CN102853978A - 一种机床三维静刚度加载试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

一种机床三维静刚度加载试验装置，该装置由并联加载机构、主轴接口及测力模块、主轴变形位移测量装置、工作台对接平台和控制系统组成，并联加载机构通过工作台对接平台固定于机床工作台上，并且通过主轴接口及测力模块与机床主轴连接，向机床主轴施加载荷，同时，主轴变形位移测量装置也安装在机床工作台上，并且利用其上安装的高精度位移传感器测量机床主轴受力后形变大小，最后得到机床三维静刚度。一种机床三维静刚度加载试验装置的试验方法，它有六大步骤。本发明可以对机床施加三维力静载荷，用于机床三个方向静刚度加载实验。它在机床性能实验技术领域里具有实用价值和广阔的应用前景。

Description

一种机床三维静刚度加载试验装置及试验方法

（一）技术领域

本发明涉及一种机床三维静刚度加载试验装置及试验方法，属于机床性能实验技术领域，用于测试机床三个方向的静刚度。

（二）背景技术

数控机床是当代机械制造业的主流设备，表征机床性能的重要指标之一是产品的静刚度。机床静刚度是指机床承受恒定载荷时抵抗变形的能力，是机床设计的重要指标。在恒定载荷及自身重力的作用下，机床的静态变形不但会改变零部件的几何精度，影响加工质量，还会影响机床的抗振性、生产率、噪声、工作寿命、运动平衡性、发热和磨损等。增加机床的静刚度，使其抵抗静载荷的能力提高，这已经是机床设计中提高机床加工精度的主要措施之一。

当前，并联机构在数控机床、装配机器人、飞船对接、微型机器人等领域中得到一定程度的应用。并联机构的研究已越来越深入。并联机构具有刚度大，结构稳定紧凑，承载能力强，动态响应好，精度高，容易实现多维运动和施加多向载荷等优点。并联机构已成功用于各种多自由度实验台和多轴机床，可以实现精确的运动，承受多向力载荷，说明并联机构应用于机床三维静刚度加载试验是可行的。

并联机构由于组成的不同，有多种型式，其中的3-PSS并联机构是比较典型的、被广泛关注和研究的机构之一，图2为该并联机构结构简图。该机构是由3个“移动副-双排球铰链—双排球铰链”组成，它们之间的位置连接关系是；机构静平台在圆周方向均布3条导轨，导轨上安装移动滑台。通过双排球铰链，移动滑台与两根材质相同、尺寸相等的定长连杆相连。该支链的另一端同样通过球铰链与机构动平台相连。通过控制三个移动滑台的位置，可以调整动平台的位姿，实现沿空间三轴方向的平动。

对机床的静刚度特性进行研究，针对薄弱环节进行改进是一项具有重大实际意义的工作。但当前，国内外针对多轴机床静刚度的加载测试没有测试手段。本发明提出一种并联加载机构，可以对机床施加三维力静载荷，用于机床三个方向静刚度加载实验。将并联机构应用于机床的静刚度加载试验现在仍未有先例。

（三）发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种机床三维静刚度加载试验装置及试验方法，以弥补现在机床静力加载试验手段的不足，为测量机床三个方向静刚度提供实验方法和设备。

2、技术方案：

（一）见图1，本发明一种机床三维静刚度加载试验装置，该装置由并联加载机构、主轴接口及测力模块、主轴变形位移测量装置、工作台对接平台和控制系统组成，其之间的位置连接关系是：并联加载机构通过工作台对接平台固定于机床工作台上，并且通过主轴接口及测力模块与机床主轴连接，向机床主轴施加载荷，同时，主轴变形位移测量装置也安装在机床工作台上，并且利用其上安装的高精度位移传感器测量机床主轴受力后形变大小，最后得到机床三维静刚度。

