由压电陶瓷和磁粉制动器加载的砂轮主轴可靠性试验台的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种由压电陶瓷和磁粉制动器加载的砂轮主轴可靠性试验台，包括砂轮架、切削力加载装置、切削力加载支撑装置和控制装置，所述砂轮架下方设有左右两个砂轮架支座，所述切削力加载装置设置在所述切削力加载支撑装置上，所述切削力加载装置包括扭矩加载装置、径向力加载装置和轴向力加载装置，所述控制装置与所述砂轮架和切削力加载装置通讯连接，协同控制径向力、轴向力和扭矩的大小。本发明能够在实验室环境下有效地模拟砂轮主轴在实际工况中的动态切削力，为产品的可靠性增长和评估提供实用的基础数据。
【专利说明】
由压电陶瓷和磁粉制动器加载的砂轮主轴可靠性试验台
技术领域
[0001]本发明涉及一种由压电陶瓷和磁粉制动器加载的砂轮主轴可靠性试验台，是一种通过压电陶瓷和磁粉制动器对数控磨床砂轮主轴进行混合动力加载的试验台。
【背景技术】
[0002]数控磨床近年来发展迅速，我国已经能生产各种类型的数控磨床，但大多数数控磨床都是借鉴国外的成熟产品，在精度、速度、大型化等方面取得了明显进展的同时，随着功能的增多，故障隐患也增多，使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磨床产业发展的瓶颈。国产数控磨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，因此研究开发数控磨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。砂轮主轴系统作为高端数控磨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。
[0003]数控磨床经过跨越式发展，产品的类型日益丰富，但相对理论研究，可靠性试验技术研究相对滞后。数控磨床现场跟踪故障数据耗费周期较长，而砂轮主轴系统可以脱离数控磨床单独运行，故可对其在实验室环境下进行可靠性试验。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术下的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种由压电陶瓷和磁粉制动器加载的砂轮主轴可靠性试验台，本发明的试验台能够同时对砂轮主轴系统进行动态轴向力、径向力和扭矩的加载，通过协同控制这三个加载力可以模拟不同大小和方向的磨削力，能够有效地模拟砂轮主轴系统在实际工况中的切削力。
[0005]本发明的技术方案是:
一种由压电陶瓷和磁粉制动器加载的砂轮主轴可靠性试验台，包括砂轮架、切削力加载装置及控制系统，所述砂轮架内设有砂轮主轴及与所述砂轮主轴配套的旋转驱动装置，所述砂轮主轴的输出端套设于加载单元内，所述切削力加载装置包括扭矩加载装置、径向力加载装置和轴向力加载装置，所述扭矩加载装置内设有磁粉制动器，所述磁粉制动器的输出端通过联轴器连接所述砂轮主轴，所述径向力加载装置内设有第一压电陶瓷，所述轴向力加载装置内设有第二压电陶瓷，所述第一、第二压电陶瓷的输出端链接所述加载单元，所述控制系统与所述砂轮架和切削力加载装置通讯连接，控制砂轮主轴的转速和施加的切削力的大小。
