一种柔性精密薄壁轴承故障诊断寿命试验机技术领域
本发明涉及一种柔性精密薄壁轴承故障诊断寿命试验机，尤其适用于谐波减速器
用精密柔性薄壁轴承故障诊断，特别是一种基于传感器技术的寿命测试试验机，属于机械
故障诊断领域。
背景技术
谐波减速器是一种靠波发生器使柔轮产生可控弹性变形，利用柔性轴承的可控弹
性变形进行运动和动力的传递。谐波减速器作为一种具有高减速比、质量小、重量轻、传动
精度高等优良性能的减速器，被公认为是“最优秀”的机器人用传动齿轮，广泛应用于各种
空间飞行器、飞船、机器人、雷达设备、医疗设备等领域的传动系统中。
目前，我国正大力发展以机器人为代表的高端智能装备产业，从2013年开始，我国
已经连续三年成为世界各国中最大的工业机器人市场。我国目前正逐步进入工业机器人产
业化发展阶段，然而在工业机器人产业化进程中，存在着许多阻碍发展的难题。其中，以精
密减速器为代表的核心零部件不能自给自足的现状显得尤为突出。
精密柔性薄壁轴承是谐波减速器的核心部件，对谐波减速器的整体性能起着至关
重要的作用。精密柔性薄壁轴承在工作状态下，不仅承受与薄壁轴承内圈精密配合椭圆轴
的挤胀下的弹性变形，而且还要承受因自身运转产生的交变应力，并且在工况不理想的情
况下，还要承受来自外界不同的静载或动载力。因此，在谐波减速器用柔性薄壁轴承的研发
过程中，应该对精密柔性薄壁轴承的稳定性、回转精度以及寿命进行测试，待各项性能达到
要求后才能投入产业化生产，进而解决我国工业机器人核心零部件的瓶颈问题，为实现我
国工业机器人的产业化和广泛应用提供支撑，但国内外针对柔性薄壁轴承及其寿命试验机
与柔性薄壁故障诊断方法极少有报道。
精密柔性薄壁轴承作为谐波减速器的关键零部件，其在不同工况下的回转精度和
稳定性对谐波减速器整体性能有着非常重要的作用。精密柔性薄壁轴承的几何截面形状为
圆形，在谐波减速器中受载后变为椭圆形。因此，谐波减速器用精密柔性薄壁轴承故障诊断
及寿命试验机的研制应当尽可能的模拟柔性薄壁轴承实际工况下的寿命试验。
发明内容
本发明的目的是提供一种模拟谐波减速器中柔性薄壁轴承在实际工况下的动静
两种加载方式的故障诊断及寿命测试试验机，完成对柔性薄壁轴承的振动信号的测试与分
析，进而提供一种精密柔性薄壁轴承的故障诊断测试方案。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种柔性精密薄壁轴承故障诊断寿命试验机，包括机架和设置在所述机架上的轴向加
载装置、主驱动装置、轴承安装装置、装夹工装、数据采集装置、液压及气压辅助装置，所述
主驱动装置连接设在轴向加载装置的后侧，装夹工装设在轴向加载装置的前侧，用于将薄
壁轴承装夹在轴承安装装置上；所述数据采集装置设在轴向加载装置中及机架的一侧，所
述液压及气压辅助装置设在机架的一侧，通过管路连接轴向加载装置和主驱动装置。
进一步地，所述的主驱动装置包括电主轴安装座和电主轴，所述的电主轴安装座
通过T型螺栓锁紧在机架上，所述电主轴通过螺栓固定在电主轴安装座上。
进一步地，所述的装夹工装包括夹具座、夹具手柄、定钳口、动钳口、定压紧块、动
压紧块、夹具托板和导向杆，所述的夹具座通过T型螺栓锁紧在平台底板所设置的T型槽上，
所述夹具手柄、动钳口和定钳口设在夹具座上，所述动钳口与夹具手柄所连接螺杆上的滑
动块相连接，所述定压紧块与动压紧块设在定钳口和动钳口之间，所述定压紧块与定钳口
通过螺栓紧固在一起，所述动压紧块与动钳口通过螺栓紧固在一起，所述夹具托板设置在
定压紧块与动压紧块的下方，所述夹具托板分为两块，一块与定压紧块通过螺钉紧固，另一