图3为该机床三维静刚度加载试验装置装配图

所述并联加载机构的整体结构为3－PSS结构，是由三组加载支链组件组成，每组加载支链组件包括定长连杆、移动滑台、传动丝杠、伺服电机、动平台和静平台；其之间的位置连接关系是：并联加载机构的静平台上均布三组伺服电机和传动丝杠，伺服电机为运动执行器，通过传动丝杠驱动移动滑台进行往复直线运动。移动滑台通过其上面对称安装的两个球铰链，与两根材质相同、尺寸相等的定长连杆相连。定长连杆的另一端同样也是通过双排球铰链与动平台连接。通过控制三个移动滑台的位置，可以调整动平台的位姿，实现空间沿三轴方向的平动，给机床主轴加载。该定长连杆的材料为圆杆状钢材，数量是每组加载支链2根，全机共有6根。每根定长连杆两端装有球铰链的球头，各定长连杆两端球头的球心距相等；该移动滑台是为对称设计，其安装基板底部装有丝母与传动丝杠连接，两侧有两条平行滑轨，在其安装基板上装有梯形球铰链座安装基座，其上左右对称分布两个球铰链座；它安装于每组加载支链末端，并且通过球铰链座实现移动滑台与定长连杆的球头连接。数量是每组加载支链1件，全机共3件。该传动丝杠是精密滚动丝杠，其一端与伺服电机轴通过联轴器连接，其另一端旋入移动滑台上的丝母，起传递运动的作用，数量是每组加载支链1件，全机共3件；该伺服电机是交流伺服电机，伺服电机为运动执行器，通过电机轴旋转和丝杠螺母的传动，使移动滑台产生直线运动以调节其位置，从而调节动平台的实际位移和姿态。实现动平台沿空间三轴方向的平动，给机床主轴加载；数量是每组加载支链1件，共3件。该动平台是为圆形设计，数量为1件，其底面沿圆周方向均布3组精密球铰链座，每组包含球铰链座2个，与一组定长连杆的两个球头连接。动平台上安装有三维力传感器和主轴接口及测力模块；该静平台为轴对称六边形设计，数量为1件，其上均布三组平行的直线导轨，起到给移动滑台的导向作用。同时留有伺服电机和传动丝杠的安装接口，方便将三组加载支链安装于静平台上。

图2为该并联加载机构原理示意图，图4为该并联加载机构结构示意图

所述主轴接口及测力模块，是由加载芯轴、加载芯轴接口装置、三维力传感器和动平台固定装置组成，其之间的连接关系是：动平台固定装置通过螺栓连接固定于并联加载机构的动平台上，在动平台固定装置上安装了三维力传感器以测量向主轴施加的载荷，同时，加载芯轴通过加载芯轴接口装置与三维力传感器进行连接，通过加载芯轴实现与机床主轴的刚性连接。该加载芯轴一端为圆轴另一端带锥度，带锥度端与被测机床的主轴锥孔相配，数量为1件，通过加载芯轴和主轴锥度的配合，可以实现与机床主轴的刚性连接，起到力的传递作用，实现对主轴的加载。系统配有不同锥度、不同连接方式的加载芯轴，以用于不同机床的加载实验。该加载芯轴接口装置为圆柱体，上下两端设计有安装法兰结构，同时在上端装有加载芯轴接口调节机构，以适应安装不同型号加载芯轴的需要；它可以实现加载芯轴在主轴接口及测力模块中的定位与安装。同时，加载芯轴接口装置的尺寸可调，可以满足不同加载芯轴安装的需要，数量为1件。该三维力传感器是高精度的三维力传感器，数量为1件，可以实时反馈加载装置对机床主轴所施加的载荷情况，实时观测加载试验的进程，为机床三维静刚度的测量提供重要的主轴所受载荷数据。该动平台固定装置为圆柱体，上下两端设计有安装法兰结构，同时在上端装有三维力传感器安装接口；它可以保持三维力传感器与动平台的刚性连接，以保持施加载荷的准确性和平稳性，数量为1件。

图5是该主轴接口及测力模块结构示意图

所述主轴变形位移测量装置，是由位移传感器和位移传感器安装支架组成，其之间的位置连接关系是：三件位移传感器通过螺栓连接固定于传感器安装支架上，并且沿机床三维空间坐标系X、Y、Z轴方向排布，夹角互为90°，用于测量主轴在受到载荷时的空间三维方向的形变位移，传感器安装支架安装于机床工作台上；该传感器的精度可达微米级，可以准确的测量机床主轴在承受载荷的条件下所发生的形变，提高测量的准确性。该传感器安装支架为可调式设计，为Y形状的外伸悬臂梁结构，并且在顶端设计了沿三个方向的安装平面，以安装固定位移传感器；数量为1件，它可以根据需要调整其上固定的位移传感器的安装位置和方向。该传感器安装支架独立安装于机床工作台上，可以避免加载装置在给机床主轴加载的过程中自身所发生形变的影响，使测量结果更准确。

图6是该主轴变形位移测量装置结构示意图

所述工作台对接平台，是由可调整对接平台和静平台固定装置组成，其之间的位置连接关系是：并联加载机构通过可调整对接平台与机床工作台配合连接，并且通过静平台固定装置使并联加载机构与机床工作台之间实现固连。该可调整对接平台是其上开有两个螺钉固定槽的矩形板料；它可以使并联加载机构静平台与机床工作台之间通过键槽配合实现连接，以保持并联加载机构装置施加载荷的准确性和平稳性。并且该装置可以调整和更换，以满足对不同工作台的对接需要，数量为3件。该静平台固定装置是安装于可调整对接平台之上的其上包含紧固螺钉安装孔的矩形压块装置，它可以实现并保持并联加载机构与工作台的刚性连接，以保持施加载荷的准确性和平稳性，数量为3件。

