CN108562431B - 动力刀架动力头可靠性试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械试验设备技术领域，涉及一种动力刀架动力头可靠性试验装置及试验方法；包括动力头加载部分、性能检测与状态监测部分；动力头加载部分包括模拟切削力加载的压电陶瓷加载装置、夹持装置、传动装置和测功机；压电陶瓷加载装置包括加载装置支架和压电陶瓷加载棒；夹持装置包括夹持支架；压电陶瓷加载棒左侧穿入夹持支架盲孔内，右侧穿过压力传感器并穿入加载装置支架盲孔内；测功机输出轴、压电陶瓷加载装置支架、夹持支架、联轴器回转轴线与动力头的回转轴线共线；本发明可以在不拆卸动力头的前提下，直接在动力头上装卡整套加载装置；实现全工况模拟动力头所受到的切削力，切削扭矩以及切削液等载荷，并动态检测动力头的性能参数。
Description
技术领域
本发明属于机械试验设备技术领域，涉及一种对动力刀架进行试验的装置及方法，具体地说，涉及一种可以模拟不同实际工况下对动力刀架动力头进行可靠性试验的装置及方法。
背景技术
动力刀架是数控车床类产品的重要功能部件之一,其性能的优劣、质量的好坏直接影响数控车床的切削性能和切削效率，而其中动力头的性能优劣关系到整车的性能、精度及效率。制定有效的动力刀架动力头试验平台及检测方法是进一步研究动力刀架的可靠性和保证其质量的前提。当前市场中，动力刀架技术已经趋近成熟，国外很多著名刀架生产商都已设计研发并推广出自己的系列化产品，国内也已有较为完善的生产机制。但与国外的先进水平相比较，在可靠性等方面还存在着一定的差距，在一定程度上这会制约国内的机床发展。所以，在动力数控刀架的设计上，可靠性设计及其可靠性试验尤为重要。
目前的可靠性试验研究中，没有能够模拟动力刀架动力头真实工况下的可靠性试验装置，专利号CN 105716845B所述试验台仅能模拟切削扭矩，而且需要人工切换动力头与普通刀头。由于动力头多用于铣削、钻孔等，与普通刀头在真实工况下所受的切削力存在较大差异，因此对于动力头可靠性试验模拟的工况与真实工况有很大的差距。
发明内容
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：
一种动力刀架动力头可靠性试验装置，包括动力头加载部分、性能检测与状态监测部分；
所述的动力头加载部分包括模拟切削力加载的压电陶瓷加载装置、夹持装置、传动装置和测功机9；
所述压电陶瓷加载装置包括加载装置支架4-1和压电陶瓷加载棒4-2；
所述夹持装置包括夹持支架3-1；
所述的性能检测与状态监测部分包括设置在动力头旁边的位移传感器8-1、设置在动力头加载部分上的红外温度传感器8-2、设置在加载装置支架4-1上的压力传感器8-3、设置在动力头上的8-6振动传感器、扭矩传感器8-4；
所述压电陶瓷加载棒4-2两顶端均设有螺纹，所述压电陶瓷加载棒4-2左侧穿入夹持支架3-1盲孔内，顶端螺纹与夹持支架3-1盲孔底部内螺纹孔相连；压电陶瓷加载棒4-2右侧穿过压力传感器8-3并穿入加载装置支架4-1盲孔内，顶端螺纹分别与压力传感器8-3、加载装置支架4-1盲孔底部的内螺纹孔连接；
所述传动装置包括信号滑环5-1、联轴器A 5-2和联轴器B 5-3；
所述联轴器A 5-2与加载装置支架4-1连接，加载装置支架4-1上装有滑环5-1，加载装置支架4-1与滑环5-1间隙配合；
所述测功机9的输出端与联轴器B 5-3连接；
联轴器A 5-2、扭矩传感器8-4与联轴器B 5-3依次相连；
测功机9输出轴的回转轴线、压电陶瓷加载装置支架4-1的回转轴线、夹持支架3-1的回转轴线、联轴器A5-2的回转轴线、联轴器B5-3的回转轴线与被测动力刀架上的动力头2-2的回转轴线共线。
技术方案中所述压电陶瓷加载棒4-2设置四个，所述加载装置支架4-1左端为端面是环形的轴套，轴套左侧端面上开有四个盲孔，四个盲孔相对于环形端面中心点对称分布，四个压电陶瓷加载棒4-2分别置于盲孔内与盲孔间隙配合，压电陶瓷加载棒左侧顶端的螺纹与夹持支架3-1右端盲孔底部的螺纹孔连接，压电陶瓷加载棒右侧顶端的螺纹与加载装置支架4-1左端的盲孔底部内螺纹孔连接。
技术方案中所述的动力头加载部分还包括保护固定装置，所述保护固定装置包括防油罩6-1、保护罩6-2、滑道6-3、支撑轴套6-6和磁力吸块7；
所述保护罩6-2通过滑道6-3与防油罩6-1间隙配合，保护罩6-2底端通过磁力吸块7吸附在测功机9上；保护罩6-2的中心轴与被测动力刀架上的动力头2-2的回转轴线共线；
所述支撑轴套6-6外圈与保护罩6-2固定；支撑轴套6-6内圈与信号滑环5-1过盈配合。
技术方案中所述动力刀架动力头可靠性试验装置，还包括切削液回收部分，所述的切削液回收部分包括防油罩6-1内壁设置的斜坡、切削液排除通道6-4和切削液回收管道6-5；
所述切削液排除通道6-4由两部分组成，一部分是防油罩6-1上的锥形孔，一部分是保护罩6-2上的螺纹孔；
所述切削液回收管道6-5通过螺纹安装在保护罩6-2上的螺纹孔内。
技术方案中所述的位移传感器8-1设有两个，设置在动力头加载部分的防油罩6-1表面，分别在动力头2-2两边，两个位移传感器的中心轴相互垂直，且两位移传感器中心轴所在平面与动力头中心轴垂直；
