技术领域
[0001] 本
发明涉及一种用于数控机床动力刀架综合性能检测和监测装置及方法，更确切地说，本发明涉及一种基于模拟典型工况加载的动力刀架的性能检测和监测装置及应用该装置进行性能检测和监测的方法。
背景技术
[0002] 近几年，随着我国数控技术的不断提高，国产数控机床广泛应用于航空、航天、
船舶、
汽车、
能源等行业。然而国产数控机床与国外进口机床仍有很大的差距，主要体现在数控机床的可靠性
水平，数控机床的关键功能部件可靠性水平直接影响了整机的可靠性，动力刀架作为高档数控
车床及车铣复合加工中心的关键功能部件之一，但其故障
频率较高，可靠性水平较低。
[0003] 我国关于动力刀架的性能检测和监测主要通过数控机床整机现场检测和在实验室搭建的检测和监测平台上进行试验的两种方式。现场整机测试虽然能获得真实工况下的动力刀架的性能参数，但各类
传感器的安装会影响到现场的加工，同时复杂杂乱的现场环境会对采集的
信号产生很大的干扰，影响数据的准确性。目前实验室搭建的检测和监测装置或平台日趋完善，目前国内已有一些动力刀架综合性能检测系统，虽然充分考虑了
温度、振动等因素对动力刀架性能的影响，能够实现对刀架的性能进行检测，但仍存在一下几个共性问题：一方面在进行动力刀架性能检测和监测时只是在动力刀架空运转、偏重试验，或者采用
液压缸或
气缸进行模拟加载静态切削力试验的情况下进行，检测到的数据无法真实反映刀架的实际性能；另一方面不能得到不同典型工况对动力刀架性能的影响、
精度衰退规律以及预测刀架故障。
[0004] 对动力刀架进行在模拟典型工况下的可靠性试验时的性能参数进行检测，对于研究不同典型工况对动力刀架性能的影响及精度衰退规律有重要意义；对其在进行模拟典型工况下的可靠性试验时的性能参数进行监测，获取其在正常状态和故障状态时的各种特征参数信息，对避免故障发生、降低故障频率来说是非常有意义的工作，同时这也是提高动力刀架可靠性水平及整机可靠性水平的重要的技术手段。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是克服了
现有技术存在的检测到的数据无法真实反映刀架的实际性能及不能得到不同典型工况对动力刀架性能的影响、精度衰退规律以及预测刀架故障的问题，提供了一种模拟典型工况加载的动力刀架性能检测和监测装置及方法。
[0006] 一种模拟典型工况加载的动力刀架性能检测和监测装置，包括动力刀架2、动力刀架
支撑部分1、伺服刀架部分性能检测和监测装置、动力输出部分性能检测和监测装置、动态切削力加载部分6、动力头加载部分9和自动控制部分7；
[0007] 动力刀架2由伺服刀架部分和动力输出部分组成；伺服刀架部分包括动力刀架刀盘5和模拟刀杆11，模拟刀杆11固定在动力刀架刀盘5上；动力输出部分包括动力刀架动力头10和动力头
电机12，所述动力刀架动力头10固定在动力刀架刀盘5上；
[0008] 所述动力刀架支撑部分1固定在试验台平台8的左上方，所述自动控制部分7设置在试验台平台8的右侧；
[0009] 所述的动态切削力加载部分6包括动态力模拟加载装置、动态力模拟加载支撑装置；
[0010] 所述动态力模拟加载支撑装置固定在动力刀架支撑部分1右上方的地平
铁上，所述动态力模拟加载装置固定在动态力模拟加载支撑装置上；
[0011] 所述动力头加载部分9固定在动力刀架支撑部分1的右侧的试验台平台8上；所述动力刀架动力头10通过
联轴器和动力头加载部分9相连；
[0012] 所述伺服刀架部分性能检测和监测装置包括动力刀架振动检测装置、刀盘分度精度与重复
定位精度测量装置、刀杆
变形检测装置、动力刀架温度检测装置、刀盘电机
电流检测装置、刀架运行噪声检测装置；
[0013] 所述动力刀架振动检测装置包括动力刀架刀盘振动检测装置、刀架
箱体振动检测装置和刀杆振动检测装置，所述的动力刀架刀盘振动检测装置固定在动力刀架刀盘5上，刀架箱体振动检测装置固定在动力刀架箱体上，刀杆振动检测装置固定在模拟刀杆11上；所述的刀盘分度精度与重复定位精度测量装置固定在动力刀架刀盘5和试验台平台8上；所述的刀杆变形检测装置固定在试验台平台8上；所述的动力刀架温度检测装置安装在动力刀架刀盘5上和动力刀架刀盘电机表面；所述的刀盘电机电流检测装置穿过动力刀架刀盘电机3的电源线；所述的刀架运行噪声检测装置固定在试验台平台8上；
[0014] 所述动力输出部分性能检测和监测装置包括动力刀架刀盘振动检测装置、刀架箱体振动检测装置、动力刀架动力头径向跳动检测装置、动力刀架动力头
扭矩转速检测装置、动力刀座温度检测装置、动力刀架动力头电机温度检测装置、动力刀架动力头电机电流检测装置和动力刀架动力头运行噪声检测装置；
[0015] 所述的动力刀架刀盘振动检测装置固定在动力刀架刀盘5上；所述的刀架箱体振动检测装置固定在动力刀架箱体上；所述的动力刀架动力头径向跳动检测装置固定在试验台平台8上；所述的动力刀架动力头扭矩转速检测装置固定在试验台平台8上；所述的动力刀座温度检测装置固定在试验台平台8上；所述的动力刀架动力头电机温度检测装置固定在动力刀架动力头电机12表面；所述的动力刀架动力头电机电流检测装置穿过动力刀架动力头电机12的电源线；所述的动力刀架动力头运行噪声检测装置固定在试验台平台8上；
[0016] 所述模拟典型工况加载的动力刀架性能检测和监测装置是对动力刀架中的伺服刀架部分和动力输出部分的性能进行检测和监测。
[0017] 技术方案中所述动态力模拟加载装置包括电液伺服
