具有电液伺服加载装置的滚珠丝杠副可靠性试验台

摘要

本发明涉及一种应用于滚珠丝杠副可靠性领域的试验装置，特别是涉及一种具有电液伺服加载装置的滚珠丝杠副可靠性试验台。该试验台主要由滚珠丝杠副驱动部分、载荷施加部分和自动控制部分组成，所述滚珠丝杠副驱动部分由伺服电机(14)、滚珠丝杠副和工作台(7)组成，所述载荷施加部分由安装在工作台(7)左右两端面的左右两套电液伺服加载装置组成，所述的自动控制部分包括：上位工控机，下位可编程控制器PLC，伺服驱动器，A/D卡，电磁换向阀，信号放大器，拉压力传感器和位移传感器。本发明能够对不同型号的滚珠丝杠副实现动、静态加载并进行可靠性试验。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于滚珠丝杠副可靠性领域的试验装置，特别是，本发明涉及一种能 够对滚珠丝杠副实现动、静态加载并进行可靠性试验的试验台。

背景技术

滚动功能部件行业在我国机械工业中属于新兴行业，近几年，随着精密机床、数控机床 等一系列数字化制造装备的发展，滚动功能部件以高精度、零间隙、高刚度、允许负荷大、 低噪音以及低耗能等特点得到高速发展。然而近五年的统计结果表明，国产滚动功能部件的 市场占有率逐年下降，而进口量却已连续多年增长。主要原因是国产的高性能滚动功能部件 产品与国外有明显差距，其中产品的可靠性及精度保持性是制约国产产品发展的最大瓶颈。

在国家“高档数控与基础制造装备”科技重大专项中，关于共性技术的研究的第一项就 是“可靠性设计与性能试验技术”，要求提供能用于规模化的可靠性设计及试验方法。时至 今日，滚珠丝杠副作为主要的滚动功能部件产品以及数控机床的关键功能部件之一，绝大多 数机床制造企业都没有其可靠性试验装置或试验台。本发明根据滚珠丝杠副实际使用工况， 提出了一种通过电液伺服加载装置能够对滚珠丝杠副实现动、静态加载并进行可靠性试验的 试验台。通过该试验台对滚珠丝杠副进行可靠性试验，一方面为数控机床可靠性增长和可靠 性评估提供基础故障数据，另一方面也有利于提升机床企业对关键功能部件的筛选能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是目前滚珠丝杠副可靠性试验装置不能模拟其实际使用工 况，即不能进行动、静态加载可靠性试验，本发明提供了一种能够对滚珠丝杠副实现动、静 态加载并进行可靠性试验的一种具有电液伺服加载装置的滚珠丝杠副可靠性试验台。

为解决上述技术问题，本发明具体采用如下技术方案来实现：

一种具有电液伺服加载装置的滚珠丝杠副可靠性试验台，由滚珠丝杠副驱动部分、载荷 施加部分和自动控制部分组成，所述滚珠丝杠副驱动部分由伺服电机14、滚珠丝杠副和工 作台7组成，所述工作台7通过滚动导轨副6安装在滑座13上，滑座13固定在地平铁1上， 所述工作台7通过固定在滑座13上的伺服电机14和滚珠丝杠副5驱动在滚动导轨副6的导 轨上往复移动；所述载荷施加部分由安装在工作台7左右两端面的左右两套电液伺服加载装 置组成，所述电液伺服加载装置包括：布置在滑座13两测的液压缸9，装在液压缸9上的 电液伺服阀19和位移传感器11，与液压缸9固定连接的拉压力传感器12，放置在工作台7 上的模拟惯性负载的砝码10；所述的自动控制部分包括：上位工控机，下位可编程控制器 PLC，伺服驱动器，A/D卡，电磁换向阀，信号放大器，拉压力传感器和位移传感器。