图7是该工作台对接平台结构示意图

所述控制系统，是由电机伺服驱动器、运动控制卡、传感器接收器和放大器、控制系统软件、微计算机、液晶显示器和监控摄像头以及安全保障系统组成。其之间的电气连接关系是：微计算机与运动控制卡、液晶显示器和监控摄像头实现电气连接，同时，运动控制卡与电机伺服驱动器、传感器接收器和放大器实现电气连接。控制系统软件以及安全保障系统安装于微计算机的操作系统内。该电机伺服驱动器采用交流伺服驱动器，数量为3件，可实现对伺服电机自身性能的整定，测试伺服控制系统反馈设置情况，设定伺服电机的具体工作模式以及实现对伺服的电机的开环和闭环控制。该运动控制卡采用多轴运动控制卡，数量为1件，可以实现同时对三套伺服电机进行协调控制，从而实现控制加载机构动平台位姿、移动速度和加载载荷。同时，通过运动控制卡的编程与自定义伺服算法，可对伺服电机进行位置、速度以及力的精确控制，从而控制单向加载支链的位置、移动速度以及加载载荷。通过运动控制卡的信号采集接口，可实现对三维力传感器和位移传感器采集信号的处理，实现对加载装置的精确控制。该传感器接收器和放大器分别采用位移传感器放大器，数量为3件；三维力传感器放大器，数量为1件，可以实现对位移传感器和三维力传感器高精度的数据的读取和数模转换处理。该控制系统软件包括虚拟坐标系和实坐标系的转换模块、软件编程界面、实时显示界面，数量为1套。可实现输入指定载荷、观察传感器数值、计算和显示载荷分布、位移分布、工作空间、刚度计算和图表绘制等功能。该微计算机采用工业控制计算机，数量为1件。可以实现对传感器接受数据的处理，对操作人员所发出指令的处理和执行，以及对测量数据的计算和绘图。可以得到最终所需的机床三维静刚度的试验数据，并且可以绘制相应曲线和图表。该液晶显示器和监控摄像头数量均为1件，可以实现操作人员对加载试验装置各个环节的实时监控、显示控制系统的操作界面和显示试验中所需的输入输出数据。该安全保障系统通过对加载装置各传感器的监控和观测，在加载试验过程中，如果传感器反馈数据出现异常，该系统则会发出警示信号。如果反馈数据已经达到系统设定的安全临界值，该系统则会使加载装置断电，防止意外事故的发生。数量为1套。

本发明所述的机床三维静刚度加载试验装置具体工作原理为：并联加载机构的静平台16通过工作台对接平台9与机床工作台相连，动平台10通过加载芯轴17与机床主轴相连，操作人员通过控制伺服电机15以调整三个移动滑台13的位置，从而可以调整动平台10的位姿，实现空间沿三轴方向的平动，给机床主轴加载。通过安装于主轴接口和测力模块中的三维力传感器20反馈对机床主轴的实际加载情况。同时，通过位移测量模块中安装的高精度位移传感器22测出主轴在受到载荷之后发生的形变大小，并且通过计算最终得到机床三个方向的静刚度大小，并且绘制相应的静刚度曲线。

（二）本发明一种机床三维静刚度加载试验装置的试验方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：确定机床种类、主轴位姿及尺寸、工作台种类及尺寸以及具体的测试要求，据此再确定测试方案。包括：加载方式、载荷分布、加载持续时间、加载速度及加速度设置、结果输出形式。

步骤二：调节和更换静力加载装置的主轴接口模块，挑选合适的加载芯轴，以适应当前所测试机床主轴的需要，使其与主轴固连，完成机床主轴的连接工作。

步骤三：调节工作台对接平台，以适应当前所测试机床工作台的需要，使其与机床工作台相连，完成与机床工作台的安装工作。

步骤四：根据机床主轴坐标系安装位移传感器。利用独立安装于工作台的位移传感器支架，将位移传感器固定于机床主轴周围，方向与机床空间三维坐标系中X、Y、Z轴相同。

步骤五：向机床主轴施加载荷并且测量主轴形变。初始化控制系统和各传感器，输入给机床主轴所施加的载荷大小和方向。在加载过程中，控制系统会实时监控装置为主轴施加载荷的状况，三维力传感器的数值会在显示器上实时显示。在加载过程开始的同时，主轴变形位移测量装置中的位移传感器开始同步测量机床主轴由负载所引起的形变大小，并把数据传回控制系统中。