阀、液压缸、液压缸
支架、关节
轴承、弹性装置和加载杆；
[0018] 所述电液
伺服阀固定到液压缸上，液压缸上顶端与关节轴承固定连接，关节轴承与液压缸支架固定连接，液压缸
活塞杆与弹性装置上端面
螺纹连接，弹性装置的下端面与加载杆
螺纹连接，在进行动态切削力模拟加载时电液伺服阀控制液压油推动液压缸中的
活塞杆运动，活塞杆带动弹性装置和加载杆，顶在动力刀架2的模拟刀杆11上，进行模拟动态切削力的加载。
[0019] 技术方案中所述动态力模拟加载支撑装置由切削力加载装置底座、X方向
导轨、Y方向导轨、
滑板、左前支架、右前支架、
转轴、阶梯销轴和2号滑板组成；
[0020] 所述切削力加载装置底座固定在试验平台8上，2个结构相同的Y方向导轨相互平行地固定在切削力加载装置底座上表面的左右两端，X方向导轨固定在两个结构相同的Y方向导轨上，X方向导轨垂直于2个相互平行结构相同的Y方向导轨，滑板固定在X方向导轨上，左前支架与右前支架固定在滑板的两端，转轴的左端阶梯轴与右端阶梯轴和左前支架的左阶梯孔与右前支架的右阶梯孔配装并连接固定，阶梯销轴的下端固定在转轴中的矩形板上的中心通孔上，阶梯销轴的上端与2号滑板后面的阶梯
盲孔配装，转轴与2号滑板固定连接。
[0021] 技术方案中所述动力头加载部分9包括测功机、移动平台和联轴器；所述测功机固定在移动平台上，移动平台固定在试验台8上，移动平台能够带动测功机实现X、Y两个方向的移动；
[0022] 所述动力刀架动力头10通过联轴器和测功机相连，调整移动平台能够改变测功机的
位置，使测功机和动力刀架动力头10相连接。
[0023] 技术方案中所述动力刀架刀盘振动测量装置包括无线
加速度传感器
节点a25、无线加速度传感器节点b32和无线网关19；
[0024] 所述无线加速度传感器节点a25和无线加速度传感器节点b32利用磁力
吸附在动力刀架 刀盘5上，无线加速度传感器节点a25和无线加速度传感器节点b32与动力刀架刀盘5的中
心轴对称安装，所述无线网关19安装在试验台平台8上；
[0025] 所述刀架箱体振动检测装置包括三向压电式加速度传感器c26、三向压电式加速度传感器d29和三向压电式加速度传感器g35；
[0026] 所述三向压电式加速度传感器c26、三向压电式加速度传感器g35分别利用磁力吸附在动力刀架2两侧面的中心位置；三向压电式加速度传感器d29吸附在动力刀架2顶端中心位置；
[0027] 所述刀杆振动检测装置包括三向压电式加速度传感器a15、三向压电式加速度传感器b21、三向压电式加速度传感器e31、三向压电式加速度传感器f33、自粘式理线器20、滑环17和滑环支架16；
[0028] 所述三向压电式加速度传感器a15、三向压电式加速度传感器b21、三向压电式加速度传感器e31和三向压电式加速度传感器f33分别吸附在模拟刀杆11上；
[0029] 所述的三向压电式加速度传感器a15、f33、e31、b21的的信号线聚拢并穿过自粘式理线器20和滑环17，滑环17固定在滑环支架16上，所述滑环支架16固定在试验台平台8上；
[0030] 所述刀盘分度精度与重复定位精度测量装置包括十二面棱体18、数字光电自
准直仪专用支架22、数字光电自准直仪主机23和十二面棱体底座30四部分；所述数字光电自准直仪的十二面棱体18安装在十二面棱体底座30上，十二面棱体底座30通过磁力吸附在动力刀架刀盘5的中心位置，十二面棱体的轴线和试验台平台8表面平行，数字光电自准直仪主机23安装在数字光电自准直仪专用支架22上，数字光电自准直仪专用支架22固定在试验台平台8上，光电自准直仪主机23的轴线和十二面棱体18的主线相互垂直且在同一高度上，光电自准直仪主机23发射的光能够照射到十二面棱体18上；
[0031] 所述刀杆变形检测装置包括激光位移传感器13和激光位移传感器支架14；所述的激光位移传感器13安装在激光位移传感器支架14上，所述激光位移传感器支架14固定在试验台平台8上，激光位移传感器13的发射点和模拟刀杆11检测点在同一高度；
[0032] 所述动力刀架温度检测装置包括贴片式温度传感器b34和贴片式温度传感器a27；所述贴片式温度传感器b34通过磁力吸附在动力刀架刀盘5后面的圆形凸台处，用于检测动力刀架箱体的温度；所述贴片式温度传感器a27通过磁力吸附在动力刀架刀盘电机3表面，用于检测和监测动力刀架刀盘电机3温度；
[0033] 所述刀盘电机电流检测装置采用穿心电流互感器a28，检测和监测刀盘电机3的电流；动力刀架刀盘电机3的电源线穿过穿心电流互感器a28中心处的圆孔；
[0034] 所述刀架运行噪声检测装置采用噪声检测仪24来检测和监测动力刀架中伺服刀架部分 运行过程中的噪声，噪声检测仪24固定在在试验台平台8上。
[0035] 技术方案中所述无线加速度传感器节点a25和无线加速度传感器节点b32将检测到的信号通过无线网络传输给无线网关19，再传输给工控机，并实时显示与保存；数字光电自准直仪主机23采集到的信号、激光位移传感器13采集到的信号通过USB传递给工控机，并实时显示与与保存；三向压电式加速度传感器a15、三向压电式加速度传感器b21、三向压电式加速度传感器c26、三向压电式加速度传感器d29、三向压电式加速度传感器e31、三向压电式加速度传感器f33、三向压电式加速度传感器g35所采集的振动信号，贴片式温度传感器a27、贴片式温度传感器b34所采集的温度信号，穿心电流互感器a28所采集的电流信号以及噪声监测仪24所检测的噪声信号均为
