CN103900805A - 机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统 - Google Patents

机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统 Download PDF

Info

Publication number
CN103900805A
CN103900805A CN201410081370.2A CN201410081370A CN103900805A CN 103900805 A CN103900805 A CN 103900805A CN 201410081370 A CN201410081370 A CN 201410081370A CN 103900805 A CN103900805 A CN 103900805A
Authority
CN
China
Prior art keywords
force
force application
application part
cutting
leading screw
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201410081370.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103900805B (zh
Inventor
王军
张玉璞
舒启林
鑫龙
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenyang Ligong University
Original Assignee
Shenyang Ligong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenyang Ligong University filed Critical Shenyang Ligong University
Priority to CN201410081370.2A priority Critical patent/CN103900805B/zh
Publication of CN103900805A publication Critical patent/CN103900805A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103900805B publication Critical patent/CN103900805B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Numerical Control (AREA)
  • Machine Tool Sensing Apparatuses (AREA)

Abstract

机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统，施力部件伺服电机（701）上设置有工业控制计算机内装8轴PMAC卡，控制系统用于完成加工轨迹的输入、刀具参数、切削用量的设定，总切削力的计算和时间曲线绘制、总扭矩的计算和时间曲线绘制；X、Y、Z三向切削分力的计算和时间曲线绘制，将X、Y、Z三向切削分力和总扭矩合成后分解到各个伺服轴，计算各伺服轴的分力时间曲线，然后将时间曲线除以施力机构上的弹簧系数K后得到各伺服轴的时间位移曲线；在运行控制程序时，通过时钟控件，向控制PMAC轴控卡输出各伺服轴的位移数值，PMAC卡调用相应的运动控制程序，控制伺服电机走到相应的位移点，完成所需力的施加。

Description

机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统
技术领域
本发明涉及  的结构设计和应用技术领域，特别提供了一种机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统。
背景技术
现有技术中，机床丝杠和导轨精度保持性测量通常是在实际机床上在加工实践中进行测量的，这存在很多亟待解决的技术问题。比较突出的简介如下：1）机床的实际加工过程必然要求有物料、刀具、切削液以及大量电能的损失；2）机床实际加工过程中必然会有噪声、废水等污染；3）机床实际加工过程中的丝杠和导轨受力通常都是有干扰和变化的，不易形成较为恒定干扰很少甚至无干扰的理想实验环境；4）测量效率和实际效果比较有限。
因此，人们期望获得一种技术效果优良的机床丝杠、导轨精度保持性测量装置及其专用的控制系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种技术效果优良的机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统。
采用的技术方案：
机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统，其特征在于：其基于机床滚动功能部件精度保持性测量装置进行机床滚动功能部件精度保持性测量；
（一）机床滚动功能部件精度保持性测量装置构成如下：床身1、被测导轨2、被测丝杠3、工作台4、丝杠用伺服电机5、丝杠用联轴器6、施力部件7；其中：床身1为卧式结构；被测导轨2为在水平方向相互平行布置的两条，固定布置在床身1上部；被测丝杠3由其专用的驱动部件驱动；工作台4布置在被测导轨2上且工作台4通过被测丝杠3驱动并能在被测导轨2上动作；丝杠用伺服电机5通过丝杠用联轴器6连接被测丝杠3，被测丝杠3上的螺母固定布置在工作台4下部；施力部件7用于在沿其主要结构伸展方向的轴向即单轴方向上对外施加作用力；其施力部件沿丝杠轴向运动和对外施力，其使用施力部件伺服电机701作为驱动部件通过控制施力部件伺服电机701的转角对应换算得到精确的对外施力大小以便精确控制施力大小；
施力部件7的具体结构是：施力部件电机701、施力部件用联轴器702、施力用丝杠703、单轴滑台704、施力弹性组件705、施力部件支架707、施力部件用螺母708、施力杆709、施力头710；其中：施力部件电机701、施力用丝杠703都固定布置在施力部件支架707上，单轴滑台704与施力部件支架707上相互接触且能相对滑动；施力部件电机701通过施力部件用联轴器702连接着施力用丝杠703，固定在单轴滑台704下部的施力部件用螺母708与施力用丝杠703配对且能够带动单轴滑台704和施力用丝杠703沿与施力用丝杠703平行的方向运动；施力杆709的后半部分固定在单轴滑台704上且其轴线方向与施力用丝杠703平行，施力杆709伸出到单轴滑台704外部的那一端的端部为施力头710；在伸出到单轴滑台704外部的施力杆709处套装有施力弹性组件705；在所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置中，施力部件7具体的施力方式是：使用施力部件电机701通过施力部件用联轴器702连接施力用丝杠703，并进而带动由施力用丝杠703驱动的施力部件用螺母708；施力部件用螺母708进而带动与其固定连接的单轴滑台704并使其沿施力用丝杠703的轴向滑动，在运动过程中通过控制施力部件电机701的转角对应精确控制对外施力的大小；
所述施力头710处还固定设置有能绕其自身轴线方向旋转的滚轮，施力头710借助于滚轮与受力构件接触；所述施力弹性组件705具体为压力弹簧，其预压缩变形后为自其自由长度的92%；所述施力部件7中还设置有防扭结构706，其具体是固定在施力杆709上使其不能实现周向旋转的限位结构即限制施力杆709；所述施力头710处还固定设置有能绕其自身轴线方向旋转的滚轮711，施力头710借助于滚轮711与模拟受力构件即工作台相接触；
（二）在将被测滚动功能部件安装在机床滚动功能部件精度保持性测量装置中后，通过模拟装置模拟机床实际工作状态下的受力情况并实现机床按照预设要求恒定受力或者按照程序要求受力；并测试在此受力情况下机床滚动功能部件的精度保持性指标； 所述机床实际工作状态下的受力情况具体为下述几种之一或其组合：沿某一坐标轴方向的受力、绕某一坐标轴方向的扭矩、某一载荷作用下的工作台的倾覆力矩；所述模拟装置通过单一施力机构或者一个以上的施力机构的组合模拟机床的实际受力状况并保证机床受力的综合效果；
所述被测滚动功能部件均为水平或者竖直或者倾斜（符合一般机床的常见布局要求）布置，通过施加力模拟机床受力的控制单元施力方案是下述几种方案之一或其组合：方案一：第一坐标轴方向即垂直于被测丝杠所驱动的工作台所在平面方向受力：使用2-4个施力部件联合作用模拟机床的第一坐标轴方向（即Z向）受力或/和沿第一坐标轴方向（即Z向）施加绕与该方向两两垂直的另两个坐标方向（X轴或者Y轴方向）作用的倾覆力矩；方案二：第二坐标轴方向受力：在安装有被测的滚动功能部件（丝杠、导轨）的工作台上的第二坐标轴方向施加成组的2组作用力以共同模拟机床工作台的第二坐标轴方向受力或者绕第一坐标轴作用的扭矩；其中每一组作用力由两组施力部件构成且二者的施力方向为相对方向； 方案三：第三坐标轴方向即被测丝杠轴线方向受力：使用伺服电机恒扭矩驱动或者变扭矩驱动模拟丝杠受力； 
（三）所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统中，施力部件7中的施力部件伺服电机701上设置有工业控制计算机内装多轴PMAC卡，PMAC卡安装在工业控制计算机内，外部与接口板相连，接口板通过伺服驱动器和丝杠用伺服电机5相连；对应地控制系统用于完成加工轨迹的输入、刀具参数、切削用量的设定，总切削力的计算和时间曲线绘制、总扭矩的计算和时间曲线绘制；X、Y、Z三向切削分力的计算和时间曲线绘制，将X、Y、Z三向切削分力和总扭矩合成后分解到各个伺服轴，计算各伺服轴的分力时间曲线，然后将时间曲线除以施力机构上的弹簧系数K后得到各伺服轴的时间位移曲线；在运行控制程序时，通过时钟控件向控制PMAC轴控卡输出各伺服轴的位移数值，PMAC卡调用相应的运动控制程序，控制伺服电机走到相应的位移点，完成所需力的施加；
其中：铣削力的计算与加工轨迹、刀具参数、切削用量密切相关；具体内容说明如下：在控制软件中，先输入加工轨迹；即输入起点坐标和终点坐标，设置曲线半径；对于圆、圆弧曲线半径即为半径，对于直线来说对应的曲线半径为0；设定加工方向；设定刀具参数：刀具半径、刀具齿数、刀具角度；选择切削用量数值：转速、进给、切削深度、切削宽度；选择切削材料；并按照以下公式进行切削力、扭矩的计算：
Figure 246423DEST_PATH_IMAGE002
式中，Fc为铣削力，Cp为加工材料对铣削力影响系数，ap为背吃刀量，fz为每齿进给量，B为切削宽度，Z为铣刀齿数，D为铣刀直径，K1为刀具前角对铣削力影响系数，K2为切削速度对铣削力影响系数；
每齿进给量 
Figure 2014100813702100002DEST_PATH_IMAGE003
，取刀具前角γo=0°即铣刀前角γo对切削力影响系数表确定K1值为1.2；切削速度 
Figure 702943DEST_PATH_IMAGE004
，s为刀具转速，根据设计手册查得切削速度vc对切削力影响系数表确定K2值；然后根据切削条件，通过设计手册查得切削速度vc对切削力影响系数表确定Ff/Fc值。
 
