机床主轴拉刀机构可靠性试验装置的制作方法

本发明属于机械试验设备及方法技术领域，涉及一种对主轴拉刀机构进行可靠性试验的装置，具体地说，涉及一种可以对主轴拉刀机构工况进行模拟、拉刀机构性能进行检测的可靠性试验装置。

背景技术：

主轴作为数控机床的关键功能部件，其可靠性对整机的可靠性有着很大的影响，根据统计规律，主轴中的拉刀机构占据较大部分故障比例。目前虽然存在对主轴拉刀机构进行试验的装置如CN205352685U，但其仅能模拟机械手对松拉刀动作，并不能动态模拟切削过程对拉刀机构的影响，更没有针对拉刀机构的动态检测装置。已有的拉刀机构测量装置如CN204546139U虽然可以实时监测拉刀力，但是不能全面地检测拉刀机构振动、噪声等参数，更不具有内置的自发电，数据无线传输系统等全面集成化的功能。因此发明一套具有针对性的，能够完全模拟主轴拉刀机构真实工况，并且全面监测其构动态数据的试验装置对提升主轴拉刀机构可靠性具有很大实际意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是现有技术无法对主轴拉刀机构进行全面的可靠性试验，而且现有的拉刀力检测装置不能完全反映拉刀机构的性能。本发明专利提供了一种能够对不同类型刀柄的拉刀机构进行可靠性试验装置，其不仅可以模拟主轴拉刀机构的机械动作，而且能够模拟不同载荷状态下主轴切削时对拉刀机构的影响。为了实现连续松拉刀动作，本发明基于电液伺服加载机构往复运动，模拟换刀机械手的换刀过程。为了实现模拟真实工况下刀柄对拉刀机构的影响，设计了轴承加载单元结构与角度可调的电液伺服加载机构，使得施加在旋转刀柄上的切削力可实现大小与方向的综合调节，更好地模拟了主轴实际切削过程中拉刀机构的工况。

在进行可靠性试验的过程中，本发明所述的拉刀机构性能检测模块能够以自发电的形式，将拉刀机构的振动、噪声以及拉刀力值以无线传输的方式传回数据采集仪，从而进行在线状态检测。

本发明所述的试验装置在完成可靠性试验的同时，还能根据不同的试验方案进行主轴拉刀机构早期磨合、拉刀机构性能检测以及拉刀机构加速寿命试验，具有比较广泛的用途。由于试验装置简洁，相比普通换刀机械手具有较高的可靠性，能够排除外因对拉刀力可靠性试验系统的影响。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的，结合附图说明如下：

一种机床主轴拉刀机构可靠性试验装置，由主轴安装模块、模拟刀柄模块、加载模块和辅助模块组成；

所述的主轴安装模块包括主轴3、主轴抱夹4和主轴支撑台21；主轴3通过主轴抱夹4固定在主轴支撑台上21上；

所述加载模块包括电液伺服加载机构8、加载杆8-1、加载机构底座9、加载机构底板10、伺服电机11、小齿轮12、弧形齿条14、加载机构底板销轴16、球形加载端头24、压力传感器25、电液伺服阀26；

所述电液伺服加载机构8固定在加载机构底座9上，加载机构底座9固定在加载机构底板10上，加载机构底板10与弧形齿条14固定；

伺服电机11驱动小齿轮12，小齿轮12与加载机构底板10外缘的弧形齿条14啮合，带动加载机构底板10绕着加载机构底板销轴16转动，从而带动底板10上的加载机构底座9以及电液伺服加载机构8在水平方向上绕着球形加载端头24转动；

加载杆8-1位于电液伺服加载机构8内部中心位置，在电液伺服阀26的控制下，加载杆8-1能够往复伸缩运动；压力传感器25串联于电液伺服加载机构加载杆8-1上，球形加载端头24位于加载杆8的最末端；

所述模拟刀柄模块包括轴承加载单元6、滑轨7、自动发电环23和滑块28；

主轴3与电液伺服加载机构8之间通过轴承加载单元6连接，在主轴3与轴承加载单元6之间安装有自动发电环23；

轴承加载单元6通过滑块28安装在滑轨7上，并能够在滑轨7上滑动。

技术方案中所述轴承加载单元6包括电线通道6-1，轴承加载单元端盖6-3，径向轴承A6-4，模拟刀柄6-5，径向轴承B6-6，轴向推力轴承6-7，加载过渡件6-8，轴承加载单元外壳6-9，锁紧螺栓6-12，无线信号发射装置6-13，加载球抱夹6-14；

