CN103862328A - 一种机床末端三维静刚度的测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种机床末端三维静刚度的测试装置，动力装置采用额定载荷高的液压装置，传力装置采用传动效率高、结构可靠的圆筒式直线导轨副结构，结构简单紧凑、传力效率高，加载过程平滑、稳定，传力装置与机床末端的连接采用弹簧柔性连接，能有效吸收外界干扰形成的附加位移和附加荷载，有效保护机床末端结构。一种机床末端三维静刚度测试装置的控制系统，能自动控制加载、测量、计算静刚度的全过程，界面友好、控制精准。一种机床末端三维静刚度的测试方法，单向加载机构配合机床本身的回转功能实现三维加载，采用控制系统装置和控制系统控制测试全过程，方法操作简单、测量精度高。

Description

一种机床末端三维静刚度的测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种机床末端静刚度的测试装置及测试方法，特别涉及一种用于精密/安全的多轴加工工艺系统末端三维静刚度的测试装置及测试方法，属于机床性能测试技术领域。

背景技术

多轴数控机床正日益广泛地应用于机械制造尤其是高精度加工领域。多轴数控机床一般是由多个平动轴、转动关节、刀具-主轴等构成的加工工艺系统，该工艺系统末端静刚度值的大小受到构成该系统的各个部分的刚度性能的影响，加上机床几何精度等的影响，往往很难计算或模拟得出精确结果。作为机机床末床性能表征的重要参数，机床末端的静刚度的精确测量尤为重要。

发明专利申请：“一种机床三维静刚度加载试验装置及试验方法”，公布日：2013.01.02，公告号：CN102853978A，公开了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。但是，上述发明专利申请公开的机床三维静刚度测量装置存在明显的缺陷与不足：

一是采用并联加载机构对机床末端实现三维方向的加载，并联机构为3－PSS结构，包括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，还包括布置在静平台上的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。整个加载装置结构非常复杂，包含三组电机加载及传力装置，成本高昂且操作不便。并且，上述测试装置不适用具有较高精度的多轴数控机床，现有多轴数控机床一般都具有多个回转轴，位于被测刀具端或者工作台端，因而可以通过机床在多个轴上的回转操作配合，达到测量所需方向静刚度的需求，而无需采用如上述发明专利申请所公开的非常复杂的并联加载机构实现三维方向的加载。

二是加载机构与机床末端通过加载芯轴连接，加载芯轴的带锥度端与被测机床的主轴锥孔相配，实现与机床主轴的刚性连接。这种加载机构与机床末端的刚性连接，对于机床末端受力极为不利。机床末端执行部件有时会受到外界干扰（例如工作台振动等）而产生微小的位移和偏离，由于机床末端与加载机构为刚性连接，即使微小和位移和偏离都将导致末端承受荷载突然增大，而诸如数控机床刀具的部件一般能承受的力和变形是很小的，一般在0.01～0.1mm以下，因而陡增的位移或荷载极可能对机床末端产生破坏作用。

三是加载机构通过伺服电机、传动丝杠实现加载，伺服电机的额定加载载荷远小于液压装置，因而不能适用大规格机床静刚度的测量需要；传动丝杠结构占据空间较大，且操作较为复杂。现有技术中也有采用液压装置作为加载机构的，但需要通过丝杠调整液压缸位置，操作复杂且需要较大的操作空间，给结构布置带来不便，并且丝杠结构还增加了传递链，导致测量误差增大。

