CN103308338B - 一种基于三自由度并联机构的机床加载装置及加载试验方法 - Google Patents

Abstract

一种基于三自由度并联机构的机床加载装置，它是由机械加载平台和加载控制系统组成，加载控制系统用于操控机械加载平台；机械加载平台的并联三直线力加载模块的安装基座固定在数控机床的工作台上，加载工作台与机械加载平台的主轴力矩加载模块连接；主轴力矩加载模块的末端通过与数控机床主轴相连的机械接口和数控机床主轴连接；一种基于三自由度并联机构的机床加载试验方法，它有三大步骤：步骤一：机械加载平台的装夹；步骤二：初始化机械加载平台；步骤三：实际加载。本发明可广泛应用于各种类型的立式数控机床三维力和主轴扭矩的加载试验，得到机床在模拟工作状况下的性能参数，为进一步改进数控机床的性能提供试验依据。

Description

一种基于三自由度并联机构的机床加载装置及加载试验方法

技术领域

本发明涉及一种基于三自由度并联机构的机床加载装置及加载试验方法，属于模拟加载设备技术领域。

背景技术

到目前为止，随着装备制造技术的发展，数控机床作为具有高科技含量的现代化“工作母机”，已成为当代机械制造业的主流设备，其性能、质量和拥有量也是衡量一个国家工业现代化水平、综合国力的重要标志。然而我国在数控机床性能测试相关领域的研究方面还处于起步阶段，相关方法及规范还很少，各主要机床制造厂商在机床加载测试方法上的选择余地很小；同时，我国数控机床的产量与使用量非常大，这与性能加载试验手段的欠缺形成鲜明的对比。因此，需要一套高性能的加载试验装置，能够真实的模拟数控机床在实际加工中受到的复合载荷，不必进行真正的切削，来对数控机床进行高精度的加载试验，满足机床制造厂对数控机床性能测试的需求。

在当前的技术条件下，机床加载测试手段为对机床主轴进行单轴恒力恒速加载，这种加载方式使用单一的气缸或液压缸即可实现。然而这种加载方式存在诸多缺陷，例如：仅可实现单向压力或推力，无法实现往复加载；仅可实现恒力恒速度下的加载，无法实现变力和变速度加载；数控机床在工作时总是承受多向力，单轴加载实际上无法复现数控机床的实际载荷状态，因此单轴加载与机床真实工作状态下的受力状态存在很大的差异。由于上述制约，现有单轴加载测试手段进行加载试验评估结果的可信度不高，由单轴试验的结果来进行机床的性能评估存在较大的局限性，因此机床的多轴加载装置是发展的必然趋势。

并联机构作为一个由多个支链构成的闭环机构，具有结构简单、刚度高、承载能力大、无误差累积、高精度、易于实现高速运动等优点，近几年得到了突飞猛进的发展，应用也越来越广泛。例如：当前一些并联机床已经进入机床市场，说明并联机床的性能已达到商品机床的水平；并联机构还用于机器人误差补偿器、驾驶模拟器、天文望远镜调整平台、力传感器、加载试验机等，这都表明对并联机构相关理论的研究已比较深入和成熟。

针对我国数控机床多轴加载试验技术尚没有成功先例的问题，本发明依据上述并联机构的诸多优点，发明一种基于三自由度并联机构的机床加载装置及试验方法，可实现对机床主轴进行三维力和一个Z向（主轴）扭矩的随动加载，为机床加载测试提供一种新的高效试验手段。

发明内容

1、目的：本发明要解决的问题是提供一种基于三自由度并联机构的机床加载装置及加载试验方法，用于对小型立式数控机床进行三维力和一个Z向（主轴）扭矩的加载。可实现在对数控机床主轴施加指定的变化载荷的同时跟随机床的主轴进行空间运动。该装置可实现空间三自由度平动。该装置结构简单，安装及调试方便，整体机构质量较小，且能保证较高的运动精度。它为进行数控机床加载试验时施加多维载荷提供了一种高精度且高效的解决方案。

