CN104568424B - 载荷力方向自平衡的加载装置及力方向自控的数控刀架静刚度测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种载荷力方向自平衡的加载装置及力方向自控的数控刀架静刚度测试平台，属于数控机床功能部件基本性能参数测试领域。加载装置固定在测试台架上，通过球副的自平衡保证载荷力方向始终垂直于刀杆，不发生偏移；实现力的单点集中加载，保证加载位置的准确性；测试装置以地面为基准，测点选用设计的刀盘承载板，测点、载荷点位于同一垂直线上，克服了机床其他功能部件变形引起的测试误差。本装置和测试方案的最大的优点是保证载荷力方向、位置的准确性。也可应用到机床其他功能部件以及相关机械产品的静刚度测试中。

Description

载荷力方向自平衡的加载装置及力方向自控的数控刀架静刚 度测试平台

技术领域

本发明涉及一种机械结构部件的静载荷加载装置及刚度的测试系统，具体涉及一种载荷力方向自平衡的加载装置及力方向自控的数控刀架静刚度测试平台，属于机床功能部件基本性能参数测试技术领域。

背景技术

数控刀架是数控车床及车铣复合加工中心的核心功能部件之一，可以实现车、镗、铣、钻等加工工艺中的刀具安装、夹持、换刀。刀架的切削载荷抵抗性能，即静刚度，在很大程度上影响和决定了数控机床的加工精度、精度保持能力以及机床、刀架刚度的匹配特性。刀架直接承受切削载荷，其静刚度对于加工精度和零件尺寸误差的控制具有至关重要的作用。刀架的静刚度 k 可以反应刀架的抗切削载荷性能的强弱以及外载荷所引起的局部变形量的大小，其值为定义为载荷力 F(N) 和刀架测点变形ΔL 的比值，即 k=F/ΔL .但是，传统的刀架静刚度的测试过程中，还存在不少的问题和不足，并没有考虑到加载力的传递方向准确而不发生偏移，是否垂直于刀杆加载面，加载力是否集中，位置是否准确等技术要求。精确的刀架静刚度测试，不能直接使用液压或者螺旋千斤顶对刀架进行静态加载，这样载荷力的大小、方向和位置容易发生偏移而影响到测试结果的准确性。

经检索，中国专利文献CN203629814U公开了一种立式刀架加力测试实验台，包括工作台，工作台上设有用于固定刀架的刀架垫板、垂直加力测试机构及水平加力测试机构，所述工作台上分别设有横向安装槽和纵向安装槽，所述垂直加力测试机构及水平加力测试机构分别可滑动的安装在所述横向安装槽和纵向安装槽上。CN102706543A公开了一种动力刀架综合性能测试方法，以labview为手段进行数据采集及处理的检测的方法。采用温度传感器、温度变送器、振动传感器、光栅微位移传感器、编码器、通用计数卡和工控机测量，用一系列的传感器获取刀架工作过程中温度、振动、Y轴的微位移以及刀盘换刀每一时刻的角速度值，并将这些值转化为电信号，通过一系列传送手段送到工控机，工控机通过软件将这些数据绘制成曲线图或者生成数据表格。这些文献中均未解决加载时可能发生的载荷力偏移问题，也无法克服克服载荷力加载过程中机床其他功能部件变形而引起的刀架静刚度测试误差。

发明内容

发明目的：为了解决目前刀架静刚度测试过程不够规范，力加载点位置难以控制，力加载方向容易发生偏移的技术问题。本发明提供一种数控刀架的静刚度测试方案和装置，可以实现切向载荷的单向、直线、点加载。通过数控刀架的测点的变形以及载荷的大小，可以准确拟合出位移-载荷曲线，总结并评价刀架的静刚度。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种载荷力方向自平衡的加载装置，包括测试台架、通过球副依次连接的千斤顶、力传感器和独立加载块，所述千斤顶固定安装在测试台架上，所述独立加载块的顶端为半球形，所述加载装置的载荷始终垂直于被加载平面。

具体地，所述直线加载机构还包括千斤顶连接帽、力传感器下连接块和力传感器上连接块，所述千斤顶连接帽固定安装在千斤顶的顶端，所述千斤顶连接帽和力传感器上连接块顶部均具有球冠凸，所述力传感器下连接块和独立加载块的底部均具有与所述球冠凸相匹配的球冠凹。

本发明同时提出一种力方向自控的数控刀架静刚度测试平台，包括加载装置和位移测试装置，所述加载装置固定在测试台架上，是主要由千斤顶和力传感器通过球副连接而成的直线加载机构；所述位移测试装置与地面相对固定，被测数控刀架通过刚性固定底盘固定在测试台架上，所述数控刀架上固定安装有刀盘承载板和刀杆，所述刀盘承载板上具有测试点，所述刀杆上具有力加载点，所述力加载点和测试点位于同一垂直于地面的直线上。

具体地，所述加载装置还包括千斤顶连接帽、力传感器下连接块、力传感器上连接块和独立加载块，所述千斤顶连接帽固定安装在千斤顶的顶端，所述千斤顶连接帽顶部为第一球冠凸，力传感器上连接块顶部为第二球冠凸，独立加载块顶部为第三球冠凸；所述力传感器下连接板底部为第一球冠凹，第一球冠凹半径大于第一球冠凸半径；所述加载块底部为第二球冠凹，第二球冠凹半径大于第二球冠凸的半径。

具体地，所述第一、第二球冠凸与第一、第二球冠凹通过点接触滑配，球冠凸在球冠凸内的滚动使力传感器具有左右摆动的自由度，第三球冠凸直接作用于刀杆加载点。

具体地，所述力传感器是S型力传感器，所述力传感器的上、下部均具有螺孔，所述力传感器下连接块的顶部和上连接块的底部均具有与所述螺孔配合的螺杆包括测试台架、通过球副依次连接的千斤顶、力传感器和独立加载块，所述千斤顶固定安装在测试台架上，所述独立加载块的顶端为半球形，所述直线加载机构的载荷始终垂直于被加载平面。

使用时，上述力方向自控的数控刀架静刚度测试平台的测试方法包括以下步骤：

1）测试准备

首先，数控刀架通过底座螺栓固定安装于刚性较大的刀架固定底盘上，刀架固定底盘通过夹具固定于测试台架，刀盘承载板固定于刀架侧面，千斤顶固定放置于测试台架上，并套上千斤顶连接帽，上、下连接块通过螺纹连接分别套在S型力传感的两端，上部顶住独立加载块，下部顶住千斤顶；独立加载块顶部第三球冠凸作用于刀杆加载点；

2）信号采集测量

通过力传感器采集加载装置产生的载荷值大小，电涡流传感器同步采集刀盘承载板测点的位移量，力信号和位移信号同步采集，实时对刀架的静刚度曲线进行评测和分析，传感器和位移传感器通过数据采集卡与计算机连接；

3）测试过程

通过液压装置锁紧刀架，在特定工位上安装一把刀杆，在刀杆上按照规定力矩要求施加切向载荷，施加力时应避免载荷冲击成分；位移测量装置固定约束，其探头垂直触及刀盘承载板，测点位于刀盘边缘处的固定位置，与加载点处于同一垂直线上；试验后刀架运转正常，千分表读取其弹性变形量应符合规定要求，测试后刀架的精度仍应符合几何精度规定要求。

本发明的载荷力方向自控的数控刀架静刚度测试装置，包括测试台架、刀架固定底盘、数控刀架、力传感器、位移测试装置、千斤顶、千斤顶连接帽、力传感器下连接块、力传感器上连接块、独立加载块、刀盘承载板、刀杆和刀杆压块，所述数控刀架通固定安装于刀架固定底盘上，所述刀架固定底盘和千斤顶固定安装于测试台架上；所述千斤顶连接帽块固定安装在千斤顶的顶端，所述千斤顶连接帽顶部、力传感器上连接块顶部、独立加载块顶部均为凸出的半球形结构，半球的直径小于其下部连接部位尺寸；所述力传感器下连接块底部具有第一圆弧凹槽，第一圆弧凹槽半径大于千斤顶连接帽顶部半球的半径；所述加载块底部具有第二圆弧凹槽，第二圆弧凹槽半径大于力传感器上连接块顶部半球的半径，所述数控刀架上固定安装有刀杆和刀盘承载板，所述独立加载块的顶端抵靠在刀杆上的力加载点上，所述位移测试装置的测点在刀盘承载板上，所述力加载点和测点同一垂直于地面的直线上。

具体地，刀架通过底座螺栓固定于刚性较大的刀架固定底盘，防止刚性不够而引起的变形对测试结果的误差和影响。液压或者螺旋千斤顶顶部设计千斤顶连接帽，千斤顶连接帽底部凹槽为空心圆柱状结构，直接通过过盈配合固定在千斤顶的顶端。千斤顶连接帽顶部设计为半圆球结构，以保证载荷力的单点传递和单点加载。

位移测量装置可选用电涡流传感器或者千分表，要求电涡流传感器探头或者千分表顶针必须垂直于目标测点（刀盘承载板）；这里要求电涡流传感器探头或者千分表需要使用万向磁力表座固定，并且磁座基准设计为地面。

有益效果：本发明将载荷与位移选取不同的基准，并通过特别设计的滚动球副连接机构，使千斤顶、力传感器以及独立加载块连接成一种可摆动的力加载杆。力加载杆表现出的效果为：载荷力的可以通过装置自身的运动达到作用方向的自动调整以及自我控制，保证载荷力方向始终垂直于刀杆加载点，防止载荷力的方向发生偏移和改变；保证了载荷力方向的垂直性和加载点位置的准确性。

目前刀架厂家的测试基准为测试台架，测出的是相对位移，包含了台架的刚度，相当于两个K_a和K_b串联的总刚度变成了

而本发明的测点的基准为地面，因为地面刚性无限大，认为他是不动的，测出的就只有一个K_a了，所以只有放在地面才能测试刀架测点的绝对位移。而且目前刀架厂家的测试装置也没有刀架刚性底座，就是刀架直接放在测试台架上。因为刚性底座加大固定测试台架的刚度，减少测试台架的位移对测试结果的影响，本发明加入刀架刚性固定底盘可以有效避免机床其他功能部件变形造成的刀架静刚度测试的偏差和影响。

本发明载荷力的控制方法和装置也可应用到数控机床其他功能部件包括滚珠丝杠、电主轴等的静刚度测试当中，可广泛适用于各类伺服、动力刀架的静刚度测试。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的载荷力方向自控的数控刀架静刚度测试装置及方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是图1的轴测图；

图3是图1中载荷力方向自平衡的加载装置的装配效果图；

图4是图1中千斤顶连接帽球冠凸与力传感器下连接块球冠凹接触装配效果图；

图5是图1中力传感器上连接块球冠凸与独立加载块球冠凹点接触装配效果图；

图6是本发明实施例中测试1的位移-载荷拟合曲线；

图7是本发明实施例中测试2的位移-载荷拟合曲线；

图8是本发明实施例中测试3的位移-载荷拟合曲线；

图中：测试台架1、刀架固定底盘2、数控刀架3、千斤顶4、千斤顶连接帽5、力传感器下连接块6、力传感器7、传感器上连接块8、独立加载块9、刀杆10、压刀块11、刀盘承接板12、电涡流传感器探头13。

具体实施方式

实施例：

本实施例的保证载荷力施加点和方向的刀架静刚度测试装置如图1和图2所示，数控刀架3固定于刚性较大的刀架固定底盘2上，刀架固定底盘2通过夹具固定连接在测试台架1上。刀杆9由压刀块11夹紧固定于数控刀架3上的某一工位。由于直接对刀架刀盘测点进行位移采集有容易打滑的问题，设计一个刀盘承接板12并通过螺丝或其他方式安装在刀盘上，作为位移测试点。位移测试装置中的电涡流传感器探头13通过万向磁力表座固定，并且磁座基准为地面。

千斤顶4固定于测试台架1上，将千斤顶连接帽5装配在千斤顶4上部，使千斤顶只能通过半球结构顶部圆点传递单向载荷，并防止载荷力的方向发生偏移和分散。将力传感器下连接块6和力传感器上连接块8通过其自身结构中设计的螺杆固定于S型力传感器7的上下螺孔中。千斤顶连接帽5顶部半球和力传感器下连接块6的圆弧状凹槽通过单点接触，力传感器上连接块8同样通过顶部半球和独立加载块9的圆弧状凹槽通过单点接触，独立加载块9的顶部半球与刀杆10目标加载位置单点接触。

测试过程中无须通过不断调整和减少S形力传感器的偏移来保证千斤顶的单一方向垂直加载。只需稍微扶住力传感器就完全可以保证力的传递方向不发生偏移和目标加载位置的准确性。

如图3所示，千斤顶连接帽5底部凹槽为空心圆柱状结构，直接通过过盈配合固定在千斤顶4的顶端，简单可靠，适用性强。千斤顶连接帽5的顶部设计为半圆球结构，以保证载荷力的单点传递和单点加载。该半圆球结构与力传感器下连接块6底部的圆弧状凹槽通过点接触配合，接触面光滑且硬度大。独立加载块9底部半圆球结构与力传感器上连接块8的圆弧状凹槽同样通过点接触配合。要求半圆球结构可以在圆弧状凹槽内滚动，使得力传感器具有左右摆动的自由度。也就是说力传感器摆不垂直，力的加载方向同样是垂直的，方向不会变；力传感器晃动时，力方向不变；力传感器摆不正、偏移，力的方向不变。也就是说即使力传感器发生较大的发生偏移和摆动，但力的加载方向始终保持不变，垂直于刀杆加载面。

力传感器7选用S型力传感器，且要求力传感器两端具有螺纹孔，以方便连接其两端的上下连接块。

力传感器下连接块6，铣削加工成圆弧状凹槽，并且要求圆弧凹槽的半径和弧度大于千斤顶连接帽5顶部半球的半径和弧度，通过这种点加载方法实现加载力单向、垂直、以及点加载；力传感器下连接块上部加工成螺栓杆，以便和S型力传感器配合。

力传感器上连接块8底部加工成螺栓杆，目的同样为了S型力传感器配合；力传感器上连接块8顶部加工成半球形结构。不但可以保证力的加载方向，而且可以实现整个加载系统对刀杆的点加载。

独立加载块9底部要求结构设计加工成圆弧凹槽形状，圆弧凹槽半径大于力传感器上连接块8顶部半球的半径，以保证力的传递方向可以自动调整以垂直于刀杆测点。

千斤顶连接帽5顶部的半圆球状结构和力传感器上连接块8顶部的半圆球状结构都需要对其球面进行热处理，使表面硬度达到HRC35以上。刀盘承接板上的刀架测点位置与刀杆上的加载点位移在同一个垂直线上，设计出刀盘承载板作为测点，以方便测试。

如图4所示，千斤顶连接帽5的第一球冠凸结构与力传感器6的第一球球冠凹结构通过点接触滚动装配。如图5所示，力传感器上连接块8的第二球冠凸结构与独立加载块9的第二球冠凹结构通过点接触滚动装配；球冠凸在球冠凹内的滚动使力传感器具有左右摆动的自由度。而独立加载块9的第三球冠凸直接作用于刀杆加载点。

实验过程中，刀架处于液压锁紧状态。测试装置选用电涡流传感器探头，一直垂直于刀盘承载板测点，可以实时获得被测点的变形；S型力传感器直接连接到测力仪器，可以实时获得载荷力、位移值的大小。位移测量装置的底座可以设计为地面。

在刀杆上按规定的力矩施加固定载荷，施加力时应避免冲击成分。千分表或者电涡流传感器由万向磁座固定，基准设为地面。针对测试刀盘的尺寸设计刀盘承载板，并通过螺栓将其固定于刀盘同一加载工位边缘处，其探头或顶针垂直于刀盘承载板测点。保证测点位置和加载点对应，在同一直线上。