所述的红外温度传感器8-2通过表面外螺纹旋进动力头加载部分的防油罩6-1上的螺纹孔内；
所述压力传感器8-3设有四个，位于加载装置支架4-1四个盲孔底部；
所述振动传感器8-6贴于动力头右端面；
所述性能检测与状态监测部分还包括摄像头8-5，所述摄像头8-5安装于防油罩6-1内表面。
技术方案中所述动力刀架动力头可靠性试验装置，还包括动力刀架支撑部分，所述的动力刀架支撑部分包括动力刀架底座1和动力刀架垫板12；
被测的动力刀架2通过动力刀架底座1置于地平铁10上，被测的动力刀架2与动力刀架底座1之间设有动力刀架垫板12。
技术方案中所述的动力头加载部分还包括XY工作台13，所述测功机9通过螺栓安装在XY工作台13上,XY工作台13通过T型螺栓安装在地平铁10上，测功机9的回转轴线处于和地平铁10的纵向对称面平行,并和地平铁10的上工作面平行。
一种动力刀架动力头可靠性试验装置的试验方法，包括以下步骤：
(1)确定被测试动力刀架的型号和台数，确定被试测动力刀架的模拟加载的实际工况；
(2)将被测试动力刀架2固定在动力刀架底座1上；
(3)根据不同的试验条件将动力刀架动力头可靠性试验分为两部分：动力刀架动力头在模拟加载实际工况条件下的可靠性试验、动力刀架动力头空运转条件下的可靠性试验；
技术方案中所述的动力刀架动力头空运转条件下的可靠性试验，包括以下步骤：
1)确定被测试动力刀架的型号和台数；
2)安装动力刀架动力头可靠性试验装置；
首先转到需要测试的工位,调整好动力头2-2回转轴线与测功机9输出轴的回转轴线共线；
将动力刀架动力头可靠性试验装置内联轴器B 5-3安装在测功机9上，保护罩6-2通过磁力吸块7稳定在测功机9左端表面；
将振动传感器8-6贴到动力头右端表面，打开防油罩6-1，防油罩处于极限位置2，调节XY工作台13，使动力头2-2的右端穿过夹持支架3-1；
使测功机9输出轴的回转轴线、加载装置支架4-1的回转轴线、夹持支架3-1的回转轴线、联轴器A5-2、联轴器B5-3的回转轴线、保护罩6-2的中心轴与被测动力刀架上的动力头2-2的回转轴线共线；拉上防油罩6-1；设定动力刀架动力头转速及运行时间；
3)待安装检查完毕后，启动动力刀架动力头；
4)开始状态监测：
a)切削液关闭，位移传感器开启：
扭矩传感器8-4和位移传感器8-1，红外温度传感器8-2，和振动传感器8-6检测到信号通过信号放大器和卡反馈给上位工控机，实时监控；扭矩传感器8-4测转速，扭矩显示为零；
b)切削液开启，位移传感器关闭：
扭矩传感器8-4、压力传感器8-3和振动传感器8-6检测到信号通过信号放大器和卡反馈给上位工控机，同时摄像头8-5实时监控切削液的流动；切削液通过防油罩6-1内表面经由切削液排除通道6-4，切削液回收管道6-5，回收循环利用；此时不进行跳动的检测，即关闭位移传感器8-1；
5)数据采集实时显示并保存：记录在实际工况下动力头的径向跳动，动力头表面温度、振动，测功机对动力头扭矩加载值、转速；当发现所检测信号有突变或其它异常情况时要及时停机，根据所检测的相关信号分析存在的故障，进行故障的预警；
6)空运转过程结束后：测功机9通过XY工作台缩回，上位工控机继续控制被测动力刀架定位到下一个目标工位，重复上述3)-5)步，在上位工控机的自动控制和监测下，整个试验过程循环有序地不断进行；每次试验完毕后对每种工况下的测试时间、各项信号数据、故障信息进行分类整理与存储；
7)数据分析：对检测到的振动信号分析，得到在无外负荷的情况下动力刀架动力头运行的稳定性情况、对检测到的动力头径向跳动精度与出厂要求相比，得出动力刀架动力头精度是否符合规定要求，观察动力头温度的变化情况，研究动力头在空运转情况下温升情况及温升原因。
技术方案中所述动力刀架动力头在模拟加载实际工况条件下的可靠性试验，具体包括以下步骤：
1)确定被测试动力刀架的型号和台数，确定被测动力刀架的模拟加载的实际工况；
2)安装动力刀架动力头可靠性试验装置；
首先转到需要测试的工位,调整好动力头2-2回转轴线与测功机9输出轴的回转轴线共线；
将动力刀架动力头可靠性试验装置内联轴器B 5-3安装在测功机9上，保护罩6-2通过磁力吸块7稳定在测功机9左端表面；
3)将振动传感器8-6贴到动力头右端表面，打开防油罩6-1，防油罩处于极限位置2，调节XY工作台13，使动力头2-2的右端穿过夹持支架3-1；
4)夹持装置夹持动力头2-2；
5)使测功机9输出轴的回转轴线、加载装置支架4-1的回转轴线、夹持支架3-1的回转轴线、联轴器A5-2、联轴器B5-3的回转轴线、保护罩6-2的中心轴与被测动力刀架上的动力头2-2的回转轴线共线；拉上防油罩6-1；设定动力刀架动力头转速及运行时间；
6)利用动力刀架动力头可靠性试验装置，根据铣削、钻削实际工况，设定每根压电陶瓷加载棒加载力的大小、测功机扭矩加载的大小、转速及试验时间；在界面上设置好加载力、振动频率、加载波形、加载时间、加载扭矩以及转速各项参数；
7)待安装检查完毕后，启动动力刀架动力头；
8)试验开始后，上位工控机控制被测动力刀架定位到目标工位，刀盘夹紧后，上位工控机接收到夹紧反馈信号，控制测功机9和压电陶瓷加载棒4-2对动力刀架动力头2-2进行加载；
9)开始性能检测：
a)切削液关闭，位移传感器开启状态：
