CN103926094A - 一种模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置及方法，包括用于模拟实际切削工况的切削工艺模拟设备，和切削工艺模拟设备相连的切削力校核设备，及用于检测机床整机以及各部件测点位移的位移检测设备；切削力校核设备和位移检测设备分别与用于处理和显示数据的电脑终端相连。先安装好该测试装置，由实际切削工况计算出三向力的大小，再向模拟刀头施加三向力模拟切削工况，通过切削力校核设备校核施加的三向力大小，由位移检测设备测得各部件测点处的位移，计算出机床各部件刚度和整机刚度。本发明能在机床工作状态下模拟机床切削力，测量出整机以及各部件的刚度，从而发现机床各部件刚度薄弱环节，对机床整机设计及提高机床整机刚度有重要意义。

Description

一种模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置及方法

技术领域

本发明属于机械装置领域，具体涉及一种模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置及方法。

背景技术

机床刚度是机床性能的一个重要指标，是影响机床加工精度的一个重要因素。机床刚度是指机床在切削力作用下机床整机以及各部件抵抗变形的能力。由机床刚度定义可知测量机床刚度需要测量机床切削力的大小以及在切削力作用下机床各部件的变形量。目前机床刚度测量试验的对象大都为机床主轴末端，对机床各主要部件刚度的测量试验较少。在传统的机床整机设计过程中，大都是凭借经验来设计机床各部件，具有一定的盲目性，往往造成机床部件刚度不足或者冗余。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置及方法，能够对机床整机以及各部件进行刚度测量试验，从而发现机床各部件刚度的薄弱环节。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置，包括设置在机床的工作台上的切削工艺模拟设备，与切削工艺模拟设备相连的切削力校核设备，以及用于检测机床整机以及各部件测点位移的位移检测设备；且切削力校核设备和位移检测设备分别与用于处理和显示数据的电脑终端相连；其中切削工艺模拟设备包括用于模拟机床的真实机床刀具的模拟刀头，以及用于向模拟刀头上提供三个方向模拟切削力的压力加载设备；切削力校核设备包括用于校核压力加载设备向模拟刀头上加载的模拟切削力大小的压力传感器；位移检测设备包括用于检测机床各部件位移的位移传感器。

所述的切削工艺模拟设备还包括安装在机床主轴上的刀柄，刀柄上安装有刀柄螺帽，模拟刀头安装在刀柄中，并利用刀柄螺帽进行固定夹紧；模拟刀头的刀尖处套装有能够同时承受径向力和轴向力的圆锥滚子轴承，圆锥滚子轴承的内圈利用模拟刀头的轴肩进行定位从而限制其的移动，圆锥滚子轴承的外部安装有套筒，套筒设有与圆锥滚子轴承的外圈尺寸相配合的阶梯孔，阶梯孔的台阶面作用在圆锥滚子轴承的外圈上，套筒的外部设有切削力校核设备，切削力校核设备的外侧设有压力加载设备。

所述的切削力校核设备还包括设置在套筒外部的三个转接头，其中一个转接头位于模拟刀头的轴向方向并与模拟刀头同轴，另两个转接头位于模拟刀头的径向方向并相互垂直，且每个转接头均与一个压力传感器同轴固定，压力传感器与转接头的接触面为平面，三个压力传感器分别与测力变送器相连，测力变送器与电脑终端相连；压力传感器的外侧设有压力加载设备。

所述的压力加载设备包括三个液压缸，每个液压缸分别设置在一个压力传感器的外侧，并与压力传感器同轴相连，且每个液压缸分别固定在一个液压缸支撑件上，液压缸支撑件固定在工作台上；液压泵通过分流阀分别与三个液压缸相连，且每个分流阀与液压泵连接的管路上均设有节流阀和压力表，用于调节和检测液压缸输出的压力大小。

所述的位移检测设备还包括用于固定位移传感器的传感器支架，传感器支架设置在选取的机床各部件测点处，位移传感器依次通过信号放大器和数据处理设备与电脑终端相连。

一种模拟真实切削工况的机床静刚度测试方法，包括以下步骤：

1）安装模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置，包括安装切削工艺模拟设备、切削力校核设备和位移检测设备；

2）按照切削力经验公式，由数控机床切削工况的具体参数，计算出机床三个方向上的受力情况，即主切削力F_z、切深抗力F_y和进给抗力F_x的大小；

3）通过三个液压缸分别向模拟刀头施加三个方向的力来模拟数控机床切削工况，并通过切削力校核设备校核，使施加的三个方向的力分别与计算出的进给抗力F_x、切深抗力F_y和主切削力F_z的大小相同；