电线通道6-1位于模拟刀柄6-5的回转中心线位置；

轴承加载单元外壳6-9与轴承加载单元端盖6-3通过锁紧螺栓6-12相固定，形成包裹模拟刀柄6-5部件的壳体；模拟刀柄6-5外径上装配有径向轴承A6-4和径向轴承B6-6；

模拟刀柄6-5末端凸台与推力球轴承6-7一端的孔配合，加载过渡件6-8一端的凸台与推力球轴承6-7配合，加载过渡件6-8与轴承加载单元外壳6-9间隙配合，球形加载端头24与加载过渡件6-8接触，将来自电液伺服加载机构8的加载力传递到推力球轴承6-7，进而传递到模拟刀柄6-5；

无线信号发生装置6-13位于模拟刀柄6-5内部，安置在模拟刀柄6-5的回转中心线位置；

加载球抱夹6-14能够限制球形加载端头24的位置，使其在加载过渡件6-8与加载球抱夹6-14所形成的类似球铰链的结构内运动。

技术方案中所述加载球抱夹6-14通过带有缓冲垫片6-15的螺栓固定在轴承加载单元外壳6-9上。

技术方案中所述轴承加载单元6还包括拉力传感器6-10、振动传感器6-2和噪声传感器6-11；

所述拉力传感器6-10、振动传感器6-2和噪声传感器6-11设置在模拟刀柄6-5内。

技术方案中所述的主轴安装模块还包括螺旋微调器29；

所述螺旋微调器29设置在主轴支撑台21与地平铁20之间。

技术方案中所述自动发电换23包括：发电环内圈23-1，发电环外圈23-2，发电环外圈锁紧环23-3；

发电环内圈23-1与轴承加载单元6中的模拟刀柄6-5过盈配合，发电环外圈23-2，发电环外圈锁紧环23-3固定在轴承加载单元端盖6-3上。

技术方案中所述模拟刀柄模块还包括轴承加载单元支撑台17、辅助平台19；

轴承加载单元支撑台17支撑滑轨7，并放置在辅助平台19上。

技术方案中所述辅助模块包括数据采集仪1、工控机2、摄像头5、地平铁20、操控台22；

所述数据采集仪1和工控机2放置在操控台22上，并固定在地平铁20上；

所述的摄像头5安装于主轴抱夹4顶部，拍摄位置为主轴拉刀机构前端。

技术方案中所述辅助模块还包括可移动麦克风18；

所述可移动麦克风18设置在模拟刀柄模块中的辅助平台19上。

技术方案中所述加载模块还包括底板15、滚柱27；

所述底板15放置于辅助模块中的地平铁20上表面；

所述滚柱27设置在加载机构底板10与底板15之间。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1、本发明所述的装置能够模拟不同类型主轴刀柄的换刀过程，进行主轴拉刀机构可靠性试验以及早期磨合试验，并对拉刀机构的加速寿命试验起到指导性作用。

2、本发明所述装置能够实时检测拉刀机构换刀、主轴空转以及切削以及过程中，拉刀机构产生的拉刀力、振动以及噪声。主轴的旋转驱动装置自行发电从而给内置传感器供电，采用无线数据传输的形式将信号输出，从而消除因主轴旋转导致的绕线问题的影响。

3、本发明所述的装置能够在线模拟主轴切削过程动态切削力对拉刀机构的影响。通过切削力加载装置的设计，消除加载机构回程的无效加载力，准确地复现动态切削力大小及方向，从而全面反映主轴拉刀机构的真实工况。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明专利所述的主轴拉刀机构可靠性试验装置整体轴测图；

图2为本发明专利所述的主轴拉刀机构可靠性试验装置主体部分侧视图；

图3为本发明专利所述的主轴拉刀机构可靠性试验装置俯视图；

图4为本发明专利所述的BT系列刀柄的轴承加载单元内部结构图；

图5为本发明专利所述的HSK系列刀柄的轴承加载单元内部结构图；

图中：

1.数据采集仪，2.工控机，3.主轴，3-1.主轴拉爪，4.主轴抱夹，5.摄像头，6.轴承加载单元，6-1.电线通道，6-2.振动传感器，6-3.轴承加载单元端盖，6-4.径向轴承A，6-5.模拟刀柄，6-6.径向轴承B，6-7.轴向推力轴承，6-8加载过渡件，6-9.轴承加载单元外壳，6-10.拉力传感器，6-11.噪声传感器，6-12.锁紧螺栓，6-13.无线信号发射装置，6-14.加载球抱夹，6-15缓冲垫片，7.滑轨，8.电液伺服加载机构，8-1.加载杆，9.加载机构底座，10.加载机构底板，11.伺服电机，12.小齿轮，13.电机支座，14.弧形齿条，15.底板，16.加载机构底板销轴，17.轴承加载单元支撑台，18.可移动麦克风，19.辅助平台，20.地平铁，21.主轴支撑台，22.操控台，23.自动发电环，23-1.发电环内圈，23-2.发电环外圈，23-3.发电环外圈锁紧环，24.球形加载端头，25.压力传感器，26.电液伺服阀，27.滚柱，28.滑块，29.螺旋微调器；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