2、技术方案：

（1）本发明一种基于三自由度并联机构的机床加载装置，该装置由机械加载平台和加载控制系统两大部分组成，该加载控制系统操控机械加载平台。

所述机械加载平台设置于数控机床的工作台上，包括并联三直线力加载模块、主轴力矩加载模块。其位置连接关系为：并联三直线力加载模块一端通过直线电机的直线导轨固定在数控机床的工作台上，主轴力矩加载模块通过扭矩电机的法兰连接在并联三直线力加载模块的加载工作台的中心位置；主轴力矩加载模块的末端与数控机床的主轴连接，给数控机床主轴加载。该并联三直线力加载模块为由安装基座、底部球铰链、运动支链、顶部球铰链和加载工作台组成的P（4S）并联机构，其位置连接关系为：安装基座一端固定在数控机床的工作台上，另一端与底部球铰链通过螺栓连接，运动支链的两端通过球铰分别连接底部球铰链和顶部球铰链，顶部球铰链与加载工作台也是通过螺栓连接。该安装基座包括三组平行布置于数控机床的工作台上的直线电机的直线导轨，数控机床的工作台与直线电机的直线导轨之间通过螺栓连接，该直线电机的直线导轨上安装有直线电机的动子，直线电机的动子与运动支链的下端通过底部球铰链连接，该直线导轨的结构、形状是：长方形结构，上面加工有沟槽，以利于直线电机的动子的移动；该运动支链为并联三直线力加载模块的安装基座和加载工作台的连接装置，其两端与底部球铰链和顶部球铰链分别和直线电机的动子与加载工作台通过螺栓连接，运动支链中间串联安装有拉压力传感器，该拉压力传感器为单轴力传感器，为市购产品，该运动支链的形状是柱形结构，两端加工有与底部球铰链和顶部球铰链连接的螺纹轴；该底部球铰链和顶部球铰链的结构相同，采用的是圆形球窝与球头的结构形式；该加载工作台为圆形结构，其上沿周向方向分布有三组球铰链安装基座，每组球铰链安装基座中心连线的中点相连形成一等边三角形，加载工作台上端面固连有与数控机床主轴连接的主轴力矩加载模块，它可实现沿X、Y、Z向的平移。

该主轴力矩加载模块包含有扭矩电机和与数控机床主轴相连的机械接口，扭矩电机通过法兰与加载工作台的下端面通过螺钉连接，机械接口与加载工作台的上端面中心位置通过螺栓连接；该扭矩电机为市购件；该与数控机床主轴相连的机械接口，包括：结构框架、联轴器、减速装置、轴承和刀具夹持接口，其位置连接关系为：减速装置一端与联轴器通过键连接，另一端与扭矩电机连接，减速装置一端连接联轴器，另一端通过轴承与刀具夹持接口连接，减速装置安装在结构框架内，结构框架通过螺钉安装在加载工作台上；该结构框架为长方壳体结构件；该联轴器和轴承为市购件；该刀具夹持接口是圆柱形件。

所述的加载控制系统包括运动控制器、直线电机、驱动器、拉压力传感器和位移传感器，它们均为市购产品。其位置连接关系为运动控制器和驱动器安装在控制柜中，直线电机本身具有位移传感器，拉压力传感器安装在运动支链中；该运动控制器包括工业控制计算机、运动控制卡及其附带的控制软件，运动控制器通过输入的控制指令和反馈信号进行计算，向各运动支链发送加载控制指令；该驱动器为与直线电机配套的驱动器，主要的功能是将运动控制器的控制信号进行功率放大，驱动直线电机实施加载；该位移传感器为市购的直线电机自带的光栅尺，用来测量直线电机的位移，并向运动控制器反馈信息。

其中，该三直线力加载模块的数量是1套；该主轴力矩加载模块的数量是1套。

其中，该安装基座的数量是1套；该底部球铰链的数量是6套；该运动支链的数量是6套；该顶部球铰链的数量是6套；该加载工作台的数量是6套。

其中，该直线导轨的数量是3套；该直线电机的动子的数量是3套；该拉压力传感器的数量是6套。

其中，该扭矩电机的数量是3套；该与数控机床主轴相连的机械接口的数量是1套。

（2）本发明一种基于三自由度并联机构的机床加载试验方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：机械加载平台的装夹：将机械加载平台固定在试验机床的工作台上，完成机械加载平台与机床主轴的连接。