[0006]优选的，所述砂轮架下方设有砂轮架底座，所述砂轮架底座的数量为两个，分别设于所述砂轮架下方的左右两侧，左侧所述砂轮架底座的顶部为平面，右侧所述砂轮架底座的顶部为V型面，所述砂轮架底座的顶部均设有用于与砂轮架配合的贴塑导轨，所述砂轮架底座内还设有加强筋，所述砂轮架底座的制作方式为铸造，所述砂轮架底座通过T型螺纹固定于地平铁上。
[0007]优选的，还设有切削力加载支撑装置，所述扭矩加载装置、径向力加载装置和轴向力加载装置均设置在所述切削力加载支撑装置上，所述切削力加载支撑装置整体呈箱体式，所述切削力加载支撑装置由底板、顶盖板和支撑侧板焊接组成，所述底板、顶盖板和支撑侧板均为刚板，所述切削力加载支撑装置通过T型螺纹固定于地平铁上。
[0008]优选的，所述加载单元包括方形外壳、锥形套、角接触球轴承、轴承端盖、轴向力加载块，所述方形外壳内套有所述锥形套，所述砂轮主轴轴向穿过所述锥形套，所述锥形套内设有轴肩，所述轴肩上设有所述角接触轴承，所述角接触轴承的内圈与所述轴肩过盈配合、外圈与所述方形外壳的内表面过盈配合，所述锥形套的轴向外端设有与所述角接触轴承相配合的所述轴承端盖，所述轴承端盖与所述角接触轴承的配合面上设有环状凸起，所述环状凸起的凸起高度可调节，所述加载单元上还设有所述轴向力加载块，所述轴向力加载块固定连接在所述方形外壳的前后两侧面上。
[0009]优选的，所述扭矩加载装置内设有转速扭矩传感器，所述磁粉制动器和转速扭矩传感器之间通过第一弹性膜片联轴器相连接，所述转速扭矩传感器通过第二弹性膜片联轴器与砂轮主轴相连接，所述磁粉制动器通过紧固螺栓固定于所述切削力加载支撑装置的顶盖板上，所述转速扭矩传感器通过螺杆固定于所述切削力加载支撑装置的顶盖板上，所述螺杆固设于所述切削力加载支撑装置的顶盖板上。
[0010]优选的，所述第一弹性膜片联轴器、转速扭矩传感器、第二弹性膜片联轴器、磁粉制动器和所述砂轮主轴的中心线同轴。
[0011]优选的，所述径向力加载装置设有摆动臂，所述摆动臂的中部设有半球形凹槽，所述凹槽内设有第一压电式力传感器，所述第一压电式力传感器通过球形螺钉设置在所述凹槽内，所述第一压电式力传感器通过第一转换螺钉连接所述第一压电陶瓷，所述第一压电陶瓷穿过所述切削力加载支撑装置的顶盖板作用于所述加载单元的底面中心，所述摆动臂的两端设有通孔，所述摆动臂通过固定螺杆与所述切削力加载支撑装置的顶盖板连接，所述固定螺杆的下端设有第一预紧螺母。
[0012]优选的，所述第一转换螺钉呈阶梯形，所述第一转换螺钉与所述第一压电陶瓷的连接端设有外螺纹，所述第一转换螺钉与所述第一压电式力传感器的连接端设有带有内螺纹的孔，所述第一压电式力传感器、第一转换螺钉和第一压电陶瓷共轴线。
[0013]优选的，所述轴向力加载装置设有轴向力传导件，所述轴向力传导件包括设置在所述加载单元前后两侧的侧板，所述侧板上端开设有与所述轴向力加载块相配合的槽口，所述侧板的下方焊接在底板上，所述底板水平设置在所述切削力加载支撑装置顶盖板上，所述底板的前后两端面呈楔形，所述底板与固定设置在所述加载单元顶盖板上的楔形块滑动配合，前后两侧的所述侧板之间还设有连接肋板，所述第二压电陶瓷的输出端作用于所述连接肋板上，所述第二压电陶瓷连接有第二压电式力传感器，所述第二压电式力传感器和所述第二压电陶瓷之间设有第二转换螺钉，所述切削力加载支撑装置的顶盖板上垂直设有第二压电式力传感器支撑套、第二压电陶瓷支撑套和第二压电陶瓷导向套，所述第二压电式力传感器通过第二预紧螺钉与所述第二压电式力传感器支撑套固连。