4）通过位移检测设备测得机床各部件测点处的位移；

5）根据刚度计算公式，由测得的位移数据计算出机床各部件的刚度和整机刚度。

机床各部件测点的选取标准为：

a）将机床各部件滑块导轨连接处选取为机床各部件测点；

b）将机床各部件在力的作用下的最大变形区域选取为机床各部件测点；

c）在机床各部件上选取测点时，机床各部件上的测点应对称分布；

d）机床各部件会由于力的不均匀分布导致产生倾角，选取的机床各部件测点应能反映出机床各部件产生的倾角。

所述的步骤2）中使用的切削力经验公式为：

$F_z=9.81C_{F_z}\·{a_p}^{x_{F_z}}\·f^{y_{F_z}}\·{\left({\mathrm{\υ}}_c\right)}^{n_{F_z}}\·K_{F_z}$

$F_y=9.81C_{F_y}\·{a_p}^{x_{F_y}}\·f^{y_{F_y}}\·{\left({\mathrm{\υ}}_c\right)}^{n_{F_y}}\·K_{F_y}$

$F_x=9.81C_{F_x}\·{a_p}^{x_{F_x}}\·f^{y_{F_x}}\·{\left({\mathrm{\υ}}_c\right)}^{n_{F_x}}\·K_{F_x}$

其中：x表示进给力方向，y表示背向力方向，z表示主切削力方向，υ_c表示进给量，单位mm/min，a_p表示切削深度，单位mm，f表示每转进给量，单位mm/r，分别为a_p对F_x、F_y和F_z的影响指数，分别为f对F_x、F_y和F_z的影响指数，分别为υ_c对F_x、F_y和F_z的影响指数，分别为各种因素对F_x、F_y和F_z的影响的修正系数的乘积，分别为工件材料和切削条件对F_x、F_y和F_z的影响系数；

所述的步骤5）中使用的刚度计算公式为K=F/δ，

其中：δ=δ₁+δ₂+……+δ_n

1/K=1/K₁+1/K₂+……+1/K_n

其中：K为整机刚度，F为切削力，δ为变形量，δ_n为各部件变形量，K_n为各部件的刚度，n为部件个数。

所述的步骤1）具体包括以下步骤：

（1）安装切削工艺模拟设备：

1.1）将三个液压缸分别固定对应的液压缸支撑件上，将三个液压缸支撑件固定在机床的工作台上，再将三个液压缸分别与分流阀相连后再与液压泵相连；

1.2）根据三个液压缸的位置调整机床主轴的位置，使三个液压缸分别位于机床主轴的空间坐标系的x、y、z方向；

1.3）将刀柄安装到机床主轴中，将模拟刀头安装到刀柄中，并利用刀柄螺帽进行加紧固定；

1.4）在模拟刀头的刀尖处安装圆锥滚子轴承，使圆锥滚子轴承的内圈与模拟刀头的轴肩相接触；

1.5）在圆锥滚子轴承上安装套筒，使套筒内的台阶面与圆锥滚子轴承的外圈相接触；

（2）安装切削力校核设备：

2.1）在液压缸的鞍座上安装转接头；

2.2）在转接头上安装压力传感器；

2.3）将压力传感器与测力变送器连接，并利用数据线连接测力变送器和电脑终端；

（3）安装位移检测设备：

3.1）在机床各部件测点处固定传感器支架；

3.2）将位移传感器安装到传感器支架上；

3.3）连接位移传感器和信号放大器；

3.4）连接信号放大器和数据处理设备；

3.5）连接数据处理设备和电脑终端。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明提供的模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置，包括切削工艺模拟设备、切削力校核设备和位移检测设备。其中切削工艺模拟设备具有以下优点:

1)与以往的切削工艺模拟设备相比，本发明的切削工艺模拟设备中引入了与实际机床刀具相似的模拟刀头，模拟刀头的引入使得该切削工艺模拟设备的模拟效果更加接近于实际真实情况，使得测试结果更加准确。模拟切削力通过圆锥滚子轴承作用在模拟刀头上，进而传递到机床其它各部件上。

2）模拟刀头的引入还使得该切削工艺模拟设备具有更好的通用性，只需要根据机床实际刀具更改模拟刀具就可以应用该切削工艺模拟设备来模拟数控机床不同的切削工艺，因此更具有实用性。