通过上位工控机来控制,在VB控制界面上选定一定参数通过RS-232C端口与下位测功机控制仪通讯,下位测功机控制仪控制测功机9给动力头2-2施加扭矩,扭矩传感器8-4、位移传感器8-1、红外温度传感器8-2、压力传感器8-3和振动传感器8-6检测到信号通过信号放大器和卡反馈给上位工控机，进行闭环控制，同时进行实时监控。
b)切削液开启，位移传感器关闭状态：
通过上位工控机来控制,在VB控制界面上选定一定参数通过RS-232C端口与下位测功机控制仪通讯，下位测功机控制仪控制测功机9给动力头2-2施加扭矩，扭矩传感器8-4、压力传感器8-3和振动传感器8-6检测到信号通过信号放大器和卡反馈给上位工控机，进行闭环控制，同时摄像头8-5实时监控切削液的流动；切削液通过防油罩6-1内表面经由切削液排除通道6-4，切削液回收管道6-5，回收循环利用；
此时不进行跳动的检测，即关闭位移传感器8-1；
10)数据采集实时显示并保存：记录在实际工况下动力头的径向跳动，动力头表面温度、振动，测功机对动力头扭矩加载值、转速；当发现所检测信号有突变或其它异常情况时要及时停机，根据所检测的相关信号分析存在的故障，进行故障的预警；
11)加载过程结束后：测功机9通过XY工作台缩回，上位工控机继续控制被测动力刀架定位到下一个目标工位，重复上述3)-10)步，在上位工控机的自动控制和监测下，整个试验过程循环有序地不断进行；每次试验完毕后对每种工况下的测试时间、各项信号数据、故障信息进行分类整理与存储；
12)数据分析：每种工况下动力头表面的振动与空运转条件下对应的信号对比研究动力头在实际切削工作时抗振性及稳定性；动力头变形及振动的信号反映出该刀架在实际切削时抵抗变形的能力及对加工精度的影响情况；动力头温度及扭矩加载值反映出动力刀架动力头在实际运行时的性能。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1、与传统动力刀架试验装置相比，可以在不拆卸动力头的前提下，直接在动力头上装卡整套加载装置。实现全工况模拟动力刀架的动力头在切削中所受到的切削力，切削扭矩以及切削液等载荷，并动态检测动力头的性能参数。
2、本发明所述的动力刀架动力头可靠性试验装置可适用于常见类型的动力头，具有通用性。且可在不对动力头进行试验时快速脱离，避免影响刀架的转位以及普通刀头的试验。
3、本发明与传统的真实切削试验相比，能够在保证真实模拟各种切削力与扭矩的情况下，喷射并循环利用切削液体，绿色环保。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为本发明所述的动力刀架动力头可靠性试验装置轴测图；
图2为本发明所述的动力刀架动力头可靠性试验装置防油罩处于极限位置1时的内部结构剖视图；
图3为本发明所述的动力刀架动力头可靠性试验装置防油罩处于极限位置2时的内部结构剖视图；
图4为本发明所述的动力刀架动力头可靠性试验装置内部切削液回收部分局部示意图；
图5为本发明所述的动力刀架动力头可靠性试验装置内部压电陶瓷加载棒连接示意图；
图6为本发明所述的动力刀架动力头可靠性试验装置内部压电陶瓷加载棒细节放大图；
图7为本发明所述的压电陶瓷加载棒与加载支架位置关系视图；
图8为本发明所述的动力刀架动力头可靠性试验装置试验方法及状态监测方法流程图；
图中：
1.动力刀架底座，2.动力刀架，2-1.动力刀座，2-2.动力头，2-3.普通刀头，2-4.切削液喷头，3-1.夹持支架，3-2.夹紧垫片，3-3.锁紧螺栓，4-1.加载装置支架，4-2.压电陶瓷加载棒，5-1.信号滑环，5-2.联轴器A，5-3.联轴器B，6-1.防油罩，6-2.保护罩，6-3.滑道，6-4.切削液排除通道，6-5.切削液回收管道，6-6.支撑轴套，7.磁力吸块，检测装置，8-1.位移传感器，8-2.红外温度传感器，8-3.压力传感器，8-4.扭矩传感器，8-5.摄像头，8-6振动传感器，9.测功机，10.地平铁，11.控制柜，12.动力刀架垫板，13.XY工作台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
一、动力刀架动力头可靠性试验装置
如图1所示，一种动力刀架动力头可靠性试验装置,包括动力刀架支撑部分、动力头加载部分、状态监测部分、切削液回收部分。
(一)动力刀架支撑部分
所述的动力刀架支撑部分包括动力刀架底座1和动力刀架垫板12。
被测的动力刀架2通过动力刀架底座1置于地平铁10上,被测的动力刀架2与动力刀架底座1之间设有动力刀架垫板12,所述的动力刀架底座1为箱体式结构件,由六块平钢板焊接而成,顶端面与底端面相互平行,顶板的四角处设置有用于安装动力刀架垫板12的螺纹通孔,底板的四角处设置有U形开口,用于穿过T型螺栓，将动力刀架底座1固定在地平铁10上。所述的动力刀架垫板12为板类结构件,动力刀架垫板12的四角处设置有用于安装螺栓的通孔,四通孔之间位置均布有用于安装被测动力刀架2的螺纹通孔,可以通过调节动力刀架垫板12的数量或厚度,对被测动力刀架2进行高度的调节,使得被测动力刀架上的动力刀座的轴心线、压电陶瓷加载装置支架的轴心线、测功机输出轴的轴心线与弹性联轴器A、弹性联轴器B的轴心线共线。
