CN103257050A - 机床三向静刚度同步测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机床三向静刚度同步测试系统，属于机床静刚度检测技术领域，该系统包括：载荷测量子系统、三向加力仪、位移测量子系统、数据处理器；其中，三向加力仪和位移测量子系统的输入端与机床主轴相连，三向加力仪的输出端和载荷测量子系统的输入端相连，位移测量子系统和载荷测量子系统的输出端与数据处理器的输入端相连。该测试系统可以施加与机床坐标系X轴、Y轴、Z轴均成一定角度的载荷，并同时测量机床整机沿3个方向的载荷和变形连续变化数据，经数据处理程序处理后，可得到3×3阶静刚度矩阵中9个元素K_ij的连续变化曲线。

Description

机床三向静刚度同步测试系统

技术领域

本发明属于机床静刚度检测技术领域，具体涉及在机床整机工作空间进行模拟加载条件下的一种机床三向静刚度同步测试系统，还涉及基于该测试系统的静刚度检测方法。 

背景技术

机床的静刚度对机床的加工精度和加工表面质量有着很大影响，它是评价机床性能的重要指标之一。通过对机床的静刚度进行试验测试，可以识别出机床性能的薄弱环节，进而针对性的制定机床加工工艺方案，或对机床进行优化设计，从而提高机床的加工精度。 

国内外目前对机床静刚度进行试验测试时，一般将加力仪固定在机床工作台上，采用加力仪对机床主轴施加载荷，采用千分表测量机床主轴相对工作台的变形，然后记录特定载荷下千分表的读数，最后根据一系列载荷和变形数据的离散点拟合出该方向的静刚度曲线。由于该方法采用一系列离散点拟合的方法得到机床的静刚度曲线，不能连续记录载荷与变形之间的关系，所以无法准确反映机床该方向的静刚度特性。 

另外，机床实际切削加工时，加工点往往承受三向载荷，为了全面反映机床的静刚度特性，应求解机床的静刚度矩阵K，即： 

$K=\left[\begin{array}{ccc}{k}_{\mathrm{xx}}& k_{\mathrm{xy}}& k_{\mathrm{xz}}\\ k_{\mathrm{yx}}& k_{\mathrm{yy}}& k_{\mathrm{yz}}\\ k_{\mathrm{zx}}& k_{\mathrm{zy}}& k_{\mathrm{zz}}\end{array}\right]$

其中：K_ij表示沿机床i轴方向施加载荷，在j轴方向产生的变形。 

而目前常用的试验方法每次只测试单个方向加载时，该方向对应的变形，即每次试验仅能得到静刚度矩阵K对角线上的1个元素，而且该方法无法求解静刚度矩阵K除对角线元素之外的6个刚度值，无法全面反映机床的静刚度特性。 

此外，目前对机床静刚度测试时，数据记录、处理都需要人工完成，测试效率低。 

发明内容

本发明的目的是为克服目前机床静刚度测试技术存在的不足，提出一种机床三向静刚度同步测试系统。该测试系统可以施加与机床坐标系X轴、Y轴、Z轴均成一定角度的载荷，并同时测量机床整机沿3个方向的载荷和变形连续变化数据，经数据处理程序处理后， 可得到3×3阶静刚度矩阵中9个元素K_ij的连续变化曲线。 

本发明提出的一种机床三向静刚度同步测试系统，其特征在于，该系统包括： 

载荷测量子系统，用于测量机床沿X轴、Y轴、Z轴的载荷值； 

三向加力仪，用于对机床施加沿X轴、Y轴、Z轴均成设定角度的载荷； 

位移测量子系统，用于测量机床沿X轴、Y轴、Z轴的变形值； 

数据处理器预先存储有数据处理程序，用于对载荷和变形值进行处理，得到机床的静刚度； 

其中，三向加力仪和位移测量子系统的输入端与机床主轴相连，三向加力仪的输出端和载荷测量子系统的输入端相连，位移测量子系统和载荷测量子系统的输出端与数据处理器的输入端相连。 