3）根据机床加工工艺和切削力经验公式能够将机床的实际切削力沿直角坐标系分解为三个方向上的作用力，而该切削工艺模拟设备中设有用于向模拟刀头上提供三个方向模拟切削力的压力加载设备，能够方便准确有效的对模拟刀头进行三向力的加载模拟。

4）该切削工艺模拟设备结构简单，零部件易于加工，成本较低。

切削力校核设备中的压力传感器能够校核压力加载设备向模拟刀头上加载的模拟切削力大小，能够保证施加在三个方向上力的大小和准确性，能够保证施加到机床主轴末端实际的切削力大小。

位移检测设备中的位移传感器安装在预先选取好的测点处，能够用于检测机床各部件的位移，并将检测数据传输到电脑终端进行处理，根据各部件位移数据以及切削力即可得出各部件刚度及整机刚度。

利用本发明的模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置能够在机床工作的状态下模拟各种数控机床切削工艺，对机床整机以及各部件进行刚度测量试验，能够测量出整机以及各部件的刚度，从而发现机床各部件刚度薄弱环节，通过对相对薄弱的机床部件进行结构改进则可以有效的提高机床的整机刚度，这对于机床整机设计以及提高机床加工精度具有重要的意义。

进一步的，切削力校核设备中的压力传感器通过转接头安装在套筒上，转接头很好的实现了压力传感器与液压缸的连接，能够避免压力传感器因安装在套筒上在重力作用下而引起的主轴变形。

本发明提供的模拟真实切削工况的机床静刚度测试方法，先在机床上安装好模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置，然后根据机床的实际切削工况计算出主切削力F_z、切深抗力F_y和进给抗力F_x的大小，再通过三个液压缸分别向模拟刀头施加三个方向的力来模拟数控机床切削工况，并通过切削力校核设备校核，使施加的三个方向的力分别与计算出的进给抗力F_x、切深抗力F_y和主切削力F_z的大小相同、方向一致，同时通过位移检测设备测得机床各部件测点处的位移，最后由测得的位移数据计算出机床各部件的刚度。利用本发明的模拟真实切削工况的机床静刚度测试方法能够在机床工作的状态下模拟各种数控机床切削力，对机床整机以及各部件进行刚度测量试验，能够测量出整机以及各部件的刚度，从而发现机床各部件刚度薄弱环节，通过对相对薄弱的机床部件进行改进则可以有效的提高机床的整机刚度，这对于机床整机设计以及提高机床整机刚度具有重要的意义。

进一步的，测点的选取对测量结果的准确性具有重要意义，在测量机床各部件变形时，由于不能将部件所有点穷举并测试出来，因此就需要选取部件上的某些点作为关键测试点，因此关键点（测点）的选取合理与否直接关系到测试结果的准确性，关键点的选取大大简化了试验的工作量。

进一步的，本发明采用切削力经验公式计算主切削力F_z、切深抗力F_y和进给抗力F_x，相对于其它测试设备和方法，该方法引入了切削力经验公式来指导模拟切削力的施加，根据切削力经验公式来将切削力分解为三个方向上的分力，然后按照分解的切削力来加载各个方向的作用力，因此能够更好的模拟实际的切削工艺。

进一步的，本发明使用的刚度计算公式，刚度计算引入了刚度链的概念，通过刚度链的公式可以得出机床的整机刚度是由各个部件的刚度共同决定的，因此提高任何一个部件的刚度均可以提高机床的整机刚度。