所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统，其特征在于：其满足下述要求：
1）所述总扭矩时间曲线按照下述公式计算得到：
Figure 100426DEST_PATH_IMAGE006
；其中：
Figure 2014100813702100002DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 140932DEST_PATH_IMAGE008
   
2）X、Y、Z轴分量计算满足下述要求：铣削路线为半径R的圆弧AB，A点坐标（0，0），B点坐标（a,b）, θ为进给方向与X轴正向的夹角，φ为铣削已经铣完的圆弧角度；则X轴和Y轴切削力按照下式求出：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
 ，其中：Ff、Fc前面已求出，由θ与时间t变化关系就能求出X、Y轴切削力分量与时间t的变化曲线；而： 
Figure DEST_PATH_IMAGE011
， 其中f为进给量，n为刀具转速；得： ；
    由θ与φ之间的关系能得出分量与时间的关系曲线；且有：
Figure 780041DEST_PATH_IMAGE014
     
Figure 364737DEST_PATH_IMAGE016
      
Figure 315376DEST_PATH_IMAGE018
    即有：
Figure 197881DEST_PATH_IMAGE020
即：
Figure 555230DEST_PATH_IMAGE024
3）Y方向施力装置力的计算具体要求如下：
Y方向施力装置不但要完成Y方向切削力的施加，同时还要完成扭矩的施加；
Figure 304749DEST_PATH_IMAGE026
Figure 725366DEST_PATH_IMAGE028
Figure 260253DEST_PATH_IMAGE030
Figure 373702DEST_PATH_IMAGE032
Figure 336290DEST_PATH_IMAGE036
，
y为铣削点Y轴坐标：
Figure 397787DEST_PATH_IMAGE038
 ；
F1、F2、F3、F4为作用在工作台上的四个作用力；
4）Z方向施力计算满足下述要求：
Figure 744455DEST_PATH_IMAGE040
  
Figure 156982DEST_PATH_IMAGE042
y为铣削点Y轴坐标：
Figure 184981DEST_PATH_IMAGE038
5）X1轴方向施力计算满足下述要求
    因为X轴方向力的施加只有一个伺服轴X1轴来完成，所以X1轴力与时间曲线即X轴方向切削力与时间曲线。
 
所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统，其特征在于：其满足下述要求：其所使用的机床滚动功能部件精度保持性测量装置中还设置有下述结构：被测丝杠用螺母8、螺母安装座9、施力部件安装座10、外部框架11、滑鞍12、滑块13；其中：被测丝杠用螺母8通过螺母安装座9固定布置在工作台4下部用于驱动工作台4在被测导轨2上运动； 施力部件安装座10用于将至少一个施力部件7安装布置在工作台4周边以便于对工作台4施加用于模拟工作台实际受力情况的作用力；滑鞍12固定布置在用于支持工作台4的支撑导轨下方，包括滑鞍12及其所支撑的工作台4在内的所有组件都作为一个整体由被测导轨2支撑；每根被测导轨2上至少设置有2个滑块13，滑块13固定布置在被测导轨2所支撑的部件上；外部框架11是整个设备的外框支架；
所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统基于上述的结构设计作为技术应用基础；并用于完成某型立式加工中心下层工作台所安装的导轨、丝杠的精度保持性研究；控制系统应用时的具体要求如下：
首先对刀具加工时下层工作台受力进行分析。在切削加工时，上层工作台所授的切削力和进给力通过四个滑块13和被侧丝杠用螺母8传递给下层的滑鞍12；其中四个滑块13只承受Y向和Z向力，被侧丝杠用螺母8只承受X向力；
要求在滑鞍上四个滑块13位置和被侧丝杠用螺母8作用线上位置施加相应的作用力，就能够将上层工作台所受的力作用到滑鞍12上，通过滑鞍12传递给下层的被侧导轨2和被测丝杠3，从而将切削力施加到需要测试的滚动功能部件上。
 