块与动压紧块通过螺钉紧固，导向杆设在定压紧块与动压紧块之间，用于导向定压紧块与
动压紧块的合拢。
进一步地，所述的轴承安装装置包括轴承安装体、拉钉、薄壁轴承、凸台夹板、加紧
螺栓、防脱环和两个对称的半圆夹板，所述的拉钉通过螺纹拧紧在轴承安装体的尾部，所述
轴承安装体上的圆锥面和主驱动装置中的电主轴上的圆锥面相互配合并通过拉钉锁紧，所
述圆锥面的锥度比为7:24；薄壁轴承设在轴承安装体的椭圆形轴颈上，所述椭圆形轴颈的
长轴与短轴的差为柔轮齿高的1-1.3倍；凸台夹板设在薄壁轴承的外侧，半圆夹板设在薄壁
轴承的内侧，凸台夹板与半圆夹板通过加紧螺栓夹紧中间放置的薄壁轴承，防脱环设在加
紧螺栓上，加紧螺栓设有安装防脱环的过孔。
进一步地，所述的轴向加载装置包括加载驱动装置、加载驱动椭圆轴、加载轴承、
加载轴、加载连杆、加载螺杆、加载支撑、加载弹簧、压力传感安装座、加压块、润滑出油嘴、
加载支座、电涡流安装架、润滑进油嘴、加载电机安装座、加载轴安装块、加载块安装座、下
油槽封板和上油槽封板，所述的加载支座通过T型螺栓固定在平台底板上，加载轴安装块左
右两块对称设在加载支座的上方，加载电机安装座设在加载轴安装块的上方，通过螺栓锁
紧穿过加载轴安装块固定在加载支座上，上油槽封板设在加载轴安装块前后两侧用螺钉紧
固，加载驱动装置设在加载电机安装座的上方，加载驱动椭圆轴通过两端设有的滚动轴承
固定在加载支座与加载电机安装座之间，加载轴承固定在加载轴的一端，加载轴设在加载
轴安装块上，加载连杆与加载轴通过加载连杆上设置的U型孔相连接，加载支撑一端固定在
加载支座上，另一端与加载连杆通过销钉相连接，加载螺杆设在加载连杆的一端，加载弹簧
设在压力传感安装座与加载螺杆之间，压力传感安装座设在加载弹簧的一端，加压块设在
加载支座上且位于加载块安装座导向槽的内部，下油槽封板固定在加载支座的前后两侧，
加载块安装座通过螺栓固定在加载支座的内部，润滑进油嘴设在加载电机安装座的上方，
润滑出油嘴设在加载支座的下方中间位置，电涡流安装架固定在上油槽封板上，用于安装
电涡流传感器、温度传感器和转速传感器。
进一步地，所述的数据采集装置包括：压力传感器、加速度传感器、电涡流传感器、
温度传感器、转速传感器和数据采集器，所述的压力传感器、加速度传感器、温度传感器、电
涡流传感器和转速传感器分别安装在轴向加载装置上，温度传感器分别设置在电主轴与加
压块附近，数据采集器设在机架的一侧，采集各个传感器的数据。
进一步地，所述的液压及气压辅助装置包括：主驱动马达、散热电磁换向阀、润滑
电磁换向阀、润滑减压阀、冷却减压阀、油管、散热马达、散热风扇、气泵、水气过滤器、气路
电磁换向阀、输气管、回油电磁阀、过滤器、单向阀、溢流阀和油箱，所述的主驱动马达、散热
电磁换向阀、润滑电磁换向阀、散热马达、散热风扇、气路电磁换向阀、回油电磁阀和溢流阀
设置在油箱的上方，主驱动马达的出油口分别与散热电磁换向阀和润滑电磁换向阀的进油
口P相连接，散热电磁换向阀与润滑电磁换向阀分别连接冷却减压阀和润滑减压阀，电主轴
的冷却接头与冷却减压阀的出口通过油管相连接，润滑进油嘴与润滑减压阀通过油管相连
接，主驱动马达与散热电磁换向阀和润滑电磁换向阀的进油口P之间设有溢流阀，散热风扇
与散热马达相连接，气泵的输气口与水气过滤器的进气口相连接，水气过滤器的出气口分
两路，一路与气路电磁换向阀相连接，另一路与回油电磁阀相连接，气路电磁换向阀通过输
气管与电主轴上的夹紧与松开接头相连接，回油电磁阀与润滑电磁换向阀的回油口B相连