模拟信号，需经过A/D转换后才能传递给工控机；通过
数据采集卡对信号进行A/D转换，数据采集卡对信号数据进行实时显示与存储。
[0036] 技术方案中所述动力输出部分性能检测和监测装置中的动力刀架刀盘振动检测装置、刀架箱体振动检测装置和动力刀架动力头运行噪声检测装置与伺服刀架部分性能检测和监测装置中的动力刀架刀盘振动检测装置、刀架箱体振动检测装置和刀架运行噪声检测装置的结构和安装方式相同；
[0037] 所述动力刀架动力头径向跳动检测装置包括电
涡流位移传感器支架42、电涡流位移传感器a43和电涡流位移传感器b44；
[0038] 所述电涡流位移传感器a43和电涡流位移传感器b44固定在电涡流位移传感器支架42上，电涡流位移传感器a43和电涡流位移传感器b44分别在动力刀架动力头10轴线两侧的同一平面上相隔90°±5°，所述电涡流位移传感器支架42利用磁力吸附在试验台平台8上；
[0039] 所述动力刀架动力头扭矩转速检测装置包括扭矩
转速传感器40和扭矩转速传感器底座41；
[0040] 所述扭矩转速传感器40固定在扭矩转速传感器底座41上，两端分别通过联轴器45与动力刀架动力头10及动力头加载部分9相连；所述扭矩转速传感器底座41固定在试验台平台8上，动力刀架动力头10的轴线、扭矩转速传感器40的轴线与动力头加载部分9的轴线
同轴度小于0.05mm；
[0041] 所述动力刀座温度检测装置包括红外测温仪底座36和红外测温仪37；
[0042] 所述红外测温仪37安装在红外测温仪底座36上，所述红外测温仪底座36利用磁力吸附在试验台平台8上；红外测温仪37距离动力刀架动力头10端面距离小于10mm；
[0043] 所述动力刀架动力头电机温度检测装置采用贴片式温度传感器c39，通过磁力吸附在动力刀架中的动力头电机12表面，用于检测和监测动力刀架动力头电机的温度；
[0044] 所述动力刀架动力头电机电流检测装置采用穿心电流互感器b38，检测和监测动力头电 机12的电流，动力刀架中的动力头电机12的电源线穿过穿心电流互感器b38中心处的圆孔。
[0045] 技术方案中所述电涡流位移传感器a43和电涡流位移传感器b44所采集到的信号通过USB传递给工控机并实时显示与保存；扭矩转速传感器40所检测的扭矩及转速信号、三向压电式加速度传感器c26、三向压电式加速度传感器d29、三向压电式加速度传感器g35所采集的振动信号、红外测温仪37所检测的温度信号、贴片式温度传感器c39所检测的温度信号、穿心电流互感器b38所检测的电流信号、以及噪声监测仪24所检测的噪声信号均为模拟信号，需经过A/D转换后才能传递给工控机；
[0046] 通过数据采集卡对信号进行A/D转换，数据采集卡对信号数据进行实时显示与存储。
[0047] 一种模拟典型工况加载的动力刀架性能检测和监测方法，包括以下步骤：
[0048] (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典型工况以及需要检测和监测的性能参数；
[0049] (2)将被测试的动力刀架2固定在动力刀架支撑部分1上；
[0050] (3)将动力刀架性能检测和监测分为四大部分：动力刀架中伺服刀架部分在典型工况条件下的性能检测和监测、动力刀架中动力输出部分在典型工况条件下的性能检测和监测、动力刀架中伺服刀架部分空运转条件下的性能检测和监测、动力刀架中动力输出部分空运转条件下的性能检测和监测。
[0051] 技术方案中所述动力刀架中伺服刀架部分在典型工况条件下的性能检测和监测，具体步骤如下：
[0052] 1)在被测试的动力刀架刀盘5上固定模拟刀杆11；
[0053] 2)确定需要检测和监测的动力刀架性能参数：刀盘三向振动、刀盘分度精度与重复定位精度、刀杆变形、刀架箱体振动、刀杆振动、刀架温度、刀盘电机温度、刀盘电机电流、动力刀架伺服部分运行噪声，并安装相对应的传感器；
[0054] 3)设定动力刀架换刀频率、次数及空运转试验的时间；
[0055] 4)根据车外圆、车端面、车螺纹的典型工况的实际切削力大小、幅值、频率设定动态切削力加载部分6对模拟刀杆11所加载的力的大小、幅值、频率值；
[0056] 5)待安装检查完毕后，启动动力刀架；
[0057] 6)启动动力刀架动态切削力加载部分6对动力刀架模拟刀杆11进行加载；
[0058] 7)数据采集：分别记录在每种典型工况下刀盘三向振动、刀架箱体及刀杆振动，刀盘分度精度与重复定位精度，刀杆变形，刀架温度、刀盘电机温度，刀盘电机电流，及整个试验过程中的噪声；每次试验完毕后对每种典型工况下的测试时间、各项信号数据、故障信息进行分类
整理与存储；
[0059] 8)数据分析：对各传感器采集到的数据进行分析得到动力刀架在实际切削时的抗振性及
稳定性、刀具在实际切削时抵抗变形的能力及对加工精度的影响、动力刀架中伺服刀架部分在实际运行时的性能；
[0060] 所述的动力刀架中动力输出部分在典型工况条件下的性能检测和监测，具体步骤如下：
[0061] 1)在被测试的动力刀盘5上固定动力刀架动力头10，通过联轴器45将动力刀架动力头10、扭矩转速传感器40及动力头加载部分9连接，并保证三者同轴度小于0.05mm；
[0062] 2)确定需要检测和监测的动力刀架中动力输出部分性能参数：动力刀架中动力输出部分运行噪声、动力头径向跳动、动力头扭矩转速、动力刀座温度、动力头电机温度、动力头电机电流，并安装相对应的传感器；