附图说明

图1是切削工艺模拟设备的结构示意图；

图2是图1的局部放大图；

图3是X向位移测点选取示意图；

图4是刚度测量方法的原理图；

其中：1-1为刀柄、1-2为刀柄螺帽、1-3为模拟刀头、1-4为圆锥滚子轴承、1-5为套筒、1-6为转接头、1-7为压力传感器、1-8为液压缸、1-9为液压缸支撑件、1-10为工作台、1-11为电脑终端、1-12为测力变送器、1-13为位移传感器、1-14为信号放大器、1-15为数据处理设备、1-16为液压泵、1-17为切削工艺模拟设备、1-18为位移检测设备、1-19为切削力校核设备、1-20为分流阀、1为模拟刀头末端X向位移测点、2为主轴箱主轴末端X向位移测点、3为滑鞍最大变形处左侧X向位移测点、4为滑鞍最大变形处右侧X向位移测点、5为主轴箱-滑鞍左上端滑块X向位移测点、6为主轴箱-滑鞍右上端滑块x向位移测点、7为滑鞍-立柱左上端滑块X向位移测点、8为滑鞍-立柱右上端滑块X向位移测点、9为滑鞍-立柱左下端滑块X向位移测点、10为滑鞍-立柱右下端滑块X向位移测点、11为立柱-滑鞍左上端滑块处X向位移测点、12为立柱-滑鞍右上端滑块处X向位移测点、13为立柱-滑鞍左下端滑块处X向位移测点、14为立柱-滑鞍右下端滑块处X向位移测点、15为床身-立柱左后端X向位移测点、16为床身-立柱右后前端X向位移测点、17为床身-立柱右上前端X向位移测点、18为立柱-床身左下后端X向位移测点、19为立柱-床身左前端X向位移测点、20为立柱-床身右前端X向位移测点、21为床身-立柱左前端X向位移测点、22为床身-立柱右前端X向位移测点、23为工作台左后端X向位移测点、24为工作台右后端X向位移测点、25为工作台左前端X向位移测点、26为工作台右前端X向位移测点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明公开了一种模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置及方法，该模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置包括一套切削工艺模拟设备、切削力校核设备及位移检测设备。切削工艺模拟设备用来为机床提供模拟切削力来模拟实际的切削工况，为保证施加到机床主轴末端切削力大小，该模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置中设计了一套切削力校核设备来确保实际施加到机床主轴末端的力。切削力施加到机床主轴末端后，机床主轴末端以及各部件均会在切削力作用下发生变形。为测得各部件的变形量，该模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置设计了一套位移检测设备用来检测各部件的变形量。此外，为得到机床整机以及各部件的刚度还需要一套相应的测量方法作为支撑。利用该模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置及方法就可以测得机床的整机刚度以及各部件的刚度。这样就可以从试验结果中发现机床结构中较薄弱的部件，对这些相对薄弱的部件结构进行改进可以比较有效的提高机床部件以及整机刚度，这就避免了机床设计与改进过程中的盲目性，对于提高机床加工精度具有重要的意义。

参见图1至图4，本发明提供的模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置，包括设置在机床的工作台1-10上的切削工艺模拟设备1-17，与切削工艺模拟设备1-17相连的切削力校核设备1-19，以及与机床各部件测点相连的位移检测设备1-18。

其中切削工艺模拟设备1-17包括用于模拟机床实际加工过程中刀头的模拟刀头1-3，以及用于向模拟刀头1-3上提供三个方向模拟切削力的压力加载设备；还包括安装在机床主轴上的刀柄1-1，刀柄1-1上安装有刀柄螺帽1-2，模拟刀头1-3安装在刀柄1-1中，并利用刀柄螺帽1-2进行固定夹紧；模拟刀头1-3的刀尖处套装有能够同时承受径向力和轴向力的圆锥滚子轴承1-4，圆锥滚子轴承1-4的内圈利用模拟刀头1-3的轴肩进行定位从而限制其的移动，圆锥滚子轴承1-4的外部安装有套筒1-5，套筒1-5设有与圆锥滚子轴承1-4的外圈尺寸相配合的阶梯孔，阶梯孔的台阶面作用在圆锥滚子轴承1-4的外圈上。套筒1-5的外部设有切削力校核设备1-19，切削力校核设备1-19的外侧设有压力加载设备。在套筒上施加轴向力后，作用力通过内台阶面传递到轴承外圈，进而将作用力传递到内圈、主轴上。因此圆锥滚子轴承和套筒实现了三向力的施加同时还不影响主轴的工作状态。

切削力校核设备1-19包括用于校核压力加载设备向模拟刀头1-3上加载的模拟切削力大小的压力传感器1-7，还包括设置在套筒1-5外部的三个转接头1-6，其中一个转接头1-6位于模拟刀头1-3的轴向方向并与模拟刀头1-3同轴，另两个转接头1-6位于模拟刀头1-3的径向方向并相互垂直，且每个转接头1-6均与一个压力传感器1-7同轴固定，压力传感器1-7与转接头1-6的接触面为平面，三个压力传感器1-7分别与测力变送器1-12相连，测力变送器1-12与电脑终端1-11相连；压力传感器1-7的外侧设有压力加载设备。在液压缸末端安装压力传感器来校核施加到机床主轴末端三向作用力的大小，压力传感器的数据通过测力变送器显示出来，并在数据采集软件中实时记录。通过这套压力校核设备就可以保证施加到机床主轴末端实际的切削力大小，保证施加在三个方向上力的准确性。

