一种动态加载的五轴数控机床摇篮式摆台可靠性试验系统

1.本发明属于数控加工设备可靠性测试技术领域，适用于摇篮式五轴数控机床，具体涉及一种动态加载的五轴数控机床摇篮式摆台可靠性试验系统。


背景技术：

2.数控机床是现代制造系统中必不可少的关键设备，是具有高科技含量的现代制造装备。数控机床的质量是衡量一个国家工业现代化程度的重要指标，影响着国家的制造能力和综合国力。我国机床行业虽然起步较晚，但发展迅速，近年来在技术、市场规模上都有显著增长，已经成为世界最大的机床产销国。然而，在数控机床的可靠性方面，我国仍落后于外国先进机床制造国家。因此，研发数控机床关键功能部件的可靠性试验系统和试验技术是当下提高我国数控机床整体水平的必要工作。
3.摇篮式摆台是五轴数控机床重要的功能部件，是保障高端数控机床多轴联动加工的关键功能部件。同时，摇篮式摆台兼顾固定工件和调整加工姿态的作用。其结构和功能是否正常将直接影响到五轴数控机床能否正常工作。
4.现有技术中，仅有针对摇篮式摆台的静刚度测试装置，该装置仅能对回转工作台进行轴向和切向的静态加载，无法实现扭矩的加载，且无法实现多轴联动工作状态下的动态加载模拟，而在五轴数控机床实际使用过程中，摇篮式摆台以及回转工作台处于多轴联动的复合运动状态，现有的试验装置所模拟的工况存在很大的局限；此外，摇篮式摆台还将承受由工件加工所带来的扭矩，现有的试验装置显然无法模拟该类型的载荷；此外，摇篮式摆台还将在不同温度环境下受到冷却液喷淋所造成的载荷，现有的实验装置显然未能模拟包括温度环境和冷却液喷淋在内的实际工作状态，无法对摇篮式摆台的运动状态和功能状态进行实时检测和分析，难以满足当下对摇篮式摆台可靠性全面测试的需求。


技术实现要素：

5.本发明目的是为了解决上述问题，而提供了一种动态加载的五轴数控机床摇篮式摆台可靠性试验系统；一种动态加载的五轴数控机床摇篮式摆台可靠性试验系统，它包括：摇篮式摆台1、动态加载部件、模拟测试部件、环境模拟部件、状态监测部件；摇篮式摆台1、动态加载部件、模拟测试部件、环境模拟部件、状态监测部件设在地平铁15上；所述动态加载部件配合模拟测试部件、环境模拟部件和状态监测部件的协同运动对摇篮式摆台1的实时多角度动态加载。
6.所述动态加载部件包括：液压升降装置、电液伺服加载装置、加载头装置、环形电机装置；液压升降装置中设有固定液压缸17和转动液压缸11，其中固定液压缸下端固定在地平铁15上，转动液压缸11下端通过固定座12与地平铁15连接；所述电液伺服加载装置，它包括：加载台10、托板9、电液伺服加载器8；加载台10与液压升降装置上方连接；液伺服加载器8、环形电机装置设在加载台10上；环形电机装置与
加载头装置相连；电液伺服加载器8一端与加载头装置连接。
7.所述的电液伺服加载器8杆末端设置有轴肩，通过过盈配合与加载头装置中的联轴器5一端的承载轴承34的轴承内圈相连，承载轴承34与联轴器5连接；电液伺服加载器8通过联轴器5将动态载荷传递给加载头装置，进而施加在被测试部件上。
8.所述加载头装置，它包括：联轴器5、加载杆组件2；加载杆组件2包括：尾端41、连接盘32、传递杆42、可旋转作用端31；尾端41为四棱柱结构，嵌入在联轴器5一端的对应沉槽内，通过4根螺栓紧固；连接盘32通过螺栓紧固在环形电机4的转子上，可在环形电机4的驱动下旋转；传递杆42焊接在连接盘32的边缘，杆身中部设置有一对弹性簧片3，能够在吸收振动的同时传递载荷；传递杆42末端设置有可自由转动的可旋转作用端31，其作用端为半圆柱型凹槽结构，与模拟测试部件26的承载端的圆柱外表面结构相匹配。
