单，易于制造，成本低廉，易于安装在不同规格的数控机床上进行可靠性检测。

(6)本发明实施例的装置可通过安装在在小型一体安装底座上，缩小体积便于携带和收纳。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。