压力加载设备包括三个液压缸1-8，每个液压缸1-8分别设置在一个压力传感器1-7的外侧，并与压力传感器1-7同轴相连，且每个液压缸1-8分别固定在一个液压缸支撑件1-9上，液压缸支撑件1-9利用夹具固定在工作台1-10上；液压泵1-16通过分流阀1-20分别与三个液压缸1-8相连，且每个液压缸1-8与液压泵1-16连接的管路上均设有节流阀和压力表。液压缸动力由液压泵1-16提供，液压泵通过高压油管接到三向分流阀上，分流阀后面接节流阀、压力表座，压力表座通过高压油管分别接到液压缸上，压力表安装到压力表座上用来显示施加压力的大小。

位移检测设备1-18包括用于检测机床各部件位移的位移传感器1-13，还包括用于固定位移传感器1-13的传感器支架，传感器支架设置在选取的机床各部件测点处，位移传感器1-13依次通过信号放大器1-14和数据处理设备1-15与电脑终端1-11相连。

在测量机床主轴末端和各部件的变形时由于不可能把将它们上面的所有点穷举并测量出来，因此需要选取主轴末端以及部件的关键点进行测量（即选取测点，X方向测点的选取如图3所示）。设置好测点后，将（电涡流）位移传感器放置在测点处，位移传感器采集到的数据通过信号放大器传送到数据处理设备中并在软件中实时显示出来。利用刚度计算公式得出各部件的刚度以及整机刚度。

测点主要是为了测量机床加工终端的变形与部件的主要变形。其中根据加工终端的位移变形量与终端模拟载荷大小可以求解机床的终端刚度；部件的关键节点（测点）通过分析切削力与测量的变形结合进行刚度计算。

测点选取原则包括以下几个方面:

1）各部件滑块导轨连接处。滑块作为连接两个机床部件的零件，滑块的变形对整机变形有直接的影响，滑块的变形直接反映了部件在力载荷作用下的有效变形，因此机床各滑块处应布置关键测点。

2)各部件在力的作用下最大变形区域。有效变形除了滑块处产生的变形外，载荷输入端的最大变形也直接影响了机床的整机变形，此外，机床的最大变形也反映了机床部件的刚度，这对于改进部件结构提高刚度具有重要的意义，因此需要在各部件最大变形区域不知关键测点，最大变形区域可以以机床有限元分析结果作参考。

3）各部件上测点应对称分布，机床的整机变形是指在切削力作用下模拟刀头和工件产生的相对位移，因此机床的整机变形可以通过机床模拟刀头轴线所在的水平面的变形反映出来。因此通过在水平面处对称布置测点，进而求出各部件变形的平均值进行累加，就可以得到机床的整机变形。

4）由于力的分布不均匀等因素，各部件会由于力的不均匀分布导致产生倾角，因此部件测点应该能反映出部件产生的倾角。

本发明提供的模拟真实切削工况的机床静刚度测试方法，具体包括以下步骤：

1、安装切削工艺模拟设备：

1.1）将三个液压缸1-8分别固定对应的液压缸支撑件1-9上，并将三个液压缸支撑件1-9固定在机床的工作台1-10上，再将三个液压缸1-8分别与分流阀1-20连接后再与液压泵1-16相连；

1.2）根据三个液压缸1-8的位置调整机床主轴的位置，使三个液压缸1-8分别位于机床主轴的空间坐标系的x、y、z方向；

1.3）将刀柄1-1安装到机床主轴中，将模拟刀头1-3安装到刀柄1-1中，并利用刀柄螺帽1-2进行加紧固定；

1.4）在模拟刀头1-3的刀尖处安装圆锥滚子轴承1-4，使圆锥滚子轴承1-4的内圈与模拟刀头1-3的轴肩相接触；

1.5）在圆锥棍子轴承1-4上安装套筒1-5，使套筒1-5内的台阶面与圆锥棍子轴承1-4的外圈相接触；

（2）安装切削力校核设备：

2.1）在液压缸1-8的鞍座上安装转接头1-6；

2.2）在转接头1-6上安装压力传感器1-7；

2.3）将压力传感器1-7与测力变送器1-12连接，并利用数据线连接测力变送器1-12和电脑终端1-11；

（3）安装位移检测设备：

3.1）在机床各部件测点处固定传感器支架；

3.2）将位移传感器1-13安装到传感器支架上；

3.3）连接位移传感器1-13和信号放大器1-14；

3.4）连接信号放大器1-14和数据处理设备1-15；

3.5）连接数据处理设备1-15和电脑终端1-11。

2、进行实验

测量方法主要是通过主动模拟切削工艺，同时根据测量要求选择一些有效关键测点进行刚度测量。机床切削力一般可以按照经验公式沿直角坐标系分解为三个方向上的作用力，即主切削力、切深抗力和进给抗力。