所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统，其特征在于：其满足下述要求：
所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置中包含有下述组成部分：床身1，滑鞍12、外部框架11和用于在某个方向对外施加作用力的施力部件7；其中：施力部件7具体在水平或者垂直方向用作对外施加作用力的部件即X、Y、Z向施力机构；
施力部件7具体通过安装座固定布置在整个机床丝杠、导轨精度保持性测量装置上；
在X、Z方向上对外施加作用力的施力部件7共同构成X、Z向组合施力机构，并对滑鞍12完成X、Z方向力的施加；四组X、Z向组合施力机构在水平面上有四个施力点，四个点互相配合完成X方向力的施加和Z轴方向扭矩的合成；垂直面上有四个施力点，四个点互相配合完成X方向力的施加和Y轴方向和X轴方向扭矩的合成；
在Y方向上对外施加作用力的施力部件7，施力部件7的具体结构是：施力部件电机701、施力部件用联轴器702、施力用丝杠703、单轴滑台704、施力弹性组件705、施力部件支架707、施力部件用螺母708、施力杆709、施力头710；其中：施力部件电机701、施力用丝杠703都固定布置在施力部件支架707上，单轴滑台704与施力部件支架707上相互接触且能相对滑动；施力部件电机701通过施力部件用联轴器702连接着施力用丝杠703，固定在单轴滑台704下部的施力部件用螺母708与施力用丝杠703配对且能够带动单轴滑台704和施力用丝杠703沿与施力用丝杠703平行的方向运动；施力杆709的后半部分固定在单轴滑台704上且其轴线方向与施力用丝杠703平行，施力杆709伸出到单轴滑台704外部的那一端的端部为施力头710；在伸出到单轴滑台704外部的施力杆709处套装有施力弹性组件705；在所述机床丝杠、导轨精度保持性测量装置中，施力部件7具体的施力方式是：使用施力部件电机701通过施力部件用联轴器702连接施力用丝杠703，并进而带动由施力用丝杠703驱动的施力部件用螺母708；施力部件用螺母708进而带动与其固定连接的单轴滑台704并使其沿施力用丝杠703的轴向滑动，在运动过程中通过控制施力部件电机701的转角对应精确控制对外施力的大小；
施力部件7采用伺服电机横扭矩驱动原理，通过施力用丝杠703、施力部件用螺母708将力施加到工作台4上；施力部件电机701通过施力部件用联轴器702驱动施力用丝杠703推动施力部件用螺母708将力传递到推动施力部件用螺母708的安装座，并进一步将力传递到工作台4上，产生一个Y方向的力，通过调整施力部件电机701的扭矩大小来控制力的大小；
综上所述， X、Z方向组合施力机构，用于对工作台4施加X轴、Z轴方向受力和所需的扭矩M；Y向施力机构用于对工作台施加Y轴方向受力；通过控制系统驱动施力部件电机701，调整各个力的大小，能够实时模拟机床各种不同的加工状态的受力情况，使测试的导轨、丝杠的受力与真实加工时不同状态的受力一致，达到测试目的；
所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统中，施力部件7中的施力部件伺服电机701上设置有工业控制计算机内装12轴PMAC卡，PMAC卡安装在工业控制计算机内，外部与接口板相连，接口板通过伺服驱动器和丝杠用伺服电机5相连；对应地控制系统用于完成加工轨迹的输入、刀具参数、切削用量的设定，总切削力的计算和时间曲线绘制、总扭矩的计算和时间曲线绘制；X、Y、Z三向切削分力的计算和时间曲线绘制，将X、Y、Z三向切削分力和总扭矩合成后分解到各个伺服轴，计算各伺服轴的分力时间曲线，然后将时间曲线除以施力机构上的弹簧系数K后得到各伺服轴的时间位移曲线；在运行控制程序时，通过时钟控件向控制PMAC轴控卡输出各伺服轴的位移数值，PMAC卡调用相应的运动控制程序，控制伺服电机走到相应的位移点，完成所需力的施加；
控制系统要求完成下述工作：加工轨迹的输入、刀具参数、切削用量的设定，总切削力的计算和时间曲线绘制、总扭矩的计算和时间曲线绘制；X、Y、Z三向切削分力的计算和时间曲线绘制；将X、Y、Z三向切削分力和总扭矩合成后分解到各个伺服轴，计算各伺服轴的分力时间曲线，时间曲线除以施力机构上的弹簧系数K后得到各伺服轴的时间位移曲线；
具体控制实施过程中，通过时钟控件每0.1秒向控制PMAC轴控卡输出各伺服轴的位移数值，PMAC卡调用相应的运动控制程序，控制伺服电机走到相应的位移点，完成所需力的施加；
铣削力的计算与加工轨迹、刀具参数、切削用量密切相关，在控制软件中，先输入加工轨迹。输入起点坐标和终点坐标，设置曲线半径，对于圆、圆弧曲线半径即为半径，对于直线来说，曲线半径为0。设定加工方向，以NC代码规则进行设定：G02为顺时针方向走刀，G03为逆时针方向走刀。设定刀具参数：刀具半径、刀具齿数、刀具角度；选择切削用量数值：转速、进给、切削深度、切削宽度；选择切削材料如：结构钢、高温合金、铸铁、可锻铸铁等；按照以下公式进行切削力、扭矩的计算。
本发明的优点：
 1）大大节省了传统的在实际机床上进行机床滚动功能部件精度保持性测量所必需的物资支持，主要是物料、刀具、切削液以及电能损失明显减少；2）使用模拟装置通过模拟受力可以比依据实际机床实测的方式大大降低了机床实际加工过程中的噪声、废水等污染；3）可以借助于本发明中的模拟装置模拟机床实际加工过程中的丝杠和导轨受力情况，可以通过控制系统按照一定控制规律实现受力渐变等复杂的受力模拟，且可以避免干扰或者控制干扰实现理想实验环境；4）测量效率和实际效果明显提高。
附图说明：
图1为铣削平台模型原理图；
图2为工作台4的X-Y坐标系力学模型原理图：
图3为工作台4的Y-Z坐标系力学模型原理图；
图4为同一象限内进给方向沿任意方向的X-Y建立直角坐标系；
图5为一种进给方向不同象限建立的的X-Y建立直角坐标系；
图6为机床滚动功能部件精度保持性测量装置结构方案一组成示意图：
图7为施力部件7的结构组成原理图之一；
图8为工作台4的Z向受力分解原理图；
图9为机床滚动功能部件精度保持性测量装置结构方案二组成示意图；
图10施力部件7的结构组成原理图之二；
图11为工作台4的Y、Z轴施力分析原理图；
图12为施力部件7的Y、Z轴施力结构原理图；
图13为X向施力机构结构示意简图；
图14为下层滑鞍12受力原理图；
图15为Y、Z向组合施力机构结构示意简图；
图16为Y向施力机构结构示意简图；
图17为某X轴工作台控制系统硬件结构图，施力部件7中的施力部件伺服电机701上设置有工业控制计算机内装8轴PMAC卡的示意图；
图18为X轴工作台控制系统软件结构图；
图19为总切削力时间曲线图；
图20为总扭矩时间曲线图；
图21 顺时针进给曲线图；
图22为 X轴方向切削力时间曲线；
图23为Y轴方向切削力时间曲线；
图24为 Z轴方向切削力时间曲线；
图25为Y1轴力和时间曲线；
图26为Y2轴力和时间曲线；
图27为Y3轴力和时间曲线；
图28为Y4轴力和时间曲线；
图29为Z1轴力和时间曲线；
图30为Z2轴力和时间曲线；
图31为某X轴工作台控制系统硬件结构图，施力部件7中的施力部件伺服电机701上设置有工业控制计算机内装8轴PMAC卡的示意图。
具体实施方式：
实施例1  机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统，其基于机床滚动功能部件精度保持性测量装置进行机床滚动功能部件精度保持性测量；
（一）机床滚动功能部件精度保持性测量装置构成如下：床身1、被测导轨2、被测丝杠3、工作台4、丝杠用伺服电机5、丝杠用联轴器6、施力部件7；其中：床身1为卧式结构；被测导轨2为在水平方向相互平行布置的两条，固定布置在床身1上部；被测丝杠3由其专用的驱动部件驱动；工作台4布置在被测导轨2上且工作台4通过被测丝杠3驱动并能在被测导轨2上动作；丝杠用伺服电机5通过丝杠用联轴器6连接被测丝杠3，被测丝杠3上的螺母固定布置在工作台4下部；施力部件7用于在沿其主要结构伸展方向的轴向即单轴方向上对外施加作用力；其施力部件沿丝杠轴向运动和对外施力，其使用施力部件伺服电机701作为驱动部件通过控制施力部件伺服电机701的转角对应换算得到精确的对外施力大小以便精确控制施力大小；
施力部件7的具体结构是：施力部件电机701、施力部件用联轴器702、施力用丝杠703、单轴滑台704、施力弹性组件705、施力部件支架707、施力部件用螺母708、施力杆709、施力头710；其中：施力部件电机701、施力用丝杠703都固定布置在施力部件支架707上，单轴滑台704与施力部件支架707上相互接触且能相对滑动；施力部件电机701通过施力部件用联轴器702连接着施力用丝杠703，固定在单轴滑台704下部的施力部件用螺母708与施力用丝杠703配对且能够带动单轴滑台704和施力用丝杠703沿与施力用丝杠703平行的方向运动；施力杆709的后半部分固定在单轴滑台704上且其轴线方向与施力用丝杠703平行，施力杆709伸出到单轴滑台704外部的那一端的端部为施力头710；在伸出到单轴滑台704外部的施力杆709处套装有施力弹性组件705；在所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置中，施力部件7具体的施力方式是：使用施力部件电机701通过施力部件用联轴器702连接施力用丝杠703，并进而带动由施力用丝杠703驱动的施力部件用螺母708；施力部件用螺母708进而带动与其固定连接的单轴滑台704并使其沿施力用丝杠703的轴向滑动，在运动过程中通过控制施力部件电机701的转角对应精确控制对外施力的大小；
所述施力头710处还固定设置有能绕其自身轴线方向旋转的滚轮，施力头710借助于滚轮与受力构件接触；所述施力弹性组件705具体为压力弹簧，其预压缩变形后为自其自由长度的92%；所述施力部件7中还设置有防扭结构706，其具体是固定在施力杆709上使其不能实现周向旋转的限位结构即限制施力杆709；所述施力头710处还固定设置有能绕其自身轴线方向旋转的滚轮711，施力头710借助于滚轮711与模拟受力构件即工作台相接触；
（二）在将被测滚动功能部件安装在机床滚动功能部件精度保持性测量装置中后，通过模拟装置模拟机床实际工作状态下的受力情况并实现机床按照预设要求恒定受力或者按照程序要求受力；并测试在此受力情况下机床滚动功能部件的精度保持性指标； 所述机床实际工作状态下的受力情况具体为下述几种之一或其组合：沿某一坐标轴方向的受力、绕某一坐标轴方向的扭矩、某一载荷作用下的工作台的倾覆力矩；所述模拟装置通过单一施力机构或者一个以上的施力机构的组合模拟机床的实际受力状况并保证机床受力的综合效果；
所述被测滚动功能部件均为水平或者竖直或者倾斜（符合一般机床的常见布局要求）布置，通过施加力模拟机床受力的控制单元施力方案是下述几种方案之一或其组合：方案一：第一坐标轴方向即垂直于被测丝杠所驱动的工作台所在平面方向受力：使用2-4个施力部件联合作用模拟机床的第一坐标轴方向（即Z向）受力或/和沿第一坐标轴方向（即Z向）施加绕与该方向两两垂直的另两个坐标方向（X轴或者Y轴方向）作用的倾覆力矩；方案二：第二坐标轴方向受力：在安装有被测的滚动功能部件（丝杠、导轨）的工作台上的第二坐标轴方向施加成组的2组作用力以共同模拟机床工作台的第二坐标轴方向受力或者绕第一坐标轴作用的扭矩；其中每一组作用力由两组施力部件构成且二者的施力方向为相对方向； 方案三：第三坐标轴方向即被测丝杠轴线方向受力：使用伺服电机恒扭矩驱动或者变扭矩驱动模拟丝杠受力； 
（三）所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统中，施力部件7中的施力部件伺服电机701上设置有工业控制计算机内装多轴PMAC卡，PMAC卡安装在工业控制计算机内，外部与接口板相连，接口板通过伺服驱动器和丝杠用伺服电机5相连；对应地控制系统用于完成加工轨迹的输入、刀具参数、切削用量的设定，总切削力的计算和时间曲线绘制、总扭矩的计算和时间曲线绘制；X、Y、Z三向切削分力的计算和时间曲线绘制，将X、Y、Z三向切削分力和总扭矩合成后分解到各个伺服轴，计算各伺服轴的分力时间曲线，然后将时间曲线除以施力机构上的弹簧系数K后得到各伺服轴的时间位移曲线；在运行控制程序时，通过时钟控件向控制PMAC轴控卡输出各伺服轴的位移数值，PMAC卡调用相应的运动控制程序，控制伺服电机走到相应的位移点，完成所需力的施加；
其中：铣削力的计算与加工轨迹、刀具参数、切削用量密切相关；具体内容说明如下：在控制软件中，先输入加工轨迹；即输入起点坐标和终点坐标，设置曲线半径；对于圆、圆弧曲线半径即为半径，对于直线来说对应的曲线半径为0；设定加工方向；设定刀具参数：刀具半径、刀具齿数、刀具角度；选择切削用量数值：转速、进给、切削深度、切削宽度；选择切削材料；并按照以下公式进行切削力、扭矩的计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE043
式中，Fc为铣削力，Cp为加工材料对铣削力影响系数，ap为背吃刀量，fz为每齿进给量，B为切削宽度，Z为铣刀齿数，D为铣刀直径，K1为刀具前角对铣削力影响系数，K2为切削速度对铣削力影响系数；
每齿进给量 
Figure 678148DEST_PATH_IMAGE003
，取刀具前角γo=0°即铣刀前角γo对切削力影响系数表确定K1值为1.2；切削速度 
Figure 930138DEST_PATH_IMAGE004
，s为刀具转速，根据设计手册查得切削速度vc对切削力影响系数表确定K2值；然后根据切削条件，通过设计手册查得切削速度vc对切削力影响系数表确定Ff/Fc值。
所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统满足下述要求：
1）所述总扭矩时间曲线按照下述公式计算得到：
Figure 829960DEST_PATH_IMAGE006
；其中：
Figure 209120DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 510789DEST_PATH_IMAGE008
   