9.所述环境模拟部件，它包括：环境温度装置、冷却液循环装置；环境温度装置控制整个试验系统的工作空间温度。
10.所述冷却液循环装置包括：冷水机18、泵体20、喷淋支架24、喷头25、冷却液管19、集液槽组件；摇篮式摆台1通过集液槽组件固定在地平铁15上；集液槽组件包括：集液槽21、挡液板22、支撑台座23、喷淋支架24；挡液板22和支撑台座23设在集液槽21上；喷淋支架24固定在支撑台座23上；喷淋支架24上设有喷头25；集液槽21、冷水机18、泵体20、喷头25通过冷却液管19依次连接。
11.所述模拟测试部件26，它包括：顶盖35、轴承组、轴体37、底座38、箱体39；轴承组包括：上轴承361、下轴承362；顶盖35、上轴承361、轴体37、下轴承362、底座38、箱体39依次连接。
12.所述状态监测部件，它包括：振动传感器30、温度传感器27、回转稳定性监测装置以及主控计算机29；回转稳定性监测装置包括：激光反射仪28、反光片组43；所述激光反射仪28通过磁吸底座固定在摇篮式摆台1的上表面，镜头对准回转工作台的旋转轴，末端通过数据线与主控计算机29实现数据传输；反光片组43均匀等距粘贴在回转工作台的圆柱侧表面上；激光反射仪28发射出的光束间歇性地被反光片反射；主控计算机29布置安放在地平铁15上，主控计算机29与各个传感器之间分别通过数据线相连。
13.本发明提供了一种动态加载的五轴数控机床摇篮式摆台可靠性试验系统，它包括：摇篮式摆台1、动态加载部件、模拟测试部件26、环境模拟部件、状态监测部件；摇篮式摆台1、动态加载部件、模拟测试部件26、环境模拟部件、状态监测部件设在地平铁15上；动态加载部件配合模拟测试部件、环境模拟部件和状态监测部件的协同运动对摇篮式摆台1的实时多角度动态加载；模拟测试部件可以安装在回转工作台的任意位置，因此可以同时实现对摇篮式摆台进行力和扭矩的复合加载；通过对模拟测试部件与加载杆装置的接触部位的匹配设计，保证载荷的实时传递；对振动、温度和转速等动态信号实时监控；本技术方案可满足对不同型号、不同工作温度环境下的摇篮式摆台的测试需求。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1、本发明能够对五轴数控机床摇篮式摆台进行动态加载；一方面，本发明通过液压升降装置、电液伺服加载装置和环形电机装置的组合实现了对加载方向和位置的动态调整，能够实时耦合摇篮式摆台以及回转工作台在复合运动状态下的工件位置；另一方面，模拟测试部件可以安装在回转工作台的任意位置，因此可以同时实现对摇篮式摆台进行力和
扭矩的复合加载；通过对模拟测试部件与加载杆装置的接触部位的匹配设计，保证载荷的实时传递；2、本发明能够对摇篮式摆台的实际工作环境进行包括温度条件、冷却液喷淋条件的实时模拟；控温室内温度和冷却液喷淋速度能够随实时变化，模拟真实的摇篮式摆台工作环境，提高测试结果的准确性；工业空调在主控计算机的控制下适时调整控温室内的温度，使对摇篮式摆台工作状态的测试结果更为真实、准确；冷却液的流量由主计算机控制水冷机实时调整，实现精准控制；喷淋后的冷却液在集液槽内进行收集，并在冷水机、泵体、喷头的协同工作下实现动态循环，环保并且节约材料；3、本发明公开了一种可以传递模拟载荷的模拟测试部件；通过动态加载装置将模拟载荷传递给摇篮式摆台，相比于传统的对被测对象直接进行加载的测试方式，更加拟合真实的切削工作状态，所的结果也更为真实、准确；动态加载装置由顶盖、轴体、轴承组、箱体以及底座组成，轴体相对于壳体能够自由旋转，由此实现实时动态的载荷传递；模拟测试部件可以安装在回转工作台