1）以某一切削工况为例，求解三个方向上力的大小。某数控机床刀具直径25mm，刀具切削速度6.00mm，进给量为0.50mm，最小转速为300rpm，按照切削力经验公式可得：

$F_z=9.81C_{F_z}\·{a_p}^{x_{F_z}}\·f^{y_{F_z}}\·{\left({\mathrm{\υ}}_c\right)}^{n_{F_z}}\·K_{F_z}$

$F_y=9.81C_{F_y}\·{a_p}^{x_{F_y}}\·f^{y_{F_y}}\·{\left({\mathrm{\υ}}_c\right)}^{n_{F_y}}\·K_{F_y}$

$F_x=9.81C_{F_x}\·{a_p}^{x_{F_x}}\·f^{y_{F_x}}\·{\left({\mathrm{\υ}}_c\right)}^{n_{F_x}}\·K_{F_x}$

其中：x表示进给力方向，y表示背向力方向，z表示主切削力方向，υ_c表示进给量，单位mm/min，a_p表示切削深度，单位mm，f表示每转进给量，单位mm/r，分别为a_p对F_x、F_y和F_z的影响指数，分别为f对F_x、F_y和F_z的影响指数，分别为υ_c对F_x、F_y和F_z的影响指数，分别为各种因素对F_x、F_y和F_z的影响的修正系数的乘积，分别为工件材料和切削条件对F_x、F_y和F_z的影响系数。

根据经验公式计算得到主切削力为3182.2N、切深抗力为732.5N、进给抗力为672.2N。因此利用液压泵分别在X、Y、Z三向液压缸上施加732.5N、672.2N和3782.2N的力，这样就可以模拟该切削工况，同理在其它工况下只需按照经验公式进行求解各个方向上的作用力就可以分别得到各个方向上的力的大小。然后将计算所得的力分别施加到三向液压缸上。

2）打开数据处理软件，根据厂家提供的传感器标定曲线调整位移传感器到合适的位置。

3）利用液压泵分别给三个液压缸施加压力，利用压力校核设备校核压力的大小，待压力达到所需值后停止继续施压。

4）通过位移传感器测量得到各部件测点处的位移。

5）刚度计算：

根据刚度计算公式计算出各部件刚度和整机刚度：

K=Fδ

δ=δ₁+δ₂+....+δ_n

1K=1K₁+1K₂+...+1K_n

其中K为整机刚度，F为切削力，δ为变形量，δ_n为各部件变形量，K_n为各部件的刚度，n为部件个数。

机床整机变形指机床主轴刀尖处相对于工作台上工件的变形，由于力的传递性，切削力会从机床刀尖处依次传递到主轴箱、滑鞍、立柱、床身、工作台、最后又传递到机床刀尖处。各部件在切削力的作用下均会产生一定的变形，各部件的变形之和即为机床整机的变形量。由刚度计算公式可以看出机床整机刚度是由各部件刚度共同决定的，提供其中任何一个部件的刚度均会提高机床的整机刚度，因此利用本发明提供的模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置来测量各部件刚度，并找到其中较薄弱的环节进行结构改进对提供机床刚度具有重要的作用。

具体应用实例：

利用本发明提供的模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置向模拟刀头施加三向力，具体为分别施加X=1000N，Y=1000N，Z=5000N的作用力，利用位移检测设备测得机床刀柄处各测点X、Y、Z三个方向上的变形如表1所示。

表1刀柄处测点位移

作用力	X向位移（um）	Y向位移（um）	Z向位移（um）
				X=1000N	35.47	1.54	2.82
Y=1000N	2.62	22.62	1.48
				Z=5000N	-4.35	6.55	40.3

