双电主轴拉刀机构可靠性试验台及方法

1.本发明属于数控机床电主轴试验技术领域，具体涉及一种双电主轴拉刀机构可靠性试验台及方法。


背景技术：

2.近几年随着装备制造业的快速发展，我国已成为数控机床生产及应用的大国，目前国内研发的数控机床在精度、速度、大型化和多轴联动方面取得了明显进展。但随着功能的增多，故障隐患增多，先进功能和性能指标不能维持，可靠性问题严重，已经成为企业、用户与销售市场关注的焦点和数控机床产业发展的瓶颈。国产数控机床可靠性水平偏低的主要原因之一是国产数控机床关键功能部件的可靠性水平较低，因此研究开发数控机床关键功能部件可靠性试验装置和试验技术具有重要的实际意义。电主轴为高端数控车床的关键功能部件之一，其自身的可靠性水平对整机的可靠性水平有重要的影响，电主轴组成部件中对可靠性影响最大部件之一拉刀机构进行可靠性研究尤为重要。
3.我国的电主轴拉刀机构可靠性试验研究起步较晚，目前仅有一些功能简单的可靠性试验装置。例如，某些试验台可以对拉刀机构进行简单插拔刀动作模拟，然而对于拉刀机构而言，其实际工作时不仅包含其插拔动作，电主轴工作过程中对拉刀机构的高频动态力对其可靠性影响很大，加之国内拉刀机构目前还没有完善的针对于拉刀机构进行的可靠性试验方法（加载方法和检测方法），对拉刀机构进行可靠性研究显得尤为重要。


技术实现要素：

4.本发明目的是为了解决上述问题，而提供了一种双电主轴拉刀机构可靠性试验台及方法；一种双电主轴拉刀机构可靠性试验台，它包括：主轴转动单元、移动装置3、动态加载单元4、检测单元5、气缸6、气站7、控制台8、地平铁9；所述的主轴转动单元设有2套，2套主轴转动单元结构均相同，2套主轴转动单元相对布置，并与气缸6、气站7设在在地平铁9上；主轴转动单元包括：打刀缸11、电主轴12、刀柄加载机构13、主轴支撑座14；打刀缸11、电主轴12、刀柄加载机构13均设有2个；打刀缸11通过电主轴12与刀柄加载机构13连接；打刀缸11为刀柄加载机构13和电主轴12的松开啮合提供动力；刀柄加载机构13设在主轴转动单元上；气站7与气缸6连接；刀柄加载机构13、动态加载单元4与检测单元5连接；控制台8设在地平铁9旁；控制台8分别与主轴转动单元、刀柄加载机构13、动态加载单元4、检测单元5、气缸6和气站7电气连接。
5.所述的刀柄加载机构13为一种刀柄加载机构；刀柄加载机构13包括：刀柄131、拉刀测力仪132、测力仪显示表133、刀柄加载壳134、1号推力轴承135、2号球滚子轴承136、轴承安装件137、3号推力轴承138、端盖139，上述部件依次连接连。
6.所述的移动装置3包括：滑动板31、导轨32、滑块33、加载气缸34；导轨32固定在地
平铁9上；滑动板31设有2个，两个滑动板31通过滑块33对称设在导轨32上；加载气缸34设在滑动板下方，并与导轨32平行；加载气缸34为双活塞气缸，加载气缸34两端均设有活塞杆341；两个活塞杆341前端分别与两个滑动板31底部连接。
7.所述的动态加载单元4包括：压电加载杆41、加载杆支撑座42、预紧力调节装置43；压电加载杆41、预紧力调节装置43设在加载杆支撑座42上；加载杆支撑座42设在滑动板31上。
8.所述检测装置5包括：传感器支撑座51、激光位移传感器52；激光位移传感器52传感器支撑座51设在滑动板31上。
