高速、精密数控机床可靠性设计与性能试验技术.doc

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1、高速、精密数控机床可靠性设计与性能试验技术　　摘要：文章分析了数控机床关键功能部件的可靠性试验系统，包括机床主轴、数控动力伺服刀架、数控转塔刀架、链式刀库和盘式刀库的可靠性试验系统，是目前数控机床可靠性试验关键技术领域的一项创新，并已开始推广与应用。　　关键词：高速/精密；数控机床；可靠性设计；性能试验　　1.问题提出　　提高国产数控机床可靠性的关键在于提高国产关键功能部件的可靠性，而开展可靠性试验是提高产品可靠性的主要技术途径。现阶段对国内数控机床及其功能部件进行的可靠性试验，主要依靠在机床用户企业对生产过程进行现场跟踪来实现，试验条件不可控，试验周期长，不能满足产品开发进度要求，而且需要

2、付出高昂的时间和人力成本。　　进行关键功能部件的可靠性实验室加速试验，是提高可靠性试验效率的主要技术手段。实验室可靠性试验须遵循2个原则：一是不能改变故障模式，二是不能改变故障机理。因此，可靠性试验系统必须具有工况模拟能力，包括载荷的维数、大小、种类、频率和速度等，以使可靠性试验能够激发出关键功能部件真实工作时的潜在故障，保证试验结果的真实可靠。本文结合数控机床可靠性及关键部位可靠性试验技术方面的研究成果，对数控机床关键功能部件的可靠性试验系统进行分析。　　2.本研究的创新性　　数控机床关键功能部件可靠性试验系统的研制，关键在于准确把握功能部件实际工作状况下的载荷特性，实现对复杂载荷的模拟。

3、以机床主轴为例，包括车床主轴和铣床或加工中心主轴晗电主轴），在切削加工工作中会受到三向切削力和切削扭矩的作用，同时，切削力中还有较大的动态切削力分量，而且动态分量对可靠性的影响甚至会大于稳态切削力分量的影响。为此，机床主轴的可靠性试验系统必须能够对主轴进行多自由度的静动态切削力模拟和切削扭矩模拟。其次，机床主轴具有较高的转速和回转精度，扭矩加载装置也需要达到相应的要求。吉林大学经反复调研论证、计算机仿真、多种样机的试制和比较试验，历时2年，研发出了采用电液伺服技术的多自由度动态切削力加载装置和采用测功机的切削扭矩加载装置，并以此为核心部件构建了机床主轴的可靠性试验系统。系统的切削力维数、动静

4、态力和频率、主轴的转速和扭矩等均可通过系统的主控计算机进行控制，系统的加载范围可通过以上2类加载装置中动力元件的选配来满足要求。　　3.数控机床可靠性试验系统及关键技术　　3.1主轴　　机床主轴主要由转子、轴承、齿轮、主轴外壳、冷却装置和驱动电动机构成，其中，轴承具有支承和定位作用，齿轮具有传动作用，冷却装置具有降温作用。机床主轴可靠性试验，需要对径向力、轴向力和转矩进行加载，同时测量机床主轴的各项性能参数的变化，如精度、振动、噪声和温度等，最后对各项性能参数的变化进行可靠性分析。数控机床主轴可靠性试验系统如图1所示。　　主轴的可靠性试验系统采用的是电液伺服加载装置对主轴进行动、静态切削力加

5、载，并安装动态拉、压力传感器，用于测量动态加载力大小和波形变化。采用发电测功机进行扭矩加载，并安装扭矩传感器和转速传感器，测量电主轴的加载扭矩和转速，实现加载的实时监控和闭环控制。机床主轴1连接加载棒2，加载棒通过联轴器4连接转矩加载装置5，实现转矩加载；径向加载装置7和加载块3接触，实现径向加载；轴向加载装置6和加载块3接触，实现轴向加载；控制系统控制加载装置和机床主轴的输入量；传感器采集机床主轴的各项性能参数的变化；数据采集系统用于采集传感器和加载装置的输出量；利用采集到的数据对机床主轴的可靠性进行分析。　　3.2数控动力伺服刀架　　动力伺服刀架是数控车床、车削中心、车铣复合等数控机床实

6、现刀具储备、自动换刀、夹刀切削的主要功能部件。动力伺服刀架具有结构紧凑、定位精度高、转位快、刚性好以及能够实现钻削和铣削等特点，一次装夹能够实现多个工步的加工，既可以保证精度，又能极大地提高加工精度和加工效率。　　数控动力伺服刀架的可靠性试验系统采用电液伺服加载装置对刀架的模拟刀杆进行动、静态切削力加载，并安装动态拉、压力传感器，用于测量动态加载力大小和波形变化。利用测功机对被测动力头进行扭矩加载，安装扭矩传感器和转速传感器，实时监测加载数据。　　3.3数控转塔刀架　　转塔刀架是数控车床的关键功能部件，其可靠性水平直接影响到整机的可靠性水平。数控转塔刀架一般由驱动装置、精定位装置、松开和锁紧

7、装置、装刀装置、预定位装置、机械传动机构、检测装置等组成。数控转塔刀架与数控动力伺服刀架的区别在于刀架没有动力轴，故本试验系统不需要扭矩加载装置，其他与数控动力伺服刀架的可靠性试验系统类似。　　数控转塔刀架的可靠性试验系统包括试验台架设计、电液伺服加载系统、下层控制系统和上位机监控系统4部分。试验台架能够对各种型号的刀架进行安装和固定，由于要进行动态加载试验，试验台对刚度要求较高，而且机构之间可以相对调节，以