[0063] 3)设定动力刀架动力头转速及运行时间；
[0064] 4)根据
铣削、钻削的典型工况的实际切削扭矩大小、转速设定动力头加载部分9对动力刀架动力头10所加载的扭矩大小、转速值；
[0065] 5)待安装检查完毕后，启动动力刀架动力头；
[0066] 6)启动动力刀架动力头加载部分6对动力刀架动力头10进行加载；
[0067] 7)数据采集：记录在每种典型工况下刀盘三向振动、刀架箱体振动，动力头径向跳动，动力头扭矩转速，动力刀座温度、动力头电机温度，动力头电机电流，及整个试验过程中的噪声；每次试验完毕后对每种典型工况下的测试时间、各项信号数据、故障信息进行分类整理与存储；
[0068] 8)数据分析：对各传感器采集到的数据进行分析得到动力刀架在实际切削时的抗振性及稳定性、动力刀架动力头在实际切削时抵抗变形的能力及对加工精度的影响、动力刀架中动力输出部分在实际运行时的性能；
[0069] 所述的动力刀架中伺服刀架部分空运转条件下的性能检测和监测，具体步骤如下：
[0070] 1)在被测试的动力刀架刀盘5上固定模拟刀杆11；
[0071] 2)确定需要检测和监测的动力刀架性能参数：刀盘三向振动、刀盘分度精度与重复定位精度、刀杆变形、刀架箱体振动、刀杆振动、刀架温度、刀盘电机温度、刀盘电机电流、动力刀架伺服部分运行噪声，并安装相对应的传感器；
[0072] 3)设定动力刀架换刀频率、次数及空运转试验的时间；
[0073] 4)启动动力刀架，动力刀架只在空负载条件下运转；
[0074] 5)数据分析：对检测到的数据进行分析得到在无外负荷的情况下刀盘运行的稳定性情况、刀架是否符合规定要求、研究刀架中伺服刀架部分在空运转情况下温升情况及温升原因；
[0075] 所述的动力刀架中动力输出部分空运转条件下的性能检测和监测，具体步骤如下：
[0076] 1)在被测试的动力刀盘5上固定动力刀架动力头10；
[0077] 2)确定需要检测和监测的动力刀架性能参数：动力刀架中动力输出部分运行噪声、动力头径向跳动、动力头扭矩转速、动力刀座温度、动力头电机温度、动力头电机电流，并安装相对应的传感器；
[0078] 3)设定动力刀架动力头转速及运行时间；
[0079] 4)启动动力刀架动力头，动力刀架中动力输出部分只在空负载条件下运转；
[0080] 5)数据分析：对各传感器采集到的数据进行分析可以得到在无外负荷的情况下动力刀架中动力输出部分运行的稳定性情况、动力刀架中的动力头精度是否符合规定要求、动力刀架中的动力头在空运转情况下温升情况及温升原因。
[0081] 与现有技术相比本发明的有益效果是：
[0082] 1.本发明所述的模拟典型工况加载的动力刀架性能检测和监测装置与现有检测和监测装置相比，集成了动力刀架多种性能指标的检测和监测，测试内容涵盖了动力刀架中伺服刀架部分的几何精度、振动、刀杆变形、温度、电流、噪声等多个项目，更全面的反映动力刀架中伺服刀架部分的性能。
[0083] 2.本发明所述的模拟典型工况加载的动力刀架性能检测和监测装置与现有检测和监测装置相比测试内容涵盖了动力刀架中动力输出部分的几何精度、振动、温度、扭矩转速、电流、噪声等多个项目，更全面的反映动力刀架中动力输出部分的性能。
[0084] 3.本发明所述的模拟典型工况加载的动力刀架性能检测和监测方法与现有检测和监测方法相比，可以实现对动力刀架在空载、典型工况动态切削力加载和扭矩加载等条件下性能参数的检测和监测，所得到的数据更为真实可靠。
[0085] 4.本发明所述的模拟典型工况加载的动力刀架性能检测和监测方法与现有检测和监测方法相比，可以实时监测动力刀架性能参数，获取其在正常状态和故障状态时的各种特征参数信息，并对其进行分析，对动力刀架的故障预警以及
预防性维修提供依据。
附图说明
[0086] 图1为本发明所述的模拟典型工况加载的动力刀架综合性能检测和监测装置的轴测投影图；
[0087] 图2为本发明所述的模拟典型工况加载的动力刀架性能检测和监测装置中对动力刀架中伺服刀架部分进行模拟典型工况加载动态切削力时对动力刀架进行综合性能检测装置的轴侧投影图A；
[0088] 图3为本发明所述的模拟典型工况加载的动力刀架性能检测和监测装置中对动力刀架中 伺服刀架部分进行模拟典型工况加载动态切削力时对动力刀架进行综合性能检测装置的轴侧投影图B；
[0089] 图4为本发明所述的模拟典型工况加载的动力刀架性能检测和监测装置中对动力刀架中动力输出部分进行模拟典型工况加载扭矩时对动力刀架进行综合性能检测和监测装置轴测投影图A；
[0090] 图5为本发明所述的模拟典型工况加载的动力刀架性能检测和监测装置中对动力刀架中动力输出部分进行模拟典型工况加载扭矩时对动力刀架进行综合性能检测和监测装置轴测投影图B；
[0091] 图6为本发明所述的模拟典型工况加载的动力刀架性能检测和监测的刀架中伺服刀架部分性能检测和监测方法的
流程图；
[0092] 图7为本发明所述的模拟典型工况加载的动力刀架性能检测和监测的刀架中动力输出部分检测和监测方法的流程图；
[0093] 图8为本发明所述的模拟典型工况加载的动力刀架性能检测和监测实施流程图；