从表1中的数据可以看出，在F_z=5000N的作用下，机床刀柄沿Z方向的变形为40.3um，F_x=1000N的作用下，机床刀柄沿x方向的变形为35.47um，在F_y=5000N的作用下，机床沿y方向的变形为22.62um，这些测试结果与厂家提供的数据相近，因此本发明提供的模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置及方法能够较好的用于机床整机以及部件刚度测试。

Claims (10)

1.一种模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置，其特征在于：包括设置在机床的工作台（1-10）上的切削工艺模拟设备（1-17），与切削工艺模拟设备（1-17）相连的切削力校核设备（1-19），以及用于检测机床整机以及各部件测点位移的位移检测设备（1-18）；且切削力校核设备（1-19）和位移检测设备（1-18）分别与用于处理和显示数据的电脑终端（1-11）相连；其中切削工艺模拟设备（1-17）包括用于模拟机床的真实机床刀具的模拟刀头（1-3），以及用于向模拟刀头（1-3）上提供三个方向模拟切削力的压力加载设备；切削力校核设备（1-19）包括用于校核压力加载设备向模拟刀头（1-3）上加载的模拟切削力大小的压力传感器（1-7）；位移检测设备（1-18）包括用于检测机床各部件位移的位移传感器（1-13）。

2.根据权利要求1所述的模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置，其特征在于：所述的切削工艺模拟设备（1-17）还包括安装在机床主轴上的刀柄（1-1），刀柄（1-1）上安装有刀柄螺帽（1-2），模拟刀头（1-3）安装在刀柄（1-1）中，并利用刀柄螺帽（1-2）进行固定夹紧；模拟刀头（1-3）的刀尖处套装有能够同时承受径向力和轴向力的圆锥滚子轴承（1-4），圆锥滚子轴承（1-4）的内圈利用模拟刀头（1-3）的轴肩进行定位从而限制其的移动，圆锥滚子轴承（1-4）的外部安装有套筒（1-5），套筒（1-5）设有与圆锥滚子轴承（1-4）的外圈尺寸相配合的阶梯孔，阶梯孔的台阶面作用在圆锥滚子轴承（1-4）的外圈上，套筒（1-5）的外部设有切削力校核设备（1-19），切削力校核设备（1-19）的外侧设有压力加载设备。

3.根据权利要求2所述的模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置，其特征在于：所述的切削力校核设备（1-19）还包括设置在套筒（1-5）外部的三个转接头（1-6），其中一个转接头（1-6）位于模拟刀头（1-3）的轴向方向并与模拟刀头（1-3）同轴，另两个转接头（1-6）位于模拟刀头（1-3）的径向方向并相互垂直，且每个转接头（1-6）均与一个压力传感器（1-7）同轴固定，压力传感器（1-7）与转接头（1-6）的接触面为平面，三个压力传感器（1-7）分别与测力变送器（1-12）相连，测力变送器（1-12）与电脑终端（1-11）相连；压力传感器（1-7）的外侧设有压力加载设备。

4.根据权利要求3所述的模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置，其特征在于：所述的压力加载设备包括三个液压缸（1-8），每个液压缸（1-8）分别设置在一个压力传感器（1-7）的外侧，并与压力传感器（1-7）同轴相连，且每个液压缸（1-8）分别固定在一个液压缸支撑件（1-9）上，液压缸支撑件（1-9）固定在工作台（1-10）上；液压泵（1-16）通过分流阀（1-20）分别与三个液压缸（1-8）相连，且每个分流阀（1-20）与液压泵（1-16）连接的管路上均设有节流阀和压力表，用于调节和检测液压缸输出的压力大小。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置，其特征在于：所述的位移检测设备（1-18）还包括用于固定位移传感器（1-13）的传感器支架，传感器支架设置在选取的机床各部件测点处，位移传感器（1-13）依次通过信号放大器（1-14）和数据处理设备（1-15）与电脑终端（1-11）相连。

6.一种模拟真实切削工况的机床静刚度测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）安装模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置，包括安装切削工艺模拟设备（1-17）、切削力校核设备（1-19）和位移检测设备（1-18）；

2）按照切削力经验公式，由数控机床切削工况的具体参数，计算出机床三个方向上的受力情况，即主切削力F_z、切深抗力F_y和进给抗力F_x的大小；

3）通过三个液压缸（1-8）分别向模拟刀头（1-3）施加三个方向的力来模拟数控机床切削工况，并通过切削力校核设备（1-19）校核，使施加的三个方向的力分别与计算出的进给抗力F_x、切深抗力F_y和主切削力F_z的大小相同、方向一致；