步骤六：计算并输出结果。控制系统会根据施加载荷的大小和所测位移的数据，计算出机床空间三维静刚度的值，并且会按照预设的输出形式，自动输出数值和绘制相应图表。

3、优点及功效：

1）传统机床静刚度测量方法简述。静载法是测量机床静刚度的主要方法，是通过弓形加载器和加力环等装置给机床施加一定的力来测量机床部件的变形,再通过计算得到机床的刚度。测量车床静刚度的具体方法主要包括：第一、安装弓形加载器，根据模拟施加力的角度进行调整和安装加力螺钉。第二、在各测点位置上，分别安装相应的千分表和百分表，并调整指示值为零。第三、使用加力螺钉逐次增加和减小载荷，保证间隔时间为2~3min。第四、记录各次不同加载时各测试点千分表或百分表的读数。第五、测量机床各测试截面间的距离。第六、整理数据，计算刚度并且绘制刚度曲线。测量铣床静刚度的具体方法与车床相似，改用加力环给铣床主轴加载，同时使用千分表等仪器测量机床变形，通过计算得出铣床静刚度并绘制刚度曲线。

2）机床三维静刚度加载试验装置拓宽了机床静刚度的测量范围。传统静载法测量机床静刚度需要使用弓形加载器和加力环，这就限制了传统静载法的主要测量对象是中小型车床和铣床。使用机床三维静刚度加载试验装置，通过其可调整和更换的主轴接口模块和工作台对接平台，可以满足不同机床主轴和工作台的使用需求，不仅可以测量中小车床和铣床的静刚度，而且可以将测量范围扩大到大型车床，立式铣床，组合机床以及加工中心等，极大的扩充了机床静刚度的测量范围。

3）机床三维静刚度加载试验装置弥补了机床静力加载试验手段的不足，简化了传统加载方法的步骤。只需根据机床主轴和工作台调节和安装接口模块和对接平台，将动平台和静平台分别与机床主轴和工作台连接起来，即可开始静力加载试验，相对传统方法简化了试验步骤。同时，通过加载装置动平台位姿的变化，极大的提高了该装置对机床不同位姿主轴的适应性，能对空间任意位姿主轴施加载荷，丰富了对机床主轴进行静力加载试验的手段。

4）机床三维静刚度加载试验装置可以同时测量空间三维静刚度。传统静力加载试验装置大多只能进行简单的一维或者二维静力加载，这样不能真实反应机床主轴实际的受力状况，影响了机床静刚度的测量的准确性。使用本发明所述的机床三维静刚度加载试验装置，可以同时给机床主轴施加空间三维载荷，这样可以更好的模拟实际受力情况，能够提高机床静刚度测量的准确性。

（四）附图说明

图1，机床三维静刚度加载实验装置实际应用示意图。

图2，3-PSS并联加载机构原理示意图。

图3，机床三维静刚度加载试验装置装配图。

图4，并联加载机构结构示意图。

图5，主轴接口及测力模块结构示意图。

图6，主轴变形位移测量装置结构示意图

图7，工作台对接平台结构示意图。

图中具体标号说明如下：

1、静平台示意图        2、移动副示意图          3、球铰链示意图

4、定长杆示意图        5、动平台示意图          6、并联加载机构

7、主轴接口及测力模块  8、主轴变形位移测量模块  9、工作台对接平台

10、动平台             11、定长连杆             12、机构球铰链

13、移动滑台           14、传动丝杠             15、伺服电机

16、静平台             17、加载芯轴             18、加载芯轴接口调节机构

19、加载芯轴接口装置   20、三维力传感器         21、动平台固定装置

22、位移传感器         23、传感器安装支架       24、可调整对接平台

25、静平台固定装置

（五）具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明：见图1—图7，

（一）本发明所述一种机床三维静刚度加载试验装置，该装置由并联加载机构6、主轴接口及测力模块7、主轴变形位移测量装置8、工作台对接平台9和控制系统组成，其之间的位置连接关系是：并联加载机构6通过工作台对接平台9固定于机床工作台上，并且通过主轴接口及测力模块7与机床主轴连接，向机床主轴施加载荷，同时，主轴变形位移测量装置8也安装在机床工作台上，并且利用其上安装的位移传感器22测量机床主轴受力后形变大小，最后通过控制系统得到机床三维静刚度。该并联加载机构的整体结构为3－PSS结构。通过控制三个移动滑台13的位置，可以调整动平台10的位姿，实现空间沿三轴方向的平动，给机床主轴施加三维载荷，以测量机床三维静刚度。