本发明所述的一种主轴拉刀机构可靠性试验装置，由主轴安装模块、模拟刀柄模块、加载模块以及辅助模块四大部分组成。其功能以及组成说明如下：

所述的主轴安装模块实现受试主轴的安装功能。该模块包括主轴3、主轴拉爪3-1、主轴抱夹4、主轴支撑台21以及螺旋微调器29；

所述加载模块实现模拟换刀机械手动作，为更换刀柄提供动力并提供大小方向均变化的动态切削力。该模块包括电液伺服加载机构8、加载杆8-1、加载机构底座9、加载机构底板10、伺服电机11、小齿轮12、电机支座13、弧形齿条14、底板15以及加载机构底板销轴16、球形加载端头24、压力传感器25、电液伺服阀26、滚柱27；

加载机构底座9支撑上部分的电液伺服加载机构8，加载杆8-1位于电液伺服加载机构8内部中心位置，在电液伺服阀26的控制下，加载杆8-1能够往复伸缩运动。压力传感器25串联于电液伺服加载机构加载杆8-1上，能够检测加载杆8-1上的压力。球形加载端头24位于加载杆8的最末端，采用螺纹联接与加载杆8末端的螺纹上。

所述模拟刀柄模块作用是为拉刀机构提供一个机械结构，实现拉刀机构对刀柄的松拉刀动作并传递加载模块施加的动态载荷。于此同时，通过内部检测装置的设计，实现对拉刀机构工作时的状态参数实时检测。该模块包括轴承加载单元6、滑轨7、轴承加载单元支撑台17、辅助平台19、自动发电环23以及滑块28；其中轴承加载单元6又细分为以下部分，电线通道6-1，振动传感器6-2，轴承加载单元端盖6-3，径向轴承A6-4，模拟刀柄6-5，径向轴承B6-6，轴向推力轴承6-7，加载过渡件6-8，轴承加载单元外壳6-9，拉力传感器6-10，噪声传感器6-11，锁紧螺栓6-12，无线信号发射装置6-13，加载球抱夹6-14，缓冲垫片6-15；自动发电环23包括：发电环内圈23-1，发电环外圈23-2，发电环外圈锁紧环23-3。

电线通道6-1位于模拟刀柄6-5的回转中心线位置，为拉力传感器6-10、振动传感器6-2和噪声传感器6-11三个传感器与无线信号发射装置6-13以及发电环内圈23-1的电线连接提供空间；

模拟刀柄6-5末端凸台与推力球轴承6-7一端的孔配合，加载过渡件6-8一端的凸台与推力球轴承6-7配合，在保证模拟刀柄6-5与加载过渡件6-8同轴的基础上，实现相对旋转运动。加载过渡件6-8与轴承加载单元外壳6-9间隙配合，球形加载端头24与加载过渡件6-8接触，将来自电液伺服加载机构8的加载力传递到推力球轴承6-7，进而传递到模拟刀柄6-5。

无线信号发生装置6-13位于模拟刀柄6-5内部，安置在模拟刀柄6-5的回转中心线位置，起到将采集数据实时发送至电脑等终端的目的。

加载球抱夹6-14能够限制球形加载端头24的位置，使其在加载过渡件6-8与加载球抱夹6-14所形成的类似球铰链的结构内运动。实现加载力方向的动态调节。

所述辅助模块为整套试验装置的正常工作提供辅助支撑。该模块包括数据采集仪1、工控机2、摄像头5、可移动麦克风18、地平铁20、操控台22；

所述的摄像头5安装于主轴抱夹4顶部，拍摄位置为主轴拉刀机构前端，可以进行远程观看拉刀机构的工作情况，并进行全局监控；

参阅图1，数据采集仪1和工控机2放置在操控台22上，并固定在地平铁20上。

参阅图1与图2，主轴3通过主轴抱夹4固定在主轴支撑台上21上。主轴支撑台上21与地平铁20之间有螺旋微调器29，用来调整主轴安装台的高度，使得主轴能够与模拟刀柄6-5正常安装。