[0094] 其中1-动力刀架支撑部分，2-动力刀架，3-刀盘电机，4-液压站，5-动力刀架刀盘，6-动态切削力加载部分，7-自动控制部分，8-试验台平台，9-动力头加载部分，10-动力刀架动力头，11-模拟刀杆，12-动力头电机，13-激光位移传感器，14-激光位移传感器支架，15-三向压电式加速度传感器a，16-滑环支架，17-滑环，18-12面棱体，19-无线加速度传感器网关，20-自粘式理线器，21-三向压电式加速度传感器b，22-数字光电自准直仪专用支架，23-数字光电自准直仪主机，24-噪声监测仪，25-无线加速度传感器节点a，26-三向压电式加速度传感器c，27-贴片式温度传感器a，28-穿心电流互感器a，29-三向压电式加速度传感器d，
30-12面棱体底座，31-三向压电式加速度传感器e，32-无线加速度传感器节点b，33-三向压电式加速度传感器f，34-贴片式温度传感器b，35-三向压电式加速度传感器g，36-红外测温仪底座，37-红外测温仪，38-穿心电流互感器b,39-贴片式温度传感器c，40-扭矩转速传感器，41-扭矩转速传感器底座，42-电涡流位移传感器支架，43-电涡流位移传感器a，44-电涡流位移传感器b，45-联轴器。
具体实施方式
[0095] 下面结合附图对本发明作详细的描述：
[0096] 一、模拟典型工况加载的动力刀架性能检测和监测装置
[0097] 参阅图1，本发明所述的模拟典型工况加载的动力刀架性能检测和监测装置包括动力刀架支撑部分1、动态切削力加载部分6、动力头加载部分9、动力刀架中伺服刀架部分性能检 测和监测装置、动力刀架中动力输出部分性能检测和监测装置和自动控制部分7。
[0098] 动力刀架支撑部分1固定在试验台平台8的的左上方；
[0099] 所述的动态切削力加载部分6包括模拟刀杆11、动态力模拟加载装置和动态力模拟加载支撑装置，动态力模拟加载支撑装置固定在动力刀架支撑部分1右上方的地平铁上，动态力模拟加载装置固定在动态力模拟加载支撑装置上。模拟刀杆11固定在动力刀架刀盘5上。动力头加载部分9固定在动力刀架支撑部分1的右侧的试验台平台8上，动力刀架动力头10通过联轴器45和动力头加载部分9相连，动力刀架动力头10固定在动力刀架刀盘5上。
动力刀架中伺服刀架部分性能检测和监测装置、动力刀架中动力输出部分性能检测和监测装置固定在试验台平台8及动力刀架上。自动控制部分7放置在试验台平台8的右侧。
[0100] 本发明所述的模拟典型工况加载的动力刀架性能检测和监测装置能够实现对动力刀架中伺服刀架部分及动力刀架中动力输出部分在空运转时的性能进行检测和监测，也可以对动力刀架施加典型工况下动态切削力和扭矩时的性能进行检测和监测，对检测和监测的数据进行分析，可以用来研究动力刀架在空转时刀架性能参数及精度随时间的变化规律、不同典型工况对刀架性能参数及精度的影响关系、同一典型工况下不同大小切削力及不同大小扭矩与刀架性能及精度的影响关系、各类故障发生前及发生时的各参数特征，并为动力刀架的故障预警机制提供依据。
[0101] 1、动力刀架支撑部分1
[0102] 所述的动力刀架支撑部分包括呈箱体式结构的底座和板类结构的垫板组成，箱体底面的四
角处设置有U型口，通过T型
螺栓固定在试验台平台8上，箱体上表面顶四角处开有
螺纹孔，与垫板螺栓固定连接，垫板的厚度可以根据被测动力刀架的中心高不同而改变，使得被测动力刀架刀盘轴心线与动力头加载部分中的测功机轴心同轴的要求。
[0103] 2、动态切削力加载部分6、
[0104] 所述的动态切削力加载部分包括动态力模拟加载装置和动态力模拟加载支撑装置。
[0105] 所述的动态力模拟加载装置包括电液伺服阀、液压缸、液压缸支架、关节轴承、弹性装置以及加载杆等。
[0106] 所述的电液伺服阀通过螺栓固定到液压缸上，液压缸上顶端通过螺纹与关节轴承固定连接，关节轴承通过螺栓与液压缸支架固定连接，液压缸活塞杆与弹性装置上端面螺纹连接，弹性装置的下端面与加载杆螺纹连接，在进行动态切削力模拟加载时电液伺服阀控制液压油推动液压缸中的活塞杆运动，活塞杆带动弹性装置和加载杆，顶在动力刀架2的模拟刀杆上，进行模拟动态切削力的加载。
[0107] 所述的动态力模拟加载支撑装置由切削力加载装置底座、X方向导轨、Y方向导轨、滑板、 左前支架、右前支架、转轴、阶梯销轴以及2号滑板组成。
[0108] 所述的切削力加载装置底座通过T型螺栓固定在试验平台8上，2个结构相同的Y方向导轨通过螺栓相互平行地固定在切削力加载装置底座上表面的左右两端，X方向导轨通过T型螺栓固定在两个结构相同的Y方向导轨上，X方向导轨垂直于2个相互平行结构相同的Y方向导轨，滑板通过T型螺栓固定在X方向导轨上，左前支架与右前支架通过螺栓固定在滑板的两端，转轴的左端阶梯轴与右端阶梯轴和左前支架的左阶梯孔与右前支架的右阶梯孔配装并通过螺栓连接固定，阶梯销轴的下端固定在转轴中的矩形板上的中心通孔上，阶梯销轴的上端与2号滑板后(背)面的阶梯盲孔配装，转轴与2号滑板通过转轴中的矩形板上的中心孔周围的均布的螺栓固定。
[0109] 3、动力头加载部分9
[0110] 所述的动力头加载部分9包括测功机、移动平台和联轴器；所述的测功机通过螺栓固定在移动平台上，移动平台通过T型螺栓固定在试验台8上，移动平台可以带动测功机实现X、Y两个方向的移动，便于通过联轴器与动力刀架动力头10连接与脱开。
[0111] 4、动力刀架性能检测和监测装置
[0112] 参阅图2和图3，本发明所述的对动力刀架性能检测和监测装置包括动力刀架振动检测装置、刀盘分度精度与重复定位精度测量装置、刀杆变形检测装置、动力刀架温度检测装置、刀盘电机电流检测装置、刀架运行噪声检测装置。