与现有技术相比，本发明具有以下显著优势： 

1）本发明一次试验可求解出机床3×3阶静刚度矩阵K中的9个元素，测试效率高。 

2）本发明可测得9个元素连续变化的曲线，能全面、准确反映机床整机的静刚度特性。 

3）本发明结构简单，操作方便，适用性广泛。 

附图说明

图1是本发明一个实施例的机床三向静刚度同步测试系统的结构示意图。 

图2是本发明三向加力仪的结构示意图。 

图3是本发明三向加力仪的转台组件结构示意图。 

图4是本发明三向加力仪的转动组件结构示意图。 

图5是本发明三向加力仪的加载组件结构示意图。 

图6是本发明三向加力仪的转动组件锁紧机构结构示意图。其中，6(a)是转动组件锁紧机构装配示意图，6(b)是加载架连杆的螺纹剖视图，6(c)是锁紧螺母的螺纹剖视图，6(d)是转台连杆的螺纹剖视图。 

图中，1、三向测力仪，2、三向加力仪，2-1、底座，2-2、转台组件，2-2-1、底座刻度盘，2-2-2、转台转动副，2-2-3、条形永磁体，2-2-4、转台，2-3、转动组件，2-3-1、转动架转动副，2-3-2、转动架刻度盘，2-3-3、转动架，2-3-4、手轮，2-3-5、传动齿轮轴，2-3-6、加载齿轮轴，2-4、加载组件，2-4-1、加载螺母，2-4-2、加载架，2-4-3、弹性件，2-4-4、顶杆，2-5、转动组件锁紧机构，2-5-1、加载架连杆，2-5-2、锁紧螺母，2-5-3、转台连杆，3、电荷放大器，4、载荷数据采集器，5、激光位移传感器，6、位移数据采集器，7、数据处理器，8、主轴，9、工作台。 

具体实施方式

本发明提出的机床三向静刚度同步测试系统及其静刚度测试方法结合附图及实施例详细说明如下： 

本发明的机床三向静刚度同步测试系统实施例的总体结构如图1所示，主要由载荷测量子系统、三向加力仪2、位移测量子系统和数据处理器7四部分组成，其中，三向加力仪2和位移测量子系统的输入端与机床主轴8相连，三向加力仪2的输出端和载荷测量子系统的输入端相连，位移测量子系统和载荷测量子系统的输出端与数据处理器7的输入端相连： 

三向加力仪2用于对机床施加沿X轴、Y轴、Z轴均成一定角度的载荷，载荷测量子系统用于测量机床沿X轴、Y轴、Z轴的载荷值，位移测量子系统用于测量机床沿X轴、Y轴、Z轴的变形值，数据处理器预先存储有数据处理程序，用于对载荷和变形值进行处理，得到机床的静刚度。 

各部分的具体实现方式结合各附图说明如下： 

本发明的载荷测量子系统包括三向测力仪1、电荷放大器3和载荷数据采集器4。将三向测力仪1放置在机床工作台9上，三向测力仪1上部放置三向加力仪2，三向加力仪2施加的载荷是三向测力仪1的输入。三向测力仪1的输出端通过电荷放大器3与载荷数据采集器4的输入端连接，载荷数据采集器4的输出端与数据处理器7的一个输入端连接。 

三向加力仪2的实施例结构如图2所示，包括依次连接成一体的底座2-1、转台组件2-2、转动组件2-3、加载组件2-4和转动组件锁紧机构2-5。其中，转台组件2-2结构如图3所示，包括底座刻度盘2-2-1、转台转动副2-2-2、条形永磁体2-2-3和转台2-2-4；条形永磁体2-2-3置于转台2-2-4内，转台2-2-4可通过条形永磁体2-2-3固定在转台转动副2-2-2上，转台转动副2-2-2位于底座刻度盘2-2-1的上面。 

转动组件2-3结构如图4所示，包括转动架转动副2-3-1、转动架刻度盘2-3-2、转动架2-3-3、手轮2-3-4、传动齿轮轴2-3-5和加载齿轮轴2-3-6；转动架转动副2-3-1位于转台2-2-4的上面，转动架刻度盘2-3-2位于转动架转动副2-3-1的上方，转动架2-3-3是一个上端和左端开孔的箱体，内部的空腔中设置由传动齿轮轴2-3-5和加载齿轮轴2-3-6连接组成的锥齿轮传动机构，传动齿轮轴2-3-5的上方安装手轮2-3-4，手轮2-3-4伸出转动架2-3-3上端的开孔，加载齿轮轴2-3-6伸出转动架2-3-3左侧的开孔。 

加载组件2-4结构如图5所示，包括加载螺母2-4-1、加载架2-4-2、弹性件2-4-3和顶杆2-4-4；加载架2-4-2是一个左、右两端开孔的箱体，加载齿轮轴2-3-6伸入右端的开孔，并与加载螺母2-4-1通过螺纹连接，加载螺母2-4-1左端连接弹性件2-4-3，弹性件2-4-3 左端连接顶杆2-4-4，顶杆2-4-4的左端伸出加载架2-4-2左侧的小孔。 