动力刀架垫板12通过螺栓与动力刀架底座1的顶板连接,动力刀架底座1通过型螺栓固定在地平铁的左侧。
(二)动力头加载部分
所述的动力头加载部分包括模拟切削力加载的压电陶瓷加载装置、夹持装置、传动装置、保护固定装置、测功机9、XY工作台13。
1.压电陶瓷加载装置
参阅图3、图5、图6、图7,所述压电陶瓷加载装置包括加载装置支架4-1，压电陶瓷加载棒4-2。
加载装置支架4-1左端为端面是环形的轴套，轴套左侧端面上开有四个盲孔，四个盲孔关于环形端面中心点对称分布，右端为实心轴体与联轴器A 5-2键连接，加载装置支架4-1上套有可以在旋转状态下传输数据的信号滑环5-1。四个压电陶瓷加载棒4-2分别置于盲孔内与盲孔间隙配合，压电陶瓷加载棒顶端的螺纹与夹持支架3-1右端盲孔底部的螺纹孔连接，压电陶瓷加载棒顶端的螺纹与加载装置支架4-1左端的盲孔底部内螺纹孔连接如图6。
2.夹持装置
参阅图2,所述夹持装置包括夹持支架3-1，夹紧垫片3-2，锁紧螺栓3-3。
夹持支架3-1在垂直于被测动力头2-2回转轴线的方向上均匀分布四个螺纹孔，锁紧螺栓3-3通过螺纹孔与夹紧垫片3-2接触，旋转锁紧螺栓3-3即可以实现对动力头的夹紧与释放。
3.传动装置
参阅图2,所述传动装置包括信号滑环5-1，联轴器A 5-2，联轴器B 5-3。
弹性联轴器A 5-2的左端与加载装置支架4-1右端键连接，加载装置支架4-1上装有滑环5-1，加载装置支架4-1与滑环5-1间隙配合，滑环5-1通过过盈配合固定在支撑轴套6-6上，不随传动装置一起绕动力头中心轴旋转，支撑轴套6-6与保护罩6-2固定，联轴器A5-2的右端法兰与扭矩传感器8-4的左端法兰采用螺栓连接，扭矩传感器8-4的右端与联轴器B5-3键连接，联轴器B 5-3的右端法兰与测功机9的输出端法兰采用螺栓连接。
4.保护固定装置6
参阅图2,所述保护固定装置包括防油罩6-1，保护罩6-2，滑道6-3，支撑轴套6-6，磁力吸块7。
保护罩6-2为一圆柱形薄壁，右端通过磁力吸块7与测功机9通过磁力吸引保持平衡，左侧通过滑道6-3与防油罩6-1间隙配合。防油罩6-1的内表面为锥面，防油罩6-1有两个极限位置1和2。极限位置1为工作状态，工作时防油罩6-1向左拉至极限位置1，此时防油罩上的锥形孔与保护罩上的螺纹孔轴心线重合，可以排除切削液。防油罩6-1处于极限位置1时，两个位移传感器8-1和红外温度传感器8-2都垂直打在动力头外表面的最高点上；极限位置2为维修、预夹持和释放状态，预夹持状态下，防油罩向右拉至极限位置2，此时夹持装置螺栓3-3露出，旋转锁紧螺栓3-3即可以实现对动力头的夹紧与释放。防油罩切削液排除通道6-4为开在防油罩6-1、保护罩6-2上的一个锥形孔，当切削液喷头2-4喷出切削液时，切削液从动力头2-2落到防油罩6-1内表面的斜坡上，经过防油罩6-1内表面聚集到支撑轴套6-6左侧，经由切削液排除通道6-4及切削液回收管道6-5回收到回收槽中再利用。支撑轴套6-6与信号滑环5-1右侧表面过盈配合。所述切削液回收管道6-5一端带有螺纹，安装在保护罩6-2上的切削液排除通道内。
5.测功机9
参阅图1与图2，测功机9通过螺栓安装在XY工作台13上,XY工作台13通过T型螺栓安装在地平铁10上,即安装在动力刀架底座1右侧的地平铁10上,测功机9的回转轴线处于和地平铁10的纵向对称面平行,并和地平铁10的上工作面平行。测功机9的输出端法兰与弹性联轴器B 5-3的右端法兰螺栓连接,弹性联轴器B 5-3的左端与扭矩传感器8-4的右端通过键连接,扭矩传感器8-4的左端法兰与联轴器A 5-2的右端法兰螺栓连接，测功机9输出轴的回转轴线、压电陶瓷加载装置支架4-1的回转轴线、夹持支架3-1的回转轴线、联轴器A5-2、联轴器B5-3的回转轴线、保护罩6-2的中心轴与被测动力刀架上的动力头2-2的回转轴线共线。
(三)状态监测部分
参阅图2与图3，所述的状态监测部分包括位移传感器8-1，红外温度传感器8-2，压力传感器8-3，扭矩传感器8-4，摄像头8-5，振动传感器8-6。
所述的位移传感器8-1共两个，通过位移传感器8-1表面的外螺纹旋进防油罩6-1表面两个互为90度的螺纹孔内，防油罩6-1向左拉动后，两个位移传感器8-1分别在动力头两边的同一平面上相隔90度，以检测动力头在模拟工况加载过程中的径向跳动误差。
所述的红外温度传感器8-2(本试验台采用在线式红外温度传感器)通过表面外螺纹旋进防油罩6-1上的螺纹孔内，分别在动力头2-2两边的同一平面上相隔90度。
所述压力传感器8-3共四个，分别位于加载装置支架4-1一(左)端的盲孔底部，用于检测压电陶瓷加载棒4-2的加载力。
所述扭矩传感器8-4的左端法兰与轴器A 5-2的右端法兰螺栓连接，扭矩传感器8-4的右端与联轴器B 5-3键连接。
所述摄像头8-5安装于防油罩6-1内表面，用来实时监控切削液的流出状态。
所述振动传感器8-6贴于动力头右端面。用于检测动力头在模拟实际工况下的振动。
(四)切削液回收部分
参阅图4，所述的切削液回收部分包括防油罩6-1内壁设置的斜坡，切削液排除通道6-4切削液回收管道6-5。
切削液从切削液喷头2-4流出，喷射到动力头2-2上，流入防油罩6-1的内壁斜坡上，经过内壁斜坡流入切削液排除通道6-4，顺着切削液回收管道6-5回收利用。