所述滑座13断面成“凹”型，滑座13通过T型螺栓固定在地平铁1的中间位置，所述 滚动导轨副6由导轨和滑块组成，导轨安装在滑座13凸出的两侧，滑块安装在导轨上，工 作台7安装在滑块上；用于安装伺服电机14的伺服电机座15固定在滑座13中间凹处；伺 服电机14的输出端通过联轴器16与滚珠丝杠副5中的滚珠丝杠连接，滚珠丝杠两端分别通 过轴承、轴承座固定支撑，轴承座通过螺栓固定在滑座13中间凹处，滚珠丝杠副5中螺母 通过螺栓与工作台7底部固定的。

所述的液压缸9选用双活塞杆式液压油缸，双活塞杆分别从液压缸9的两端伸出，活塞 杆一端固定在活塞杆支座4上，另一端通过位移传感器支架18、拉压力传感器12和连接轴 17固定在另一个活塞杆支座4上，活塞杆支座4固定于液压加载底座3上；

所述电液伺服阀19通过螺栓固定在液压缸9上。

所述的液压缸9两端通过呈L型的液压缸法兰支座2与液压固定底座8固定，所述的液 压固定底座8为板类结构件，通过螺栓和销将其固定在工作平台7左右端面上。

所述的位移传感器支架18为板类结构件，其上设有固定位移传感器11内芯的小孔和支 撑活塞杆的大孔。

所述的液压加载底座3端面呈工字型，由三块板焊接而成，底板通过T型螺栓固定在地 平铁1上面，上板两端固定活塞杆支座4。

所述自动控制部分的下位可编程控制器PLC的上行方向与上位工控机通讯，下行方向分 别与伺服驱动器和电磁换向阀连接，伺服驱动器输出端与伺服电机的电源接口和编码器接口 连接。

所述上位工控机控制界面由VB编制，在控制界面上选定工作模式和试验参数，与下位 可编程控制器通过RS232C进行串口通讯，下位可编程控制器PLC通过伺服驱动器控制伺服 电机的启、停和运转，通过控制电磁换向阀动作，由电液伺服阀控制液压缸9对工作台7施 加载荷力。

所述左右两套电液伺服加载装置由一个控制器的两个通道控制，以实现左右两套电液伺 服加载装置同步加载或异步加载，加载力的大小、动态力频率、加载波形、加载时间或者振 幅参数在上位工控机VB界面上进行设置，加载过程中由位移传感器11和拉压力传感器12 将信号通过信号放大器放大后反馈给上位工控机，实现双闭环控制。

所述砝码10根据试验需要设计成不同质量，在工作平台上放置不同重量的砝码，来模 拟惯性负载。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的具有电液伺服加载装置的滚珠丝杠副可靠性试验台，采用电液伺服对滚 珠丝杠副驱动的工作台进行动、静态加载，从而模拟滚珠丝杠副在实际切削过程中所承受的 载荷。通过对被测的滚珠丝杠副进行模拟真实工况的可靠性试验，暴露和激发产品故障，为 产品的可靠性增长和评估提供实用的基础数据。

2.本发明所述的具有电液伺服加载装置的滚珠丝杠副可靠性试验台，能够实现对作用在 机床滚珠丝杠副上的切削力的动、静态模拟，切削力幅值和加载频率根据不同工况动态可调。

3.本发明所述的具有电液伺服加载装置的滚珠丝杠副可靠性试验台，可以通过在工作台 上安装不同质量的砝码进行模拟滚珠丝杠副驱动的惯性载荷。

4.本发明所述的具有电液伺服加载装置的滚珠丝杠副可靠性试验台的切削力加载部分 安装有拉、压力传感器和位移传感器，能实时检测模拟载荷的大小，实现实时监控和力及位 移闭环控制及反馈，使加载装置具有较高的加载精度。

5.本发明所述的具有电液伺服加载装置的滚珠丝杠副可靠性试验台针对不同型号的滚 珠丝杠副只需更换安装过度件就可以对其进行可靠性加载试验，体现了本实验台的灵活性和 通用性。