发明内容

本发明旨在针对现有技术的多轴数控机床末端三维静刚度的测量装置存在的加载机构复杂、施加荷载较小、测量端的刚性连接易损坏末端结构等缺陷与不足，提供一种机床末端三维静刚度的测试装置与测试方法，加载装置为简单的单方向加载结构，配合机床转动实现三维方向的加载，并且施力装置与机床末端的连接为柔性连接，能有效保护机床末端结构，传动装置采用传动效率高、结构可靠的圆柱副结构，加载结构采用额定载荷高的液压装置，整个测试装置结构简单紧凑，便于安装调节，测试装置与测试方法兼具精密性、安全性和通用性的特点。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种机床末端三维静刚度的测试装置，包括动力装置、传力装置、控制装置和位移测量装置，所述动力装置包括液压缸和活塞，所述传力装置包括由导轨、传动轴组成的圆筒直线型导轨副，所述传动轴的固定连接活塞并套接于导轨内，另一端悬于导轨之外，并依次固定连接环状凸台、套接压力传感器和弹簧，所述弹簧末端外侧套接有套筒，所述套筒的远离弹簧的一侧设有内螺纹，所述传力装置还包括连接头，所述连接头的一端设有与套筒的内螺纹相旋合的外螺纹，另一端设有与机床刀具末端的形状相配合的凹形约束面，所述环状凸台的直径大于导轨的内筒直径，所述传动轴与导轨间隙配合、与压力传感器间隙配合、与弹簧过盈配合，所述弹簧的末端与套筒过盈配合。

一种机床末端三维静刚度的测试装置，所述连接头的凹形约束面为半圆柱面，所述半圆柱面的母线垂直于连接头的纵轴线，所述半圆柱面的中部被截出一个垂直于连接头的纵轴线的圆形平面。

一种机床末端三维静刚度的测试装置，所述测试装置还包括L型的底座，所述液压缸和导轨分别与底座用螺栓固定连接。

一种机床末端三维静刚度的测试装置，所述底座的底部设置有回转装置，所述回转装置可使底座在水平、竖直平面上做360度全回转。

一种机床末端三维静刚度的测试装置，所述动力装置还包括电磁阀，所述控制装置的输出端与电磁阀相连接，所述电磁阀与液压缸相连。

一种机床末端三维静刚度的测试装置，所述位移测量装置为激光位移传感器。

一种机床末端三维静刚度的测试装置，所述传动轴与活塞连接的一端至环状凸台的长度，大于导轨的长度与弹簧的最大压缩变形长度δL之和。

一种机床末端三维静刚度的测试装置，所述压力传感器的厚度l₈、传动轴套接弹簧（9）的一端到环状凸台的长度l_7r、弹簧的自由长度l₉、弹簧最大压缩变形长度δL和套筒的长度l₁₀之间满足如下关系：

l₉-l_7r+l₈＝δL

l₉-l₁₀＞δL

一种用于权利要求1所述的机床末端三维静刚度的测试装置的控制系统，所述控制系统包括施力控制系统、位移采集控制系统、静刚度计算控制系统；

所述施力控制系统包括启动、预紧、卸载、停止动作的按钮，分别用于向动力装置发出开始加载、加载至预紧荷载值、卸载、停止加载的控制信号，所述施力控制系统还包括用于输入设定加载值的输入框和发送设定加载值的发送按钮，以及显示实际加载值的显示框，所述施力控制系统还包括用于保存加载力值的保存力值按钮；

所述位移采集控制系统包括开始采集、暂停采集、结束采集的按钮，分别用于向位移测量装置发出对应的控制信号，所述位移采集控制系统还包括用于显示实际位移值的显示框，所述位移采集控制系统还包括清零、保存位移值、位移处理的按钮，所述清零按钮用于清除当前位移值，所述保存位移值按钮用于保存当前位移值，所述位移处理按钮用于按照预设程序对采集的一组位移数据进行计算得到最终的位移值；

所述静刚度计算控制系统包括静刚度计算、保存静刚度的按钮，分别用于计算、保存静刚度值，所述静刚度计算控制系统还包括用于显示静刚度的显示框。

一种机床末端三维静刚度的测试装置的测试方法，包括以下步骤：

1）将机床末端三维静刚度测试装置固定于机床的工作台上，并使测试装置的轴向方向与机床X轴相平行；

2）将机床沿X、Y、Z三个平动轴平移，使得机床刀具末端正好置于连接头的凹形配合面内；

3）安装激光位移传感器，调整激光位移传感器的位置使激光射程在量程范围内，调整光源方向使激光光斑落在机床刀具末端上；

4）控制装置向动力装置发出启动信号，动力装置和传力装置开始向机床末端施加预紧力，压力传感器实时地反馈压力值，当压力传感器反馈的压力值达到预紧荷载值时，控制系统向动力装置发出结束施力的控制信号，结束预紧过程；