转动组件锁紧机构2-5结构如图6所示，包括加载架连杆2-5-1、锁紧螺母2-5-2和转台连杆2-5-3；加载架连杆2-5-1的上端连接加载架2-4-2，转台连杆2-5-3的下端连接转台2-2-4（如图2所示），加载架连杆2-5-1的下端和转台连杆2-5-3的上端与锁紧螺母2-5-2相连。 

三向加力仪底座2-1固定放置在三向测力仪1上部，底座2-1通过转台转动副2-2-2与转台组件2-2连接，转台组件2-2通过转动架转动副2-3-1与转动组件2-3连接，转动组件2-3与加载组件2-4之间通过加载齿轮轴2-3-6和加载螺母2-4-1连接，转动组件锁紧机构2-5的上下两端分别连接加载组件2-4的加载架2-4-2和转台组件2-2的转台2-2-4。 

位移测量子系统包括三个激光位移传感器5和与之匹配的三个位移数据采集器6。将三个激光位移传感器5放置在机床工作台9上，三个激光位移传感器5的输入端（测头）分别对准主轴8的X轴、Y轴、Z轴三个方向，三个激光位移传感器的输出端分别与三个位移数据采集器6的输入端连接，三个位移数据采集器6的输出端分别与数据处理器7的三个输入端连接。 

为了使本发明更为完善，提供以下实施例作为本发明在具体实施时的参考： 

三向测力仪1采用Kistler9257B三向测力仪，电荷放大器3采用HK9202电荷放大器，载荷数据采集器4采用与Kistler9257B三向测力仪匹配的载荷数据采集器，激光位移传感器5采用ooptoNCDT1700激光位移传感器，位移数据采集器6采用与ooptoNCDT1700激光位移传感器匹配的位移数据采集器，数据处理器7采用预先存储有数据处理程序对载荷和变形值进行数据处理。 

本发明提出的机床三向静刚度同步测试系统的连接方式如下： 

机床静刚度测试时，将三向测力仪1底座固定放置在机床工作台9上，将三向加力仪2底座固定放置在三向测力仪1上部。通过旋转转台转动副2-2-2调整并确定三向加力仪2沿机床坐标系X轴、Y轴方向的加载角度（转台转动副2-2-2可旋转360°，三向加力仪2可沿XY水平面内的任意角度施加载荷），旋转条形永磁体2-2-2将转台2-2-4吸附在底座2-1上，完成转台组件2-2锁紧。通过旋转转动架转动副2-3-1调整并确定三向加力仪2沿机床坐标系Z轴的角度（转动架转动副2-3-1可旋转90°，三向加力仪2可沿与XY水平面呈0～90°的任意角度施加载荷），通过转动架锁紧机构2-5将转动组件2-3和加载组件2-4锁紧，并使顶杆2-4-4与机床主轴8接触。三向测力仪1的输入是三向加力仪2施加的载荷，三向测力仪1的输出端通过电荷放大器3与载荷数据采集器4的输入端连接，载荷数据采集器4的输出端与数据处理器7的输入端连接。将三个激光位移传感器5的底座固定放置在机床工作台9上，测头分别测量主轴8相对工作台9沿X轴、Y轴、Z轴三个方向 的变形。三个激光位移传感器5的输出端与匹配的三个位移数据采集器6的输入端连接，位移数据采集器6的输出端与数据处理器7的输入端连接。从而完成试验系统连接。 

本发明提出的机床三向静刚度测试方法如下： 

将三向测力仪1底座放置在机床工作台9上，调整三向测力仪1的位置，使其X轴、Y轴、Z轴与机床坐标系的X轴、Y轴、Z轴三个方向对应，然后将三向测力仪1固定在工作台9上。三向测力仪1是三向加力仪2的支撑部分，必须具有足够的刚度，以保证试验过程中不会因为三向测力仪1本身的变形造成测量误差。三向测力仪1的三向灵敏度高，交叉灵敏度小，可以同时测量机床三个方向的载荷信号。 