[0014]优选的，所述第二转换螺钉呈阶梯形，所述第二转换螺钉与所述第二压电陶瓷的连接端设有外螺纹，所述第二转换螺钉与所述第二压电式力传感器的连接端设有带有内螺纹的孔，所述第二压电式力传感器、第二转换螺钉和第二压电陶瓷共轴线，平行于所述砂轮主轴。
[0015]本发明的有益效果为:
本发明的试验台能够实现对砂轮主轴进行轴向力、径向力和扭矩的加载，可以根据需要调节上述三个载荷的大小，模拟砂轮主轴在实际工作情况下的切削力，结合控制系统能够实现对试验数据的自动记录和分析，节省了大量的人力和时间，实现了在实验室环境下对砂轮主轴可靠性的研究。
[0016]本发明采用压电陶瓷和磁粉制动器对砂轮主轴加载切削力，控制灵活方便，加载精度高，能够有效的保证试验结果的准确性。
[0017]本发明的试验台具有较高的通用性和灵活性，只需更换砂轮主轴和少量零部件即可满足不同型号的砂轮主轴进行可靠性试验。
【附图说明】
[0018]图1是本发明的结构简图；
图2是本发明径向力加载装置的结构简图；
图3是本发明轴向力加载装置的结构简图；
图4是本发明加载单元的剖视结构简图；
图5是本发明加载单元的结构简图。
【具体实施方式】
[0019]参见图1至5，本发明公开了一种由压电陶瓷和磁粉制动器加载的砂轮主轴可靠性试验台，包括砂轮架3和切削力加载装置，所述砂轮架内设有砂轮主轴及与所述砂轮主轴配套的旋转驱动装置。所述砂轮架下方设有砂轮架底座2，所述砂轮架底座的数量为两个，分别设于所述砂轮架下方的左右两侧，所述砂轮架底座内设有加强筋，所述砂轮架底座的制作方式为铸造，左侧砂轮架底座的顶部为平面，右侧砂轮架底座的顶部为V型面，所述砂轮架底座的顶部均设有用于与砂轮架配合的贴塑导轨，所述砂轮架底座通过T型螺栓固定于地平铁I上。
[°02°]所述砂轮主轴的输出端连接加载单元5，所述加载单元包括方形外壳38，所述加载单元内设有锥形套42，所述砂轮主轴轴向穿过所述锥形套。所述锥形套设有轴肩，所述轴肩上设有角接触轴承43，所述角接触轴承的内圈与所述轴肩过盈配合、外圈与所述方形外壳的内表面过盈配合，所述锥形套的轴向外端设有与所述角接触轴承相配合的轴承端盖(包括左轴承端盖37和右轴承端盖40)，所述轴承端盖与所述角接触轴承之间设有毛毡圈(包括左毛毡圈35和右毛毡圈41)，所述轴承端盖通过端盖螺钉36与所述方形外壳固定连接，所述轴承端盖与所述角接触轴承的配合面上设有环状凸起，用于压紧所述角接触轴承，起到预紧作用，所述环状凸起的凸起高度可调节(可以通过打磨得到所需的凸起高度)。所述方形外壳上还设有轴向力加载块22，轴向力加载块用于将轴向力加载装置6所输出的轴向力传递至所述砂轮主轴上，所述轴向力加载块通过螺钉39固定连接在所述方形外壳的前后两侧面上，可以根据需要移动其位置，方便零部件拆装。
[0021]所述切削力加载装置包括轴向力加载装置、径向力加载装置4和扭矩加载装置。所述切削力加载装置设有切削力加载支撑装置11，用于支撑所述轴向力加载装置、径向力加载装置和扭矩加载装置，所述切削力加载支撑装置整体呈箱体式结构，所述切削力加载支撑装置由底板12、顶盖板19和四块支撑侧板13焊接而成，所述底板、顶盖板和支撑侧板均为刚板，以保证其整体强度。所述切削力加载支撑装置通过T型螺栓固定于地平铁上，可以根据与需要移动其位置，方便零部件拆装。