5）控制装置清除预紧过程形成的位移值；

6）控制装置输入一个加载值并向动力装置发出向机床刀具末端施加该加载值的控制信号，动力装置开始施力，当压力传感器检测到的压力值达到加载值时，控制装置向动力装置发出停止施力的控制信号，动力装置停止施力；

7）控制装置采集位移值并按预设程序计算得到最终位移值；

8）控制装置保存测得力和位移数据，完成第一组数据的测试和记录；

9）控制装置清除上一次加载过程形成的位移值，输入下一个加载值，重复步骤（6）-（8），完成下一组数据的测试和记录，

10）重复步骤9），直到依次完成所需的各组数据的测试和记录；

11）控制装置按照预设程序计算并保存机床末端的X方向的静刚度值；

12）控制装置发出卸载指令，使动力装置和传力装置恢复到初试位置，然后将机床工作台绕Z轴水平旋转90度，使测试装置的轴向方向与机床Y轴平行；

13）重复步骤2）--11），得到机床末端的Y方向的静刚度值；

14）控制装置发出卸载指令，使动力装置和传力装置恢复到初试位置，然后将机床工作台绕X轴竖直旋转90度，使测试装置的轴向方向与机床Z轴平行，再将金属薄片固定连接在机床刀具末端上；

15）将机床沿X、Y、Z三个平动轴平移，使得刀具末端部分正好置于连接头的凹形配合面内；

16）调整激光位移传感器的位置使激光射程在量程范围内，调整光源方向使激光光斑落在金属薄片上；

17）重复步骤4）-11），得到机床末端的Z方向的静刚度值。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：

1、动力装置为简单的单方向加载结构，配合机床回转操作可实现X、Y、Z三个轴上的施力，达到测量三维静刚度的需求，充分利用了多数高精度数控机床均具有的回转功能，省略了现有技术的非常复杂的并联加载机构，极大地简化了结构，节约了成本。

2、传力装置中设有弹簧装置，将加载系统与机床末端的刚性连接变为柔性连接，可通过弹簧吸收由于外部振动、干扰、液压控制失灵等因素对末端形成的附加位移和附加荷载，有效地保护机床末端结构。

3、采用异形结构的连接头与机床刀具末端配合连接，连接头的异形弧状凹面在X、Y、Z三个方向上都能够保持与机床刀具末端的足够面接触，形成对机床刀具末端在施力方向上的良好几何约束，可有效防止加载过程中刀具的位置偏离，确保加载和测量的顺利实施。

4、传力装置采用由液压活塞、传动轴、连接头构成的直线传力路线，并采用圆筒式直线导轨副作为支承和约束结构，传力机构简单紧凑、传力效率高，施力过程平滑、稳定。

5、L型底座结构简单、功能完善、通用性强，L型底座通过定位孔和螺栓固定连接液压缸和圆筒式直线导轨，并通过液压缸和导轨进一步连接其它构件，从而将整个施力装置紧凑连接在一起，提高了装置的一体化程度，并且方便固定于被测系统工作台上。

6、在测量装置的底部加装回转装置后，即可通过调整装夹固定位置而调节施力方向，实现测量三维静刚度的需要，因而可以适用于没有回转装置的机床的三维静刚度测量，显著增强了本测量装置的通用性。加装的回转装置可以在市场中购置成品，直接配合使用。

7、采用激光位移传感器测量末端位移，相比千分尺、电感测微仪等测量设备，具有测量精度高、采集速度快、抗光电干扰能力强、便于数据传输等优点，具特别适用于整体刚度好、末端偏离量小的精密数控机床的静刚度测量。