步骤二：初始化机械加载平台：由工业控制计算机发出初始化指令，初始化直线电机驱动器和加载控制系统，检验并确认机械加载平台的状态。

步骤三：实际加载：启动机床，同时使机床主轴沿指定轨迹运动，在加载控制系统作用下，采集拉压力传感器反馈力信号与力指令载荷谱信号在运动控制器中进行运算，得出力值的偏差信号并输出给伺服驱动器，保证机械加载平台按照已有的载荷谱数据库要求对被测机床进行加载试验，工业控制计算机中安装有加载装置状态监控程序，能够在加载过程中对机构当前的运动状态进行检测。加载过程为有限次的循环过程，具体的加载循环次数需要根据被测机床的性能指标来确定。

完成上述步骤后，可形成用于机床加载装置的控制算法。机床加载试验实施过程需要按照上述步骤进行。

3、优点及功效：本发明一种基于三自由度并联机构的机床加载装置及加载试验方法，与现有技术相比，其优势在于：

1）该加载装置可以在跟随数控机床主轴运动的同时，实现对主轴进行三向力和一个Z向扭矩的高速、高精度加载，对数控机床进行多维力测试，得到机床在模拟工作状况下的性能参数，为进一步改进数控机床的性能提供试验依据；

2）该加载装置进行数控机床加载试验避免了实际材料的切削，降低了试验成本，缩短了试验时间，减少了试验费用；

3）该加载装置具备一定的通用性，可应用于各种类型的立式数控机床三维力和主轴扭矩的加载试验。

4）加载试验方法可靠、先进。

附图说明

图1为机械加载平台结构示意图

图2为安装基座的结构示意图

图3为球铰链的结构示意图

图4为运动支链的结构示意图

图5为加载工作台的结构示意图

图6为主轴力矩加载模块的结构示意图

图7为加载装置的整体安装加载示意图

图中具体标号说明如下：

1、主轴力矩加载模块     2、加载工作台              3、运动支链

4、底部球铰链           5、数控机床的工作台        6、安装基座

7、顶部球铰链           8、机床主轴                9、直线导轨

10、直线电机的动子      11、球铰基座               12、球头

13、球头端盖            14、连杆                   15、拉压力传感器

16、扭矩电机            17、联轴器                 18、轴承

19、刀具夹持接口        20、减速装置               21、结构框架

22、数控机床            23、控制柜

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行具体实施方式进行阐述：

（1）本发明一种基于三自由度并联机构的机床加载装置，该装置由机械加载平台和加载控制系统两大部分组成。机械加载平台由三直线力加载模块和主轴力矩加载模块组成，机械加载平台的结构示意图如图1所示。其中，三直线力加载模块一端固定在数控机床的工作台5上，其加载工作台2通过主轴力矩加载模块1与机床主轴8连接。

如图1所示，三直线力加载模块是由安装基座6、6个底部球铰链4、6个顶部球铰链7、6条相同的运动支链3和加载工作台2组成，其加载工作台2可实现沿X、Y、Z向的平移。

如图2所示，三直线力加载模块的安装基座6包括3条平行放置的直线电机，直线电机由直线导轨9和直线电机的动子10组成，直线导轨9上安装有位移传感器。每个直线电机的动子10上均设有一组安装孔，用于螺钉安装六个底部球铰链4的球铰基座（如图4所示）。两对安装孔的平行于直线导轨9布置，一对安装孔垂直于直线导轨9布置，以便满足三直线力加载模块的球铰链的实际布置。在本发明的加载装置中，直线电机作为加载动力装置，根据加载控制系统的控制信号输出指定的驱动力，并且被动的满足三直线力加载模块的加载工作台2的位置跟随要求。