[0022]所述扭矩加载装置包括磁粉制动器10和转速扭矩传感器8，所述磁粉制动器和转速扭矩传感器之间通过第一弹性膜片联轴器9相连接，所述转速扭矩传感器通过第二弹性膜片联轴器7与砂轮主轴相连接，所述磁粉制动器通过紧固螺栓固定于所述切削力加载支撑装置的顶盖板上，所述转速扭矩传感器通过螺杆固定于所述切削力加载支撑装置的顶盖板上。所述第一弹性膜片联轴器、转速扭矩传感器、第二弹性膜片联轴器、磁粉制动器和砂轮主轴的中心线共线，以保证扭矩加载的准确性。所述磁粉制动器产生的扭矩通过第一弹性膜片联轴器、转速扭矩传感器和第二弹性膜片联轴器传递于所述砂轮主轴上，实现对砂轮主轴的扭矩加载。
[0023]所述径向力加载装置为对称摆动式互锁机构，所述径向力加载装置设有摆动臂15，所述摆动臂的中部设有半球形凹槽，所述凹槽内设有第一压电式力传感器26，所述第一压电式力传感器通过球形螺钉27设置在所述凹槽内，所述第一压电式力传感器通过第一转换螺钉25连接第一压电陶瓷24，所述第一压电陶瓷的上端穿过所述切削力加载支撑装置的顶盖板作用于所述加载单元的底面中心，通过压紧所述加载单元将径向力传递至所述砂轮主轴上。所述球形螺钉可以使压电陶瓷在凹槽内转动，具有自动对中功能，保证径向力施加的稳定性。所述第一转换螺钉呈阶梯形，所述第一转换螺钉的上端设有外螺纹，用于链接压电陶瓷，所述第一转换螺钉的下端设有带有内螺纹的孔，用于连接第一压电式力传感器。所述第一压电式力传感器、第一转换螺钉和第一压电陶瓷共轴线，保证径向力施加的准确性。所述摆动臂的两端对称设有通孔，所述通孔内穿过固定螺杆17，所述固定螺杆的上端通过第一锁紧螺母18固定于所述切削力加载支撑装置的顶盖板上，所述通孔上方设有第二锁紧螺母16，所述通孔的下方设有第一预紧螺母14，提高连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度。所述摆动臂为长条形板类结构件，所述摆动臂的横截面为矩形。
[0024]所述轴向力加载装置包括设置在所述切削力加载支撑装置的顶盖板上的轴向力传导件，所述轴向力传导件包括设置在所述加载单元前后两侧的侧板21，所述侧板上端开设有与所述轴向力加载块相配合的槽口，所述侧板的下方焊接在底板上，所述底板水平设置在所述切削力加载支撑装置顶盖板上，所述底板的前后两端面呈楔形，所述底板与固定设置在所述加载单元顶盖板上的楔形块20滑动配合，前后两侧的所述侧板之间还设有连接肋板，第二压电陶瓷32的输出端作用于所述连接肋板上，第二电压陶瓷产生的轴向力通过所述轴向力传导件作用于所述轴向力加载块上，再通过所述加载单元最终施加在所述砂轮主轴上。所述第二压电陶瓷水平设置，所述切削力加载支撑装置的顶盖板上设有第二压电陶瓷支撑套33和导向套34，所述第二压电陶瓷连接有第二压电式力传感器30，所述第二压电式力传感器水平设置，所述切削力加载支撑装置的顶盖板上设有第二压电式力传感器支撑套29，所述第二压电式力传感器的后端设有第二预紧螺钉28，所述第二压电式力传感器和所述第二压电陶瓷之间设有第二转换螺钉31，所述第二转换螺钉呈阶梯形，所述第二转换螺钉的前端设有外螺纹，用于链接第二压电陶瓷，所述第二转换螺钉的后端设有带有内螺纹的孔，用于连接第二压电式力传感器。所述第二压电式力传感器、第二转换螺钉和第二压电陶瓷共轴线，平行于所述切削力加载支撑装置的顶盖板，以保证轴向力施加的准确性。