8、用于测试装置的控制系统功能完善、操作方便、界面友好、自动化程度高，可对施力、位移测量、静刚度计算过程进行全自动控制，还设置有采集信号的实时显示功能，便于操作者在实测过程中进行判断和参考，还设置有多组压力-位移值、静刚度的自动计算与数据保存功能，可为理论研究分析提供详实的数据基础。

附图说明

图1是本发明的机床末端三维静刚度的测试装置的结构示意图。

图2是本发明的机床末端三维静刚度的测试装置的动力装置和传力装置的结构示意图。

图3是本发明的机床末端三维静刚度的测试装置测量X轴方向静刚度的示意图。

图4是本发明的机床末端三维静刚度的测试装置测量Y轴方向静刚度的示意图。

图5是本发明的机床末端三维静刚度的测试装置测量Z轴方向静刚度的示意图。

图6是本发明的机床末端三维静刚度的测试装置的连接头的结构示意图。

图7是本发明的机床末端三维静刚度的测试装置测量X/Y轴方向静刚度连接头与刀具的接触局部放大示意图。

图8是本发明的机床末端三维静刚度的测试装置测量Z轴方向静刚度连接头与刀具的接触局部放大示意图。

图中具体标号说明如下：1--动力装置，2--传力装置，3--控制装置，4-位移测量装置，5--底座，6—机床刀具末端，7--金属薄片，11--电磁阀，12--液压缸，13--活塞，21--导轨，22-传动轴，23--压力传感器，24--弹簧，25--套筒，26--连接头，27--环状凸台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述，所述实施例仅用于解释本装置在某类型五轴数控机床上的应用，并非限定。

参见图1和图2，本发明提供的机床末端三维静刚度的测试装置的结构示意图，测试装置包括动力装置1、传力装置2、控制装置3和位移测量装置4。动力装置1为液压动力装置，包括液压缸12和活塞13。动力装置1为满足液压动力需要，也包括油缸、液压泵、过滤器、溢流阀、蓄能器等本领域技术人员通晓的液压构件。传力装置采用圆筒式直线导轨副结构，包括导轨21、传动轴22、压力传感器23、弹簧24、套筒25和连接头26。活塞13与传动轴22的一端固定连接，连接方式可采用螺纹连接或者过盈配合的套接。传动轴22的另一端悬于导轨21之外，并依次固定连接环状凸台27、套接压力传感器23和弹簧24。弹簧24末端外侧套接有套筒25，套筒25的远离弹簧24的一侧设有内螺纹，并与连接头26的一端的外螺纹相旋合，连接头的另一端设有与机床刀具末端6的形状相配合的凹形约束面。其中，环状凸台27的直径大于导轨21的内筒直径，传动轴22与导轨21间隙配合、与压力传感器23间隙配合、与弹簧24过盈配合，弹簧24的末端与套筒25过盈配合。

本发明提供的机床末端三维静刚度的测试装置，传力装置2采用圆柱副和弹簧传动，圆柱副传动简单、平稳，弹簧传动在传递力的同时吸收了位移量，并能吸收可能出现的冲击、振动等以避免施力和传动系统对被测系统的破坏，从而保证系统的安全性。连接头26可以有多种规格，使用时根据不同刀具更换合适的连接头26。

本发明提供的机床末端三维静刚度的测试装置，连接头26的凹形约束面为异型弧状凹面。参见图6，连接头26的凹形约束面为半圆柱面，并且半圆柱面的母线垂直于连接头26的纵轴线，半圆柱面的中部被截出一个垂直于连接头26的纵轴线的圆形平面。参见图7、8，测量X、Y、Z轴方向静刚度时，连接头26的凹形约束面与机床刀具末端6均有较大的接触面积，因而能形成对机床刀具末端6的有效约束。