将三向加力仪2的底座2-1固定放置在三向测力仪1上部，底座2-1通过转台转动副2-2-2与转台2-2-4连接，转台2-2-4的旋转角度范围为0～360°，旋转角度值由底座刻度盘2-2-1读数。转台2-2-4内设置条形永磁体2-2-3，条形永磁体2-2-3在转台2-2-4内旋转时会改变转台2-2-4下端的磁性强弱，磁性强时可将转台2-2-4吸附在底座2-1上，磁性弱时转台2-2-4可自由旋转。磁性弱时旋转转台2-2-4调整三向加力仪2沿X轴、Y轴的加载角度，完成角度设置后旋转条形永磁体2-2-3，将转台2-2-4吸附在底座2-1上，实现转台2-2-4锁紧。 

转动组件2-3与转台组件2-2通过转台转动副2-2-2连接，转动架2-3-3的旋转角度范围为0～90°，旋转角度值由转动架刻度盘2-3-2读数。转动架2-3-3为箱体结构，上端和左端开孔，内部设置锥齿轮传动机构，以实现相交轴之间的运动传递。转动架2-3-3上端设置手轮2-3-4，手轮2-3-4旋转地安装在转动架2-3-3上端的孔内并与传动齿轮轴2-3-5配合。旋转手轮2-3-4，手轮2-3-4带动传动齿轮轴2-3-5旋转，进而带动加载齿轮轴2-3-6旋转，从而实现载荷传递。 

加载架2-4-2为箱体结构，右端开孔与转动架2-3-3连接。加载齿轮轴2-3-6右端与传动齿轮轴2-3-5配合，左端通过螺纹与加载螺母2-4-1连接。加载螺母2-4-1左端安装弹性件2-4-3，弹性件2-4-3左端安装顶杆2-4-4。加载齿轮轴2-3-6通过螺纹带动加载螺母2-4-1旋转运动，加载螺母2-4-1压缩弹性件2-4-3，弹性件2-4-3对顶杆2-4-4施加压力，实现对待测物体表面加载。 

加载架连杆2-5-1上端设置在加载架2-4-2下部，加载架连杆2-5-1下端设置螺纹；转台连杆2-5-3下端设置在转台2-2-4左端，转台连杆2-5-3上端设置螺纹；锁紧螺母2-5-2通过螺纹连接加载架连杆2-5-1下端和转台连杆2-5-3上端。加载架连杆2-5-1下端、转台连杆2-5-3上端和锁紧螺母2-5-2三者上的螺纹对应地切除部分。当加载架连杆2-5-1和转台连杆2-5-3上的螺纹与锁紧螺母2-5-2上的螺纹配合时，转动架2-3-3锁紧；旋转锁紧螺母2-5-2，当加载架连杆2-5-1和转台连杆2-5-3上的螺纹与锁紧螺母2-5-2上的螺纹缺口对 应时，转动架2-3-3解锁，此时通过调整加载架连杆2-5-1、转台连杆2-5-3和锁紧螺母2-5-2三者的配合长度，使转动架2-3-3旋转，进而改变三向加力仪2沿Z轴的加载角度。完成加载角度设置后，旋转锁紧螺母2-5-2，使加载架连杆2-5-1和转台连杆2-5-3上的螺纹与锁紧螺母2-5-2上的螺纹配合，实现转动架2-3-3锁紧。 

通过以上操作设置完成三向加力仪2沿X轴、Y轴、Z轴三个方向的加载角度，并完成锁紧后，可对三向加力仪底座2-1安装平面上部三维空间的任意角度施加载荷。 

在机床工作台9上固定设置三个激光位移传感器5，激光位移传感器5测头距主轴8待测表面20～30mm，三个激光位移传感器5分别测量主轴8相对工作台9沿X轴、Y轴、Z轴三个方向的变形。 

启动系统所有部件使其处于正常工作状态，并调试三向测力仪1和激光位移传感器5的量程。通过三向加力仪2对机床主轴8缓慢、平稳地施加载荷，三向测力仪1测量沿X轴、Y轴、Z轴三个方向的载荷值F_x、F_y、F_z，通过电荷放大器3放大后由载荷数据采集器4采集，并传输至数据处理器7。激光位移传感器5测量主轴8相对工作台9沿X轴、Y轴、Z轴三个方向的变形值D_x、D_y、D_z，由位移数据采集器6采集后传输至数据处理器7。 

数据处理器7采用预先存储有数据处理程序对载荷和变形值进行数据处理，通过沿i轴方向施加的载荷F_i与j轴方向发生的变形值D_j之比，求得3×3阶静刚度矩阵K中的元素K_ij，即： 