2）X、Y、Z轴分量计算满足下述要求：铣削路线为半径R的圆弧AB，A点坐标（0，0），B点坐标（a,b）, θ为进给方向与X轴正向的夹角，φ为铣削已经铣完的圆弧角度；则X轴和Y轴切削力按照下式求出：
Figure 871363DEST_PATH_IMAGE009
 ，其中：Ff、Fc前面已求出，由θ与时间t变化关系就能求出X、Y轴切削力分量与时间t的变化曲线；Ff、Fe在图1-5、图21中有标注，其含义可以明确推得；而：
， 其中f为进给量，n为刀具转速；得：
Figure 690600DEST_PATH_IMAGE012
 ；
    由θ与φ之间的关系能得出分量与时间的关系曲线；且有：
     
Figure 689835DEST_PATH_IMAGE016
      
    即有：
Figure 360988DEST_PATH_IMAGE046
Figure 534480DEST_PATH_IMAGE022
即：
Figure 358211DEST_PATH_IMAGE024
3）Y方向施力装置力的计算具体要求如下：
Y方向施力装置不但要完成Y方向切削力的施加，同时还要完成扭矩的施加；
Figure DEST_PATH_IMAGE047
Figure 388484DEST_PATH_IMAGE028
Figure 196220DEST_PATH_IMAGE032
 ；
Figure 372992DEST_PATH_IMAGE048
 ；；
y为铣削点Y轴坐标：
Figure 157594DEST_PATH_IMAGE038
；
F1、F2、F3、F4为作用在工作台上的四个作用力；如图5中所示；
4）Z方向施力计算满足下述要求：
Figure 407310DEST_PATH_IMAGE040
  
Figure 267950DEST_PATH_IMAGE042
y为铣削点Y轴坐标：
Figure 577708DEST_PATH_IMAGE038
5）X1轴方向施力计算满足下述要求：因为X轴方向力的施加只有一个伺服轴X1轴来完成，所以X1轴力与时间曲线即X轴方向切削力与时间曲线。
 
所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统，其所使用的机床滚动功能部件精度保持性测量装置中还设置有下述结构：被测丝杠用螺母8、螺母安装座9、施力部件安装座10、外部框架11、滑鞍12、滑块13；其中：被测丝杠用螺母8通过螺母安装座9固定布置在工作台4下部用于驱动工作台4在被测导轨2上运动； 施力部件安装座10用于将至少一个施力部件7安装布置在工作台4周边以便于对工作台4施加用于模拟工作台实际受力情况的作用力；滑鞍12固定布置在用于支持工作台4的支撑导轨下方，包括滑鞍12及其所支撑的工作台4在内的所有组件都作为一个整体由被测导轨2支撑；每根被测导轨2上至少设置有2个滑块13，滑块13固定布置在被测导轨2所支撑的部件上；外部框架11是整个设备的外框支架；
所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统基于上述的结构设计作为技术应用基础；并用于完成某型立式加工中心下层工作台所安装的导轨、丝杠的精度保持性研究；控制系统应用时的具体要求如下：
首先对刀具加工时下层工作台受力进行分析。在切削加工时，上层工作台所授的切削力和进给力通过四个滑块13和被侧丝杠用螺母8传递给下层的滑鞍12；其中四个滑块13只承受Y向和Z向力，被侧丝杠用螺母8只承受X向力；
要求在滑鞍上四个滑块13位置和被侧丝杠用螺母8作用线上位置施加相应的作用力，就能够将上层工作台所受的力作用到滑鞍12上，通过滑鞍12传递给下层的被侧导轨2和被测丝杠3，从而将切削力施加到需要测试的滚动功能部件上。
 