所述并联加载机构6

如图4所示，并联加载机构共由以下几部分组成：机构动平台10、定长连杆11（包含机构球铰链12，共六件）、移动滑台13（共三件）、传动丝杠14（共三件）、伺服电机15（共三件）。

定长连杆11、移动滑台13、伺服电机15，分别由多个零件和子部件构成。每根定长连杆11两端装有机构球铰链12的球头，各连杆两端球头的球心距相等。定长连杆11一端通过球铰链12与移动滑台13相连，移动滑台13通过传动丝杠14与伺服电机15连接，伺服电机通过相应接口装置安装在机构静平台16上。伺服电机采用旋转交流电机驱动形式，为运动执行器，驱动移动滑台进行往复直线运动，以调整动平台10的位姿，实现动平台沿空间三轴方向的平动，给机床主轴加载。

所述主轴接口及测力模块7

如图5所示，该主轴接口及测力模块共由以下几部分组成：加载芯轴17、加载芯轴接口调节机构18、加载芯轴接口装置19、三维力传感器20和动平台固定装置21。

加载芯轴17、加载芯轴接口调节机构18、加载芯轴接口装置19、动平台固定装置21分别由多个零件和子部件构成。加载芯轴17与机床主轴连接，通过加载芯轴和主轴锥度的配合，可以实现与机床主轴的刚性连接，起到力的传递作用，实现对主轴的加载。系统配有不同锥度、不同连接方式的加载芯轴17，以用于不同机床的加载实验。加载芯轴17安装在加载芯轴接口装置19中。同时，通过加载芯轴接口调节机构18可以实现该接口装置尺寸的调整，以满足不同加载芯轴安装的需要。在加载芯轴接口装置19下方装有三维力传感器20，三维力传感器采用高精度型三维力传感器，可以实时反馈加载装置对机床主轴所施加的载荷情况。最后，三维力传感器20通过动平台固定装置21与机构动平台10相连，以保持施加载荷的准确性和平稳性。

所述主轴变形位移测量模块8

如图6所示，该主轴变形位移测量模块共由以下几部分组成：位移传感器22（共六件）和传感器安装支架23。

位移传感器22通过传感器安装支架23进行安装定位，沿机床三维空间坐标系X、Y、Z轴方向排布，夹角互为90°，用来测量主轴受到载荷后在三维空间内所发生的形变位移。位移传感器22采用高精度型位移传感器，可以准确的测量机床主轴在承受载荷的条件下所发生的形变。位移传感器安装支架23独立安装于机床工作台上，可以避免加载装置在给机床主轴加载的过程中自身所发生形变的影响，使测量结果更准确。

所述工作台对接平台9

如图7所示，该工作台对接平台共由以下几部分组成：可调整对接平台24（共三件）和静平台固定装置25（共三件）。

可调整对接平台24通过静平台固定装置25固连在机构静平台16上，以实现加载试验装置和机床工作台刚性连接，以保持施加载荷的准确性和平稳性。系统配有不同尺寸、不同连接方式的对接平台24，以用于不同机床的加载实验。

所述控制系统

该控制系统共由以下几部分组成：电机伺服驱动器（共三件）、运动控制卡、控制系统软件、安全保障系统、传感器接收器和放大器（共四件）、微计算机、液晶显示器和监控摄像头。

电机伺服驱动器，采用交流伺服驱动器，可实现对并联加载机构中的三组伺服电机15的自身性能的整定，伺服控制系统反馈测试，设定伺服电机的具体工作模式以及实现对伺服的电机的开环和闭环控制。

运动控制卡，采用多轴运动控制卡，可以实现同时对三套伺服电机15进行协调控制，从而实现控制加载机构动平台位姿、移动速度和加载载荷。同时，通过运动控制卡的编程与自定义伺服算法，可对伺服电机进行位置、速度以及力的精确控制，从而控制单向加载支链的位置、移动速度以及加载载荷。通过运动控制卡的信号采集接口，可实现对三维力传感器20和位移传感器22采集信号的处理，实现对加载装置的精确控制。

传感器接收器和放大器采用三组位移传感器放大器和一组三维力传感器放大器，以实现对位移传感器和三维力传感器的数据的读取和处理。

控制系统软件，包括虚拟坐标系和实坐标系的转换模块、软件编程界面、实时显示界面。可实现输入指定载荷、观察传感器数值、计算和显示载荷分布、位移分布、工作空间、刚度计算和图表绘制等功能。