如图3所示，底部球铰链4是由球铰基座11、球头12和球头端盖13连接而成。球头端盖13通过螺钉与球铰基座11固定并且将球头12铰接在球铰基座11上加工的球窝内，球头12在球铰基座11的球窝内可实现360度转动。球铰基座上下端面的安装孔成45度交叉加工，以便增加球铰链的强度。球头12的伸出轴上加工有螺纹，用于螺纹连接三直线力加载模块的运动支链3上的连杆（如图4所示）。顶部球铰链7与底部球铰链4完全相同，其球铰基座的安装孔用于螺钉连接加载工作台2，如图5所示。

如图4所示，三直线力加载模块的运动支链3是由连杆14和拉压力传感器15连接而成。连杆14一端加工有螺纹孔，与安装基座6上的球头实现螺纹连接；另一端为一伸出轴，其上加工有螺纹，与拉压力传感器15通过螺纹连接。拉压力传感器15的作用是实时测量加载过程中各运动支链3上的单向力，同时反馈给加载控制系统，通过误差调整，并借助直线电机进行力控制，达到输出指定力载荷的目的。

如图6所示，主轴力矩加载模块由扭矩电机16和与机床主轴连接的机械接口组成。与机床主轴连接的机械接口包括结构框架21、联轴器17、减速装置20、轴承18和刀具夹持接口19。结构框架21与加载工作台2通过螺栓连接；与机床主轴连接的机械接口通过刀具夹持接口19将机床的刀具和机械加载平台连接在一起，刀具夹持接口19与轴承18为过盈配合，轴承18通过过盈配合与减速装置20连接，减速装置20与结构框架21通过四个安装孔形成螺纹连接，减速装置20的另一端加工有伸出轴，与联轴器17通过键连接。机械接口的功能是传递机械加载平台和测量刀具之间的作用扭矩，同时降低机床主轴传递给扭矩电机16的转速，避免对扭矩电机16的损坏。

如图7所示所述加载控制系统部分中的运动控制器和驱动器安装在控制柜23中，拉压力传感器15安装在运动支链3的中部，位移传感器安装在直线导轨基座上。控制柜23中的硬件包括电机伺服驱动器、运动控制器和工业控制计算机，系统硬件之间主要通过电缆连接。

（2）如图7所示，本发明一种基于三自由度并联机构的机床加载试验方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：机械加载平台的装夹：将机械加载平台固定到数控机床的工作台5上，调整数控机床的工作台5的位置以及机械加载平台的位姿，使机械加载平台的力矩加载模块1与机床主轴8固连。

步骤二：初始化机械加载平台：由工业控制计算机发出初始化指令，初始化直线电机驱动器和加载控制系统，检验并确认机械加载平台的状态。

步骤三：实际加载：启动机床，同时使机床主轴沿指定轨迹运动，在加载控制系统作用下，采集拉压力传感器15反馈力信号与力指令载荷谱信号在运动控制器中进行运算，得出力值的偏差信号并输出给伺服驱动器，保证机械加载平台按照已有的载荷谱数据库要求对被测机床进行加载试验，工业控制计算机中安装有加载装置状态监控程序，能够在加载过程中对机构当前的运动状态进行检测。加载过程为有限次的循环过程，具体的加载循环次数需要根据被测数控机床的性能指标来确定。

Claims (3)

1.一种基于三自由度并联机构的机床加载试验方法，该方法的实施是利用三自由度并联机构的机床加载装置，该装置由机械加载平台和加载控制系统两大部分组成，该加载控制系统操控机械加载平台；