所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统满足下述要求：所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置中包含有下述组成部分：床身1，滑鞍12、外部框架11和用于在某个方向对外施加作用力的施力部件7；其中：施力部件7具体在水平或者垂直方向用作对外施加作用力的部件即X、Y、Z向施力机构；施力部件7具体通过安装座固定布置在整个机床丝杠、导轨精度保持性测量装置上；
在X、Z方向上对外施加作用力的施力部件7共同构成X、Z向组合施力机构，并对滑鞍12完成X、Z方向力的施加；四组X、Z向组合施力机构在水平面上有四个施力点，四个点互相配合完成X方向力的施加和Z轴方向扭矩的合成；垂直面上有四个施力点，四个点互相配合完成X方向力的施加和Y轴方向和X轴方向扭矩的合成；
在Y方向上对外施加作用力的施力部件7，施力部件7的具体结构是：施力部件电机701、施力部件用联轴器702、施力用丝杠703、单轴滑台704、施力弹性组件705、施力部件支架707、施力部件用螺母708、施力杆709、施力头710；其中：施力部件电机701、施力用丝杠703都固定布置在施力部件支架707上，单轴滑台704与施力部件支架707上相互接触且能相对滑动；施力部件电机701通过施力部件用联轴器702连接着施力用丝杠703，固定在单轴滑台704下部的施力部件用螺母708与施力用丝杠703配对且能够带动单轴滑台704和施力用丝杠703沿与施力用丝杠703平行的方向运动；施力杆709的后半部分固定在单轴滑台704上且其轴线方向与施力用丝杠703平行，施力杆709伸出到单轴滑台704外部的那一端的端部为施力头710；在伸出到单轴滑台704外部的施力杆709处套装有施力弹性组件705；在所述机床丝杠、导轨精度保持性测量装置中，施力部件7具体的施力方式是：使用施力部件电机701通过施力部件用联轴器702连接施力用丝杠703，并进而带动由施力用丝杠703驱动的施力部件用螺母708；施力部件用螺母708进而带动与其固定连接的单轴滑台704并使其沿施力用丝杠703的轴向滑动，在运动过程中通过控制施力部件电机701的转角对应精确控制对外施力的大小；
施力部件7采用伺服电机横扭矩驱动原理，通过施力用丝杠703、施力部件用螺母708将力施加到工作台4上；施力部件电机701通过施力部件用联轴器702驱动施力用丝杠703推动施力部件用螺母708将力传递到推动施力部件用螺母708的安装座，并进一步将力传递到工作台4上，产生一个Y方向的力，通过调整施力部件电机701的扭矩大小来控制力的大小；
综上所述， X、Z方向组合施力机构，用于对工作台4施加X轴、Z轴方向受力和所需的扭矩M；Y向施力机构用于对工作台施加Y轴方向受力；通过控制系统驱动施力部件电机701，调整各个力的大小，能够实时模拟机床各种不同的加工状态的受力情况，使测试的导轨、丝杠的受力与真实加工时不同状态的受力一致，达到测试目的；
所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统中，施力部件7中的施力部件伺服电机701上设置有工业控制计算机内装12轴PMAC卡，PMAC卡安装在工业控制计算机内，外部与接口板相连，接口板通过伺服驱动器和丝杠用伺服电机5相连；对应地控制系统用于完成加工轨迹的输入、刀具参数、切削用量的设定，总切削力的计算和时间曲线绘制、总扭矩的计算和时间曲线绘制；X、Y、Z三向切削分力的计算和时间曲线绘制，将X、Y、Z三向切削分力和总扭矩合成后分解到各个伺服轴，计算各伺服轴的分力时间曲线，然后将时间曲线除以施力机构上的弹簧系数K后得到各伺服轴的时间位移曲线；在运行控制程序时，通过时钟控件向控制PMAC轴控卡输出各伺服轴的位移数值，PMAC卡调用相应的运动控制程序，控制伺服电机走到相应的位移点，完成所需力的施加；
控制系统要求完成下述工作：加工轨迹的输入、刀具参数、切削用量的设定，总切削力的计算和时间曲线绘制、总扭矩的计算和时间曲线绘制；X、Y、Z三向切削分力的计算和时间曲线绘制；将X、Y、Z三向切削分力和总扭矩合成后分解到各个伺服轴，计算各伺服轴的分力时间曲线，时间曲线除以施力机构上的弹簧系数K后得到各伺服轴的时间位移曲线；
具体控制实施过程中，通过时钟控件每0.1秒向控制PMAC轴控卡输出各伺服轴的位移数值，PMAC卡调用相应的运动控制程序，控制伺服电机走到相应的位移点，完成所需力的施加；
铣削力的计算与加工轨迹、刀具参数、切削用量密切相关，在控制软件中，先输入加工轨迹。输入起点坐标和终点坐标，设置曲线半径，对于圆、圆弧曲线半径即为半径，对于直线来说，曲线半径为0。设定加工方向，以NC代码规则进行设定：G02为顺时针方向走刀，G03为逆时针方向走刀。设定刀具参数：刀具半径、刀具齿数、刀具角度；选择切削用量数值：转速、进给、切削深度、切削宽度；选择切削材料如：结构钢、高温合金、铸铁、可锻铸铁等；按照以下公式进行切削力、扭矩的计算。
 
力施加机构控制采用工业控制计算机内装PMAC卡来控制伺服电机701方式来控制。PMAC是program multiple axis controller 可编程的多轴运动控制卡。PMAC卡是美国Deltatau公司的产品，是集运动轴控制，和PLC控制以及数据采集的多功能的运动控制产品。采用PCI  PC104  总线，支持USB 通讯、串口 通讯、网卡通讯。支持2轴、4轴、8轴、12轴、32轴伺服或步进控制，支持多通道12-位 A/D转换器，和12-位D/A转换器，可以外接温度、压力、位移、震动等传感器，支持VB、VC等高级编程语言进行开发。
将PMAC卡安装在工业控制计算机内，外部与接口板相连，接口板通过伺服驱动器和伺服电机701相连。PMAC卡通过输入输出接口板和各种传感器相连，在计算机里编制控制程序，控制程序调用相应的PMAC卡运动控制程序，完成伺服电机701的驱动，走出相应的轨迹。结合本实验台的具体情况，采用8轴PMAC控制卡结合伺服接口板和输入输出接口板进行系统控制，硬件结构如图17所示。
图9中，Y1轴伺服电机①，Y2轴伺服电机②，Z1轴伺服电机③，X1轴伺服电机④，Z2轴伺服电机⑤，Y3轴伺服电机⑥，Y4轴伺服电机⑦；
    计算机程序控制系统可采用VB等语言编写，主要完成加工轨迹的输入、刀具参数、切削用量的设定，总切削力的计算和时间曲线绘制、总扭矩的计算和时间曲线绘制。X、Y、Z三向切削分力的计算和时间曲线绘制，将X、Y、Z三向切削分力和总扭矩合成后分解到各个伺服轴，计算各伺服轴的分力时间曲线，时间曲线除以施力机构上的弹簧系数K后得到各伺服轴的时间位移曲线。运行程序，通过时钟控件，每0.1秒向控制PMAC轴控卡输出各伺服轴的位移数值，PMAC卡调用相应的运动控制程序，控制伺服电机走到相应的位移点，完成所需力的施加。具体控制界面如图18。
铣削力的计算与加工轨迹、刀具参数、切削用量密切相关，在控制软件中，先输入加工轨迹。输入起点坐标和终点坐标，设置曲线半径，对于圆、圆弧曲线半径即为半径，对于直线来说，曲线半径为0。设定加工方向，以NC代码规则进行设定：G02为顺时针方向走刀，G03为逆时针方向走刀。设定刀具参数：刀具半径、刀具齿数、刀具角度；选择切削用量数值：转速、进给、切削深度、切削宽度；选择切削材料如：结构钢、高温合金、铸铁、可锻铸铁等；按照以下公式进行切削力、扭矩的计算。
1.1             总铣削力的计算
铣削力计算公式：
Figure 648433DEST_PATH_IMAGE002
式中：Fc：铣削力（N），Cp：加工材料对铣削力影响系数，ap：背吃刀量，fz：每齿进给量，B：切削宽度（mm），Z：铣刀齿数，D：铣刀直径（mm），K1：刀具前角对铣削力影响系数，K2：切削速度对铣削力影响系数。
通过《机械设计手册》：加工材料对铣削力影响系数表确定Cp值。
表1 加工材料对铣削力影响系数
Figure 849361DEST_PATH_IMAGE050
每齿进给量 
Figure 689141DEST_PATH_IMAGE003
  f为进给量400mm/min，z为6。
Figure DEST_PATH_IMAGE051
 mm/z
通过《机械设计手册》：铣刀前角γo对切削力影响系数表确定K1值。
表2 铣刀前角γo对切削力影响系数
铣刀前角γo +15° +10° +5° 0° -5° -10° -15° -20°
K1 0. 9 1 1. 1 1.2 1. 3 1.4 1.5 1.6
刀具前角0°即K1为1.2。
通过《机械设计手册》：切削速度vc对切削力影响系数表确定K2值。
表3 切削速度vc对切削力影响系数
切削速度vc 50 75 100 125 150 175 200 250
K2 1.0 0.98 0.96 0. 94 0.92 0.90 0.88 0.86
切削速度 
Figure 232118DEST_PATH_IMAGE004
  s为刀具转速400 Vc得125.6mm/min，即K2为0.94。
解得：
Figure DEST_PATH_IMAGE053
根据切削条件，通过《机械设计手册》：切削速度vc对切削力影响系数表确定Ff/Fc值。
Ff=4088 N，FfN=929 N。
总铣削力（图19）：
Figure 337608DEST_PATH_IMAGE056
1.2 总扭矩时间曲线（图20）：
Figure 257023DEST_PATH_IMAGE006
Figure 951309DEST_PATH_IMAGE007
   