所述切削液排除通道6-4由两部分组成，一部分是防油罩6-1上的锥形孔，一部分是保护罩6-2上的螺纹孔，拉上防油罩6-1，防油罩6-1处于极限位置1，使得防油罩6-1上的锥形孔和保护罩6-2上的螺纹孔重合，切削液即可通过切削液排除通道6-4排出，进入切削液回收管道6-5。
所述切削液回收管道6-5一端带有螺纹，安装在保护罩6-2上的切削液排除通道内。
二、动力刀架动力头可靠性试验方法
本发明针对动力刀架动力头可靠性提出的试验方法，能够对动力刀架动力头进行空运转、模拟实际工况切削力和切削扭矩加载条件下的性能进行评估分析，并检验其性能参数保持性，亦能够有效的检测出动力刀架动力头在出厂时精度是否符合要求。并分析出影响动力头性能衰退的因素，及为预测动力头故障提供数据基础。
参阅图8本发明专利所述的动力刀架动力头可靠性试验方法如下所述：
1.确定被测试动力刀架的型号和台数，确定被测动力刀架的模拟加载的实际工况；
2.参照图1，将被测试的动力刀架2固定在动力刀架支撑部分1上；
3.根据不同的试验条件将动力刀架动力头可靠性试验分为两部分：动力刀架动力头在模拟加载实际工况条件下的可靠性试验、动力刀架动力头空运转条件下的可靠性试验；
4.首先介绍动力刀架动力头空运转条件下的可靠性试验
参阅图8，需跳过虚线框中的步骤，具体实施步骤如下：
4.1安装动力刀架动力头可靠性试验装置；
参阅图1,首先转到需要测试的工位,调整好动力头2-2回转轴线与测功机9输出轴的回转轴线共线。
参阅图3，将动力刀架动力头可靠性试验装置内联轴器B 5-3安装在测功机9上,保护罩6-2通过磁力吸块7稳定在测功机9左端表面。
4.2参阅图3，先将振动传感器8-6贴到动力头右端表面，打开防油罩6-1，防油罩处于极限位置2，此时调节XY工作台13，使动力头2-2的右端穿过夹持支架3-1。
4.3使测功机9输出轴的回转轴线、加载装置支架4-1的回转轴线、夹持支架3-1的回转轴线、联轴器A5-2、联轴器B5-3的回转轴线、保护罩6-2的中心轴与被测动力刀架上的动力头2-2的回转轴线共线；拉上防油罩6-1；设定动力刀架动力头转速及运行时间；
4.4待安装检查完毕后，启动动力刀架动力头；
4.5开始状态监测；
a)切削液关闭，位移传感器开启：
参阅图2，扭矩传感器8-4，位移传感器8-1，红外温度传感器8-2和振动传感器8-6检测到信号通过信号放大器和卡反馈给上位工控机，实时监控。此时扭矩传感器8-4可以测转速，扭矩显示为零。
b)切削液开启，位移传感器关闭：
参阅图2，扭矩传感器8-4，压力传感器8-3和振动传感器8-6检测到信号通过信号放大器和卡反馈给上位工控机，同时摄像头8-5实时监控切削液的流动。切削液通过防油罩6-1内表面经由切削液排除通道6-4，切削液回收管道6-5，回收循环利用。此时不进行跳动的检测，即关闭位移传感器8-1。
4.6数据采集实时显示并保存：记录在实际工况下动力头的径向跳动，动力头表面温度、振动，测功机对动力头扭矩加载值、转速；当发现所检测信号有突变或其它异常情况时要及时停机，根据所检测的相关信号分析存在的故障，进行故障的预警；
4.7空运转过程结束后：测功机9通过XY工作台缩回，上位工控机继续控制被测动力刀架定位到下一个目标工位，重复上述4.2-4.6步，在上位工控机的自动控制和监测下，整个试验过程循环有序地不断进行；每次试验完毕后对每种工况下的测试时间、各项信号数据、故障信息进行分类整理与存储；
4.8数据分析：时对检测到的振动信号分析，得到在无外负荷的情况下动力刀架动力头运行的稳定性情况、对检测到的动力头径向跳动精度与出厂要求相比，得出动力刀架动力头精度是否符合规定要求、观察动力头温度的变化情况研究动力头在空运转情况下温升情况，及温升原因。
5.动力刀架动力头在实际工况条件下的可靠性试验
5.1安装动力刀架动力头可靠性试验装置；
参阅图1,首先转到需要测试的工位,调整好动力头2-2回转轴线与测功机9输出轴的回转轴线共线。
参阅图3，将动力刀架动力头可靠性试验装置内联轴器B 5-3安装在测功机9上，保护罩6-2通过磁力吸块7稳定在测功机9左端表面。
5.2参阅图3，先将振动传感器8-6贴到动力头右端表面，打开防油罩6-1，防油罩处于极限位置2，此时调节XY工作台13，使动力头2-2的右端穿过夹持支架3-1。
5.3旋紧锁紧螺栓3-3，使夹紧垫片3-2与动力头2-2接触并夹持；
5.4使测功机9输出轴的回转轴线、压电陶瓷加载装置支架4-1的回转轴线、夹持支架3-1的回转轴线、联轴器A5-2、联轴器B5-3的回转轴线、保护罩6-2的中心轴与被测动力刀架上的动力头2-2的回转轴线共线。拉上防油罩6-1。设定动力刀架动力头转速及运行时间；
5.5利用动力刀架动力头可靠性试验装置,根据实际工况如铣削、钻削等，设定每根压电陶瓷加载棒加载力的大小、测功机扭矩加载的大小、转速及试验时间；在界面上设置好加载力、振动频率、加载波形、加载时间、加载扭矩以及转速等各项参数；
5.6待安装检查完毕后，启动动力刀架动力头；
5.7试验开始后,上位工控机控制被测动力刀架定位到目标工位,刀盘夹紧后,上位工控机接收到夹紧反馈信号后控制压测功机9和动力刀架动力头可靠性试验装置对动力刀架动力头2-2进行加载；
5.8开始状态监测，有两种监测状态；
a)切削液关闭，位移传感器开启状态：