所述机械加载平台设置于数控机床的工作台上，包括并联三直线力加载模块和主轴力矩加载模块；并联三直线力加载模块一端通过直线电机的直线导轨固定在数控机床的工作台上，主轴力矩加载模块通过扭矩电机的法兰连接在并联三直线力加载模块的加载工作台的中心位置；主轴力矩加载模块的末端与数控机床的主轴连接，给数控机床主轴加载；该并联三直线力加载模块为由安装基座、底部球铰链、运动支链、顶部球铰链和加载工作台组成的P即4S并联机构，安装基座一端固定在数控机床的工作台上，另一端与底部球铰链通过螺栓连接，运动支链的两端通过球铰分别连接底部球铰链和顶部球铰链，顶部球铰链与加载工作台通过螺栓连接；该安装基座包括三组平行布置于数控机床的工作台上的直线电机的直线导轨，数控机床的工作台与直线电机的直线导轨之间通过螺栓连接，该直线电机的直线导轨上安装有直线电机的动子，直线电机的动子与运动支链的下端通过底部球铰链连接，该直线导轨是长方形结构，上面加工有沟槽，以利于直线电机的动子的移动；该运动支链为并联三直线力加载模块的安装基座和加载工作台的连接装置，其两端与底部球铰链和顶部球铰链分别和直线电机的动子与加载工作台通过螺栓连接，运动支链中间串联安装有拉压力传感器，该拉压力传感器为单轴力传感器，该运动支链的形状是柱形结构，两端加工有与底部球铰链和顶部球铰链连接的螺纹轴；该底部球铰链和顶部球铰链的结构相同，采用的是圆形球窝与球头的结构形式；该加载工作台为圆形结构，其上沿周向方向分布有三组球铰链安装基座，每组球铰链安装基座中心连线的中点相连形成一等边三角形，加载工作台上端面固连有与数控机床主轴连接的主轴力矩加载模块，它能实现沿X、Y、Z向的平移；该主轴力矩加载模块包含有扭矩电机和与数控机床主轴相连的机械接口，该扭矩电机通过法兰与加载工作台的下端面通过螺钉连接，机械接口与加载工作台的上端面中心位置通过螺栓连接；该与数控机床主轴相连的机械接口，包括：结构框架、联轴器、减速装置、轴承和刀具夹持接口，减速装置一端与联轴器通过键连接，另一端与扭矩电机连接，减速装置一端连接联轴器，另一端通过轴承与刀具夹持接口连接，减速装置安装在结构框架内，结构框架通过螺钉安装在加载工作台上；该结构框架为长方壳体结构件；该刀具夹持接口是圆柱形件；

所述的加载控制系统包括运动控制器、直线电机、驱动器、拉压力传感器和位移传感器，运动控制器和驱动器安装在控制柜中，直线电机本身具有位移传感器，拉压力传感器安装在运动支链中；该运动控制器包括工业控制计算机、运动控制卡及其附带的控制软件，运动控制器通过输入的控制指令和反馈信号进行计算，向各运动支链发送加载控制指令；该驱动器为与直线电机配套的驱动器，其功能是将运动控制器的控制信号进行功率放大，驱动直线电机实施加载；该位移传感器为直线电机自带的光栅尺，用来测量直线电机的位移，并向运动控制器反馈信息；

其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：机械加载平台的装夹：将机械加载平台固定在试验机床的工作台上，完成机械加载平台与机床主轴的连接；

步骤二：初始化机械加载平台：由工业控制计算机发出初始化指令，初始化直线电机驱动器和加载控制系统，检验并确认机械加载平台的状态；

步骤三：实际加载：启动机床，同时使机床主轴沿指定轨迹运动，在加载控制系统作用下，采集拉压力传感器反馈力信号与力指令载荷谱信号在运动控制器中进行运算，得出力值的偏差信号并输出给伺服驱动器，保证机械加载平台按照已有的载荷谱数据库要求对被测机床进行加载试验，工业控制计算机中安装有加载装置状态监控程序，能够在加载过程中对机构当前的运动状态进行检测；加载过程为有限次的循环过程，具体的加载循环次数需要根据被测机床的性能指标来确定。

2.根据权利要求1所述的一种基于三自由度并联机构的机床加载试验方法，其特征在于：该三直线力加载模块的数量是1套；该主轴力矩加载模块的数量是1套。

3.根据权利要求1所述的一种基于三自由度并联机构的机床加载试验方法，其特征在于：该直线导轨的数量是3套；该直线电机的动子的数量是3套；该拉压力传感器的数量是6套。