Figure 914455DEST_PATH_IMAGE008
   
Figure DEST_PATH_IMAGE057
   
Figure 959771DEST_PATH_IMAGE058
Figure 417298DEST_PATH_IMAGE060
1.2             X、Y、Z轴分量计算
如图21所示，铣削路线为半径R的圆弧AB，A点坐标（0，0），B点坐标（a,b）, θ为进给方向与X轴正向的夹角，φ为铣削已经铣完的圆弧角度。
X轴和Y轴切削力：
Figure 966091DEST_PATH_IMAGE009
 Ff、Fc前面已求出，我们只要知道θ与时间t变化关系就能求出X、Y轴切削力分量与时间t的变化曲线。而： 
Figure 867182DEST_PATH_IMAGE011
   其中f为进给量，n为刀具转速。得：
Figure 134215DEST_PATH_IMAGE012
 。
    我们只要知道θ与φ之间的关系就能得出分量与时间的关系曲线。
        
Figure 798732DEST_PATH_IMAGE016
       
Figure 57675DEST_PATH_IMAGE045
即：，
即：
Figure 446302DEST_PATH_IMAGE024
，
即：
Figure 876147DEST_PATH_IMAGE062
我们以B点坐标为（100,100），R为100为例：
为0，则：
Figure DEST_PATH_IMAGE065
即：
Figure DEST_PATH_IMAGE067
Figure DEST_PATH_IMAGE069
，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE071
Z轴分量为Fz=FfN=929 N  ，参见图24。
 
1.3 Y方向施力装置力的计算
Y方向施力装置不但要完成Y方向切削力的施加，同时还要完成扭矩的施加。
Figure 39144DEST_PATH_IMAGE047
            
Figure 579846DEST_PATH_IMAGE028
Figure 620801DEST_PATH_IMAGE032
     
Figure 349722DEST_PATH_IMAGE048
     
y为铣削点Y轴坐标：
Figure 801880DEST_PATH_IMAGE038
我们还是以B点坐标为（100,100），R为100为例：
则  
Figure 619532DEST_PATH_IMAGE072
      
Figure 835750DEST_PATH_IMAGE008
          
得：
Figure DEST_PATH_IMAGE077
Figure DEST_PATH_IMAGE079
     
Figure DEST_PATH_IMAGE081
       
Figure DEST_PATH_IMAGE083
参见图25-28。
1.4 Z方向施力计算：
Figure 655939DEST_PATH_IMAGE084
   
Figure 8423DEST_PATH_IMAGE042
y为铣削点Y轴坐标：
Figure 262555DEST_PATH_IMAGE038
我们还是以B点坐标为（100,100），R为100为例（参见图29、30）：
则        
Figure 183424DEST_PATH_IMAGE008
     
Figure 655993DEST_PATH_IMAGE069
b=470 mm    FfN=929 N      得： 
Figure 503864DEST_PATH_IMAGE086
，
Figure 242144DEST_PATH_IMAGE088
1.5 X1轴方向施力计算：因为X轴方向力的施加只有一个伺服轴X1轴来完成，所以X1轴力与时间曲线即X轴方向切削力与时间曲线。
 
 实施例2
力施加机构控制与方案一基本一致，采用工业控制计算机内装PMAC卡来控制步进电机方式来控制。将PMAC卡安装在工业控制计算机内，外部与接口板相连，接口板通过伺服驱动器和伺服电机相连。PMAC卡通过输入输出接口板和各种传感器相连，在计算机里编制控制程序，控制程序调用相应的PMAC卡运动控制程序，完成伺服电机的驱动，走出相应的轨迹。结合本实验台的具体情况，采用12轴PMAC控制卡结合伺服接口板和输入输出接口板进行系统控制，硬件结构如图31所示，其他内容适应性变化。

Claims (4)

1.机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统，其特征在于：其基于机床滚动功能部件精度保持性测量装置进行机床滚动功能部件精度保持性测量；
（一）机床滚动功能部件精度保持性测量装置构成如下：床身（1）、被测导轨（2）、被测丝杠（3）、工作台（4）、丝杠用伺服电机（5）、丝杠用联轴器（6）、施力部件（7）；其中：床身（1）为卧式结构；被测导轨（2）为在水平方向相互平行布置的两条，固定布置在床身（1）上部；被测丝杠（3）由其专用的驱动部件驱动；工作台（4）布置在被测导轨（2）上，且工作台（4）通过被测丝杠（3）驱动并能在被测导轨（2）上动作；丝杠用伺服电机（5）通过丝杠用联轴器（6）连接被测丝杠（3），被测丝杠（3）上的螺母固定布置在工作台（4）下部；施力部件（7）用于在沿其主要结构伸展方向的轴向即单轴方向上对外施加作用力；其施力部件沿丝杠轴向运动和对外施力，其使用施力部件伺服电机（701）作为驱动部件通过控制施力部件伺服电机（701）的转角对应换算得到精确的对外施力大小以便精确控制施力大小；
施力部件（7）的具体结构是：施力部件电机（701）、施力部件用联轴器（702）、施力用丝杠（703）、单轴滑台（704）、施力弹性组件（705）、施力部件支架（707）、施力部件用螺母（708）、施力杆（709）、施力头（710）；其中：施力部件电机（701）、施力用丝杠（703）都固定布置在施力部件支架（707）上，单轴滑台（704）与施力部件支架（707）上相互接触且能相对滑动；施力部件电机（701）通过施力部件用联轴器（702）连接着施力用丝杠（703），固定在单轴滑台（704）下部的施力部件用螺母（708）与施力用丝杠（703）配对且能够带动单轴滑台（704）和施力用丝杠（703）沿与施力用丝杠（703）平行的方向运动；施力杆（709）的后半部分固定在单轴滑台（704）上且其轴线方向与施力用丝杠（703）平行，施力杆（709）伸出到单轴滑台（704）外部的那一端的端部为施力头（710）；在伸出到单轴滑台（704）外部的施力杆（709）处套装有施力弹性组件（705）；在所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置中，施力部件（7）具体的施力方式是：使用施力部件电机（701）通过施力部件用联轴器（702）连接施力用丝杠（703），并进而带动由施力用丝杠（703）驱动的施力部件用螺母（708）；施力部件用螺母（708）进而带动与其固定连接的单轴滑台（704）并使其沿施力用丝杠（703）的轴向滑动，在运动过程中通过控制施力部件电机（701）的转角对应精确控制对外施力的大小；
所述施力头（710）处还固定设置有能绕其自身轴线方向旋转的滚轮，施力头（710）借助于滚轮与受力构件接触；所述施力弹性组件（705）具体为压力弹簧，其预压缩变形后为自其自由长度的92%；所述施力部件（7）中还设置有防扭结构（706），其具体是固定在施力杆（709）上使其不能实现周向旋转的限位结构即限制施力杆（709）；所述施力头（710）处还固定设置有能绕其自身轴线方向旋转的滚轮（711），施力头（710）借助于滚轮（711）与模拟受力构件即工作台相接触；
（二）在将被测滚动功能部件安装在机床滚动功能部件精度保持性测量装置中后，通过模拟装置模拟机床实际工作状态下的受力情况并实现机床按照预设要求恒定受力或者按照程序要求受力；并测试在此受力情况下机床滚动功能部件的精度保持性指标； 所述机床实际工作状态下的受力情况具体为下述几种之一或其组合：沿某一坐标轴方向的受力、绕某一坐标轴方向的扭矩、某一载荷作用下的工作台的倾覆力矩；所述模拟装置通过单一施力机构或者一个以上的施力机构的组合模拟机床的实际受力状况并保证机床受力的综合效果；
所述被测滚动功能部件均为水平或者竖直或者倾斜布置，通过施加力模拟机床受力的控制单元施力方案是下述几种方案之一或其组合：方案一：第一坐标轴方向即垂直于被测丝杠所驱动的工作台所在平面方向受力：使用2-4个施力部件联合作用模拟机床的第一坐标轴方向受力或/和沿第一坐标轴方向施加绕与该方向两两垂直的另两个坐标方向作用的倾覆力矩；方案二：第二坐标轴方向受力：在安装有被测的滚动功能部件的工作台上的第二坐标轴方向施加成组的2组作用力以共同模拟机床工作台的第二坐标轴方向受力或者绕第一坐标轴作用的扭矩；其中每一组作用力由两组施力部件构成且二者的施力方向为相对方向； 方案三：第三坐标轴方向即被测丝杠轴线方向受力：使用伺服电机恒扭矩驱动或者变扭矩驱动模拟丝杠受力； 
（三）所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统中，施力部件（7）中的施力部件伺服电机（701）上设置有工业控制计算机内装多轴PMAC卡，PMAC卡安装在工业控制计算机内，外部与接口板相连，接口板通过伺服驱动器和丝杠用伺服电机（5）相连；对应地控制系统用于完成加工轨迹的输入、刀具参数、切削用量的设定，总切削力的计算和时间曲线绘制、总扭矩的计算和时间曲线绘制；X、Y、Z三向切削分力的计算和时间曲线绘制，将X、Y、Z三向切削分力和总扭矩合成后分解到各个伺服轴，计算各伺服轴的分力时间曲线，然后将时间曲线除以施力机构上的弹簧系数K后得到各伺服轴的时间位移曲线；在运行控制程序时，通过时钟控件向控制PMAC轴控卡输出各伺服轴的位移数值，PMAC卡调用相应的运动控制程序，控制伺服电机走到相应的位移点，完成所需力的施加；
其中：铣削力的计算与加工轨迹、刀具参数、切削用量密切相关；具体内容说明如下：在控制软件中，先输入加工轨迹；即输入起点坐标和终点坐标，设置曲线半径；对于圆、圆弧曲线半径即为半径，对于直线来说对应的曲线半径为0；设定加工方向；设定刀具参数：刀具半径、刀具齿数、刀具角度；选择切削用量数值：转速、进给、切削深度、切削宽度；选择切削材料；并按照以下公式进行切削力、扭矩的计算：
Figure 2014100813702100001DEST_PATH_IMAGE001
式中，Fc为铣削力，Cp为加工材料对铣削力影响系数，ap为背吃刀量，fz为每齿进给量，B为切削宽度，Z为铣刀齿数，D为铣刀直径，K1为刀具前角对铣削力影响系数，K2为切削速度对铣削力影响系数；
每齿进给量 
Figure 288098DEST_PATH_IMAGE002
，取刀具前角γo=0°即铣刀前角γo对切削力影响系数表确定K1值为1.2；切削速度 
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，s为刀具转速，根据设计手册查得切削速度vc对切削力影响系数表确定K2值；然后根据切削条件，通过设计手册查得切削速度vc对切削力影响系数表确定Ff/Fc值。
2.按照权利要求1所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统，其特征在于：其满足下述要求：1）所述总扭矩时间曲线按照下述公式计算得到：
Figure 871526DEST_PATH_IMAGE004
；其中：
Figure 58925DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 44199DEST_PATH_IMAGE006
   