$K_{\mathrm{ij}}=\frac{F_i}{D_j}$

最后汇总各元素，即可得到机床整机的静刚度矩阵K，即： 

$K=\left[\begin{array}{ccc}{k}_{\mathrm{xx}}& k_{\mathrm{xy}}& k_{\mathrm{xz}}\\ k_{\mathrm{yx}}& k_{\mathrm{yy}}& k_{\mathrm{yz}}\\ k_{\mathrm{zx}}& k_{\mathrm{zy}}& k_{\mathrm{zz}}\end{array}\right]$

其中：K_ij表示沿机床i轴方向施加载荷，在j轴方向产生的变形，且矩阵中的9个元素对应的均为静刚度连续曲线，最终完成机床3×3阶静刚度矩阵的求解。 

试验测试完成后卸除载荷，通过旋转转台2-2-4和转动架2-3-3，调整三向加力仪2的加载位置，通过上述步骤进行其他位置的静刚度测试。 

Claims (8)

1.一种机床三向静刚度同步测试系统，其特征在于，该系统包括：

载荷测量子系统，用于测量机床沿X轴、Y轴、Z轴的载荷值；

三向加力仪，用于对机床施加沿X轴、Y轴、Z轴均成设定角度的载荷；

位移测量子系统，用于测量机床沿X轴、Y轴、Z轴的变形值；

数据处理器预先存储有数据处理程序，用于对载荷和变形值进行处理，得到机床的静刚度；

其中，三向加力仪和位移测量子系统的输入端与机床主轴相连，三向加力仪的输出端和载荷测量子系统的输入端相连，位移测量子系统和载荷测量子系统的输出端与数据处理器的输入端相连。

2.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述载荷测量子系统包括三向测力仪、电荷放大器和载荷数据采集器；其中三向测力仪放置在机床工作台上，三向测力仪上部放置三向加力仪，三向加力仪施加的载荷是三向测力仪的输入；三向测力仪的输出端通过电荷放大器与载荷数据采集器的输入端连接，载荷数据采集器的输出端与数据处理器的一个输入端连接。

3.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述三向加力仪包括依次连接成一体的底座、转台组件、转动组件、加载组件和转动组件锁紧机构；其中，三向加力仪底座固定放置在三向测力仪上部，底座通过转台转动副与转台组件连接，转台组件通过转动组件的转动架转动副与转动组件连接，转动组件与加载组件之间通过转动组件的加载齿轮轴和加载组件的加载螺母连接，转动组件锁紧机构的上下两端分别连接加载组件的加载架和转台组的转台。

4.如权利要求3所述系统，其特征在于，所述转台组件包括底座刻度盘、转台转动副、条形永磁体和转台；条形永磁体置于转台内，转台通过条形永磁体固定在转台转动副上，转台转动副位于底座刻度盘的上面。

5.如权利要求3所述系统，其特征在于，所述转动组件包括转动架转动副、转动架刻度盘、转动架、手轮、传动齿轮轴和加载齿轮轴；转动架转动副位于转台的上面，转动架刻度盘位于转动架转动副的上方，转动架是一个上端和左端开孔的箱体，内部的空腔中设置由传动齿轮轴和加载齿轮轴连接组成的锥齿轮传动机构，传动齿轮轴的上方安装手轮，手轮伸出转动架上端的开孔，加载齿轮轴伸出转动架左侧的开孔。

6.如权利要求3所述系统，其特征在于，所述加载组件包括加载螺母、加载架、弹性件和顶杆；加载架是一个左、右两端开孔的箱体，加载齿轮轴伸入右端的开孔，并与加载螺母通过螺纹连接，加载螺母左端连接弹性件，弹性件左端连接顶杆，顶杆的左端伸出加载架左侧的小孔。

7.如权利要求3所述系统，其特征在于，所述转动组件锁紧机构包括加载架连杆、锁紧螺母和转台连杆；加载架连杆的上端连接加载架，转台连杆的下端连接转台，加载架连杆的下端和转台连杆的上端与锁紧螺母相连。

8.如权利要求1所述系统，其特征在于，位移测量子系统包括三个激光位移传感器和与之匹配的三个位移数据采集器；三个激光位移传感器放置在机床工作台上，三个激光位移传感器的输入端分别对准主轴的X轴、Y轴、Z轴三个方向，三个激光位移传感器的输出端分别与三个位移数据采集器的输入端连接，三个位移数据采集器的输出端分别与数据处理器的三个输入端连接。

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