参阅图2，通过上位工控机来控制,在VB控制界面上选定一定参数通过RS-232C端口与下位测功机控制仪通讯,下位测功机控制仪控制测功机9给动力头2-2施加扭矩,扭矩传感器8-4，位移传感器8-1，红外温度传感器8-2，压力传感器8-3和振动传感器8-6检测到信号通过信号放大器和卡反馈给上位工控机，进行闭环控制，同时进行实时监控。
此状态可以由扭矩传感器8-4测扭矩、转速，位移传感器8-1测径向跳动，红外温度传感器8-2检测动力头表面温度，压力传感器8-3实时监测压电陶瓷加载棒4-2施加力大小，振动传感器8-6检测动力头端面振动。
b)切削液开启，位移传感器关闭状态：
参阅图2，通过上位工控机来控制,在VB控制界面上选定一定参数通过RS-232C端口与下位测功机控制仪通讯,下位测功机控制仪控制测功机9给动力头2-2施加扭矩,扭矩传感器8-4和，压力传感器8-3和振动传感器8-6检测到信号通过信号放大器和卡反馈给上位工控机,进行闭环控制,同时摄像头8-5实时监控切削液的流动。切削液通过防油罩6-1内表面经由切削液排除通道6-4，切削液回收管道6-5，回收循环利用。
此时由于切削液的喷射，位移传感器8-1测量径向跳动及有较大误差，所以此时不进行跳动的检测，即关闭位移传感器8-1。由于切削液的喷射红外温度传感器所测的为动力头表面经过切削液冷却后的温度，应与状态一中动力头表面的温度区别。
此状态可以由扭矩传感器8-4测扭矩、转速，红外温度传感器8-2检测动力头表面经切削液冷却后的温度，压力传感器8-3实时监测压电陶瓷加载棒4-2施加力大小，振动传感器8-6检测动力头端面振动，摄像头8-5实时监控切削液流动状态。
5.9数据采集实时显示并保存：记录在实际工况下动力头的径向跳动，动力头表面温度、振动，测功机对动力头扭矩加载值、转速；当发现所检测信号有突变或其它异常情况时要及时停机，根据所检测的相关信号分析可能存在的故障，进行故障的预警；
5.10加载过程结束后：测功机9通过XY工作台缩回，上位工控机继续控制被测动力刀架定位到下一个目标工位,重复上述5.2-5.9步,在上位工控机的自动控制和监测下,整个试验过程循环有序地不断进行。每次试验完毕后对每种工况下的测试时间、各项信号数据、故障信息进行分类整理与存储；
5.11数据分析：每种工况下动力头表面的振动与空运转条件下对应的信号对比研究动力头在实际切削工作时抗振性及稳定性；动力头变形及振动的信号可以反映出该刀架在实际切削时抵抗变形的能力及对加工精度的影响情况；动力头温度及扭矩加载值都可以反映出动力刀架动力头在实际运行时的性能。
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,不同尺寸的动力刀架及数控砖塔刀架动力头的可靠性试验,范围之外的不同型号,不同尺寸的动力刀架动力头的可靠性试验,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,如动力刀架垫板、压力传感器和测功机等标准件的选择等,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。
Claims (9)
1.一种动力刀架动力头可靠性试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，确定被测试动力刀架的型号和台数，确定被试测动力刀架的模拟加载的实际工况；
第二步，将被测试动力刀架(2)固定在动力刀架底座(1)上；
第三步，根据不同的试验条件将动力刀架动力头可靠性试验分为两部分：动力刀架动力头在模拟加载实际工况条件下的可靠性试验、动力刀架动力头空运转条件下的可靠性试验；
所述的动力刀架动力头空运转条件下的可靠性试验，包括以下步骤：
1)确定被测试动力刀架的型号和台数；
2)安装动力刀架动力头可靠性试验装置；
首先转到需要测试的工位,调整好动力头(2-2)回转轴线与测功机(9)输出轴的回转轴线共线；
将动力刀架动力头可靠性试验装置内联轴器B(5-3)安装在测功机(9)上，保护罩(6-2)通过磁力吸块(7)稳定在测功机(9)左端表面；
将振动传感器(8-6)贴到动力头右端表面，打开防油罩(6-1)，防油罩处于极限位置2，调节XY工作台(13)，使动力头(2-2)的右端穿过夹持支架(3-1)；
极限位置2为维修、预夹持和释放状态，预夹持状态下，防油罩向右拉至极限位置2，此时夹持锁紧螺栓(3-3)露出，旋转锁紧螺栓(3-3)即实现对动力头的夹紧与释放；
使测功机(9)输出轴的回转轴线、加载装置支架(4-1)的回转轴线、夹持支架(3-1)的回转轴线、联轴器A(5-2)、联轴器B(5-3)的回转轴线、保护罩(6-2)的中心轴与被测动力刀架上的动力头(2-2)的回转轴线共线；拉上防油罩(6-1)；设定动力刀架动力头转速及运行时间；
3)待安装检查完毕后，启动动力刀架动力头；
4)开始状态监测：
a)切削液关闭，位移传感器开启：
扭矩传感器(8-4)和位移传感器(8-1)，红外温度传感器(8-2)，和振动传感器(8-6)检测到信号通过信号放大器和卡反馈给上位工控机，实时监控；扭矩传感器(8-4)测转速，扭矩显示为零；
b)切削液开启，位移传感器关闭：