附图说明

图1为本发明所述的具有电液伺服加载装置的滚珠丝杠副可靠性试验台加载状态的轴 测投影图；

图2为本发明所述的具有电液伺服加载装置的滚珠丝杠副可靠性试验台的控制原理框 图。

图中：1.地平铁，2.液压缸法兰支座，3.液压加载底座，4.活塞杆支座，5.滚珠丝杠副， 6.滚动导轨副，7.工作台，8.液压固定底座，9.液压缸，10.砝码，11.位移传感器，12.拉 压力传感器，13.滑座，14.伺服电机，15.伺服电机座，16.联轴器，17.连接轴、18位移传 感器支架，19.电液伺服阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

参阅图1，本发明所述的具有电液伺服加载装置的滚珠丝杠副可靠性试验台由滚珠丝杠 副驱动部分、载荷施加部分和自动控制部分组成。

一、滚珠丝杠副驱动部分

所述滚珠丝杠副驱动部分由伺服电机14、伺服电机底座15、联轴器16、滚珠丝杠副丝 杠、螺母、螺母座5、轴承2个、轴承座2个、滚动导轨副2套，包括导轨，滑块6、滑座 13、地平铁1和工作台7组成。

所述滑座13断面成“凹”型，滑座13凸出的两侧设有安装导轨的螺纹孔，滑座13的 中间凹处设置有安装轴承座和伺服电机底座15的螺纹孔以及用于穿过T型螺母固定在地平 铁1上的通孔。

滑座13通过T型螺栓穿过中间凹处的通孔固定在地平铁1的中间位置，滚动导轨副6 中的导轨通过螺栓安装在滑座13凸出的两侧，滑块安装在滚动导轨副6中的导轨上，工作 台7安装在滑块上；伺服电机座15通过螺栓固定在滑座13中间凹处；伺服电机14通过其 端面法兰盘用螺栓固联于伺服电机座15上；伺服电机14的输出端通过联轴器16与滚珠丝 杠副5中的滚珠丝杠连接，滚珠丝杠两端分别通过轴承、轴承座固定支撑，轴承座通过螺栓 固定在滑座13中间凹处，滚珠丝杠副5中螺母通过螺栓固定在工作台7的底部。

二、载荷施加部分

所述的载荷施加部分由液压缸法兰支座4个2、活塞杆支座4个4、液压缸2个9、电 液伺服阀2个19、液压固定底座2个8、液压加载底座3、位移传感器支架18、连接轴17 及模拟惯性负载的砝码组成。

所述的液压缸法兰支座2呈L型，分为法兰端和固定端，法兰端通过螺栓与液压缸9一 端面固定，液压缸法兰支座2的固定端通过螺栓固定在液压固定底座8上；所述的液压缸9 选用双活塞杆式液压油缸，双活塞杆分别从液压缸9的两端伸出，活塞杆一端固定在活塞杆 支座4上，另一端有螺纹分别与位移传感器支架18连接和拉压力传感器12的一端连接，活 塞杆支座4通过螺栓固定于液压加载底座3上；所述的位移传感器支架18为板类件，上有 一小孔，用于固定位移传感器11的内芯，下面有一个大孔，用于固定在活塞杆的右端；所 述的液压固定底座8为板类结构件，两端部各有螺纹孔，用于固定液压缸法兰支座2，液压 固定底座8上均布有四个螺纹孔和两个销孔，通过螺栓和销将其固定在工作平台7左右端面 上；所述的液压加载底座3其端面呈工字型，由三块板焊接而成，底板上有8个长条孔，用 于穿过T型螺栓，将液压加载底座3固定在地平铁1上面，上板两端各有两个螺纹孔，用于 固定活塞杆支座4；电液伺服阀19通过螺栓固定在液压缸底座8上。