接，轴向加载装置中的润滑出油嘴通过油管与单向阀的进油端相连接，单向阀出油口与过
滤器进油端相连接，过滤器出油口与回油电磁阀的出气口A相连接。
进一步地，所述的轴向加载装置中的加载驱动椭圆轴上设有椭圆部，所述椭圆部
的长轴比短轴长10-30mm；所述的轴向加载装置中的加载支座的底板边缘处设有环形油槽，
所述环形油槽与润滑出油嘴相连通；所述的轴向加载装置中的加压块的弧形槽为圆形结
构。
进一步地，所述的装夹工装中的定压紧块与动压紧块合拢时的内孔为椭圆结构，
所述夹具托板上方设有圆形定位凸台，所述圆形定位凸台的直径比薄壁轴承的内径大1-
2mm。
进一步地，所述的机架包括：脚架、支撑架、面板、平台底板和减震块，所述的脚架
设在支撑架的四个支持脚的底部，用于调节面板的水平，所述面板通过螺栓固定在支撑架
上，所述减震块设在面板与平台底板之间，所述平台底板通过加长螺栓与面板紧固连接，且
加长螺栓垫有减振橡胶。
与现有技术相比，本发明实现了对谐波减速器用精密柔性薄壁轴承在较为真实的
工况下进行故障寿命测试，可针对精密柔性薄壁轴承施加动静载荷，又能实现对轴承振动、
轴承温度、轴承回转进度和转速的测量，具有结构巧妙，测试功能完善，具有较高的测试精
度，检测过程安全可靠，结果反馈性强等优点。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构轴侧结构示意图。
图2为本发明实施例的整体结构另一视角的轴侧结构示意图。
图3为本发明实施例的整体结构主视示意图。
图4为图3 中A-A方向的剖视示意图。
图5为本发明实施例的装夹工装的轴侧结构示意图。
图6为本发明实施例的装夹工装的剖视示意图。
图7为本发明轴承安装装置的轴侧结构示意图。
图8为本发明轴承安装装置的剖视示意图。
图9为本发明实施例的轴承安装装置的左视示意图。
图10为本发明实施例的液压及气压辅助装置连接示意图。
图11为本发明实施例的数据采集装置的连接示意图。
图中所示：1为脚架，2为支撑架，3为面板，4为平台底板，5为减震块，6为夹具座，7
为夹具手柄，8为定钳口，9为动钳口，10为定压紧块，11为动压紧块，12为夹具托板，13为导
向杆，14为轴承安装体，15为拉钉，16为薄壁轴承，17为凸台夹板，18为加紧螺栓，19为防脱
环，20为半圆夹板，21为电主轴安装座，22为电主轴，23为加载驱动装置，24为加载驱动椭圆
轴，25为加载轴承，26为加载轴，27为加载连杆，28为加载螺杆，29为加载支撑，30为加载弹
簧，31压力传感安装座，32为压力传感器，33为加压块，34为润滑出油嘴，35为加载支座，36
为加速度传感器，37为电涡流安装架，38为润滑进油嘴，39为电涡流传感器，40为加载电机
安装座，41为加载轴安装块，42为加载块安装座，43为下油槽封板，44为上油槽封板，45为主
驱动马达，46为散热电磁换向阀，47为润滑电磁换向阀，48为润滑减压阀，49为油管，50为散
热马达，51为散热风扇，52为气泵，53为水气过滤器，54为气路电磁换向阀，55为输气管，56
为回油电磁阀，57为过滤器，58为单向阀，59为溢流阀，60为油箱，61为温度传感器，62为转
速传感器，63为数据采集器，64为椭圆形轴颈，65为冷却减压阀。
具体实施方式
下面的具体实施例对本发明的目的作进行一步详细的描述，实施例不能在此一一
赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例：