2）X、Y、Z轴分量计算满足下述要求：铣削路线为半径R的圆弧AB，A点坐标（0，0），B点坐标（a,b）, θ为进给方向与X轴正向的夹角，φ为铣削已经铣完的圆弧角度；则X轴和Y轴切削力按照下式求出：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
 ，其中：Ff、Fc前面已求出，由θ与时间t变化关系就能求出X、Y轴切削力分量与时间t的变化曲线；而：
Figure 291640DEST_PATH_IMAGE008
， 其中f为进给量，n为刀具转速；得： ；
    由θ与φ之间的关系能得出分量与时间的关系曲线；且有：
Figure 851990DEST_PATH_IMAGE010
     
Figure 691770DEST_PATH_IMAGE011
      
Figure 110113DEST_PATH_IMAGE012
    即有：
Figure 197334DEST_PATH_IMAGE014
即：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
3）Y方向施力装置力的计算具体要求如下：
Y方向施力装置不但要完成Y方向切削力的施加，同时还要完成扭矩的施加；
Figure 829304DEST_PATH_IMAGE016
Figure DEST_PATH_IMAGE017
Figure 480865DEST_PATH_IMAGE018
 ；
Figure 962400DEST_PATH_IMAGE020
 ；
Figure DEST_PATH_IMAGE021
；
y为铣削点Y轴坐标：
Figure 295292DEST_PATH_IMAGE022
；
F1、F2、F3、F4为作用在工作台上的四个作用力；
4）Z方向施力计算满足下述要求：  
y为铣削点Y轴坐标：
Figure 869810DEST_PATH_IMAGE022
5）X1轴方向施力计算满足下述要求：因为X轴方向力的施加只有一个伺服轴X1轴来完成，所以X1轴力与时间曲线即X轴方向切削力与时间曲线。
3.按照权利要求1所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统，其特征在于：其所使用的机床滚动功能部件精度保持性测量装置中还设置有下述结构：被测丝杠用螺母（8）、螺母安装座（9）、施力部件安装座（10）、外部框架（11）、滑鞍（12）、滑块（13）；其中：被测丝杠用螺母（8）通过螺母安装座（9）固定布置在工作台（4）下部用于驱动工作台（4）在被测导轨（2）上运动； 施力部件安装座（10）用于将至少一个施力部件（7）安装布置在工作台（4）周边以便于对工作台（4）施加用于模拟工作台实际受力情况的作用力；滑鞍（12）固定布置在用于支持工作台（4）的支撑导轨下方，包括滑鞍（12）及其所支撑的工作台（4）在内的所有组件都作为一个整体由被测导轨（2）支撑；每根被测导轨（2）上至少设置有2个滑块（13），滑块（13）固定布置在被测导轨（2）所支撑的部件上；外部框架（11）是整个设备的外框支架；
所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统基于上述的结构设计作为技术应用基础；并用于完成某型立式加工中心下层工作台所安装的导轨、丝杠的精度保持性研究；控制系统应用时的具体要求如下：
首先对刀具加工时下层工作台受力进行分析，在切削加工时，上层工作台所授的切削力和进给力通过四个滑块（13）和被侧丝杠用螺母（8）传递给下层的滑鞍（12）；其中四个滑块（13）只承受Y向和Z向力，被侧丝杠用螺母（8）只承受X向力；
要求在滑鞍上四个滑块（13）位置和被侧丝杠用螺母（8）作用线上位置施加相应的作用力，就能够将上层工作台所受的力作用到滑鞍（12）上，通过滑鞍（12）传递给下层的被侧导轨（2）和被测丝杠（3），从而将切削力施加到需要测试的滚动功能部件上。
4.按照权利要求1所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统，其特征在于：其满足下述要求：所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置中包含有下述组成部分：床身（1），滑鞍（12）、外部框架（11）和用于在某个方向对外施加作用力的施力部件（7）；其中：施力部件（7）具体在水平或者垂直方向用作对外施加作用力的部件即X、Y、Z向施力机构；施力部件（7）具体通过安装座固定布置在整个机床丝杠、导轨精度保持性测量装置上；
在X、Z方向上对外施加作用力的施力部件（7）共同构成X、Z向组合施力机构，并对滑鞍（12）完成X、Z方向力的施加；四组X、Z向组合施力机构在水平面上有四个施力点，四个点互相配合完成X方向力的施加和Z轴方向扭矩的合成；垂直面上有四个施力点，四个点互相配合完成X方向力的施加和Y轴方向和X轴方向扭矩的合成；
在Y方向上对外施加作用力的施力部件（7），施力部件（7）的具体结构是：施力部件电机（701）、施力部件用联轴器（702）、施力用丝杠（703）、单轴滑台（704）、施力弹性组件（705）、施力部件支架（707）、施力部件用螺母（708）、施力杆（709）、施力头（710）；其中：施力部件电机（701）、施力用丝杠（703）都固定布置在施力部件支架（707）上，单轴滑台（704）与施力部件支架（707）上相互接触且能相对滑动；施力部件电机（701）通过施力部件用联轴器（702）连接着施力用丝杠（703），固定在单轴滑台（704）下部的施力部件用螺母（708）与施力用丝杠（703）配对且能够带动单轴滑台（704）和施力用丝杠（703）沿与施力用丝杠（703）平行的方向运动；施力杆（709）的后半部分固定在单轴滑台（704）上且其轴线方向与施力用丝杠（703）平行，施力杆（709）伸出到单轴滑台（704）外部的那一端的端部为施力头（710）；在伸出到单轴滑台（704）外部的施力杆（709）处套装有施力弹性组件（705）；在所述机床丝杠、导轨精度保持性测量装置中，施力部件（7）具体的施力方式是：使用施力部件电机（701）通过施力部件用联轴器（702）连接施力用丝杠（703），并进而带动由施力用丝杠（703）驱动的施力部件用螺母（708）；施力部件用螺母（708）进而带动与其固定连接的单轴滑台（704）并使其沿施力用丝杠（703）的轴向滑动，在运动过程中通过控制施力部件电机（701）的转角对应精确控制对外施力的大小；
施力部件（7）采用伺服电机横扭矩驱动原理，通过施力用丝杠（703）、施力部件用螺母（708）将力施加到工作台（4）上；施力部件电机（701）通过施力部件用联轴器（702）驱动施力用丝杠（703）推动施力部件用螺母（708）将力传递到推动施力部件用螺母（708）的安装座，并进一步将力传递到工作台（4）上，产生一个Y方向的力，通过调整施力部件电机（701）的扭矩大小来控制力的大小；
综上所述， X、Z方向组合施力机构，用于对工作台（4）施加X轴、Z轴方向受力和所需的扭矩M；Y向施力机构用于对工作台施加Y轴方向受力；通过控制系统驱动施力部件电机（701），调整各个力的大小，能够实时模拟机床各种不同的加工状态的受力情况，使测试的导轨、丝杠的受力与真实加工时不同状态的受力一致，达到测试目的；
所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统中，施力部件（7）中的施力部件伺服电机（701）上设置有工业控制计算机内装12轴PMAC卡，PMAC卡安装在工业控制计算机内，外部与接口板相连，接口板通过伺服驱动器和丝杠用伺服电机（5）相连；对应地控制系统用于完成加工轨迹的输入、刀具参数、切削用量的设定，总切削力的计算和时间曲线绘制、总扭矩的计算和时间曲线绘制；X、Y、Z三向切削分力的计算和时间曲线绘制，将X、Y、Z三向切削分力和总扭矩合成后分解到各个伺服轴，计算各伺服轴的分力时间曲线，然后将时间曲线除以施力机构上的弹簧系数K后得到各伺服轴的时间位移曲线；在运行控制程序时，通过时钟控件向控制PMAC轴控卡输出各伺服轴的位移数值，PMAC卡调用相应的运动控制程序，控制伺服电机走到相应的位移点，完成所需力的施加；
控制系统要求完成下述工作：加工轨迹的输入、刀具参数、切削用量的设定，总切削力的计算和时间曲线绘制、总扭矩的计算和时间曲线绘制；X、Y、Z三向切削分力的计算和时间曲线绘制；将X、Y、Z三向切削分力和总扭矩合成后分解到各个伺服轴，计算各伺服轴的分力时间曲线，时间曲线除以施力机构上的弹簧系数K后得到各伺服轴的时间位移曲线；
具体控制实施过程中，通过时钟控件每0.1秒向控制PMAC轴控卡输出各伺服轴的位移数值，PMAC卡调用相应的运动控制程序，控制伺服电机走到相应的位移点，完成所需力的施加；
铣削力的计算与加工轨迹、刀具参数、切削用量密切相关，在控制软件中，先输入加工轨迹；输入起点坐标和终点坐标，设置曲线半径，对于圆、圆弧曲线半径即为半径，对于直线来说，曲线半径为0；设定加工方向，以NC代码规则进行设定：G02为顺时针方向走刀，G03为逆时针方向走刀；设定刀具参数：刀具半径、刀具齿数、刀具角度；选择切削用量数值：转速、进给、切削深度、切削宽度；选择切削材料如：结构钢、高温合金、铸铁、可锻铸铁等；按照以下公式进行切削力、扭矩的计算。
CN201410081370.2A 2014-03-07 2014-03-07 机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统 Active CN103900805B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410081370.2A CN103900805B (zh) 2014-03-07 2014-03-07 机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410081370.2A CN103900805B (zh) 2014-03-07 2014-03-07 机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103900805A true CN103900805A (zh) 2014-07-02
CN103900805B CN103900805B (zh) 2017-07-14