[0113] 所述的动力刀架振动检测装置包括动力刀架刀盘振动检测装置、刀架箱体振动检测装置和刀杆振动检测装置。所述的动力刀架刀盘振动测量装置包括无线加速度传感器节点a25,无线加速度传感器节点b32和无线网关19；所述的无线加速度传感器节点a25和无线加速度传感器节点b32(本发明
专利以A104型无线加速度传感器为例)利用磁力吸附在动力刀架刀盘5上，无线加速度传感器节点a25和无线加速度传感器节点b32与动力刀架刀盘5的中心轴对称固定安装，所述的无线网关19固定在试验台平台8上。
[0114] 所述的刀架箱体振动检测装置包括三向压电式加速度传感器c26、三向压电式加速度传感器d29和三向压电式加速度传感器g35(本发明专利以ULT2122型三向压电式加速度传感器为例)所述的三向压电式加速度传感器c26利用磁力吸附在动力刀架2靠近动力头电机12一侧中心位置，三向压电式加速度传感器g35吸附在动力刀架2另一侧和三向压电式加速度传感器c26相对应的中心位置，三向压电式加速度传感器d29吸附在动力刀架2顶端中心位置。动力刀架刀盘5三向振动及刀架箱体的振动将会影响到刀架的加工精度，此外刀盘的夹紧、松开故障，刀架错位故障、动力传动机构故障都会引起刀盘和刀架箱体的非正常振动，因此对刀盘和刀架箱体振动信号的检测和监测既可以判断刀架在运行过程中的性能，又能有 效的预测刀盘相关故障。
[0115] 所述的刀杆振动检测装置包括三向压电式加速度传感器a15、三向压电式加速度传感器b21、三向压电式加速度传感器e31、三向压电式加速度传感器f33(本发明专利以ULT2122型三向压电式加速度传感器为例)、自粘式理线器20、滑环17和滑环支架16等；所述的三向压电式加速度传感器a15、三向压电式加速度传感器b21、三向压电式加速度传感器e31和三向压电式加速度传感器f33分别吸附在模拟刀杆11上，安装原则为：所述的三向压电式加速度传感器a15与所述的三向压电式加速度传感器f33相邻安装、所述的三向压电式加速度传感器e31和所述的三向压电式加速度传感器f33之间相隔一个模拟刀杆、所述的三向压电式加速度传感器b21和所述的三向压电式加速度传感器e31相隔三个模拟刀杆安装、所述的三向压电式加速度传感器b21和所述的三向压电式加速度传感器a15相差4个模拟刀杆。所述的三向压电式加速度传感器a15、f33、e31、b21的的信号线聚拢并穿过自粘式理线器20和、滑环17，滑环17固定在滑环支架16上，所述的滑环支架16具有防缠绕功能，滑环支架16通过T型螺栓固定在试验台平台8上；对模拟刀杆振动信号的检测和监测，能够分析与研究振动信号与刀杆失效模式的关系，为刀杆的故障预警提供理论
基础。
[0116] 所述的刀盘分度精度与重复定位精度测量装置包括12面棱体18、数字光电自准直仪专用支架22、数字光电自准直仪主机23和12面棱体底座30四部分；所述的数字光电自准直仪(本发明专利以HCUltra-2040型数字光电自准直仪为例)按照以下要求固定，12面棱体18固定在12面棱体底座30上，12面棱体底座30通过磁力吸附在动力刀架刀盘5的中心位置，要尽力保证12面棱体的轴线和试验台平台8表面平行，数字光电自准直仪主机23固定在数字光电自准直仪专用支架22上，数字光电自准直仪专用支架22通过T型螺栓固定在试验台平台8上，调整数字光电自准直仪专用支架使光电自准直仪主机的轴线和12面棱体的主线相互垂直且在同一高度上，保证光电自准直仪主机发射的光能照射到12面棱体上；刀盘分度精度与重复定位精度是动力刀架性能优劣的重要参数，其直接将影响到加工的精度，检测和监测动力刀架在试验过程中的分度及重复定位精度，为研究刀架精度衰退机理以及提高数控刀架精度提供可靠的实验数据。
[0117] 所述的刀杆变形检测装置包括激光位移传感器13和激光位移传感器支架14；所述的激光位移传感器13(本发明专利以MSE-TS803型激光位移传感器为例)固定在激光位移传感器支架上14，所述的激光位移传感器支架14通过T型螺栓固定在试验台平台8上，调节激光位移传感器支架14保证激光位移传感器的发射点和模拟刀杆11检测点在同一高度；刀杆在实际切削时若变形过大将直接影响到加工精度，对其进行检测既可以判断刀具
质量的好坏又可以在刀具出现问题时及时采取措施减小损失。
[0118] 所述的动力刀架温度检测装置包括贴片式温度传感器b34和贴片式温度传感器a27；所述的贴片式温度传感器b34(本发明专利以JCJ100TTPAL10X41型四线制贴片式温度传感器为例)通过磁力吸附在动力刀架刀盘5后面的圆形凸台处，用于检测动力刀架箱体的温度；所述的贴片式温度传感器a27(本发明专利以JCJ100TTPAL10X41型四线制贴片式温度传感器为例)通过磁力吸附在动力刀架刀盘电机表面，用于检测和监测动力刀架刀盘电机温度。动力刀架温度升高过快导致的热变形将会影响整体的性能，对温度进行检测可以分析引起动力刀架温度变化的因素，进而进行改善。
[0119] 所述的刀盘电机电流检测装置采用穿心电流互感器a28(本发明专利以LDCJ1-35高精度穿心电流互感器为例)检测和监测刀盘电机3的电流；将动力刀架刀盘电机3的电源线穿过穿心电流互感器a28中心处的圆孔。动力刀架的许多故障如刀架不转位、元器件损坏以及线路、
电缆断路等都可以通过刀盘电机电流信号检测出来。动力刀架刀盘电机3属于动力刀架2的动力输出部分,为动力刀架动力头10提供动力。
[0120] 所述的刀架运行噪声检测装置采用噪声检测仪24(本发明专利以BR-ZSⅠ型噪声监测仪为例)来检测和监测刀架运行过程中的噪声，噪声检测仪24通过T型螺栓固定在在试验台平台8上，距离动力刀架大约1.5米。
[0121] 参照图6所述的无线加速度传感器节点a25和无线加速度传感器节点b32将检测到的信号通过无线网络传输给无线网关19，再传输给工控机，并实时显示与保存；光电自准直仪23采集到的信号、激光位移传感器13采集到的信号通过USB传递给工控机，并实时显示与与保存。三向压电式传感器a15、三向压电式传感器b21、三向压电式传感器c26、三向压电式传感器d29、三向压电式传感器e31、三向压电式传感器f33、三向压电式传感器g35所采集的振动信号，贴片式温度传感器a27、贴片式温度传感器b34所采集的温度信号，穿心电流互感器a28所采集的电流信号以及噪声监测仪24所检测的噪声信号均为模拟信号，需经过A/D转换后才能传递给工控机。通过数据采集卡对信号进行A/D转换，数据采集卡选用NI的PCI6503系列，利用LabVIEW
软件对信号数据进行实时显示与存储。
[0122] 5、动力刀架中动力输出部分性能检测和监测装置
[0123] 参阅图4和图5，本发明所述的对动力刀架中动力输出部分性能检测和监测装置包括动力刀架刀盘振动检测装置、刀架箱体振动检测装置、动力刀架动力头径向跳动检测装置、动力刀架动力头扭矩转速检测装置、动力刀座温度检测装置、动力刀架动力头电机温度检测装置、动力刀架动力头电机电流检测装置、动力刀架动力头运行噪声检测装置。
[0124] 所述的动力刀架刀盘振动检测装置、刀架箱体振动检测装置和动力刀架动力头运行噪声检测装置与前面叙述的动力刀架性能检测和监测装置中的动力刀架刀盘振动检测装置、刀架 箱体振动检测装置和刀架运行噪声检测装置的结构和安装方式、位置一样。
[0125] 所述的动力刀架动力头径向跳动检测装置包括电涡流位移传感器支架42、电涡流位移传感器a43和电涡流位移传感器b44；所述的电涡流位移传感器a43和电涡流位移传感器b44(本发明专利以RP6608型电涡流位移传感器为例)固定在电涡流位移传感器支架42上，保证电涡流位移传感器a和电涡流位移传感器b分别在动力刀架动力头10两边的同一平面上相隔90°±5°，所述的电涡流位移传感器支架42(本发明专利以Nscing Es 211-101为例)利用磁力吸附在在试验台平台8上。
[0126] 所述的动力刀架动力头扭矩转速检测装置包括扭矩转速传感器40和扭矩转速传感器底座41；所述的扭矩转速传感器40(本发明专利以JN338-A系列直连式转矩转速传感器为例)固定在扭矩转速传感器底座41上，两端分别通过联轴器45与动力刀架动力头10及动力头加载部分9相连，所述的扭矩转速传感器底座41通过T型螺栓固定在试验台平台8上，保证动力刀架动力头10的轴线、扭矩转速传感器40的轴线与动力头加载部分9的轴线同轴度小于0.05mm。
[0127] 所述的动力刀座温度检测装置包括红外测温仪底座36和红外测温仪37；所述的红外测温仪37(本发明专利以OI-T6DS50-01型红外测温仪为例)固定在红外测温仪底座上36，所述的红外测温仪底座36利用磁力吸附在试验台平台8上；调整红外测温仪底座36使红外测温仪37距离动力刀架动力头10端面距离小于10mm。
[0128] 所述的动力刀架动力头电机温度检测装置采用贴片式温度传感器c39(本发明专利以JCJ100TTPAL10X41型四线制贴片式温度传感器为例)通过磁力吸附在动力刀架动力头电机12表面，用于检测和监测动力刀架动力头电机的温度。。
[0129] 所述的动力刀架动力头电机电流检测装置采用穿心电流互感器b38(本发明专利以LDCJ1-35型高精度穿心电流互感器为例)检测和监测动力头电机12的电流，动力刀架动力头电机的电源线穿过穿心电流互感器b38中心处的圆孔。
[0130] 参照图7所述的无线加速度传感器节点a25和无线加速度传感器节点b32将检测到的信号通过无线网络传输给无线网关19，再传输给工控机，并实时显示与保存；电涡流位移传感器a43和电涡流位移传感器a43所采集到的信号通过USB传递给工控机并实时显示与保存；扭矩转速传感器40所检测的扭矩及转速信号、三向压电式传感器c26、三向压电式传感器d29、三向压电式传感器g35所采集的振动信号、红外测温仪37所检测的温度信号、贴片式温度传感器c39所检测的温度信号、穿心电流互感器b38所检测的电流信号、以及噪声监测仪24所检测的噪声信号均为模拟信号，需经过A/D转换后才能传递给工控机。通过数据采集卡对信号进行A/D转换，数据采集卡选用NI的PCI6503系列，利用LabVIEW软件对信号数据进行实 时显示与存储。
[0131] 二、模拟典型工况加载的动力刀架性能检测和监测方法
[0132] 本发明针对动力刀架可靠性提出的试验方案，能够有效的检测出刀架在出厂时精度是否符合要求，亦能对刀架中伺服刀架部分进行空运转、模拟典型工况切削力加载条件下刀架性能进行评估分析，对动力刀架中动力输出部分进行空运转、模拟典型工况扭矩加载条件下性能进行评估分析，并检验其性能参数保持性。并分析出影响动力刀架性能衰退的因素，及为预测刀架故障提供数据基础。
[0133] 参照图8具体试验步骤如下：
[0134] (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典型工况和需要检测和监测的性能参数，如表1所示的为能够检测和监测的动力刀架的性能参数。