如图1至图11所示，一种柔性精密薄壁轴承故障诊断寿命试验机，包括机架和设置在所
述机架上的轴向加载装置、主驱动装置、轴承安装装置、装夹工装、数据采集装置、液压及气
压辅助装置，所述主驱动装置连接设在轴向加载装置的后侧，装夹工装设在轴向加载装置
的前侧，用于将薄壁轴承16装夹在轴承安装装置上；所述数据采集装置设在轴向加载装置
中及机架的一侧，所述液压及气压辅助装置设在机架的一侧，通过管路连接轴向加载装置
和主驱动装置。
具体而言，所述的主驱动装置包括电主轴安装座21和电主轴22，所述的电主轴安
装座21通过T型螺栓锁紧在平台底板4所设置的T型槽上，电主轴22通过螺栓固定在电主轴
安装座21上。
具体而言，所述的装夹工装包括夹具座6、夹具手柄7、定钳口8、动钳口10、定压紧
块9、动压紧块11、夹具托板12和导向杆13，所述的夹具座6通过T型螺栓锁紧在平台底板4所
设置的T型槽上，所述夹具手柄7、动钳口10和定钳口8设在夹具座6上，所述动钳口10与夹具
手柄7所连接螺杆上的滑动块相连接，所述定压紧块9与动压紧块11设在定钳口8和动钳口
10之间，所述定压紧块9与定钳口8通过螺栓紧固在一起，所述动压紧块11与动钳口10通过
螺栓紧固在一起，所述夹具托板12设置在定压紧块9与动压紧块11的下方，所述夹具托板12
分为两块，一块与定压紧块9通过螺钉紧固，另一块与动压紧块11通过螺钉紧固，导向杆13
设在定压紧块9与动压紧块11之间，用于导向定压紧块9与动压紧块11的合拢。
具体而言，所述的轴承安装装置包括轴承安装体14、拉钉15、薄壁轴承16、凸台夹
板17、加紧螺栓18、防脱环19和两个对称的半圆夹板20，所述的拉钉15通过螺纹拧紧在轴承
安装体14的尾部，所述轴承安装体14上的圆锥面和主驱动装置中的电主轴22上的圆锥面相
互配合并通过拉钉15锁紧，所述圆锥面的锥度比为7:24；薄壁轴承16设在轴承安装体14的
椭圆形轴颈64上，所述椭圆形轴颈64的长轴与短轴的差为柔轮齿高的1-1.3倍；凸台夹板17
设在薄壁轴承16的外侧，半圆夹板20设在薄壁轴承16的内侧，凸台夹板17与半圆夹板20通
过加紧螺栓18夹紧中间放置的薄壁轴承16，防脱环19设在加紧螺栓18上，加紧螺栓18设有
安装防脱环19的过孔。
具体而言，所述的轴向加载装置包括加载驱动装置23、加载驱动椭圆轴24、加载轴
承25、加载轴26、加载连杆27、加载螺杆28、加载支撑29、加载弹簧30、压力传感安装座31、加
压块33、润滑出油嘴34、加载支座35、电涡流安装架37、润滑进油嘴38、加载电机安装座40、
加载轴安装块41、加载块安装座42、下油槽封板43和上油槽封板44，所述的加载支座35通过
T型螺栓固定在平台底板4上，加载轴安装块41左右两块对称设在加载支座35的上方，加载
电机安装座40设在加载轴安装块41的上方，通过螺栓锁紧穿过加载轴安装块41固定在加载
支座35上，上油槽封板44设在加载轴安装块41前后两侧用螺钉紧固，加载驱动装置23设在
加载电机安装座40的上方，加载驱动椭圆轴24通过两端设有的滚动轴承固定在加载支座35
与加载电机安装座40之间，加载轴承25固定在加载轴26的一端，加载轴26设在加载轴安装
块41上，加载连杆27与加载轴26通过加载连杆27上设置的U型孔相连接，加载支撑29一端固
定在加载支座35上，另一端与加载连杆27通过销钉相连接，加载螺杆28设在加载连杆27的
一端，加载弹簧30设在压力传感安装座31与加载螺杆28之间，压力传感安装座31设在加载
弹簧30的一端，加压块33设在加载支座35上且位于加载块安装座42导向槽的内部，下油槽
封板43固定在加载支座35的前后两侧，加载块安装座42通过螺栓固定在加载支座35的内
部，润滑进油嘴38设在加载电机安装座40的上方，润滑出油嘴34设在加载支座35的下方中
间位置，电涡流安装架37固定在上油槽封板44上，用于安装电涡流传感器39、温度传感器61
和转速传感器62。
具体而言，所述的数据采集装置包括：压力传感器32、加速度传感器36、电涡流传
感器39、温度传感器61、转速传感器62和数据采集器63，所述的压力传感器32、加速度传感
器36、温度传感器61、电涡流传感器39和转速传感器62分别安装在轴向加载装置上，温度传
感器61分别设置在电主轴22与加压块33附近，数据采集器63设在机架的一侧，采集各个传
感器的数据。
具体而言，所述的液压及气压辅助装置包括：主驱动马达45、散热电磁换向阀46、
润滑电磁换向阀47、润滑减压阀48、冷却减压阀65、油管49、散热马达50、散热风扇51、气泵
52、水气过滤器53、气路电磁换向阀54、输气管55、回油电磁阀56、过滤器57、单向阀58、溢流
阀59和油箱60，所述的主驱动马达45、散热电磁换向阀46、润滑电磁换向阀47、散热马达50、
散热风扇51、气路电磁换向阀54、回油电磁阀56和溢流阀59设置在油箱60的上方，主驱动马
达45的出油口分别与散热电磁换向阀46和润滑电磁换向阀47的进油口P相连接，散热电磁
换向阀46与润滑电磁换向阀47分别连接冷却减压阀65和润滑减压阀48，电主轴22的冷却接
头与冷却减压阀65的出口通过油管49相连接，润滑进油嘴38与润滑减压阀48通过油管49相
连接，主驱动马达45与散热电磁换向阀46和润滑电磁换向阀47的进油口P之间设有溢流阀
59，散热风扇51与散热马达50相连接，气泵52的输气口与水气过滤器53的进气口相连接，水
气过滤器53的出气口分两路，一路与气路电磁换向阀54相连接，另一路与回油电磁阀56相
连接，气路电磁换向阀54通过输气管55与电主轴22上的夹紧与松开接头相连接，回油电磁
阀56与润滑电磁换向阀47的回油口B相连接，轴向加载装置中的润滑出油嘴34通过油管49
与单向阀58的进油端相连接，单向阀58出油口与过滤器57进油端相连接，过滤器57出油口
与回油电磁阀56的出气口A相连接。
在本发明的另一可行的实施例中，所述的轴向加载装置中的加载驱动椭圆轴24上
设有椭圆部，所述椭圆部的长轴比短轴长10-30mm；所述的轴向加载装置中的加载支座35的
底板边缘处设有环形油槽，所述环形油槽与润滑出油嘴34相连通；所述的轴向加载装置中
的加压块33的弧形槽为圆形结构。
在本发明的另一可行的实施例中，所述的装夹工装中的定压紧块9与动压紧块11
合拢时的内孔为椭圆结构，所述夹具托板12上方设有圆形定位凸台，所述圆形定位凸台的
直径比薄壁轴承16的内径大1-2mm。
在本发明的另一可行的实施例中，所述的机架包括脚架1、支撑架2、面板3、平台底
板4和减震块5，所述的脚架1设在支撑架2的四个支持脚的底部，用于调节面板3的水平，所
述面板3通过螺栓固定在支撑架2上，所述减震块5设在面板3与平台底板4之间，所述平台底
板4通过加长螺栓与面板3紧固连接，且加长螺栓垫有减振橡胶，所述的电主轴安装座21通
过T型螺栓锁紧在平台底板4所设置的T型槽上。
上述实施例的工作原理如下：
谐波减速器用精密柔性薄壁轴承故障诊断及寿命试验机的研制应当尽可能的模拟柔
性薄壁轴承椭圆变形的实际工况，然后进行寿命测试。所以，上述实施例提供的柔性精密薄