[0025]所述试验台设有控制系统，所述控制系统与所述旋转驱动装置、磁粉制动器、转速扭矩传感器、第一压电式力传感器、第一压电陶瓷、第二压电式力传感器和第二压电陶瓷通讯连接，控制上述零部件的工作。通过控制所述第一压电陶瓷和第二压电陶瓷输出电压和频率的大小来控制径向力和轴向力的大小;通过控制输入磁粉制动器电流的大小，来控制输出扭矩的大小;结合对砂轮主轴的转速的控制模拟不同工况下的切削力，实现在实验室的环境下模拟砂轮主轴系统在实际工况中工作情况。所述控制系统内设有相关砂轮主轴可靠性分析软件，能够根据采集的数据自动进行分析计算，并出具分析结果报告。所述控制系统设有显示装置和操作键盘，方便操作者查看和进行控制。
[0026]本发明在使用时，根据需要测量的实际工作情况调整砂轮主轴的转速，根据实际切削力的大小由控制系统直接分析计算得出相应的轴向力、径向力和扭矩的大小，并根据计算结果分别控制相应加载装置。扭矩直接加载在所述砂轮主轴上，径向力和轴向力通过加载单元间接加载在所述砂轮主轴上。打开控制系统内的可靠性分析软件，实时记录试验数据，并根据测得的试验数据出具分析结果报告，获得砂轮主轴的可靠性分析结果，为产品的可靠性增长和评估提供实用的基础数据。
[0027]本发明公开的各优选和可选的技术手段，除特别说明外及一个优选或可选技术手段为另一技术手段的进一步限定外，均可以任意组合，形成若干不同的技术方案。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，它适用于一定范围内不同型号，不同尺寸的砂轮主轴系统可靠性试验。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。
【主权项】
1.一种由压电陶瓷和磁粉制动器加载的砂轮主轴可靠性试验台，其特征在于包括砂轮架、切削力加载装置及控制系统，所述砂轮架内设有砂轮主轴及与所述砂轮主轴配套的旋转驱动装置，所述砂轮主轴的输出端套设于加载单元内，所述切削力加载装置包括扭矩加载装置、径向力加载装置和轴向力加载装置，所述扭矩加载装置内设有磁粉制动器，所述磁粉制动器的输出端通过联轴器连接所述砂轮主轴，所述径向力加载装置内设有第一压电陶瓷，所述轴向力加载装置内设有第二压电陶瓷，所述第一、第二压电陶瓷的输出端链接所述加载单元，所述控制系统与所述砂轮架和切削力加载装置通讯连接，控制砂轮主轴的转速和施加的切削力的大小。2.如权利要求1所述的由压电陶瓷和磁粉制动器加载的砂轮主轴可靠性试验台，其特征在于所述砂轮架下方设有砂轮架底座，所述砂轮架底座的数量为两个，分别设于所述砂轮架下方的左右两侧，左侧所述砂轮架底座的顶部为平面，右侧所述砂轮架底座的顶部为V型面，所述砂轮架底座的顶部均设有用于与砂轮架配合的贴塑导轨，所述砂轮架底座内还设有加强筋，所述砂轮架底座的制作方式为铸造，所述砂轮架底座通过T型螺纹固定于地平铁上。3.如权利要求2所述的由压电陶瓷和磁粉制动器加载的砂轮主轴可靠性试验台，其特征在于还设有切削力加载支撑装置，所述扭矩加载装置、径向力加载装置和轴向力加载装置均设置在所述切削力加载支撑装置上，所述切削力加载支撑装置整体呈箱体式，所述切削力加载支撑装置由底板、顶盖板和支撑侧板焊接组成，所述底板、顶盖板和支撑侧板均为刚板，所述切削力加载支撑装置通过T型螺纹固定于地平铁上。4.如权利要求3所述的由压电陶瓷和磁粉制动器加载的砂轮主轴可靠性试验台，其特征在于所述加载单元包括方形外壳、锥形套、角接触球轴承、轴承端盖、轴向力加载块，所述方形外壳内套有所述锥形套，所述砂轮主轴轴向穿过所述锥形套，所述锥形套内设有轴肩，所述轴肩上设有所述角接触轴承，所述角接触轴承的内圈与所述轴肩过盈配合、外圈与所述方形外壳的内表面过盈配合，所述锥形套的轴向外端设有与所述角接触轴承相配合的所述轴承端盖，所述轴承端盖与所述角接触轴承的配合面上设有环状凸起，所述环状凸起的凸起高度可调节，所述加载单元上还设有所述轴向力加载块，所述轴向力加载块固定连接在所述方形外壳的前后两侧面上。