本发明提供的机床末端三维静刚度的测试装置，还包括L型的底座5，液压缸12、导轨21分别与底座5用螺栓固定连接。为便于将构件连接在底座5上，可在底座5上的对应位置设置适应各个构件形状的定位孔，然后将构件通过螺栓与底座相连接。参见图2，液压缸12可沿缸壁轴向固定若干长脚螺栓，在L型的底座5的竖板上对应位置设置定位孔，然后通过螺栓将液压缸12与底座5固定连接。导轨21可沿轴向两侧设置突出的安装台，并在安装台和底座5的对应位置设置定位孔，然后通过螺栓将导轨21和底座5固定连接。当液压缸12和导轨21固定连接在底座5上后，测试装置的其它构件包括活塞13、传动轴22，以及连接在传动轴22上的压力传感器23、弹簧24、套筒25、连接头26、环状凸台27等也与底座5固定连接，从而将动力装置和传力装置固定连接在底座5上，提高了装置的一体化程度，并且方便固定于被测系统工作台上。

本发明提供的一种机床末端三维静刚度的测试装置，还可以在底座5的底部设置回转装置，回转装置可使底座5在水平、竖直平面上做360度全回转。在测量装置的底部加装回转装置后，即可通过调整装夹固定位置而调节施力方向，实现测量三维静刚度的需要，因而可以适用于没有回转装置的机床的三维静刚度测量，显著增强了本测量装置的通用性。加装的回转装置可以在市场中购置成品，直接配合使用。

本发明提供的机床末端三维静刚度的测试装置，动力装置1还包括电磁阀11。其中，电磁阀11为三位四通电磁阀，液压缸12为单端双作用液压缸。当需要增大施力时，电磁阀11左端电磁铁通电，工作于左位，活塞13向外运动推动带动传动轴等向刀具6加载；需要保持施力值时，电磁阀11两端电磁铁均断电，工作于中位，活塞13停止运动，保持当前位置状态；需要卸载施力时，电磁阀右端电磁铁通电，工作于右位，活塞13向左运动直至初试位置，传动轴等机构在弹簧的作用下也恢复到初试位置。电磁阀11两端的电磁铁的通断电，由控制装置3通过测量反馈值和预设程序确定并发出的相应控制信号自动控制。

本发明提供的机床末端三维静刚度的测试装置，控制装置3为装有控制系统的计算机，控制装置3优选采用上位机和下位机装置，上位机进行指令的发送、接收和处理数据，下位机进行指令的接收、处理和数据的传输。

本发明提供的机床末端三维静刚度的测试装置，位移测量装置4优选激光位移传感器。

本发明提供的机床末端三维静刚度的测试装置，传动轴22与活塞13连接的一端至环状凸台27的长度，大于导轨21的长度与弹簧24的最大压缩变形长度之和。环状凸台27将传动轴22分为左右两侧，传动轴22的左侧与导轨21形成圆筒式直线连接副，用于支撑传动轴并约束传动方向。将传动轴22与活塞13连接的一端至环状凸台27的长度，设置为大于导轨21的长度与弹簧24的最大压缩变形长度之和，也即是保证在弹簧24被最大程度压缩时，传动轴22的左端至少与导轨21的左端平齐或者伸出导轨21的左端，使传动轴22与导轨21保持最大的接触长度，确保导轨21对传动轴22的有效支承与导向作用。

本发明提供的机床末端三维静刚度的测试装置，压力传感器23的厚度l₈、传动轴22套接弹簧9的一端到环状凸台27的长度（传动轴右侧长度）l_7r、弹簧24的自由长度l₉、弹簧24的最大压缩变形长度δL和套筒25的长度l₁₀之间满足如下关系：

l₉-l_7r+l₈＝δL

l₉-l₁₀＞δL

满足○1式，即当弹簧24被最大程度压缩时，压力传感器23和弹簧24的长度之和正好等于传动轴右侧长度，也即是弹簧24正好完全套接在传动轴22上；满足2○式，则使当弹簧24被最大程度压缩时的长度大于套筒25的长度，这样施力的量程中最大值得到了满足。

本发明提供的用于机床末端三维静刚度的测试装置的控制系统包括施力控制系统、位移采集控制系统、静刚度计算控制系统。

施力控制系统包括启动、预紧、卸载、停止动作的按钮，分别用于向动力装置1发出开始加载、加载至预紧荷载值、卸载、停止加载的控制信号，还包括用于输入设定加载值的输入框和用于发送设定加载值的发送按钮，以及显示实际加载值的显示框，还包括用于保存加载力值的保存力值按钮；

位移采集控制系统包括开始采集、暂停采集、结束采集的按钮，分别用于向位移测量装置4发出对应的控制信号，还包括用于显示实际位移值的显示框，还包括清零、保存位移值、位移处理的按钮，清零按钮用于清除当前位移值，保存位移值按钮用于保存当前位移值，位移处理按钮用于按照预设程序对采集的一组位移数据进行计算得到最终的位移值；

静刚度计算控制系统包括静刚度计算、保存静刚度的按钮，分别用于计算和保存静刚度值，还包括用于显示静刚度的显示框。

本发明提供的用于测试装置的控制系统功能完善、操作方便、界面友好、自动化程度高，可对施力、位移测量、静刚度计算过程进行全自动控制，并可根据需要保存多组压力-位移值以更精确计算静刚度，也为理论研究分析提供详实的数据支持。

本发明提供的机床末端三维静刚度的测试装置的测试方法，包括以下步骤：

1)将机床末端三维静刚度测试装置固定于机床的工作台上，并使测试装置的轴向方向与机床X轴相平行；

2）将机床沿X、Y、Z三个平动轴平移，使得机床刀具末端6正好置于连接头26的凹形配合面内；

3）安装激光位移传感器，调整激光位移传感器的位置使激光射程在量程范围内，调整光源方向使激光光斑落在机床刀具末端6上；

4）在控制装置3的操作界面上分别点击“启动”、“预紧”按钮，向动力装置1发出启动和预紧信号，动力装置1和传力装置2开始向机床末端施加预紧力，压力传感器23实时地反馈压力值，当压力传感器23反馈的压力值达到预紧荷载值时，系统自动判断预警成功，然后控制系统（3）向液压动力系统（1）发出结束施力的控制信号，结束预紧过程，并弹出提示对话框“完成预紧！”；

5）在控制装置3的操作界面中点击“位移采集系统控制”中的“清零”按钮，清除预紧过程形成的位移值；

6）在控制装置3的操作界面中的施力值输入框中输入一个加载值，点击发送，即向动力装置1发出向机床刀具末端6施加该力值的控制信号，动力装置1开始施力，当压力传感器23检测到的压力值达到加载值时，控制装置3向动力装置1发出停止施力的控制信号，动力装置1停止施力；

7）在控制装置3的操作界面上点击“开始采集”，控制装置3即按照预设程序的采集频率采集一定数量的位移值进行处理，计算得到最终位移值，或者根据需要通过点击“暂停采集”、“结束采集”和“位移处理”，自由选择采集数据，并计算得到最终位移值；

8）在控制装置3的操作界面上依次点击“保存力值”和“保存位移值”，将测得的第一组数据保存在文件中，完成第一组数据的测试和记录；

9）在控制装置3的操作界面中点击“位移采集系统控制”中的“清零”按钮，清除上一次加载过程形成的位移值，然后在施力值输入框中输入下一个加载值，重复步骤6）--8），完成下一组数据的测试和记录，

10）重复步骤9），直到依次完成所需的各组数据的测试和记录；

11）在控制装置3的操作界面中依次点击“静刚度计算”和“保存静刚度”，计算并保存机床末端的X方向的静刚度值，具体计算方法为先计算每组数据的静刚度值，然后取平均值即为最后的静刚度值；

12）在控制装置3的操作界面上点击“卸载”按钮，使动力装置1和传力装置2恢复到初试位置，然后将机床工作台绕Z轴水平旋转90度，使测试装置的轴向方向与机床Y轴相平行；

13）重复步骤2）--11），得到机床末端的Y方向的静刚度值；

14）在控制装置3的操作界面上点击“卸载”按钮，使动力装置1和传力装置2恢复到初试位置，然后将机床工作台绕X轴竖直旋转90度，使测试装置的轴向方向与机床Z轴相平行，再将金属薄片7固定连接在机床刀具末端6上，这样激光束打在金属薄片上，测得金属薄片随刀具纵向移动的位移值就是机床末端在Z轴方向上移动的位移值；

15）将机床沿X、Y、Z三个平动轴平移，使得机床刀具末端6正好置于连接头26的凹形配合面内；

16）调整激光位移传感器的位置使激光射程在量程范围内，调整光源方向使激光光斑落在金属薄片7上；

17）重复步骤4）-11），得到机床末端的Z方向的静刚度值。

本发明提供的上述使用机床末端三维静刚度测试装置的测试方法，适用于五轴数控机床，该机床的进给运动具有X、Y、Z三个方向的平动轴，以及绕着X、Z轴方向的两个转动轴。现有高精度数控机床一般均具有上述五轴，因而均能适用上述方法。如果需要测试的机床不具有上述五轴，则可以采用在测试装置底部加装市售的回转装置的方法，通过调整装置的装夹固定而调整施力方向，其余测试方法与步骤与上述方法一致。

Claims (10)

1.一种机床末端三维静刚度的测试装置，包括动力装置（1）、传力装置（2）、控制装置（3）和位移测量装置（4），其特征在于：所述动力装置（1）包括液压缸（12）和活塞（13），所述传力装置（2）包括由导轨（21）、传动轴（22）组成的圆筒直线型导轨副，所述传动轴（22）的一端与活塞（13）固定连接并套接于导轨（21）内，另一端悬于导轨（21）之外，并依次固定连接环状凸台（27）、套接压力传感器（23）和弹簧（24），所述弹簧（24）末端外侧套接有套筒（25），所述套筒（25）的远离弹簧（24）的一侧设有内螺纹，所述传力装置（2）还包括连接头（26），所述连接头（26）的一端设有与套筒（25）的内螺纹相旋合的外螺纹，另一端设有与机床刀具末端（6）的形状相配合的凹形约束面，所述环状凸台（27）的直径大于导轨（21）的内筒直径，所述传动轴（22）与导轨（21）间隙配合、与压力传感器（23）间隙配合、与弹簧（24）过盈配合，所述弹簧（24）的末端与套筒（25）过盈配合。

2.根据权利要求1所述的一种机床末端三维静刚度的测试装置，其特征在于：所述连接头（26）的凹形约束面为半圆柱面，所述半圆柱面的母线垂直于连接头（26）的纵轴线，所述半圆柱面的中部被截出一个垂直于连接头（26）的纵轴线的圆形平面。

3.根据权利要求1所述的一种机床末端三维静刚度的测试装置，其特征在于：所述测试装置还包括L型的底座（5），所述液压缸（12）和导轨（21）分别与底座（5）用螺栓固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种机床末端三维静刚度的测试装置，其特征在于：所述底座（5）的底部设置有回转装置，所述回转装置可使底座（5）在水平、竖直平面上做360度全回转。

5.根据权利要求1所述的一种机床末端三维静刚度的测试装置，其特征在于：所述动力装置（1）还包括电磁阀（11），所述控制装置（3）的输出端与电磁阀（11）相连接，所述电磁阀（11）与液压缸（12）相连。

6.根据权利要求1所述的一种机床末端三维静刚度的测试装置，其特征在于：所述位移测量装置（4）为激光位移传感器。

7.根据权利要求1所述的一种机床末端三维静刚度的测试装置，其特征在于：所述传动轴（22）与活塞（13）连接的一端至环状凸台（27）的长度，大于导轨（21）的长度与弹簧（24）的最大压缩变形长度δL之和。