液压加载底座3的底板通过T型螺栓固定在地平铁1上，固定液压缸9一端活塞杆的活 塞杆支座4通过螺栓固定在液压缸加载底座3的上块板的一端，液压缸9另一端的活塞杆与 位移传感器支架18连接，并与拉压力传感器12的一端固定连接，拉压力传感器12的一端 与连接轴17一端固定连接，连接轴17的另一端与活塞杆支座4固定，活塞杆支座4通过螺 栓固定在液压加载底座3的上板的另一端，位移传感器11通过螺栓固定在液压缸9的上面， 位移传感器11的内芯固定在位移传感器支架18上的小孔内，电液伺服阀19通过螺栓固定 在液压缸9上，液压缸9通过两个结构相同的液压缸法兰支座2固定在液压固定底座8上， 液压固定底座8通过四个螺栓和两个销轴固定在工作台7左右两个端面上。

三、自动控制部分

参阅图2，所述的自动控制部分包括上位工控机、下位可编程控制器PLC、伺服驱动器、 A/D卡、电磁换向阀、信号放大器、拉压力传感器和位移传感器。

所述的下位可编程控制器PLC的上行方向与上位工控机通讯，下行方向分别和伺服驱动 器以及电磁换向阀连接，伺服驱动器输出端与伺服电机的电源接口和编码器接口连接。

上位工控机控制界面是由VB编制，在控制界面上选定工作模式和试验参数，与下位可编 程控制器通过RS232C进行串口通讯，可编程控制器PLC一方面通过伺服驱动器控制伺服电 机的启、停和运转，另一方面控制电磁换向阀动作，通过电液伺服阀来控制液压缸9对工作 台7施加载荷力，左右两套电液伺服加载装置由一个控制器的两个通道控制，可实现左右两 套电液伺服加载装置同步加载或异步加载，加载力的大小、动态力频率、加载波形、加载时 间或者振幅等参数可以在上位工控机VB界面上进行设置，加载过程中有位移传感器11和拉 压力传感器12将信号通过信号放大器放大后反馈给上位工控机，实现双闭环控制；本文还 设计了不同质量的砝码，可以根据试验需要，在工作平台上放置不同重量的砝码，来模拟惯 性负载。

具有电液伺服加载装置的滚珠丝杠副可靠性试验台的工作原理：

参阅图1，图中给出了通过两套电液伺服加载装置和不同质量的砝码同时对工作台即滚 珠丝杠副进行加载可靠试验的示意图，首先根据试验要求或者模拟的机床工况决定否需要将 左右两套电液伺服加载装置安装在工作台7左右两端面，以及工作台7上放置多少质量的砝 码。然后在上位工控机VB控制界面上设置相关参数通过RS-232C端口与下位可编程控制器 PLC通讯，通过伺服电机、滚珠丝杠副驱动工作台7在导轨上往复移动，启动两套电液伺服 加载装置同步或异步，液压缸9的液体压力通过液压缸端部法兰、液压缸法兰支座2、液压 缸固定支座8施加于工作台7方向与工作台运动方向相反，进而实现对滚珠丝杠副5的加载， 试验过程中，拉压力传感器12和位移传感器11检测到的信号通过信号放大器放大和A/D卡 转换后反馈给上位工控机，进行闭环控制和实时监控。

本发明所述的具有电液伺服加载装置的滚珠丝杠副可靠性试验台在对滚珠丝杠副进行 可靠性试验时，首先根据试验要求将左右两套电液伺服加载装置安装在工作台7左右两端 面，在工作台7上放置一定质量的砝码10，然后在上位工控机VB控制界面上设置伺服电机 14参数以及加载参数，通过RS-232C串口通讯控制下位可编程控制器，来实现电机的运转， 后进行加载可靠性试验。

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，不同尺寸的滚珠丝杠副的可靠性试验，范围之外的不同型号，不同尺寸的滚珠丝 杠副的可靠性试验，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，如拉压 力传感器12和位移传感器11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。