9.一种双电主轴拉刀机构可靠性试验方法，它包括：进行试验、关闭实验台、试验数据分析；一、进行试验s1.在控制台内输入需要压电陶瓷加载杆加载的动态力谱对应的程序备用，加载的动态力谱编制:1）实测动态力结果；2）最小样本长度选取；3）信号分析预处理；4）时域载荷扩展；5）载荷谱外推；6）编制加载动态力谱；s2拉刀机构啮合：控制台发送指令气站给气缸供气，气压加载部分工作带动两套滑动结构及其上的转动装置部分向两侧的两根电主轴移动，同时打刀缸工作，主轴拉到机构松开，两刀柄在移动装置带动下深入拉刀机构内，后打刀缸停止供气，拉刀机构与刀柄啮合；s3.电主轴旋转：控制台发送电信号指令，两电主轴按照动态力谱中的既定转速运转；s4.加载动态力：控制台发送指令，加载架构按照输入好的载荷普程序进行加载；s5.撤销动态力：加载试验结束，控制台发送指令结束加载，压电陶瓷加载杆停止工作；s6.回转精度检测：主轴继续旋转，同时检测设备的激光位移传感器工作，检测转动装置的精度；s7.电主轴停转：控制台发送指令，电主轴停止旋转；s8.拉刀力检测：记录测力仪显示表读数；s9.拉到力分离：控制台发送指令，控制打刀缸供气使拉刀机构与刀柄分离，同时气压加载部分工作，带动两套滑动结构及其上的转动装置部分向远离两侧的两根电主轴方向移动，至非工作位置；s10.重复1-9试验流程，并将每次试验得到的拉刀力值和回转精度值进行记录方便后续试验分析使用；三．关闭试验台s1.试验结束，控制台发送指令使两套装置旋转部分移动至非工作位；
s2.关闭电主轴，气站，压电陶瓷加载杆；s3.手动卸去压电陶瓷加载杆基力；4.关闭控制台软件，关闭控制台；四．实验数据分析选定用于试验分析的可靠性模型，进行数据分析。
10.所述的可靠性模型包括：维纳模型、伽马模型和/或逆高斯模型；所述的可靠性模型为伽马模型，包括以下步骤：s1.假定试验数据符合威布尔分布；s2.将采集得到的拉刀力值、回转精度值分别以自变量的形式带入模型；s3.自定义每个自变量指标的阈值；s4.通过模型计算得到相应的预测寿命值或分布情况，并计算相应的mtbf值。
11.本发明公开了一种双电主轴拉刀机构可靠性试验台，它包括：主轴转动单元、移动装置、动态加载单元、检测单元、控制台；主轴转动单元设有2套，2套主轴转动单元结构均相同，2套主轴转动单元相对布置，并与气缸、气站设在在地平铁上；主轴转动单元包括：打刀缸、电主轴、刀柄加载机构、主轴支撑座；打刀缸11为刀柄加载机构和电主轴的松开啮合提供动力；刀柄加载机构设在主轴转动单元上；刀柄加载机构、动态加载单元与检测单元连接；控制台分别与主轴转动单元等受控设备电气连接；可对不同的电主轴拉刀机构同时进行可靠性试验，同时可以进行试验结果对比，获得拉刀机构实际工况中受到的动态加载力，更加直观的对比出不同拉刀机构之间的差异性。
12.与现有技术相比本发明的有益效果是：.本发明所述的双电主轴拉刀机构可靠性试验台可以对不同的电主轴拉刀机构同时进行可靠性试验，不仅能够得到可靠性试验结构，同时可以进行试验结果对比，更加直观的对比出不同拉刀机构之间的差异性。
13.2.本发明所述的双电主轴拉刀机构可靠性试验台不仅包含拉到机构的松开啮合动作，同时包含拉刀机构在实际工作时会受到的动态加载力，使得试验台的试验效果更加符合实际。
14.3.本发明所述的双电主轴拉刀机构可靠性试验台同时包含回转精度检测机构和拉刀力检测装置，为可靠性试验提供数据支撑。
15.4.本发明所述的双电主轴拉刀机构可靠性试验台全套装置采用一套气压系统，仅用一个气站便完成了全套试验需要的气压，不仅节约了使用空间，也大大提高了经济利用率。
附图说明
16.图1为本发明一种双电主轴拉刀机构可靠性试验台的整体示意图；图2为本发明一种双电主轴拉刀机构可靠性试验台的刀柄加载机构分解示意图；图3为本发明一种双电主轴拉刀机构可靠性试验台的移动装置示意图；图4为本发明一种双电主轴拉刀机构可靠性试验台的加载与轴心轨迹检测部分示意图；图5为本发明所述的双电主轴拉刀机构可靠性试验方法流程图；
图中：打刀缸11，电主轴12，刀柄加载机构13，刀柄131，拉刀测力仪132，测力仪显示表133，刀柄加载壳134，1号推力轴承135，2号球滚子轴承136，轴承安装件137，3号推力轴承138，端盖139，主轴支撑座14，移动装置3，滑动板31，导轨32，导轨支撑板321，滑块33，加载气缸34，活塞杆341，活塞杆连接环342，安装连接盖343，动态加载单元4，压电加载杆41，加载杆支撑座42，预紧力调节装置43，检测单元5，传感器支撑座51，激光位移传感器52，气缸6，气站7，控制台8，地平铁9。
具体实施方式
17.实施例1一种双电主轴拉刀机构可靠性试验台参见图1至图4所示，一种双电主轴拉刀机构可靠性试验台，它包括：主轴转动单元、移动装置3、动态加载单元4、检测单元5、气缸6、气站7、控制台8、地平铁9；所述的主轴转动单元设有2套，2套主轴转动单元结构均相同，并相对布置在地平铁9两端；所述的主轴转动单元包括：打刀缸11、电主轴12、刀柄加载机构13、主轴支撑座14；所述的打刀缸11、电主轴12、刀柄加载机构13均设有2个；打刀缸11通过电主轴12与刀柄加载机构13连接；打刀缸11为刀柄加载机构13和电主轴12的松开啮合提供动力；所述的控制台8分别与主轴转动单元、刀柄加载机构13、加载单元、检测单元5、气缸6和气站7电气连接；所述的主轴转动单元、气缸6和气站7设在地平铁9上；刀柄加载机构13设在主轴转动单元上；刀柄加载机构13、加载单元与检测单元5连接；控制台8设在地平铁9旁；所述的打刀缸11设在电主轴12上；电主轴12设在主轴支撑座14中；主轴支撑座14固定在地平铁上9；所述的打刀缸11通过螺栓连接固定在电主轴5上，用于拔插刀柄；主轴支座13为u型铁块式结构件与长方形铁板焊接而成，u型铁块上设有圆形通孔用于装配电主轴12，长方形底板的四角处设置有u形开口用于螺栓连接，主轴支撑座14通过t型螺栓安装在地平铁9上；所述的刀柄加载机构13为一种刀柄加载机构；刀柄加载机构13包括：刀柄131、拉刀测力仪132、测力仪显示表133、刀柄加载壳134、1号推力轴承135、2号球滚子轴承136、轴承安装件137、3号推力轴承138、端盖139，上述部件依次连接连；刀柄131安装于电主轴12上，由电主轴12带其转动，通过打刀杠11的作用，来实现刀柄131插拔状态的转换；拉刀测力仪132装于刀柄的上，拉刀测力仪132的显示表显示拔刀力测试数值读数；为了在转动的刀柄131上加径向力，通过静止的刀柄加载壳来进行过度，从而对刀柄转动过程中加载径向力；刀柄加载壳为箱型结构件，由5块钢板与圆筒焊接而成，其中与弧形相对的铁板作为底板，其四个角处设有通孔用于连接，加载壳的圆筒的内圈与球形滚子轴承外圈进行过盈连接；为传递径向力刀柄131与轴承安装件137通过螺栓连接，轴承安装件为环形构件，内表面与刀柄表面接触，外表面设有三个轴肩，通过轴肩定位确定三个轴承相对于刀柄的安装位置，1号推力轴承135的左端面与刀柄加载壳134进行接触，确定内部结构相对于刀柄
加载壳134的具体位置；轴承内圈通过过盈配合连接于轴承安装件137上，实现了所加的径向加载力传递到刀柄上；端盖139与推力轴承的右端面接触，实现对推力轴承的压紧，端盖139大圆外侧设有四个通孔，最终通过螺栓安装在刀柄加载壳134上；所述的移动装置3为刀柄加载机构13换刀的移动装置，移动装置3在水平方向上的移动，实现刀柄插装状态的切换；所述的移动装置3包括：滑动板31、导轨32、滑块33、加载气缸34；所述的导轨32通过导轨支撑板321固定在地平铁9上；滑动板31设有2个，每个滑动板31上均设有4个滑块33；两个滑动板31通过滑块33对称设在导轨32上；所述的加载气缸34为双活塞气缸，能够实现双向同时伸缩运动；加载气缸34设在滑动板下方，并与导轨32平行；加载气缸34底板上设有通孔，加载气缸34通过螺栓与地平铁连接；加载气缸34两端均设有活塞杆341；两个活塞杆341前端分别与两个滑动板31底部；所述的加载气缸34设有三个交换气孔，分别位于缸体两边与中间的位置；当中间气孔通高压，两边气孔连接低压时，实现双活塞杆同时推出运动，完成装刀的运动；反之则实现拔刀运动；所述的活塞杆341和密封圈与气缸6的内圈紧密接触，气缸通过其上二位三通阀与活塞杆上三个气孔相连，实现活塞杆的高低压转换；随着加载气缸34三个气孔所连接气压的改变，实现往复直线运动；活塞杆341的末端设有轴肩和螺纹孔，轴肩用于对活塞杆活塞杆连接环342进行安装定位，螺纹孔则用于安装连接盖343，同时通过螺纹连接，实现对活塞杆连接环342的压紧；其中活塞杆连接环342为u型板与铁板焊接所构成的结构件，铁板上设有通孔，活塞杆连接环342的通孔再通过螺栓与滑动板31连接；从而实现了通过气缸的伸出收回运动实现滑动板31平移运动，带动整个旋转机构在水平方向上的运动；实现两个滑动板31通过气缸6控制实现刀柄的同时进行加载试验；所述的动态加载单元4包括：压电加载杆41、加载杆支撑座42、预紧力调节装置43；所述的加载杆支撑座42主要是由用于安装在滑动板31的铁板与安装压电加载杆的部分通过铁板焊接而成，其中铁板上设有通孔，可以通过t型螺栓连接至滑动板31上；用于安装压电加载杆的铁块上，在水平方向与竖直方向分别设有2个螺栓孔，通过调节螺栓，来保证压电加载杆41的加载方向与固定；压电加载杆41通过操控台去改变所输入电流来改变压电加载杆41的加载频率；在压电加载杆41的末端，设有螺纹孔，用于安装预紧力调节装置43；整个加载装置首先通过调节支撑座的位置，来保证装置的大体位置，再通过旋转调节预紧力加载结构，控制恒定加载力的大小，最后控制压电陶瓷加载杆，最终实现对工作中刀柄结构的径向动态力加载，以及把所加动态力的数值反馈给上位机；所述的检测单元5为激光位移传感器对轴心轨迹的检测；所述检测装置5包括：传感器支撑座51、激光位移传感器52；激光位移传感器52通过螺栓固定于传感器支撑座51上，通过调节传感器支撑座51的位置，来保证激光位移传感器52能够检测到刀柄的轴心轨迹误差。通过螺栓连接，使传感器支撑座51与加载杆支撑座42共同固定在滑动板31上，实现了加载装置、试验装置与检测装置的相对静止；激光位移传感将所测得数据，直接传至上位机处理。
18.实施例2一种双电主轴拉刀机构可靠性试验方法参见图1至图5所示，一种双电主轴拉刀机构可靠性试验方法，它包括：试验前准备工作、进行试验、关闭实验台、试验数据分析；一．试验前准备工作1.气压检测：检测气压站压强是否属于正常工作区间，检测气压缸压强是否正常。
19.2．调试检测设备：开启激光位移传感器，调节激光位移传感器与安装有拉刀力检测仪的转动部分用于检测精度的光杆之间的距离，使激光位移传感器位于工作区间内。调试拉刀力检测仪，确保拉刀力检测仪设备正常，未拉刀时显示结果为0n。
20.3.试验台锁紧检测：严格检测试验台所有工作部件之间是否锁紧，防止试验开始后误伤试验人员，以及提前按照需要加载的动态力基值，调整好压电陶瓷加载杆基力。
21.4.环境准备：主要为确保试验台附近无杂物，试验温度为检测设备工作区间温度，试验台工作时检测装置部分没有日光干扰等。
22.二．进行试验1.在控制台内输入需要压电陶瓷加载杆加载的动态力谱对应的程序备用，这里加载的动态力谱编制流程为:1）实测动态力结果2）最小样本长度选取3）信号分析预处理4）时域载荷扩展5）载荷谱外推6）编制加载动态力谱2.拉刀机构啮合：控制台发送指令气站给气缸供气，气压加载部分工作带动两套滑动结构及其上的转动装置部分向两侧的两根电主轴移动，同时打刀缸工作，主轴拉到机构松开，两刀柄在移动装置带动下深入拉刀机构内，后打刀缸停止供气，拉刀机构与刀柄啮合。
23.3.电主轴旋转：控制台发送电信号指令，两电主轴按照动态力谱中的既定转速运转。
24.4.加载动态力：控制台发送指令，加载架构按照输入好的载荷普程序进行加载。
25.5.撤销动态力：加载试验结束，控制台发送指令结束加载，压电陶瓷加载杆停止工作。
26.6.回转精度检测：主轴继续旋转，同时检测设备的激光位移传感器工作，检测转动装置的精度。
27.7.电主轴停转：控制台发送指令，电主轴停止旋转。
28.8.拉刀力检测：记录测力仪显示表读数。
29.9.拉到力分离：控制台发送指令，控制打刀缸供气使拉刀机构与刀柄分离，同时气压加载部分工作，带动两套滑动结构及其上的转动装置部分向远离两侧的两根电主轴方向移动，至非工作位置。
30.10.重复1-9试验流程，并将每次试验得到的拉刀力值和回转精度值进行记录方便后续试验分析使用。重复次数可按照试验人员具体时间而定。
31.三．关闭试验台1试验结束，控制台发送指令使两套装置旋转部分移动至非工作位。
32.2关闭电主轴，气站，压电陶瓷加载杆。
33.3手动卸去压电陶瓷加载杆基力。
34.4关闭控制台软件，关闭控制台。
35.四．实验数据分析1选定用于试验分析的可靠性模型，可以选择维纳模型、伽马模型、逆高斯模型登多个可靠性分析模型。这里以伽马模型为例。
36.2假定试验数据符合威布尔分布。
37.3将采集得到的拉刀力值、回转精度值分别以自变量的形式带入模型。
38.4自定义每个自变量指标的阈值。
39.5通过模型计算得到相应的预测寿命值或分布情况，并计算相应的mtbf值。
40.6对试验对象即两套拉刀机构进行可靠性描述和评价。
41.本发明中所述的实施例是为了便于该技术领域的技术人员能够理解和应用本发明，本发明只是一种优化的实施例，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，不同尺寸的双电主轴拉刀机构可靠性试验，范围之外的不同型号，不同尺寸的双电主轴拉刀机构的可靠性试验，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，如刀柄、拉力仪等标准件的选择等，故本发明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发明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发明的保护范围内。