8.根据权利要求1所述的一种机床末端三维静刚度的测试装置，其特征在于：所述压力传感器（23）的厚度l₈、传动轴（22）悬于导轨（21）之外的一端到环状凸台（27）的长度l_7r、弹簧（24）的自由长度l₉、弹簧（24）最大压缩变形长度δL和套筒（25）的长度l₁₀之间满足如下关系：

l₉-l_7r+l₈＝δL

l₉-l₁₀＞δL

9.一种用于权利要求1所述的机床末端三维静刚度的测试装置的控制系统，其特征在于：所述控制系统包括施力控制系统、位移采集控制系统、静刚度计算控制系统；

所述施力控制系统包括启动、预紧、卸载、停止动作的按钮，分别用于向动力装置（1）发出开始加载、加载至预紧荷载值、卸载、停止加载的控制信号，所述施力控制系统还包括用于输入设定加载值的输入框和发送设定加载值的发送按钮，以及显示实际加载值的显示框，所述施力控制系统还包括用于保存加载力值的保存力值按钮；

所述位移采集控制系统包括开始采集、暂停采集、结束采集的按钮，分别用于向位移测量装置（4）发出对应的控制信号，所述位移采集控制系统还包括用于显示实际位移值的显示框，所述位移采集控制系统还包括清零、保存位移值、位移处理的按钮，所述清零按钮用于清除当前位移值，所述保存位移值按钮用于保存当前位移值，所述位移处理按钮用于按照预设程序对采集的一组位移数据进行计算得到最终的位移值；

所述静刚度计算控制系统包括静刚度计算、保存静刚度的按钮，分别用于计算、保存静刚度值，所述静刚度计算控制系统还包括用于显示静刚度的显示框。

10.一种根据权利要求1所述的机床末端三维静刚度的测试装置的测试方法，其特征在于包括以下步骤：

1）将机床末端三维静刚度测试装置固定于机床的工作台上，并使测试装置的轴向方向与机床X轴相平行；

2）将机床沿X、Y、Z三个平动轴平移，使得机床刀具末端（6）正好置于连接头（26）的凹形配合面内；

3）安装激光位移传感器，调整激光位移传感器的位置使激光射程在量程范围内，调整光源方向使激光光斑落在机床刀具末端（6）上；

4）控制装置（3）向动力装置（1）发出启动信号，动力装置（1）和传力装置（3）开始向机床末端施加预紧力，压力传感器（23）实时地反馈压力值，当压力传感器（23）反馈的压力值达到预紧荷载值时，控制系统（3）向液压动力系统（1）发出结束施力的控制信号，结束预紧过程；

5）控制装置（3）清除预紧过程形成的位移值；

6）控制装置（3）输入一个加载值并向动力装置（1）发出向机床刀具末端（6）施加该加载值的控制信号，动力装置（1）开始施力，当压力传感器（23）检测到的压力值达到加载值时，控制装置（3）向动力装置（1）发出停止施力的控制信号，动力装置（1）停止施力；

7）控制装置（3）采集位移值并按预设程序计算得到最终位移值；

8）控制装置（3）保存测得力和位移数据，完成第一组数据的测试和记录；

9）控制装置（3）清除上一次加载过程形成的位移值，输入下一个加载值，重复步骤（6）-（8），完成下一组数据的测试和记录，

10）重复步骤9），直到依次完成所需的各组数据的测试和记录；

11）控制装置（3）按照预设程序计算并保存机床末端的X方向的静刚度值；

12）控制装置（3）发出卸载指令，使动力装置（1）和传力装置（2）恢复到初试位置，然后将机床工作台绕Z轴水平旋转90度，使测试装置的轴向方向与机床Y轴平行；

13）重复步骤2）--11），得到机床末端的Y方向的静刚度值；

14）控制装置（3）发出卸载指令，使动力装置（1）和传力装置（2）恢复到初试位置，然后将机床工作台绕X轴竖直旋转90度，使测试装置的轴向方向与机床Z轴平行，再将金属薄片（7）固定连接在机床刀具末端（6）上；

15）将机床沿X、Y、Z三个平动轴平移，使得机床刀具末端（6）末端部分正好置于连接头（26）的凹形配合面内；

16）调整激光位移传感器的位置使激光射程在量程范围内，调整光源方向使激光光斑落在金属薄片（7）上；

17）重复步骤4）-11），得到机床末端的Z方向的静刚度值。

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