扭矩传感器(8-4)、压力传感器(8-3)和振动传感器(8-6)检测到信号通过信号放大器和卡反馈给上位工控机，同时摄像头(8-5)实时监控切削液的流动；切削液通过防油罩(6-1)内表面经由切削液排除通道(6-4)，切削液回收管道(6-5)，回收循环利用；此时不进行跳动的检测，即关闭位移传感器(8-1)；
5)数据采集实时显示并保存：记录在实际工况下动力头的径向跳动，动力头表面温度、振动，测功机对动力头扭矩加载值、转速；当发现所检测信号有突变或其它异常情况时要及时停机，根据所检测的相关信号分析存在的故障，进行故障的预警；
6)空运转过程结束后：测功机(9)通过XY工作台缩回，上位工控机继续控制被测动力刀架定位到下一个目标工位，重复上述3)-5)步，在上位工控机的自动控制和监测下，整个试验过程循环有序地不断进行；每次试验完毕后对每种工况下的测试时间、各项信号数据、故障信息进行分类整理与存储；
7)数据分析：对检测到的振动信号分析，得到在无外负荷的情况下动力刀架动力头运行的稳定性情况、对检测到的动力头径向跳动精度与出厂要求相比，得出动力刀架动力头精度是否符合规定要求，观察动力头温度的变化情况，研究动力头在空运转情况下温升情况及温升原因。
2.根据权利要求1所述的一种动力刀架动力头可靠性试验装置的试验方法，其特征在于：
所述动力刀架动力头在模拟加载实际工况条件下的可靠性试验，具体包括以下步骤：
1)确定被测试动力刀架的型号和台数，确定被测动力刀架的模拟加载的实际工况；
2)安装动力刀架动力头可靠性试验装置；
首先转到需要测试的工位,调整好动力头(2-2)回转轴线与测功机(9)输出轴的回转轴线共线；
将动力刀架动力头可靠性试验装置内联轴器B(5-3)安装在测功机(9)上，保护罩(6-2)通过磁力吸块(7)稳定在测功机(9)左端表面；
3)将振动传感器(8-6)贴到动力头右端表面，打开防油罩(6-1)，防油罩处于极限位置2，调节XY工作台(13)，使动力头(2-2)的右端穿过夹持支架(3-1)；
4)夹持装置夹持动力头(2-2)；
5)使测功机(9)输出轴的回转轴线、加载装置支架(4-1)的回转轴线、夹持支架(3-1)的回转轴线、联轴器A(5-2)、联轴器B(5-3)的回转轴线、保护罩(6-2)的中心轴与被测动力刀架上的动力头(2-2)的回转轴线共线；拉上防油罩(6-1)；设定动力刀架动力头转速及运行时间；
6)利用动力刀架动力头可靠性试验装置，根据铣削、钻削实际工况，设定每根压电陶瓷加载棒加载力的大小、测功机扭矩加载的大小、转速及试验时间；在界面上设置好加载力、振动频率、加载波形、加载时间、加载扭矩以及转速各项参数；
7)待安装检查完毕后，启动动力刀架动力头；
8)试验开始后，上位工控机控制被测动力刀架定位到目标工位，刀盘夹紧后，上位工控机接收到夹紧反馈信号，控制测功机(9)和压电陶瓷加载棒(4-2)对动力刀架动力头(2-2)进行加载；
9)开始性能检测：
a)切削液关闭，位移传感器开启状态：
通过上位工控机来控制,在VB控制界面上选定一定参数通过RS-232C端口与下位测功机控制仪通讯,下位测功机控制仪控制测功机(9)给动力头(2-2)施加扭矩,扭矩传感器(8-4)、位移传感器(8-1)、红外温度传感器(8-2)、压力传感器(8-3)和振动传感器(8-6)检测到信号通过信号放大器和卡反馈给上位工控机，进行闭环控制，同时进行实时监控；
b)切削液开启，位移传感器关闭状态：
通过上位工控机来控制,在VB控制界面上选定一定参数通过RS-232C端口与下位测功机控制仪通讯，下位测功机控制仪控制测功机(9)给动力头(2-2)施加扭矩，扭矩传感器(8-4)、压力传感器(8-3)和振动传感器(8-6)检测到信号通过信号放大器和卡反馈给上位工控机，进行闭环控制，同时摄像头(8-5)实时监控切削液的流动；切削液通过防油罩(6-1)内表面经由切削液排除通道(6-4)，切削液回收管道(6-5)，回收循环利用；
此时不进行跳动的检测，即关闭位移传感器(8-1)；
10)数据采集实时显示并保存：记录在实际工况下动力头的径向跳动，动力头表面温度、振动，测功机对动力头扭矩加载值、转速；当发现所检测信号有突变或其它异常情况时要及时停机，根据所检测的相关信号分析存在的故障，进行故障的预警；
11)加载过程结束后：测功机(9)通过XY工作台缩回，上位工控机继续控制被测动力刀架定位到下一个目标工位，重复上述3)-10)步，在上位工控机的自动控制和监测下，整个试验过程循环有序地不断进行；每次试验完毕后对每种工况下的测试时间、各项信号数据、故障信息进行分类整理与存储；
12)数据分析：每种工况下动力头表面的振动与空运转条件下对应的信号对比研究动力头在实际切削工作时抗振性及稳定性；动力头变形及振动的信号反映出该刀架在实际切削时抵抗变形的能力及对加工精度的影响情况；动力头温度及扭矩加载值反映出动力刀架动力头在实际运行时的性能。
3.如权利要求1所述的试验方法的动力刀架动力头可靠性试验装置，包括动力头加载部分、性能检测与状态监测部分；其特征在于：
所述的动力头加载部分包括模拟切削力加载的压电陶瓷加载装置、夹持装置、传动装置和测功机(9)；
所述压电陶瓷加载装置包括加载装置支架(4-1)和压电陶瓷加载棒(4-2)；
所述夹持装置包括夹持支架(3-1)，用于夹持动力头(2-2)；