Family

ID=50992269

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410081370.2A Active CN103900805B (zh) 2014-03-07 2014-03-07 机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103900805B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107482957A (zh) * 2017-08-30 2017-12-15 深圳市圆梦精密技术研究院 直线电机控制系统和方法
CN111515755A (zh) * 2020-04-08 2020-08-11 江苏大学 一种导轨性能测试系统
TWI741349B (zh) * 2018-08-22 2021-10-01 日商發那科股份有限公司 控制裝置及軸進給控制方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000074789A (ja) * 1998-08-26 2000-03-14 Nissan Diesel Motor Co Ltd クランクシャフトの回転フリクション測定装置
CN201993224U (zh) * 2011-03-17 2011-09-28 希美克(广州)实业有限公司 机械耐久性操作力性能测试装置
CN202393588U (zh) * 2011-12-22 2012-08-22 吉林大学 数控转塔动力刀架切削力及扭矩加载可靠性试验系统
CN102706543A (zh) * 2011-01-06 2012-10-03 大连理工大学 动力刀架综合性能测试方法
CN103134674A (zh) * 2013-02-05 2013-06-05 中国第一汽车股份有限公司无锡油泵油嘴研究所 用于偶件滑动性检测的装置及方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000074789A (ja) * 1998-08-26 2000-03-14 Nissan Diesel Motor Co Ltd クランクシャフトの回転フリクション測定装置
JP3836984B2 (ja) * 1998-08-26 2006-10-25 日産ディーゼル工業株式会社 クランクシャフトの回転フリクション測定装置
CN102706543A (zh) * 2011-01-06 2012-10-03 大连理工大学 动力刀架综合性能测试方法
CN201993224U (zh) * 2011-03-17 2011-09-28 希美克(广州)实业有限公司 机械耐久性操作力性能测试装置
CN202393588U (zh) * 2011-12-22 2012-08-22 吉林大学 数控转塔动力刀架切削力及扭矩加载可靠性试验系统
CN103134674A (zh) * 2013-02-05 2013-06-05 中国第一汽车股份有限公司无锡油泵油嘴研究所 用于偶件滑动性检测的装置及方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
冯虎田: "滚动功能部件综合性能检测及可靠性研究发展趋势", 《金属加工(冷加工)》, no. 5, 31 December 2012 (2012-12-31) *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107482957A (zh) * 2017-08-30 2017-12-15 深圳市圆梦精密技术研究院 直线电机控制系统和方法
TWI741349B (zh) * 2018-08-22 2021-10-01 日商發那科股份有限公司 控制裝置及軸進給控制方法
US11163290B2 (en) 2018-08-22 2021-11-02 Fanuc Corporation Control device and axial feed control method
CN111515755A (zh) * 2020-04-08 2020-08-11 江苏大学 一种导轨性能测试系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN103900805B (zh) 2017-07-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9272385B2 (en) Multi-carriage dual-spindle symmetrical grinding processing center
US8784155B2 (en) Multi-carriage symmetrical numerically controlled coordinate grinding machine
CN103180790B (zh) 数值控制方法
JP5705283B2 (ja) 工作機械および工作機械の回転軸の測定方法
JP5936178B2 (ja) 工作機械の加工制御方法
JP6942577B2 (ja) 工作機械の数値制御装置及び数値制御方法
CN104440384A (zh) 一种建立工件数控加工坐标系的方法
CN104210302A (zh) 三维立体雕刻机、方法及系统
CN106181576A (zh) 一种加工中心回转工作台的中心定位方法及装置
CN107471882A (zh) 一种大体积工件雕刻的机器人加工控制系统
CN103900805A (zh) 机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统
Sato et al. Finished surface simulation method to predicting the effects of machine tool motion errors
Li et al. Off-line optimization on NC machining based on virtual machining
CN102985222B (zh) 磨床以及研磨加工方法
CN201760752U (zh) 五轴数控卧式镗铣床
CN109739180A (zh) 基于SolidWorks、ADAMS的数控机床工作平面瞬时运动中心的确定方法
EP2735928A1 (de) Verfahren zur Einjustierung einer werkstücktragenden Baugruppe eines Bearbeitungszentrums für die spanende Werkstückbearbeitung
CN111857038A (zh) 一种机架在数控龙门铣床上的参数化加工方法
CN104101497B (zh) 伺服调中心距变速器驱动校验装置及其校验方法
CN207325956U (zh) 一种双头数控车床
CN207501896U (zh) 旋转工作台几何精度误差量测装置
CN110543146A (zh) 一种基于边缘计算的循圆加工方法及数控机床加工系统
CN202317181U (zh) 一种自由曲面类零件加工装置
KR101271222B1 (ko) Ｃｎｃ 선반
Yang et al. Generalized cutting loads decomposition model of five-axis serial machine tools based on the screw theory

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant