CN104385058A - 数控机床静刚度快速检测装置及方法 - Google Patents

数控机床静刚度快速检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种数控机床静刚度快速检测装置及方法，底座球与刀杆球之间连接有检测杆，检测杆的锥形接触面与底座球和刀杆球两个球面相连接，并在预紧力的作用下紧密接触，检测杆内设有力传感器和位移传感器，分别用于检测加在主轴与工作台之间力的大小和距离变化。整个装置连接在机床工作台和主轴之间，利用检测杆内的加载调节装置能够在工作台和主轴间施加不同力载荷，检测杆内的力传感器和位移传感器分别检测主轴与工作台之间的力和由力引起的距离变化。通过记录在不同载荷条件下机床圆运动时检测杆的力和位移数据变化，计算得到机床工作空间的静刚度。本发明能对机床加工平面内不同方向的静刚度进行检测，整个检测过程较传统方式节省时间，装置简单。

Description

数控机床静刚度快速检测装置及方法
技术领域
本发明涉及一种数控机床静刚度快速检测装置及方法，尤其是一种利用圆运动对机床工作范围不同方向的静刚度进行快速检测的装置及方法。
背景技术
对于金属切削机床，切削过程中存在外力（切削力、重力、惯性力等）是不可避免的，在外力的作用下，机床的加工工艺系统（机床、刀具、工件）会发生变形，这种变形的直接后果是加工件的精度降低。因此，机床抵抗外力变形的性能是反映机床加工性能的重要指标,一般用机床静刚度来表示。测试和评估机床静刚度是保证机床高质量加工的重要一环，也是提高加工系统性能的基本前提。然而，在传统的静刚度检测方法中,一般将进给轴方向的刚度( X轴, Y轴、Z轴等)作为机床的刚度，并且只对进给轴方向的刚度进行检测。在测试时需要对主轴（或工作台）进行逐渐加载,同时记录主轴的所受载荷的大小和指定方向的位移,得到力和变形的滞回曲线，从而得到机床在该进给方向的静刚度。但这种方法有明显的不足：一是该方法只检测机床进给方向的静刚度，二是每个方向的检测都要经历重新安装、重新检测等步骤，检测费时。研究表明，机床在进给方向的静刚度，并不能全面反映机床在整个加工方向的力学性能，而机床在非进给轴方向的静刚度同样会影响机床的加工性能。因此一种安装检测简便、能对机床各个方向的力学性能均能检测的装置是进行机床力学性能检测的迫切需求。
发明内容
本发明是要提供一种数控机床静刚度快速检测装置及方法，利用该装置及方法，机床通过在不同载荷下进行圆运动测试，对数控机床工作范围内不同方向上的静刚度实现快速检测。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种数控机床静刚度快速检测装置，具有一个固定在机床工作台上的底座球，一个固定在机床主轴上的刀杆球，底座球与刀杆球之间连接有检测杆，检测杆的锥形接触面与底座球和刀杆球两个球面相连接，并在预紧力的作用下紧密接触，检测杆内设有力传感器和位移传感器，分别用于检测加在主轴与工作台之间力的大小和距离变化。
检测杆包括内锥面端盖、弹簧预紧力调节件、套筒、弹簧底座、传感器座、带内锥面顶杆、预紧弹簧，套筒与内锥面端盖螺纹连接，内锥面端盖与底座球球面接触连接，带内锥面顶杆与刀杆球球面接触连接，套筒内安装有弹簧预紧力调节件和传感器座，且弹簧预紧力调节件位于套筒一端，弹簧预紧力调节件与传感器座之间连接有预紧弹簧，弹簧底座上装有力传感器，力传感器与带内锥面顶杆接触连接，传感器座与带内锥面顶杆通过螺纹连接，位移传感器固定在传感器座。
一种数控机床静刚度快速检测检测方法，通过平面圆运动或空间球轨迹方法实现，首先调节弹簧预紧调节件，使预紧弹簧压缩量发生变化，给机床施加一个初始载荷，然后机床在检测平面内进行圆轨迹运动，逐渐增大载荷，重复圆轨迹运动，检测杆内力传感器和位移传感器分别测量出机床主轴相对于工作台在不同方向和不同载荷下的变形量，根据力与变形量的关系，计算得到机床在该测量平面内的静刚度。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种用于检测数控机床静刚度的装置及方法，能对机床加工平面不同方向的静刚度进行检测，整个检测过程较传统方式节省时间，装置简单。检测结果可用于机床力学性能的评价和工艺系统变形预防的方法研究。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明对机床静刚度检测原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明作进一步的说明。
如图1，2所示，一种数控机床静刚度快速检测装置，由底座球1、检测杆11和刀杆球9三部分组成。两钢球和检测杆的连接是通过高精度的圆锥面的内切面接触。底座球1与刀杆球9之间连接有检测杆11，检测杆11的锥形接触面与底座球1和刀杆球9两个球面相连接，并在预紧力的作用下紧密接触，检测杆内设有力传感器和位移传感器，分别用于检测加在主轴与工作台之间力的大小和距离变化。
底座球1固定在机床工作台20上，刀杆球9通过杆部固定在机床主轴21上，检测杆11的锥形接触面与底座球1和刀杆球9两个球面相连接，并在预紧力的作用下紧密接触。
检测杆11包括内锥面端盖2、弹簧预紧力调节件3、套筒4、弹簧底座5、传感器座12、带内锥面顶杆8、预紧弹簧10，套筒4两端分别连接内锥面端盖2和带内锥面顶杆8，内锥面端盖2与底座球1通过球面接触连接，带内锥面顶杆8与刀杆球9球面接触连接，套筒4内安装有弹簧预紧力调节件3和传感器座5，且弹簧预紧力调节件3位于套筒4一端，弹簧预紧力调节件3与传感器座5连接有预紧弹簧10，弹簧底座5上装有力传感器6，且力传感器6与带内锥面顶杆8接触连接，传感器座12与带内锥面顶杆8通过螺纹连接，位移传感器7固定在传感器座12。
首先通过调节弹簧预紧调节件3，能够使预紧弹簧10压缩量变化，进而实现检测杆11预紧力的变化。力传感器6能够检测出预紧力的数值大小，位移传感器7能够检测出检测杆两端锥形面的距离变化。通过预紧力调节部分给机床施加一个初始载荷，然后机床在检测平面内进行圆轨迹运动，逐渐增大载荷，重复圆轨迹运动，检测杆11内力传感器6和位移传感器7分别测量出机床主轴相对于工作台在不同方向和不同载荷下的变形量，根据力与变形量的关系，最终计算得到机床在该测量平面内的静刚度。
本装置可用来测量X-Y,Y-Z和Z-X三个平面或空间内其它平面内的静刚度，以对X-Y平面的静刚度快速检测为例来说明，设安装在工作台的底座球球心为O1，安装在主轴的刀杆球球心为O2，检测杆理论长度O1O2=L，检测杆预紧力f1，使机床主轴以O1为圆心作半径L的匀速平面逆时针圆运动，以刀杆球心开始时的位置为参考点，记圆运动旋转角度为                                                ，并设进给速度v，采样时间为T，则整个测试过程记录的数据点数
则第i点对应的圆运动角度为
在圆运动过程中，由于机床误差（此处主要指几何误差、摩擦误差等）和机床的静刚度的变化，检测杆长度发生变化，变化量为。调节检测杆预紧力变为f2，操作机床作同样运动，设机床圆运动时在时的检测杆的变化量变为，由于两次运动几何参数相同，在该角度处机床的误差也相同，令
，
很明显，是由于力引起的机床变形，则机床主轴相对于工作台在圆运动角度方向上的静刚度为
Y-Z、X-Z平面内、其它平面内的主轴机床静刚度的快速检测，与X-Y平面内的静刚度检测方法原理相同。

Claims (3)

1.一种数控机床静刚度快速检测装置，具有一个固定在机床工作台(20)上的底座球(1)，一个固定在机床主轴(21)上的刀杆球(9)，其特征在于：所述底座球(1)与刀杆球(9)之间连接有检测杆(11)，所述检测杆(11)两端的锥形接触面分别与底座球(1)和刀杆球(9)两个球面相连接，并在预紧力的作用下紧密接触，检测杆内设有力传感器和位移传感器，分别用于检测加在主轴与工作台之间力的大小和距离变化。
2.根据权利要求1所述的数控机床静刚度快速检测装置，其特征在于：所述检测杆(11)包括内锥面端盖(2)、弹簧预紧力调节件(3)、套筒(4)、弹簧底座（5）、传感器座(12)、带内锥面顶杆(8)、预紧弹簧(10)，内锥面端盖(2)与套筒(4)螺纹连接，内锥面端盖(2)与底座球(1)通过球面接触连接，带内锥面顶杆(8)与刀杆球(9)球面接触连接，套筒(4)内安装有弹簧预紧力调节件(3)和传感器座(5)，且弹簧预紧力调节件(3)位于套筒(4)一端，弹簧预紧力调节件(3)与传感器座(5)之间连接有预紧弹簧(10)，弹簧底座（5）上装有力传感器(6)，且力传感器(6)与带内锥面顶杆(8)接触连接，传感器座(12)与带内锥面顶杆(8)通过螺纹连接，位移传感器（7）固定在传感器座（12）。
3.一种采用权利要求1或2所述的数控机床静刚度快速检测装置的检测方法，通过平面圆运动或空间球轨迹方法实现，其特征在于：首先调节弹簧预紧调节件(3)，使预紧弹簧(10)压缩量变化，给机床施加一个初始载荷，然后机床在检测平面内进行圆轨迹运动，逐渐增大载荷，重复圆轨迹运动，检测杆(11)内力传感器(6)和位移传感器(7)分别测量出机床主轴相对于工作台在不同方向和不同载荷下的变形量，根据力与变形量的关系，计算得到机床在该测量平面内的静刚度。
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