壁轴承故障诊断寿命试验机，包括轴向加载装置，主驱动装置，轴承安装装置，装夹工装，数
据采集装置，液压及气压辅助装置和机架，轴向加载装置根据谐波减速机的实际工况，将轴
向加载装置设置成柔性加载机构，加压块33的弧形为圆形结构，可防止外圈咬死。根据薄壁
轴承16在谐波减速器工作的实际情况，将装夹工装中的定压紧块9与动压紧块11合拢设置
为椭圆，该椭圆与实际要检测的谐波减速器中波发生器中的椭圆大小一致，同时又由于谐
波减速用精密柔性薄壁轴承的精度一般为3级精度且内外圈为圆形，为了保证安装精度特
设计了装夹工装。在轴承安装装置中的轴承安装体14上方设有椭圆形轴颈64，该椭圆形轴
颈64与实际要检测的谐波减速器中波发生器中的椭圆内孔大小也是一致的。
上述实施例的操作流程为：
一、装夹薄壁轴承16到轴承安装体14上：
1）摇动夹具手柄7，打开装夹工装，将圆形的薄壁轴承16放置到定压紧块9与动压紧块
11之间，然后摇动夹具手柄7将定压紧块9与动压紧块11合拢，将圆形的薄壁轴承16挤压成
椭圆形状，为了保证合拢精度，夹具托板12内部设有导向杆13。
2）将轴承安装体14用铝块轻轻敲打放置到椭圆形的薄壁轴承16中，为了保证轴承
安装体14与薄壁轴承16安装精度，在夹具托板12上方设有凸台，从而保证轴承安装体14与
薄壁轴承16轴向定位精度。
3）松开装夹工装，取出轴承安装体14。
二、安装轴承安装装置：
1）完成第一步之后，取出轴承安装体14然后安装凸台夹板17与半圆夹板20，用加紧螺
栓18固定，为了防止在测试过程中螺母脱落，螺母下方安放弹性垫圈，在螺母上安装防脱环
19，然后将拉钉15安装在轴承安装体14上。
三、进行薄壁轴承16测试：
1）安装完第二步之后，启动液压及气压辅助装置和电气控制装置，打开气路电磁换向
阀54，启动电主轴22的送开功能将轴承安装体14放到启动电主轴22内，放置好之后，然后切
换气路电磁换向阀54锁紧轴承安装体14。
2）然后将主驱动装置推到适当位置使轴向加载装置中的加压块33以一定加紧力
加紧薄壁轴承16，可根据实际测试内容调节加载螺杆28或启动加载驱动装置23完成对薄壁
轴承16动静载荷的加载。
3）调整完所需要载荷后，启动液压及气压辅助装置中的散热电磁换向阀46、润滑
电磁换向阀47和散热马达50，先开散热电磁换向阀46再开润滑电磁47，开启相应的辅助功
能后，接着启动电主轴22，使电主轴22以一定的转速转动。
四、进行数据采集：
1）本发明正常启动后，开始进行数据采集，完成对电主轴22转速与温度的测量、薄壁轴
承16的温度与振动量的采集、轴承安装体14回转进度的测量。
其中，在本发明实施例设计中电主轴22需要一套冷却系统和一套气动夹紧与松开
气源，在满足电主轴22工作的前提下，轴向加载装置也需要一套润滑系统，所以本发明实施
例设计了一套如图10所示的液压及气压辅助装置油气图，而轴向加载装置的回油路上并没
有压力很难实现自动回油，所以根据虹吸现象增设回油电磁阀56、过滤器57和单向阀58，从
而完成润滑回油。
所述实施例仅为本发明的较佳的实例而已，并非是对本发明实施方式的限定，对
于所属领域的普通技术人员来说，在所述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或
变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，凡在本发明的精神和原则之内所作的
任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。