4）通过位移检测设备（1-18）测得机床各部件测点处的位移；

5）根据刚度计算公式，由测得的位移数据计算出机床各部件的刚度和整机刚度。

7.根据权利要求6所述的模拟真实切削工况的机床静刚度测试方法，其特征在于：机床各部件测点的选取标准为：

a）将机床各部件滑块导轨连接处选取为机床各部件测点；

b）将机床各部件在力的作用下的最大变形区域选取为机床各部件测点；

c）在机床各部件上选取测点时，机床各部件上的测点应对称分布；

d）机床各部件会由于力的不均匀分布导致产生倾角，选取的机床各部件测点应能反映出机床各部件产生的倾角。

8.根据权利要求6或7所述的模拟真实切削工况的机床静刚度测试方法，其特征在于：所述的步骤2）中使用的切削力经验公式为：

$F_z=9.81C_{F_z}\·{a_p}^{x_{F_z}}\·f^{y_{F_z}}\·{\left({\mathrm{\υ}}_c\right)}^{n_{F_z}}\·K_{F_z}$

$F_y=9.81C_{F_y}\·{a_p}^{x_{F_y}}\·f^{y_{F_y}}\·{\left({\mathrm{\υ}}_c\right)}^{n_{F_y}}\·K_{F_y}$

$F_x=9.81C_{F_x}\·{a_p}^{x_{F_x}}\·f^{y_{F_x}}\·{\left({\mathrm{\υ}}_c\right)}^{n_{F_x}}\·K_{F_x}$

其中：x表示进给力方向，y表示背向力方向，z表示主切削力方向，υ_c表示进给量，单位mm/min，a_p表示切削深度，单位mm，f表示每转进给量，单位mm/r，分别为a_p对F_x、F_y和F_z的影响指数，分别为f对F_x、F_y和F_z的影响指数，分别为υ_c对F_x、F_y和F_z的影响指数，分别为各种因素对F_x、F_y和F_z的影响的修正系数的乘积，分别为工件材料和切削条件对F_x、F_y和F_z的影响系数。

9.根据权利要求6或7所述的模拟真实切削工况的机床静刚度测试方法，其特征在于：所述的步骤5）中使用的刚度计算公式为K=F/δ，

其中：δ=δ₁+δ₂+……+δ_n

1/K=1/K₁+1/K₂+……+1/K_n

其中：K为整机刚度，F为切削力，δ为变形量，δ_n为各部件变形量，K_n为各部件的刚度，n为部件个数。

10.根据权利要求6或7所述的模拟真实切削工况的机床静刚度测试方法，其特征在于：所述的步骤1）具体包括以下步骤：

（1）安装切削工艺模拟设备：

1.1）将三个液压缸（1-8）分别固定对应的液压缸支撑件（1-9）上，将三个液压缸支撑件（1-9）固定在机床的工作台（1-10）上，再将三个液压缸（1-8）分别与分流阀（1-20）相连后再与液压泵（1-16）相连；

1.2）根据三个液压缸（1-8）的位置调整机床主轴的位置，使三个液压缸（1-8）分别位于机床主轴的空间坐标系的x、y、z方向；

1.3）将刀柄（1-1）安装到机床主轴中，将模拟刀头（1-3）安装到刀柄（1-1）中，并利用刀柄螺帽（1-2）进行加紧固定；

1.4）在模拟刀头（1-3）的刀尖处安装圆锥滚子轴承（1-4），使圆锥滚子轴承（1-4）的内圈与模拟刀头（1-3）的轴肩相接触；

1.5）在圆锥滚子轴承（1-4）上安装套筒（1-5），使套筒（1-5）内的台阶面与圆锥滚子轴承（1-4）的外圈相接触；

（2）安装切削力校核设备：

2.1）在液压缸（1-8）的鞍座上安装转接头（1-6）；

2.2）在转接头（1-6）上安装压力传感器（1-7）；

2.3）将压力传感器（1-7）与测力变送器（1-12）连接，并利用数据线连接测力变送器（1-12）和电脑终端（1-11）；

（3）安装位移检测设备：

3.1）在机床各部件测点处固定传感器支架；

3.2）将位移传感器（1-13）安装到传感器支架上；

3.3）连接位移传感器（1-13）和信号放大器（1-14）；

3.4）连接信号放大器（1-14）和数据处理设备（1-15）；

3.5）连接数据处理设备（1-15）和电脑终端（1-11）。