所述的性能检测与状态监测部分包括设置在动力头旁边的位移传感器(8-1)、设置在动力头加载部分上的红外温度传感器(8-2)、设置在加载装置支架(4-1)上的压力传感器(8-3)、设置在动力头上的振动传感器(8-6)、扭矩传感器(8-4)；
所述压电陶瓷加载棒(4-2)两顶端均设有螺纹，所述压电陶瓷加载棒(4-2)左侧穿入夹持支架(3-1)盲孔内，顶端螺纹与夹持支架(3-1)盲孔底部内螺纹孔相连；压电陶瓷加载棒(4-2)右侧穿过压力传感器(8-3)并穿入加载装置支架(4-1)盲孔内，顶端螺纹分别与压力传感器(8-3)、加载装置支架(4-1)盲孔底部的内螺纹孔连接；
所述传动装置包括信号滑环(5-1)、联轴器A(5-2)和联轴器B(5-3)；
所述联轴器A(5-2)与加载装置支架(4-1)连接，加载装置支架(4-1)上装有滑环(5-1)，加载装置支架(4-1)与滑环(5-1)间隙配合；
所述测功机(9)的输出端与联轴器B(5-3)连接；
联轴器A(5-2)、扭矩传感器(8-4)与联轴器B(5-3)依次相连；
测功机(9)输出轴的回转轴线、压电陶瓷加载装置支架(4-1)的回转轴线、夹持支架(3-1)的回转轴线、联轴器A(5-2)的回转轴线、联轴器B(5-3)的回转轴线与被测动力刀架上的动力头(2-2)的回转轴线共线。
4.如权利要求3所述的动力刀架动力头可靠性试验装置，其特征在于：
所述压电陶瓷加载棒(4-2)设置四个，所述加载装置支架(4-1)左端为端面是环形的轴套，轴套左侧端面上开有四个盲孔，四个盲孔相对于环形端面中心点对称分布，四个压电陶瓷加载棒(4-2)分别置于盲孔内与盲孔间隙配合，压电陶瓷加载棒左侧顶端的螺纹与夹持支架(3-1)右端盲孔底部的螺纹孔连接，压电陶瓷加载棒右侧顶端的螺纹与加载装置支架(4-1)左端的盲孔底部内螺纹孔连接。
5.根据权利要求4所述的一种动力刀架动力头可靠性试验装置，其特征在于：
所述的动力头加载部分还包括保护固定装置，所述保护固定装置包括防油罩(6-1)、保护罩(6-2)、滑道(6-3)、支撑轴套(6-6)和磁力吸块(7)；
所述保护罩(6-2)通过滑道(6-3)与防油罩(6-1)间隙配合，保护罩(6-2)底端通过磁力吸块(7)吸附在测功机(9)上；保护罩(6-2)的中心轴与被测动力刀架上的动力头(2-2)的回转轴线共线；
所述支撑轴套(6-6)外圈与保护罩(6-2)固定；支撑轴套(6-6)内圈与信号滑环(5-1)过盈配合。
6.根据权利要求5所述的一种动力刀架动力头可靠性试验装置，其特征在于：
所述动力刀架动力头可靠性试验装置，还包括切削液回收部分，所述的切削液回收部分包括防油罩(6-1)内壁设置的斜坡、切削液排除通道(6-4)和切削液回收管道(6-5)；
所述切削液排除通道(6-4)由两部分组成，一部分是防油罩(6-1)上的锥形孔，一部分是保护罩(6-2)上的螺纹孔；
所述切削液回收管道(6-5)通过螺纹安装在保护罩(6-2)上的螺纹孔内。
7.根据权利要求6所述的一种动力刀架动力头可靠性试验装置，其特征在于：
所述的位移传感器(8-1)设有两个，设置在动力头加载部分的防油罩(6-1)表面，分别在动力头(2-2)两边，两个位移传感器的中心轴相互垂直，且两位移传感器中心轴所在平面与动力头(2-2)中心轴垂直；
所述的红外温度传感器(8-2)通过表面外螺纹旋进动力头加载部分的防油罩(6-1)上的螺纹孔内；
所述压力传感器(8-3)设有四个，位于加载装置支架(4-1)四个盲孔底部；
所述振动传感器(8-6)贴于动力头右端面；
所述性能检测与状态监测部分还包括摄像头(8-5)，所述摄像头(8-5)安装于防油罩(6-1)内表面。
8.根据权利要求7所述的一种动力刀架动力头可靠性试验装置，其特征在于：
所述动力刀架动力头可靠性试验装置，还包括动力刀架支撑部分，所述的动力刀架支撑部分包括动力刀架底座(1)和动力刀架垫板(12)；
被测的动力刀架(2)通过动力刀架底座(1)置于地平铁(10)上，被测的动力刀架(2)与动力刀架底座(1)之间设有动力刀架垫板(12)。
9.根据权利要求8所述的一种动力刀架动力头可靠性试验装置，其特征在于：
所述的动力头加载部分还包括XY工作台(13)，所述测功机(9)通过螺栓安装在XY工作台(13)上,XY工作台(13)通过T型螺栓安装在地平铁(10)上，测功机(9)的回转轴线处于和地平铁(10)的纵向对称面平行,并和地平铁(10)的上工作面平行。
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| CN201810657660.5A CN108562431B (zh) | 2018-06-25 | 2018-06-25 | 动力刀架动力头可靠性试验装置及试验方法 |
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|---|---|---|---|
| CN201810657660.5A CN108562431B (zh) | 2018-06-25 | 2018-06-25 | 动力刀架动力头可靠性试验装置及试验方法 |
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