的任意位置，能够辅助动态加载部件实现对力和扭矩的同时施加；4、本发明所述的一种动态加载的五轴数控机床摇篮式摆台可靠性试验系统安装有更全面的状态监测装置，能够同时对被测试摇篮式摆台的振动状态、温度状态以及运动稳定性进行实时监控，实时捕捉被测试摇篮式摆台的故障状态；其中：振动传感器用于监测摇篮式摆台在测试过程中的振动状态；两个温度传感器分别用于监测摇篮式摆台轴承盖和回转工作台驱动电机在测试过程中的温度状态；回转稳定性监测装置用于监测回转工作台在模拟载荷加载状态下的运动稳定性；各传感器所收集的振动、温度和转速等动态信号经过数据采集卡发送至主控计算机，主控计算机将各信号与对应的阈值进行实时比对，出现超出阈值的情况立即记录并发出相应报警。
15.5、本发明所述的一种动态加载的五轴数控机床摇篮式摆台可靠性试验系统具有更良好的通用性能；其中：用于安装和固定被测试五轴数控机床摇篮式摆台的支撑台座上表面设置有t型槽，能够配合t型螺栓完成对不同尺寸的五轴数控机床摇篮式摆台的安装和固定；用来施加冷却液喷淋的喷头通过调整螺栓与喷淋支架相连接，可以自由调节喷淋角度，以满足不同高度的喷淋需要；用来传递实时载荷的模拟测试部件通过t型螺栓固定在摇篮式摆台的回转工作台上，能够满足对不同型号的摇篮式摆台的测试需求；用来模拟工作温度环境的控温室能够通过工业空调控制室内温度，能够满足不同工作温度环境下的测试需求。
附图说明
16.图1为本发明一种动态加载的五轴数控机床摇篮式摆台可靠性试验系统整体结构示意图；图2为本发明一种动态加载的五轴数控机床摇篮式摆台可靠性试验系统的加载细节图；图3为本发明一种动态加载的五轴数控机床摇篮式摆台可靠性试验系统中，电液伺服加载装置、加载头装置和环形电机装置的装配示意图；图4为本发明一种动态加载的五轴数控机床摇篮式摆台可靠性试验系统中，模拟
测试部件结构示意图；图5为本发明一种动态加载的五轴数控机床摇篮式摆台可靠性试验系统中，模拟测试部件装配示意图；图6为本发明所一种动态加载的五轴数控机床摇篮式摆台可靠性试验系统中，冷却液循环装置布置及结构示意图；图7为本发明一种动态加载的五轴数控机床摇篮式摆台可靠性试验系统中，喷淋支架与喷头安装示意图；（图中： 1摇篮式摆台，2加载杆组件，3弹性簧片，4环形电机，5联轴器，6滑轨，7端座，8电液伺服加载器，9托板，10加载台，11转动液压缸，12固定座， 13工业空调，14控温室，15地平铁，16销轴，17固定液压缸，18冷水机，19冷却液管，20泵体，21集液槽，22挡液板，23支撑台座，24喷淋支架，25喷头，26模拟测试部件，27温度传感器，28激光反射仪，29主控计算机，30振动传感器，31可旋转作用端，32连接盘，33轴套，34承载轴承，，35顶盖，上轴承361，下轴承362，37轴体，38底座，39箱体，40调整螺栓， 41尾端，42传递杆，43反光片组）。
具体实施方式
17.参见图1至图7所示，一种动态加载的五轴数控机床摇篮式摆台可靠性试验系统，它包括：摇篮式摆台1、动态加载部件、模拟测试部件26、环境模拟部件，状态监测部件、地平铁15；所述动态加载部件，它包括：液压升降装置、电液伺服加载装置、加载头装置、环形电机装置；所述液压升降装置，它包括：固定液压缸17、转动液压缸11、固定座12；所述液压升降装置用于支撑电液伺服加载装置、加载头装置和环形电机装置，并通过固定液压缸17和转动液压缸11的协同运动实时调整加载角度；所述固定液压缸17的缸体底部通过t型螺栓直接固定在地平铁15上，推杆末端通过销轴16与加载台10下表面的轴耳相连，在主控计算机29的控制下伸缩并调整加载台的高度；转动液压缸11的缸体底部通过销轴16与固定座12相连，固定座12通过t型螺栓直接固定在地平铁15上；转动液压缸11的推杆末端通过销轴16与加载台10下表面的轴耳相连，在主控计算机29的控制下伸缩并调整加载台的角度；所述电液伺服加载装置，它包括：加载台10，托板9、电液伺服加载器8；电液伺服加载装置是动态加载部件的载荷源；所述加载台10底部设置有轴耳，通过销轴16与固定液压缸17和转动液压缸11相连接；加载台10在液压升降装置的作用下自由调节高度和角度，进而调整伺服加载器的工作姿态；所述电液伺服加载器8和托板9通过螺栓固定在加载台10上；电液伺服加载器8杆末端设置有轴肩，通过过盈配合与加载头装置中的联轴器5一端的承载轴承34的轴承内圈相连，承载轴承34通过联轴器5将动态载荷传递给加载头装置，进而施加在被测试部件上；所述加载头装置，它包括：联轴器5、加载杆组件2；所述加载杆组件2包括：尾端41、连接盘32、传递杆42、可旋转作用端31；尾端41为四棱柱结构，嵌入在联轴器5一端的对应沉槽内，通过4根螺栓紧固；连接盘32通过螺栓紧固
在环形电机4的转子上，可在环形电机4的驱动下旋转；传递杆42焊接在连接盘32的边缘，杆身中部设置有一对弹性簧片3，能够在吸收振动的同时传递载荷；传递杆42末端设置有可自由转动的可旋转作用端31，其作用端为半圆柱型凹槽结构，与模拟测试部件26的承载端的圆柱外表面结构相匹配；所述环形电机装置，包括：环形电机4、滑轨装置；所述滑轨装置，它包括：端座7、滑轨6；端座7通过螺栓固定在加载台10的上表面，两侧端座的内侧分别设置有一对圆柱形沉槽；滑轨6为一对圆柱形钢轨，钢轨两端分别嵌入在两侧的端座圆柱形沉槽内；所述环形电机4的定子的支撑部分设置有圆形通孔，通孔内壁安装有轴套33；轴套33被滑轨6穿过，能够降低滑动阻力；环形电机4的转子通过螺栓与连接盘32相连；所述环境模拟部件，它包括：环境温度装置、冷却液循环装置；所述环境温度装置包括：控温室14、工业空调13；所述工业空调13与通过通风口与控温室14内部相连通；工业空调13在主控计算机29的控制下实时调节测试环境温度，实现环境温度模拟；控温室14为整个试验系统的工作空间；所述冷却液循环装置包括：冷水机18、泵体20、喷淋支架24、喷头25、冷却液管19、集液槽组件；所述摇篮式摆台1通过t型螺栓固定在集液槽组件的支撑台座23上；所述集液槽组件包括：集液槽21、挡液板22、支撑台座23、喷淋支架24；所述冷水机18、泵体20、集液槽21安放在地平铁15上；集液槽21上部设有挡液板22和支撑台座23；支撑台座23上表面设置有t型槽；喷淋支架24底部通过t型螺栓固定在支撑台座23上，其端部通过调整螺栓40与喷头25连接；喷头25可通过调整螺栓40自由调节喷淋角度；集液槽21、冷水机18、泵体20、喷头25通过冷却液管19串联；冷却液管19实现了冷却液在各个部件之间的循环；所述模拟测试部件26，它包括：顶盖35、轴承组、轴体37、底座38、箱体39；所述底座38通过t型螺栓固定在摇篮式摆台1的回转工作台上，底座上焊接有箱体39，箱体39底部沿着内壁设置有环形凸起；所述轴承组包括：上轴承361、下轴承362，下轴承362的轴承外圈与箱体39过盈配合固定；轴承外圈底部与箱体39底部的环形凸起相接触；下轴承362的轴承内圈与轴体37过盈配合紧固；轴承内圈顶部与轴体37的定位轴肩下表面相接触；上轴承361的轴承内圈与轴体37 通过过盈配合紧固，轴承内圈底部与轴体27的定位轴肩上表面相接触，上轴承361的轴承外圈与箱体39通过过盈配合固定；所述的顶盖35安装在箱体39顶部，中心开有圆孔，轴体37从圆孔中心穿过；轴体37的顶部承载端为圆柱外表面结构，轴体37与电液伺服加载装置的可旋转作用端31相匹配；所述状态监测部件，它包括：振动传感器30、温度传感器27、回转稳定性监测装置以及主控计算机29；主控计算机29布置安放在地平铁15上，主控计算机29与各个传感器之间分别通过数据线相连；所述回转稳定性监测装置包括：激光反射仪28、反光片组43；所述激光反射仪28通过磁吸底座固定在摇篮式摆台1的上表面，镜头对准回转工
作台的旋转轴，末端通过数据线与主控计算机29实现数据传输；反光片组43均匀等距粘贴在回转工作台的圆柱侧表面上；激光反射仪28发射出的光束间歇性地被反光片反射，由此获得回转工作台的转速数据；主控计算机29将接收到的转速数据与对应的阈值进行实时比对，出现超出阈值的情况立即记录并发出相应报警。
18.综上所述，上述一种动态加载的五轴数控机床摇篮式摆台可靠性试验系统的工作过程如下：摇篮式摆台1布置安装在地平铁15的正中央；根据摇篮式摆台1的型号和尺寸确定喷淋支架23在支撑台座23上的位置，通过摇篮式摆台1的高度确定喷头25的喷淋角度；模拟测试部件26布置安装在摇篮式摆台1的回转工作台上，具体位置可根据试验要求自由调整；根据模拟测试部件26的承载端坐标，通过固定液压缸17和转动液压缸11调整电液伺服加载器8的加载姿态，随后通过控制电液伺服加载器8的推杆伸缩以及环形电机4的转位调整传递杆的工作方位，将可旋转作用端31与模拟测试部件26的承载端相贴合；将激光反射仪28吸附在摇篮式摆台1的上表面，激光反射仪28的镜头对准回转工作台的旋转轴，末端通过数据线连接主控计算机29；将反光片组43均匀等距粘贴在回转工作台的圆柱侧表面上；将振动传感器30吸附在摇篮式摆台1的上表面，末端通过数据线连接主控计算机29；温度传感器27的两个传感器分别吸附在摇篮式摆台1的轴承端盖表面和回转工作台的驱动电机表面，末端通过数据线连接主控计算机29；将其余各执行部件与主控计算机29通过数据线相连接；启动全部测试设备，根据测试要求控制工业空调13调整控温室14的室内温度；根据实际试验条件的要求确定摇篮式摆台1及其回转工作台的运动数据；根据上述运动数据确定模拟测试部件26的承载端的运动轨迹；根据上述运动轨迹确定动态加载部件的姿态变化及加载状态；根据实际试验条件的要求确定喷头25的喷淋状态。
19.一种动态加载的五轴数控机床摇篮式摆台可靠性试验系统，通过转动液压缸11和固定液压缸17的联动实现动态加载装置的实时姿态调整，通过电液伺服加载器8的推杆伸缩和环形电机4驱动下的加载杆组件2的旋转实时保持对摇篮式摆台1及其回转工作台的运动状态的动态耦合，借助模拟测试部件26实现载荷的实时传递，完成对摇篮式摆台1施加力和扭矩的复合加载；冷水机18内部的冷却液在泵体20的作用下沿冷却液管19流动至喷头25；泵体20在主控计算机29的控制下实时调整喷淋液压；冷却液在被喷淋后由挡液板22引导收集在集液槽21的内部，并在泵体20的作用下回流至冷水机18；工业空调13在主控计算机29的控制下实时调整控温室14内部的环境温度；各传感器所采集的信号通过数据线反馈至主控计算机29，主控计算机29将各传感器所采集的温度、振动和转速等动态信号与对应的阈值进行实时比对，出现超出阈值的情况立即记录并发出相应报警。
20.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；以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。