该系统拥有安全保障系统。通过对加载装置各传感器的监控和观测，在加载试验过程中，如果传感器反馈数据出现异常，该系统则会发出警示信号。如果反馈数据已经达到系统设定的安全临界值，该系统则会使加载装置断电，防止意外事故的发生。

微计算机采用工业控制计算机，可以实现对传感器接受数据的处理，对操作人员所发出指令的处理和执行，以及对测量数据的计算和绘图。可以最终所需的机床三维静刚度的试验数据，并且可以绘制相应曲线和图表。通过液晶显示器和监控摄像头可以实现对传感器接受数据和控制系统操作界面的处理和显示和对加载试验装置各个环节进行实时监控。

本发明所述的机床三维静刚度加载试验装置具体工作原理为：并联加载机构静平台16通过工作台对接平台9与机床工作台相连，动平台10通过加载芯轴17与机床主轴相连，操作人员通过控制伺服电机15以调整三个移动滑台13的位置，从而可以调整动平台10的位姿，实现空间沿三轴方向的平动，给机床主轴加载。通过安装于主轴接口和测力模块7中的三维力传感器20反馈对机床主轴的实际加载情况。同时，通过主轴变形位移测量模块8中安装的高精度位移传感器22测出主轴在受到载荷之后发生的形变大小，并且通过控制系统计算最终得到机床三个方向的静刚度大小，并且绘制相应的静刚度曲线。

实施例：使用机床三维静刚度加载试验装置测量龙门铣床空间三维静刚度。

下面通过实施例，并结合附图，对本机床三维静刚度加载试验装置的结构和使用作进一步描述：

1、机床三维静刚度加载试验装置的安装方法：

1）如附图5所示，根据龙门铣床主轴的类型和尺寸挑选适合的加载芯轴17，使其满足龙门铣床主轴尺寸要求。通过加载芯轴接口调节机构18将加载芯轴17固定于加载芯轴接口装置19上。

2）如附图7所示，根据龙门铣床工作台的类型和尺寸挑选合适可调整对接平台24，并通过静平台固定装置25将加载试验装置与龙门铣床的工作台相连。同时，将传感器安装支架23安装于机床工作台上，并且将位移传感器22安装在传感器安装支架23的指定位置。

3）如附图4所示，通过控制系统，控制伺服电机15运动，从而驱动移动滑台13直线运动，以调节机构动平台10的位姿，使其与龙门铣床的主轴垂直，将主轴接口及测力模块7中的加载芯轴17与龙门铣床的主轴相连。

2、机床三维静刚度加载试验装置的使用方法：

1）如附图5所示，完成机床三维静刚度加载试验装置的安装工作后，在控制系统中进行初始化操作，输入为机床主轴加载的空间力分布情况，此时微计算机控制模块会显示出三维力传感器20的目标值。

2）在加载过程中，控制系统会实时监控装置为主轴施加载荷的状况，三维力传感器20的数值会在显示器上实时显示，直至三维力传感器20的值达到当初设定的目标值，加载试验结束。

3）如附图6所示，在加载过程进行的同时，主轴变形位移测量模块8中的位移传感器22同步测量机床主轴因负载而引起的变形大小，并把数据传回控制系统中。

4）控制系统会根据三维力传感器20和位移传感器22所测数值计算出龙门铣床的空间三维静刚度的值，并且会自动输出结果，同时可以绘制相应静刚度曲线。

3、机床三维静刚度加载试验装置针对不同种类机床主轴和工作台的调整使用方法：

如附图3与图5所示，如果需要对不同种类机床主轴进行加载实验，只需要更换主轴接口及测力模块7中的加载芯轴17即可。如附图7所示，如果需要在不同种类机床工作台上安装加载装置进行加载实验，只需要调整和更换合适的对接平台24，使其满足试验机床工作台结构即可。

4、机床三维静刚度加载试验装置针对不同位姿机床主轴的调整使用方法：

如附图4所示，如果需要对不同位姿机床主轴进行静力加载的实验，只需要在机床主轴位姿变换之后，使用控制系统，控制伺服电机15移动，以驱动移动滑台13做直线运动，从而调整机构动平台10的位姿，使得主轴接口及测力模块7中的加载芯轴17与机床主轴成功对接即可。

Claims (2)

1.一种机床三维静刚度加载试验装置，其特征在于：该装置由并联加载机构、主轴接口及测力模块、主轴变形位移测量装置、工作台对接平台和控制系统组成，并联加载机构通过工作台对接平台固定于机床工作台上，并且通过主轴接口及测力模块与机床主轴连接，向机床主轴施加载荷，同时，主轴变形位移测量装置也安装在机床工作台上，并且利用其上安装的高精度位移传感器测量机床主轴受力后形变大小，最后得到机床三维静刚度；