通过电涡流传感器探头，可以实时获得被测点的变形值；S型力传感器直接连接到数字测力仪，可以实时获得载荷力的大小。通过MATLAB软件拟合即可得出载荷-位移曲线，可通过公式获得静刚度的大小。静刚度测试后要求刀架运转正常，千分表读取其弹性变形量应符合国家规定要求，测试后刀架的精度仍应符合几何精度规定要求。

通过电涡流传感器探头，可以实时获得被测点的变形值；S型力传感器直接连接到数字测力仪，可以实时获得载荷力的大小。开展三组实验，获得三组实验数据如表1、表2、表3所示再通过Origin或者matlab软件拟合计算即可得出载荷-位移曲线，拟合结果分别如图6、图7和图8所示，三次实验可通过线性函数拟合获得静刚度的大小K1、K2、K3。

表1、测试1结果 K1=166200 (N/mm)

表2、测试2结果 K2=181538 (N/mm)

表3：测试3结果 K3=166692 (N/mm)

表4：三次刀架切向刚度测试结果

三组实验数据取均方根：

事实上，测试结果表现的合理可靠。静刚度测试后要求刀架运转正常，千分表读取其弹性变形量应符合国家规定要求，测试后刀架的精度仍应符合几何精度规定要求。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种力方向自控的数控刀架静刚度测试平台，包括加载装置和位移测试装置，其特征在于：所述加载装置固定在测试台架上，是主要由千斤顶和力传感器通过球副连接而成的直线加载机构；所述位移测试装置与地面相对固定，被测数控刀架通过刚性固定底盘固定在测试台架上，所述数控刀架上固定安装有刀盘承载板和刀杆，所述刀盘承载板上具有测试点，所述刀杆上具有力加载点，所述力加载点和测试点位于同一垂直于地面的直线上。

2.根据权利要求1所述的一种力方向自控的数控刀架静刚度测试平台，其特征在于：所述直线加载机构还包括千斤顶连接帽、力传感器下连接块、力传感器上连接块和独立加载块，所述千斤顶连接帽固定安装在千斤顶的顶端，所述千斤顶连接帽顶部为第一球冠凸，力传感器上连接块顶部为第二球冠凸，独立加载块顶部为第三球冠凸；所述力传感器下连接板底部为第一球冠凹，第一球冠凹半径大于第一球冠凸半径；所述加载块底部为第二球冠凹，第二球冠凹半径大于第二球冠凸的半径。

3.根据权利要求2所述的一种力方向自控的数控刀架静刚度测试平台，其特征在于：第一、第二球冠凸与第一、第二球冠凹通过点接触滑配，球冠凸在球冠凹内的滚动使力传感器具有左右摆动的自由度，第三球冠凸直接作用于刀杆加载点。

4.根据权利要求2所述的一种力方向自控的数控刀架静刚度测试平台，其特征在于：所述力传感器是S型力传感器，所述力传感器的上、下部均具有螺孔，所述力传感器下连接块的顶部和上连接块的底部均具有与所述螺孔配合的螺杆。

5.根据权利要求1所述的一种力方向自控的数控刀架静刚度测试平台的测试方法，其特征在于包括以下步骤：

1）测试准备

首先，数控刀架通过底座螺栓固定安装于刚性较大的刀架固定底盘上，刀架固定底盘通过夹具固定于测试台架，刀盘承载板固定于刀架侧面，千斤顶固定放置于测试台架上，并套上千斤顶连接帽，上、下连接块通过螺纹连接分别套在S型力传感器的两端，上部顶住独立加载块，下部顶住千斤顶；独立加载块顶部第三球冠凸作用于刀杆加载点；

2）信号采集测量

通过力传感器采集加载装置产生的载荷值大小，电涡流传感器同步采集刀盘承载板测点的位移量，力信号和位移信号同步采集，实时对刀架的静刚度曲线进行评测和分析，传感器和位移传感器通过数据采集卡与计算机连接；

3）测试过程

通过液压装置锁紧刀架，在特定工位上安装一把刀杆，在刀杆上按照规定力矩要求施加切向载荷，施加力时应避免载荷冲击成分；位移测量装置固定约束，其探头垂直触及刀盘承载板，测点位于刀盘边缘处的固定位置，与加载点处于同一垂直线上。