[0135] 表1动力刀架性能检测和监测参数
[0136]
[0137]
[0138] (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；
[0139] (3)根据不同的试验条件将动力刀架性能检测和监测分为四大部分：动力刀架中伺服刀架部分在典型工况条件下的性能检测和监测、动力刀架中动力输出部分在典型工况条件下的性能检测和监测、动力刀架中伺服刀架部分空运转条件下的性能检测和监测、动力刀架中动力输出部分空运转条件下的性能检测和监测；
[0140] (4)首先介绍动力刀架中伺服刀架部分在典型工况条件下的性能检测和监测[0141] 4.1在被测试的动力刀架刀盘5上固定模拟刀杆11；
[0142] 4.2根据确定需要检测和监测的动力刀架性能参数，参阅图2和图3，按照要求安装好表1中序号为1、2、3、4、5、6、7、8、9所对应的传感器；
[0143] 4.3设定动力刀架换刀频率、次数及空运转试验的时间；
[0144] 4.4利用动态切削力加载部分6模拟各典型工况如车外圆、车端面、车螺纹等设定动态力加载大小、频率、时间；
[0145] 4.5待安装检查完毕后，启动动力刀架；
[0146] 4.6启动动力刀架动态切削力加载部分6对动力刀架模拟刀杆11进行加载；
[0147] 4.7数据采集：分别记录在每种典型工况下刀盘三向振动、刀架箱体及刀杆振动，刀盘分度精度与重复定位精度，刀杆变形，刀架温度、刀盘电机温度，刀盘电机电流，及整个试验过程中的噪声；当发现所检测信号有突变或其它异常情况时要及时停机，根据所检测部位的相关信号分析可能存在的故障，进行故障的预警；每次试验完毕后对每种典型工况下的测试时间、各项信号数据、故障信息进行分类整理与存储；
[0148] 4.8数据分析：每种典型工况下刀盘三向振动、刀架箱体振动与空运转条件下对应的信号对比研究刀架在实际切削工作时抗振性及稳定性；刀杆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；刀盘分度精度与重复定位精度、刀架温度、刀盘电机温度，刀盘电机电流及整个试验过程中的噪声都可以反映出刀架中伺服刀架部分在实际运行时的性能。
[0149] (5)动力刀架中动力输出部分在典型工况条件下的性能检测和监测
[0150] 5.1在被测试的动力刀盘5上固定动力刀架动力头10，通过联轴器45将动力刀架动力头10、扭矩转速传感器40及动力头加载部分9连接，并保证三者同轴度小于0.05mm[0151] 5.2根据确定需要检测和监测的动力刀架中动力输出部分性能参数，参阅图4和图5，按照要求安装好表1中序号为1、4、9、10、11、12、13、14所对应的传感器；
[0152] 5.3设定动力刀架动力头转速及运行时间；
[0153] 5.4利用动力头加载部分9模拟典型工况如铣削、钻削等设定扭矩加载的大小、转速及试验时间；
[0154] 5.5待安装检查完毕后，启动动力刀架动力头；
[0155] 5.6启动动力刀架动力头加载部分6对动力刀架动力头10进行加载；
[0156] 5.7数据采集：记录在每种典型工况下刀盘三向振动、刀架箱体振动，动力头径向跳动，动力头扭矩转速，动力刀座温度、动力头电机温度，动力头电机电流，及整个试验过程中的噪声；当发现所检测信号有突变或其它异常情况时要及时停机，根据所检测部位的相关信号分析可能存在的故障，进行故障的预警；每次试验完毕后对每种典型工况下的测试时间、各项信号数据、故障信息进行分类整理与存储；
[0157] 5.8数据分析：每种典型工况下刀盘三向振动、刀架箱体振动与空运转条件下对应的信号对比研究刀架在实际切削工作时抗振性及稳定性；动力头的径向跳动及动力刀座的温度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；动力头电机 温度、动力头电机电流及整个试验过程中的噪声都可以反映出刀架中伺服刀架部分在实际运行时的性能。
[0158] (6)动力刀架中伺服刀架部分空运转条件下的性能检测和监测
[0159] 动力刀架中伺服刀架部分空运转条件下的性能检测和监测参照4)动力刀架中伺服刀架部分在典型工况条件下的性能检测和监测及图8，在试验过程中跳过步骤4.4和步骤4.6即跳过图8中左侧虚线框里的步骤，不进行动态切削力加载，动力刀架只在空负载条件下运转；数据分析时对检测到的刀盘的三向振动信号及刀架箱体的振动信号和运行噪声分析，得到在无外负荷的情况下刀盘运行的稳定性情况、对检测到的刀盘分度精度与重复定位精度与出厂要求相比，得出刀架是否符合规定要求、观察刀盘电机温度和刀架温度的变化情况研究刀架中伺服刀架部分在空运转情况下温升情况，及温升原因。
[0160] (7)动力刀架中动力输出部分空运转条件下的性能检测和监测
[0161] 动力刀架中伺服刀架部分空运转条件下的性能检测和监测参照5)动力刀架中动力输出部分在典型工况条件下的性能检测和监测及图8，在试验过程中跳过步骤5.4和步骤5.6即跳过图8中虚线框里的步骤，不进行扭矩加载，动力刀架中动力输出部分只在空负载条件下运转；数据分析时对检测到的刀盘的三向振动信号及刀架箱体的振动信号和运行噪声分析，得到在无外负荷的情况下动力刀架中动力输出部分运行的稳定性情况、对检测到的动力头径向跳动精度与出厂要求相比，得出刀架动力头精度是否符合规定要求、观察刀盘电机温度和动力刀座温度的变化情况研究刀架动力头在空运转情况下温升情况，及温升原因。
