CN101941102A - 成型砂轮磨齿机变位模拟加载装置及刚度分布检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的成型砂轮磨齿机变位模拟加载装置，包括设置在成型砂轮磨齿机上的受载试件和用于模拟加载的施载组件，成型砂轮磨齿机具有X轴的直线运动、Y轴的前后直线运动、Z轴的直线运动、绕Y轴的n回转运动、绕Z轴的C回转运动、绕X轴的A回转运动功能；施载组件的球座的轴心线与Y轴组件的X轴方向有一夹角α，受载面的法线与机床坐标系的X方向夹角为α。本发明的静刚度分布检测方法是，通过Z、Y、X轴配合运动将施载组件运动到加载位置进行加载；由位移传感器检测位移、力传感器检测模拟载荷，求出该加载位置模拟载荷下的刚度值；变更加载位置，重复上述过程，即得模拟载荷下的刚度分布。本发明的装置及方法实现了静刚度分布的检测。

Description

成型砂轮磨齿机变位模拟加载装置及刚度分布检测方法
技术领域
本发明属于机械检测技术领域，属于加工作业空间不同位置进行模拟加载条件下的数控机床静刚度检测技术，涉及一种成型砂轮磨齿机变位模拟加载装置，本发明还涉及一种利用成型砂轮磨齿机变位模拟加载的静刚度分布检测方法。
背景技术
在机床加工作业空间内，随着加工点位置的变化使机床构件承载位置及载荷大小（载荷包括力和力矩）发生变化，机床静刚度发生变化。不同加工位置的静刚度变化可以用刚度分布描述，静刚度的大小及静刚度分布直接影响加工精度，同时影响机床的振动特性。
工件加工表面是通过刀具与工件之间的相对运动而形成的，表面形成原理分为轨迹法、成型法、相切法、范成法。加工表面形成原理不同，机床具备的运动功能不同，例如对齿轮进行磨削加工的磨齿机，数控成型砂轮磨齿机的表面形成原理是成型法，砂轮的形状与齿轮的齿槽形状相同，而数控蜗杆砂轮磨齿机的表面形成原理是范成法，砂轮的形状是蜗杆形状。不同类型的数控机床，刀具与工件之间在加工点所承受的载荷性质、不同加工位置载荷的变化规律及各个方向的载荷之间的比例不同，因此各种数控机床模拟加载装置及对应的检测方法不同。
数控成型砂轮磨齿机的表面形成原理是成型法，与一般数控车床及加工中心的轨迹法、相切法的表面形成原理不同，与范成法加工齿轮的其他齿轮加工机床也不同，因此模拟加载装置及对应的检测方法与传统的方法不同。
机床静刚度试验是采用模拟载荷代替切削加工载荷，以数控成型砂轮磨齿机为例，加工时随着Z、X、C轴的运动加工点位置在变化，Z、X、C轴组件的位置随之变化，因此主轴一侧和工作台一侧的静刚度都将随着工件加工点位置变化而变化。而国内外现有的静刚度检测装置及检测方法只能检测一个确定位置的静刚度，不能检测静刚度分布情况。
发明内容
本发明的目的是提供一种成型砂轮磨齿机变位模拟加载装置，解决了现有技术中的成型砂轮磨齿机不能检测静刚度分布的问题。
本发明的另一个目的是提供一种利用成型砂轮磨齿机变位模拟加载的静刚度分布检测方法。
本发明采用的技术方案是，一种成型砂轮磨齿机变位模拟加载装置，包括设置在成型砂轮磨齿机上的受载试件和用于模拟加载的施载组件，所述的成型砂轮磨齿机的结构是，包括在床身上间隔设置有C轴组件和X轴组件，在X轴组件的立柱上段的水平安装轴线上朝向C轴组件方向，依次安装有Z轴组件、A轴组件、Y轴组件、主轴组件；
所述施载组件的结构是，在主轴组件的主轴外圆上同轴套装有连接件、环体和压盖，连接件与主轴固定连接，连接件与环体及压盖固定连接，环体上开有一径向孔，该径向孔中沿直径方向向外依次设置有下垫片、力传感器、上垫片、球座、钢球，球座的上沿与环体接触处设置有限位盖，限位盖与环体固定连接，钢球置于球座和球盖之间并从球盖露出，球盖和球座固定连接，球座的轴心线L与Y轴组件的X轴成α夹角安装；
受载试件的受载面和安装面为平面，受载试件的安装面安装在C轴组件的工作台上，安装面与机床坐标系的Y方向夹角为θ，且受载面的法线与机床坐标系的X方向夹角为α。
本发明所采用的另一技术方案是，一种利用成型砂轮磨齿机变位模拟加载的静刚度分布检测方法，该方法依赖一种变位模拟加载装置，其结构是，
包括设置在成型砂轮磨齿机上的受载试件和用于模拟加载的施载组件，所述的成型砂轮磨齿机的结构是，包括在床身上间隔设置有C轴组件和X轴组件，在X轴组件的立柱上段的水平安装轴线上朝向C轴组件方向，依次安装有Z轴组件、A轴组件、Y轴组件、主轴组件；
所述施载组件的结构是，在主轴组件的主轴外圆上同轴套装有连接件、环体和压盖，连接件与主轴固定连接，连接件、环体及压盖固定连接，环体上开有一径向孔，该径向孔中沿直径方向向外依次设置有下垫片、力传感器、上垫片、球座、钢球，球座的上沿与环体接触处设置有限位盖，限位盖与环体固定连接，钢球置于球座和球盖之间并从球盖露出，球盖和球座固定连接，球座的轴心线L与Y轴组件的X轴方向成α夹角安装，在主轴、主轴箱箱体及C轴组件上安装有多个位移传感器；受载试件的受载面和安装面为平面，受载试件的安装面安装在C轴组件的工作台上，安装面与机床坐标系的Y方向夹角为θ，且受载面的法线与机床坐标系的X方向夹角为α，
本方法利用上述的装置，按照以下步骤实施：
步骤1、根据所模拟的Z向磨削力与X向磨削力的比例确定α夹角；根据所模拟的Z向磨削力与Y向磨削力的比例确定θ夹角；
步骤2、将施载组件安装在主轴组件的主轴上，调整A轴组件使Y轴组件的Y轴与机床坐标系的Y方向成角度θ；
步骤3、将受载试件固定安装在机床的C轴组件上，使安装面与机床坐标系的Y方向夹角为θ，且受载面的法线与机床坐标系的X方向夹角为α；调整C轴组件，使受载面的法线与球座的轴心线L方向一致；
步骤4、配合调整Z轴组件、Y轴组件、X轴组件，通过Z、Y、X轴的配合运动将施载组件移动到预先设置的受载试件的第1个加载位置，使钢球与受载试件的受载面接触；再通过Z、Y、X轴的微调，给受载试件施加模拟载荷，通过各个位移传感器检测各处的位移量，同时，通过施载组件中的力传感器检测得到模拟载荷，计算得到该加载位置的模拟载荷下的刚度值；
步骤5、然后重新配合调整Z轴组件、Y轴组件、X轴组件，再通过Z、Y、X轴的运动将施载组件运动到受载试件的下一个加载位置，同样检测得到新的加载位置的刚度值，依次重复上述过程，不断变更加载位置，即得到需要的模拟负载下的刚度分布。
本发明的有益效果是，利用成型砂轮磨齿机，能够自动变位模拟加载，实现静刚度分布检测，结构简单，容易操作。
附图说明
图1为本发明装置的各个运动方向示意图；
图2是本发明装置中的施载组件与受载试件a受载面局部结构示意图；
图3是本发明装置中的施载组件与受载试件b安装面局部结构示意图；
图4是本发明装置的施载组件剖面示意图。
图中，1.C轴组件，2.床身，3.X轴组件，4. Z轴部件，5. A轴部件，6.Y轴组件，7.主轴组件，10.连接件，11.压盖，12. 下垫片，13. 力传感器，14. 上垫片，15. 环体，16.限位盖，17.球座，18.球盖，19.钢球，20.菱形定位销，21.轴承盖，22.主轴箱箱体，23.主轴前轴承，24.主轴，25.受载试件，L为球座的轴心线，a为受载试件的受载面，b为受载试件的安装面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，为本发明装置中所用的成型砂轮磨齿机的结构示意图，包括在床身2上间隔设置有C轴组件1和X轴组件3，在X轴组件3立柱上段的水平安装轴线上朝向C轴组件1的方向，依次安装有Z轴组件4、A轴组件5、Y轴组件6、主轴组件7。C轴组件1 、X轴组件3、Z轴组件4、A轴组件5、Y轴组件6均为数控伺服轴，分别与机床数控装置连接。
各个组件的功能是：X方向、Y方向、Z方向为固定不动的机床坐标系，X轴组件3完成X方向的左右水平直线切入运动，Z轴组件4完成Z方向的上下直线进给运动；A轴组件5带动Y轴组件6实现Y轴绕X方向的A回转调整运动，Y轴组件6带动主轴组件7实现沿Y轴的前后直线调整运动，A轴组件5绕X轴调整角度θ后，则Y轴组件6的Y轴与机床坐标系的Y方向成角度θ，角度θ等于被加工斜齿轮的螺旋角，当加工直齿轮时θ为0，主轴组件7中的砂轮主轴与Y轴组件6的Y轴平行，砂轮主轴绕Y轴实现n回转运动，是切削运动，不参与表面形成；C轴组件1完成工件绕Z轴的C回转的分度运动及回转进给运动，Z、X、C、A、Y方向均为数控伺服轴运动，都由伺服电机传动。作为承载对象的末端执行器为主轴组件7以及C轴组件1中的工作台。成型砂轮安装在主轴组件7上，完成X、Z、A、Y、n轴运动；工件安装在工作台上（工作台为C轴组件1的一部分），完成C轴运动。成型砂轮的截面形状与所要加工的齿轮的齿槽截面形状相配，通过加工将成型砂轮的截面形状复制到工件上。
本发明采用模拟载荷代替成型砂轮磨齿的加工载荷，即用施载组件代替成型砂轮固定安装在机床主轴上，用受载试件代替齿轮工件固定安装在C轴部件的工作台上。
参照图2、图3、图4，本发明装置包括设置在成型砂轮磨齿机上的受载试件25和用于模拟加载的施载组件，受载试件25的受载面a和安装面b为平面，二者倾斜的夹角均为（90°-α），受载试件25的安装面b安装在C轴组件1的工作台上，安装面b与机床坐标系的Y方向夹角为θ，且受载面a的法线与机床坐标系的X方向夹角为α；施载组件的结构是，在主轴组件7的主轴24上固定套装有连接件10，连接件10的外圆上同轴套装有环体15和压盖11，连接件10与环体15及压盖11通过长螺栓固定连接，环体15上开有一径向孔，该径向孔中沿直径方向向外依次设置有下垫片12、力传感器13、上垫片14、球座17、钢球19，球座17的上沿与环体15接触处设置有限位盖16，限位盖16与环体15固定连接，由限位盖16对球座17进行限位，钢球19置于球座17和球盖18之间并从球盖18露出，球盖18和球座17固定连接，球座17通过球盖18将钢球19套装牢靠；
主轴24与主轴箱箱体22之间设置有主轴前轴承23，主轴前轴承23外侧安装有轴承盖21，轴承盖21与主轴箱箱体22通过多个螺栓固定连接，两个菱形定位销20的一端与轴承盖21、主轴箱箱体22依次固定连接，两个菱形定位销20的另一端与连接件10的销孔配合套装，通过两个菱形定位销20使连接件10与主轴24定向，球座17的轴心线L与Y轴组件6的X轴成α夹角安装。
本发明的静刚度分布检测方法，利用上述的成型砂轮磨齿机变位模拟加载装置，按照以下步骤实施：
步骤1、根据所模拟的Z向磨削力与X向磨削力的比例确定α夹角；根据所模拟的Z向磨削力与Y向磨削力的比例确定θ夹角，当模拟直齿轮加工时θ为0；
步骤2、将施载组件安装在主轴组件7的主轴24上，调整A轴组件5使Y轴组件6的Y轴与机床坐标系的Y方向成角度θ（调整后Y轴组件6的X坐标仍与机床X坐标方向一致）；
步骤3、将受载试件25固定安装在机床的C轴组件1上，使安装面b与机床Y坐标系夹角为θ，且受载面a的法线与机床坐标系的X方向夹角为α；调整C轴组件1，使受载面a的法线与球座17的轴心线L方向一致；
步骤4、通过Z、Y、X轴的配合运动将施载组件移动到预先设置的受载试件25的第1个加载位置，使钢球19与受载试件25的受载面接触；再通过Z、Y、X轴的微调，给受载试件25施加模拟载荷，通过各个位移传感器检测各处的位移量，同时，通过施载组件中的力传感器13检测得到模拟载荷，位移传感器和力传感器13的检测数据由机床数控装置采集，计算得到该加载位置的模拟载荷下的刚度值；
步骤5、然后再通过Z、Y、X轴的运动将施载组件运动到受载试件25的下一个加载位置，同样检测得到新的加载位置的刚度值，依次重复上述过程，不断变更加载位置，即可得到需要的模拟负载下的刚度分布。

Claims (7)

1. 一种成型砂轮磨齿机变位模拟加载装置，其特征在于：包括设置在成型砂轮磨齿机上的受载试件（25）和用于模拟加载的施载组件，
所述的成型砂轮磨齿机的结构是，包括在床身（2）上间隔设置有C轴组件（1）和X轴组件（3），在X轴组件（3）的立柱上段的水平安装轴线上朝向C轴组件（1）方向，依次安装有Z轴组件（4）、A轴组件（5）、Y轴组件（6）、主轴组件（7）；
所述施载组件的结构是，在主轴组件（7）的主轴（24）外圆上同轴套装有连接件（10）、环体（15）和压盖（11），连接件（10）与主轴（24）固定连接，连接件（10）与环体（15）及压盖（11）固定连接，环体（15）上开有一径向孔，该径向孔中沿直径方向向外依次设置有下垫片（12）、力传感器（13）、上垫片（14）、球座（17）、钢球（19），球座（17）的上沿与环体（15）接触处设置有限位盖（16），限位盖（16）与环体（15）固定连接，钢球（19）置于球座（17）和球盖（18）之间并从球盖（18）露出，球盖（18）和球座（17）固定连接，球座（17）的轴心线L与Y轴组件（6）的X轴成α夹角安装；
受载试件（25）的受载面和安装面为平面，受载试件（25）的安装面安装在C轴组件（1）的工作台上，安装面与机床坐标系的Y方向夹角为θ，且受载面的法线与机床坐标系的X方向夹角为α。
2. 根据权利要求1所述的成型砂轮磨齿机变位模拟加载装置，其特征在于：所述的主轴（24）与主轴箱箱体（22）之间设置有主轴前轴承（23），主轴前轴承（23）外侧安装有轴承盖（21），轴承盖（21）与主轴箱箱体（22）通过多个螺栓固定连接，主轴箱箱体（22）、轴承盖（21）通过两个菱形定位销（20）与连接件（10）的销孔套装。
3. 根据权利要求2所述的成型砂轮磨齿机变位模拟加载装置，其特征在于：所述的主轴（24）、主轴箱箱体（22）及C轴组件（1）上安装有多个位移传感器，位移传感器和力传感器（13）的检测数据由机床数控装置采集，C轴组件（1） 、X轴组件（3）、Z轴组件（4）、A轴组件（5）、Y轴组件（6）均为数控伺服轴，分别与机床数控装置连接。
4. 一种利用成型砂轮磨齿机变位模拟加载的静刚度分布检测方法，其特征在于，该方法依赖一种变位模拟加载装置，其结构是，
包括设置在成型砂轮磨齿机上的受载试件（25）和用于模拟加载的施载组件，
所述的成型砂轮磨齿机的结构是，包括在床身（2）上间隔设置有C轴组件（1）和X轴组件（3），在X轴组件（3）的立柱上段的水平安装轴线上朝向C轴组件（1）方向，依次安装有Z轴组件（4）、A轴组件（5）、Y轴组件（6）、主轴组件（7）；
所述施载组件的结构是，在主轴组件（7）的主轴（24）外圆上同轴套装有连接件（10）、环体（15）和压盖（11），连接件（10）与主轴（24）通过螺栓固定连接，连接件（10）、环体（15）及压盖（11）通过螺栓固定连接，环体（15）上开有一径向孔，该径向孔中沿直径方向向外依次设置有下垫片（12）、力传感器（13）、上垫片（14）、球座（17）、钢球（19），球座（17）的上沿与环体（15）接触处设置有限位盖（16），限位盖（16）与环体（15）固定连接，钢球（19）置于球座（17）和球盖（18）之间并从球盖（18）露出，球盖（18）和球座（17）固定连接，球座（17）的轴心线L与Y轴组件（6）的X轴方向成α夹角安装，在主轴（24）、主轴箱箱体（22）及C轴组件（1）上安装有多个位移传感器；受载试件（25）的受载面和安装面为平面，受载试件（25）的安装面安装在C轴组件（1）的工作台上，安装面与机床坐标系的Y方向夹角为θ，且受载面的法线与机床坐标系的X方向夹角为α，
本方法利用上述的装置，按照以下步骤实施：
步骤1、根据所模拟的Z向磨削力与X向磨削力的比例确定α夹角；根据所模拟的Z向磨削力与Y向磨削力的比例确定θ夹角；
步骤2、将施载组件安装在主轴组件（7）的主轴（24）上，调整A轴组件（5）使Y轴组件（6）的Y轴与机床坐标系的Y方向成角度θ；
步骤3、将受载试件（25）固定安装在机床的C轴组件（1）上，使安装面与机床坐标系的Y方向夹角为θ，且受载面的法线与机床坐标系的X方向夹角为α；调整C轴组件（1），使受载面的法线与球座（17）的轴心线L方向一致；
步骤4、配合调整Z轴组件（4）、Y轴组件（6）、X轴组件（3），通过Z、Y、X轴的配合运动将施载组件移动到预先设置的受载试件（25）的第1个加载位置，使钢球（19）与受载试件（25）的受载面接触；再通过Z、Y、X轴的微调，给受载试件（25）施加模拟载荷，通过各个位移传感器检测各处的位移量，同时，通过施载组件中的力传感器（13）检测得到模拟载荷，计算得到该加载位置的模拟载荷下的刚度值；
步骤5、然后重新配合调整Z轴组件（4）、Y轴组件（6）、X轴组件（3），再通过Z、Y、X轴的运动将施载组件运动到受载试件（25）的下一个加载位置，同样检测得到新的加载位置的刚度值，依次重复上述过程，不断变更加载位置，即得到需要的模拟负载下的刚度分布。
5. 根据权利要求4所述的静刚度分布检测方法，其特征在于：所述的步骤1中，当模拟直齿轮加工时θ为0。
6. 根据权利要求4所述的静刚度分布检测方法，其特征在于：所述的主轴（24）与主轴箱箱体（22）之间设置有主轴前轴承（23），主轴前轴承（23）外侧安装有轴承盖（21），轴承盖（21）与主轴箱箱体（22）通过多个螺栓固定连接，主轴箱箱体（22）、轴承盖（21）通过两个菱形定位销（20）与连接件（10）的销孔套装。
7. 根据权利要求6所述的静刚度分布检测方法，其特征在于：所述的主轴（24）、主轴箱箱体（22）及C轴组件（1）上安装有多个位移传感器，位移传感器和力传感器（13）的检测数据由机床数控装置采集，C轴组件（1） 、X轴组件（3）、Z轴组件（4）、A轴组件（5）、Y轴组件（6）均为数控伺服轴，分别与机床数控装置连接。
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