所述并联加载机构的整体结构为3－PSS结构，是由三组加载支链组件组成，每组加载支链组件包括定长连杆、移动滑台、传动丝杠、伺服电机、动平台和静平台；并联加载机构的静平台上均布三组伺服电机和传动丝杠，伺服电机为运动执行器，通过传动丝杠驱动移动滑台进行往复直线运动；移动滑台通过其上面对称安装的两个球铰链，与两根材质相同、尺寸相等的定长连杆相连；定长连杆的另一端同样也是通过双排球铰链与动平台连接，通过控制三个移动滑台的位置，调整动平台的位姿，实现空间沿三轴方向的平动，给机床主轴加载；该定长连杆为圆杆状钢材制作，数量是每组加载支链2根，全机共有6根；每根定长连杆两端装有球铰链的球头，各定长连杆两端球头的球心距相等；该移动滑台为对称设计，其安装基板底部装有丝母与传动丝杠连接，两侧有两条平行滑轨，在其安装基板上装有梯形球铰链座安装基座，其上左右对称分布两个球铰链座；它安装于每组加载支链末端，并且通过球铰链座实现移动滑台与定长连杆的球头连接，数量是每组加载支链1件，全机共3件；该传动丝杠是精密滚动丝杠，其一端与伺服电机轴通过联轴器连接，其另一端旋入移动滑台上的丝母，起传递运动的作用，数量是每组加载支链1件，全机共3件；该伺服电机是交流伺服电机，伺服电机为运动执行器，通过电机轴旋转和丝杠螺母的传动，使移动滑台产生直线运动以调节其位置，从而调节动平台的实际位移和姿态，实现动平台沿空间三轴方向的平动，给机床主轴加载；数量是每组加载支链1件，共3件；该动平台为圆形设计，数量为1件，其底面沿圆周方向均布3组精密球铰链座，每组包含球铰链座2个，与一组定长连杆的两个球头连接；动平台上安装有三维力传感器和主轴接口及测力模块；该静平台为轴对称六边形设计，数量为1件，其上均布三组平行的直线导轨，起到给移动滑台的导向作用，同时留有伺服电机和传动丝杠的安装接口，方便将三组加载支链安装于静平台上；

所述主轴接口及测力模块，是由加载芯轴、加载芯轴接口装置、三维力传感器和动平台固定装置组成，动平台固定装置通过螺栓连接固定于并联加载机构的动平台上，在动平台固定装置上安装了三维力传感器以测量向主轴施加的载荷，同时，加载芯轴通过加载芯轴接口装置与三维力传感器进行连接，通过加载芯轴实现与机床主轴的刚性连接；该加载芯轴一端为圆轴另一端带锥度，带锥度端与被测机床的主轴锥孔相配，数量为1件，通过加载芯轴和主轴锥度的配合，实现与机床主轴的刚性连接，起到力的传递作用，实现对主轴的加载；系统配有不同锥度、不同连接方式的加载芯轴，以用于不同机床的加载实验；该加载芯轴接口装置为圆柱体，上下两端设计有安装法兰结构，同时在上端装有加载芯轴接口调节机构，以适应安装不同型号加载芯轴的需要，实现加载芯轴在主轴接口及测力模块中的定位与安装，同时，加载芯轴接口装置的尺寸可调，能满足不同加载芯轴安装的需要，数量为1件；该三维力传感器是高精度的三维力传感器，数量为1件，实时反馈加载装置对机床主轴所施加的载荷情况，实时观测加载试验的进程，为机床三维静刚度的测量提供重要的主轴所受载荷数据；该动平台固定装置为圆柱体，上下两端设计有安装法兰结构，同时在上端装有三维力传感器安装接口；它保持三维力传感器与动平台的刚性连接，以保持施加载荷的准确性和平稳性，数量为1件；

所述主轴变形位移测量装置，是由位移传感器和位移传感器安装支架组成，三件位移传感器通过螺栓连接固定于传感器安装支架上，并且沿机床三维空间坐标系X、Y、Z轴方向排布，夹角互为90°，用于测量主轴在受到载荷时的空间三维方向的形变位移，传感器安装支架安装于机床工作台上；该位移传感器的精度达微米级，准确的测量机床主轴在承受载荷的条件下所发生的形变，提高测量的准确性；该传感器安装支架为可调式设计，为Y形状的外伸悬臂梁结构，并且在顶端设计了沿三个方向的安装平面，以安装固定位移传感器，数量为1件，它根据需要调整其上固定的位移传感器的安装位置和方向，该传感器安装支架独立安装于机床工作台上，避免加载装置在给机床主轴加载的过程中自身所发生形变的影响，使测量结果更准确；