5.如权利要求4所述的由压电陶瓷和磁粉制动器加载的砂轮主轴可靠性试验台，其特征在于所述扭矩加载装置内设有转速扭矩传感器，所述磁粉制动器和转速扭矩传感器之间通过第一弹性膜片联轴器相连接，所述转速扭矩传感器通过第二弹性膜片联轴器与砂轮主轴相连接，所述磁粉制动器通过紧固螺栓固定于所述切削力加载支撑装置的顶盖板上，所述转速扭矩传感器通过螺杆固定于所述切削力加载支撑装置的顶盖板上，所述螺杆固设于所述切削力加载支撑装置的顶盖板上。6.如权利要求5所述的由压电陶瓷和磁粉制动器加载的砂轮主轴可靠性试验台，其特征在于所述第一弹性膜片联轴器、转速扭矩传感器、第二弹性膜片联轴器、磁粉制动器和所述砂轮主轴的中心线同轴。7.如权利要求6所述的由压电陶瓷和磁粉制动器加载的砂轮主轴可靠性试验台，其特征在于所述径向力加载装置设有摆动臂，所述摆动臂的中部设有半球形凹槽，所述凹槽内设有第一压电式力传感器，所述第一压电式力传感器通过球形螺钉设置在所述凹槽内，所述第一压电式力传感器通过第一转换螺钉连接所述第一压电陶瓷，所述第一压电陶瓷穿过所述切削力加载支撑装置的顶盖板作用于所述加载单元的底面中心，所述摆动臂的两端设有通孔，所述摆动臂通过固定螺杆与所述切削力加载支撑装置的顶盖板连接，所述固定螺杆的下端设有第一预紧螺母。8.如权利要求7所述的由压电陶瓷和磁粉制动器加载的砂轮主轴可靠性试验台，其特征在于所述第一转换螺钉呈阶梯形，所述第一转换螺钉的上端设有外螺纹，所述第一转换螺钉的下端设有带有内螺纹的孔，所述第一压电式力传感器、第一转换螺钉和第一压电陶瓷共轴线。9.如权利要求8所述的由压电陶瓷和磁粉制动器加载的砂轮主轴可靠性试验台，其特征在于所述轴向力加载装置设有轴向力传导件，所述轴向力传导件包括设置在所述加载单元前后两侧的侧板，所述侧板上端开设有与所述轴向力加载块相配合的槽口，所述侧板的下方焊接在底板上，所述底板水平设置在所述切削力加载支撑装置顶盖板上，所述底板的前后两端面呈楔形，所述底板与固定设置在所述加载单元顶盖板上的楔形块滑动配合，前后两侧的所述侧板之间还设有连接肋板，所述第二压电陶瓷的输出端作用于所述连接肋板上，所述第二压电陶瓷连接有第二压电式力传感器，所述第二压电式力传感器和所述第二压电陶瓷之间设有第二转换螺钉，所述切削力加载支撑装置的顶盖板上垂直设有第二压电式力传感器支撑套、第二压电陶瓷支撑套和第二压电陶瓷导向套，所述第二压电式力传感器通过第二预紧螺钉与所述第二压电式力传感器支撑套固连。10.如权利要求9所述的由压电陶瓷和磁粉制动器加载的砂轮主轴可靠性试验台，其特征在于所述第二转换螺钉呈阶梯形，所述第二转换螺钉与所述第二压电陶瓷的连接端设有外螺纹，所述第二转换螺钉与所述第二压电式力传感器的连接端设有带有内螺纹的孔，所述第二压电式力传感器、第二转换螺钉和第二压电陶瓷共轴线，平行于所述砂轮主轴。
【文档编号】G01M13/00GK106092529SQ201610381134
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月1日
【发明人】王波, 李伟华, 杨兆军, 李国发, 陈传海, 董智伟, 李硕
【申请人】北京第二机床厂有限公司