参阅图1与图2，电液伺服加载机构8固定在加载机构底座9上，加载机构底座9固定在加载机构底板10上，加载机构底板10与弧形齿条14固定。电机支座13支撑伺服电机11，伺服电机11驱动小齿轮12，小齿轮12与加载机构底板10外缘的弧形齿条14啮合，带动加载机构底板10绕着加载机构底板销轴16转动，从而带动底板10上的加载机构底座9以及电液伺服加载机构8在水平方向上绕着球形加载端头24转动，实现加载角度的调节。为了实现旋转的顺畅，加载机构底板10与底板15之间放置多列滚柱27。底板15放置于地平铁20上表面。电液伺服加载机构8的最前端安装有球形加载端头24实现切削力的加载，并且利用压力传感器25实现加载力的检测以及闭环控制。

参阅图3，加载机构的伺服电机11驱动小齿轮12转动，通过加载机构底板10外缘的弧形齿条14，带动加载机构底板10在滚柱27上转动，从而改变电液伺服加载机构8的加载角度，实现对拉刀机构不同角度切削力的加载。

参阅图3，主轴3与电液伺服加载机构8之间通过轴承加载单元6连接；

参阅图3与图4，主轴3前端的主轴拉爪3-1与模拟刀柄6-5相连，实现主轴3与轴承加载单元6连接。电液伺服加载机构8通过前端的球形加载端头24与加载单元外壳6-9连接，实现电液伺服加载机构8与轴承加载单元6连接。因此轴承加载单元6作为一个过渡件将主轴3与电液伺服加载机构8连接起来，实现模拟力的加载。

参阅图4，在主轴3与轴承加载单元6之间安装有自动发电环23从而利用主轴的转动对刀柄内部传感器供电。发电环内圈23-1与模拟刀柄6-5过盈配合，发电环外圈23-2，发电环外圈锁紧环23-3固定在轴承加载单元端盖6-3上，主轴的旋转驱动自动发电环23产生电能从而给内置传感器供电；轴承加载单元6通过滑块28安装在滑轨7上，并可在滑轨7上滑动。轴承加载单元支撑台17支撑滑轨7，并放置在辅助平台19上。辅助平台19上还放置有可移动麦克风18，检测试验过程中的振动噪声。整个模拟刀柄模块固定在底板15上。

参阅图4，所述的BT系列刀柄的轴承加载单元6内部具有如下结构。轴承加载单元外壳6-9与轴承加载单元端盖6-3通过锁紧螺栓6-12相固定，形成包裹模拟刀柄6-5等部件的壳体。模拟刀柄6-5外径上装配有径向轴承A6-4与和径向轴承B6-6，使得模拟刀柄6-5在主轴带动下的高速旋转不影响到加载单元外壳6-9。球形加载端头24左侧通过具有与球形加载端头24同等直径大小的凹坑，将来自电液伺服加载机构8的加载力传递到推力球轴承6-7，进而传递到模拟刀柄6-5，最终传递到主轴的拉刀机构上。

加载球抱夹6-14通过带有缓冲垫片6-15的螺栓固定在轴承加载单元外壳6-9上，加载球抱夹6-14能够限制球形加载端头24的位置，使其在加载过渡件6-8与加载球抱夹6-14所形成的类似球铰链的结构内自由运动。实现切削力方向的动态调节。由于在动态加载的过程中，球形加载端头24高频往复运动，而只有电液伺服加载机构8前进方向的加载力是实际工况，实际工况中工件不可能给主轴一个拉力，因此电液伺服加载机构8回程的加载力不属于工况，因尽量避免。因此，在加载球抱夹6-14与轴承加载单元6-9连接时，设计了缓冲垫片6-15，使其吸收球形加载端头24在高频加载时的回程位移，保证加载的准确性。

为了实时检测主轴拉刀机构在拉刀过程中的状态参数，采用嵌入式检测的方式，在模拟刀柄6-5内置拉力传感器6-10、振动传感器6-2以及噪声传感器6-11。由自动发电环23给内置的拉力传感器6-10、振动传感器6-2以及噪声传感器6-11以及无线信号发射装置6-13供电，采用无线数据传输的形式将信号输出。

参阅图4与图5，试验可根据主轴拉刀机构类型的差异改变模拟刀柄6-5前端的结构以便试验不同的主轴拉爪3-1，使本专利所述的主轴拉刀机构可靠性试验装置的通用性的特点。

本发明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发明。本发明只是一个优化的实例，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发明基本技术方案的情况下，作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之内。