所述工作台对接平台，是由可调整对接平台和静平台固定装置组成，并联加载机构通过可调整对接平台与机床工作台配合连接，并且通过静平台固定装置使并联加载机构与机床工作台之间实现固连；该可调整对接平台是其上开有两个螺钉固定槽的矩形板料；它使并联加载机构静平台与机床工作台之间通过键槽配合实现连接，以保持并联加载机构装置施加载荷的准确性和平稳性，并且该装置能调整和更换，以满足对不同工作台的对接需要，数量为3件；该静平台固定装置是安装于可调整对接平台之上的其上包含紧固螺钉安装孔的矩形压块装置，它实现并保持并联加载机构与工作台的刚性连接，以保持施加载荷的准确性和平稳性，数量为3件；

所述控制系统，是由电机伺服驱动器、运动控制卡、传感器接收器和放大器、控制系统软件、微计算机、液晶显示器和监控摄像头以及安全保障系统组成，微计算机与运动控制卡、液晶显示器和监控摄像头实现电气连接，同时，运动控制卡与电机伺服驱动器、传感器接收器和放大器实现电气连接；控制系统软件以及安全保障系统安装于微计算机的操作系统内；该电机伺服驱动器采用交流伺服驱动器，数量为3件，实现对伺服电机自身性能的整定，测试伺服控制系统反馈设置情况，设定伺服电机的具体工作模式以及实现对伺服的电机的开环和闭环控制；该运动控制卡采用多轴运动控制卡，数量为1件，实现同时对三套伺服电机进行协调控制，从而实现控制加载机构动平台位姿、移动速度和加载载荷；同时，通过运动控制卡的编程与自定义伺服算法，对伺服电机进行位置、速度以及力的精确控制，从而控制单向加载支链的位置、移动速度以及加载载荷；通过运动控制卡的信号采集接口，实现对三维力传感器和位移传感器采集信号的处理，实现对加载装置的精确控制；该传感器接收器和放大器分别采用位移传感器放大器，数量为3件；三维力传感器放大器，数量为1件，实现对位移传感器和三维力传感器高精度的数据的读取和数模转换处理；该控制系统软件包括虚拟坐标系和实坐标系的转换模块、软件编程界面、实时显示界面，数量为1套；实现输入指定载荷、观察传感器数值、计算和显示载荷分布、位移分布、工作空间、刚度计算和图表绘制功能；该微计算机采用工业控制计算机，数量为1件，实现对传感器接受数据的处理，对操作人员所发出指令的处理和执行，以及对测量数据的计算和绘图，得到最终所需的机床三维静刚度的试验数据，并且绘制相应曲线和图表；该液晶显示器和监控摄像头数量均为1件，实现操作人员对加载试验装置各个环节的实时监控、显示控制系统的操作界面和显示试验中所需的输入输出数据；该安全保障系统通过对加载装置各传感器的监控和观测，在加载试验过程中，如果传感器反馈数据出现异常，该系统则会发出警示信号，如果反馈数据已经达到系统设定的安全临界值，该系统则会使加载装置断电，防止意外事故的发生，数量为1套。

2.一种机床三维静刚度加载试验装置的试验方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：确定机床种类、主轴位姿及尺寸、工作台种类及尺寸以及具体的测试要求，据此再确定测试方案；包括：加载方式、载荷分布、加载持续时间、加载速度及加速度设置和结果输出形式；

步骤二：调节和更换静力加载装置的主轴接口模块，挑选合适的加载芯轴，以适应当前所测试机床主轴的需要，使其与主轴固连，完成机床主轴的连接工作；

步骤三：调节工作台对接平台，以适应当前所测试机床工作台的需要，使其与机床工作台相连，完成与机床工作台的安装工作；

步骤四：根据机床主轴坐标系安装位移传感器，利用独立安装于工作台的位移传感器支架，将位移传感器固定于机床主轴周围，方向与机床空间三维坐标系中X、Y、Z轴相同；

步骤五：向机床主轴施加载荷并且测量主轴形变，初始化控制系统和各传感器，输入给机床主轴所施加的载荷大小和方向；在加载过程中，控制系统会实时监控装置为主轴施加载荷的状况，三维力传感器的数值会在显示器上实时显示，在加载过程开始的同时，主轴变形位移测量装置中的位移传感器开始同步测量机床主轴由负载所引起的形变大小，并把数据传回控制系统中；

步骤六：计算并输出结果，控制系统会根据施加载荷的大小和所测位移的数据，计算出机床空间三维静刚度的值，并且会按照预设的输出形式，自动输出数值和绘制相应图表。

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