CN104741971B - 主轴连续运转状态下整机相对刚度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主轴连续运转状态下整机相对刚度检测装置，包括芯轴，芯轴另一端为细颈的芯轴主体段，芯轴主体段前端通过球轴承组件支撑安装在轴承座中，芯轴主体段前端面同心安装有锁紧螺母，轴承座尾端固定安装有轴承端盖；轴承座前端与力传感器连接，力传感器再与过渡件连接。本发明还公开了用于加工中心和数控车床的主轴连续运转状态下的整机相对刚度检测方法。本发明的检测方法施载简单，不需专门的驱动、传动、控制单元，能够模拟各种典型工艺的载荷比例加载，用于各种主轴旋转类型数控机床在主轴连续运转状态下的整机相对刚度检测或部件刚度检测。

Description

主轴连续运转状态下整机相对刚度检测装置及方法

技术领域

本发明属于整机相对刚度检测技术领域，涉及一种主轴连续运转状态下整机相对刚度检测装置，本发明还涉及一种主轴连续运转状态下整机相对刚度检测方法。

背景技术

机床有两个末端执行器，一个用来安装刀具，另一个用来安装工件，不同种类的数控机床其末端执行器不同，主运动分为直线运动和旋转运动两种类型。主轴旋转类数控机床又可以分为主轴刀具旋转(刀具安装在主轴上)和主轴工件旋转(工件安装在主轴上)两类，例如，加工中心、数控铣床、磨齿机等数控机床的末端执行器为安装刀具的主轴和安装工件的工作台；而数控车床的末端执行器为安装工件的主轴和安装刀具的刀架，尾座为安装工件的辅助支承。

衡量机床的刚度包括各个部件的刚度(主轴部件刚度、刀架或工作台部件刚度、进给部件刚度、丝杠组件刚度、机床床身刚度)及整机刚度。整机刚度又可分为整机绝对刚度(相对于“地”)和整机相对刚度(主轴与刀架、或主轴与工作台之间的相对刚度)。机床、刀具、工件之间形成闭环的力流系统。例如加工中心(属于主轴刀具旋转类数控机床)进行加工作业时，刀具安装在机床的主轴部件上，工件安装在机床的工作台上，切削时工件与刀具的接触点称为加工点，切削力(即工作载荷)分两路传递，分别从加工点通过刀具传递给机床的主轴部件、立柱到达床身；同时反作用力从加工点通过工件传递给机床的工作台，然后到达床身。因此工作载荷形成了闭环的力流系统。工作载荷和主轴与工作台之间的相对位移(即变形)之比称为机床的整机相对刚度。机床的整机相对刚度包括了机床各个部件的刚度；同时闭环的力流系统内主轴及工作台之间的相对变形可以分析机床刚度对加工精度的影响，因此机床的整机相对刚度既可评价机床的整机刚度特性，又可评价机床刚度对加工精度的影响特性。

现有的机床刚度检测方法中，关于其中的部件刚度检测较多，而关于整机刚度检测主要有整机刚度分布检测(绝对刚度)和采用弓形架进行整机相对刚度检测。这些整机刚度检测方法中存在的最大不足是，检测时主轴都不旋转，处于静止状态，不能真实反映主轴连续旋转、按真实切削力比例加载状态下的机床整机刚度。截止目前，国内外尚未有主轴连续运转状态下数控机床或加工中心整机相对刚度的检测设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种主轴连续运转状态下整机相对刚度检测装置，解决了现有技术不能实现在主轴连续运转、按真实切削力比例加载状态下对数控机床或加工中心整机相对刚度进行检测的问题。

本发明的另一目的是提供一种主轴连续运转状态下整机相对刚度检测方法。

本发明所采用的技术方案是，一种主轴连续运转状态下整机相对刚度检测装置，包括芯轴，芯轴另一端为细颈的芯轴主体段，芯轴主体段前端通过球轴承组件支撑安装在轴承座中，芯轴主体段前端面同心安装有锁紧螺母，轴承座尾端固定安装有轴承端盖；轴承座前端与力传感器连接，力传感器再与过渡件连接。

本发明所采用的另一技术方案是，一种主轴连续运转状态下整机相对刚度检测方法，

第一种方式，

按照以下步骤实施：

步骤1、安装检测装置，将芯轴上端与加工中心的主轴通过主轴松拉刀机构拉紧连接，芯轴的下端轴肩台阶上安装有球轴承组件，芯轴通过球轴承组件与轴承座配合连接，利用锁紧螺母将球轴承组件的内环沿轴向固定在芯轴上，利用轴承端盖将球轴承组件的外环沿轴向固定在轴承座上；轴承座向下与力传感器上端固定连接，力传感器与芯轴同心安装，力传感器下端与过渡件固定连接；过渡件下端通过连接件与加工中心的工作台固定连接；将非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄的测头分别对称均布对准芯轴的法兰下端面，将非接触式位移传感器δ₅、δ₆在XZ面内分别对准芯轴主体段外圆面上，将非接触式位移传感器δ₇、δ₈在YZ面内分别对准准芯轴主体段外圆面上，降所有非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄、δ₅、δ₆、δ₇、δ₈的支架各自固定在加工中心的工作台上；

步骤2、按照加工中心的典型工艺的切削力分力比例F_X/F_Y/F_Z进行加载，

2.1)由加工中心自身的数控系统控制X轴进给部件作X向微动进给，施加X向分力F_X，由力传感器输出F_X的值；

2.2)控制Y进给部件作Y向微动进给，施加Y向分力F_Y，由力传感器输出F_Y的值；

2.3)控制Z轴进给部件作Z向微动进给，施加Z向分力F_Z，由力传感器输出F_Z的值；

重复步骤2.1)～步骤2.3)使F_X/F_Y/F_Z达到预定的比例要求；

步骤3、驱动加工中心的主轴连续旋转，检测主轴在连续运转状态下加工中心整机相对刚度，

3.1)由力传感器输出主轴连续旋转状态下F_X、F_Y、F_Z的值，由下式求出合力载荷并由Fcosα₃＝F_Z求出F与F_Z的夹角α₃，由Fcosα₂＝F_Y求出F与F_Y夹角的α₂，由Fcosα₁＝F_X求出F与F_X的夹角α₁；

3.2)采用四个非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄输出的位移值平均求出Z向的相对位移值δ_Z，采用布置在YZ面的非接触式位移传感器δ₇、δ₈输出的位移值平均求出Y向的相对位移值δ_Y，采用布置在XZ面的个非接触式位移传感器δ₅、δ₆输出的位移值平均求出X向的相对位移值δ_X，按照δ＝δ_X·cosα₁+δ_Y·cosα₂+δ_Z·cosα₃进行运算，求出沿合力载荷F方向的相对位移值δ；

3.3)利用K＝F/δ得到主轴连续运转状态下模拟不同载荷比例的加工中心末端执行器安装刀具的主轴相对安装工件的工作台的刚度，即整机相对刚度，即成。

第二种方式，

步骤1、安装检测装置，

将载荷传递组件的芯轴尾端与数控车床的主轴连接；芯轴的前端通过球轴承组件与轴承座配合连接，并采用锁紧螺母将球轴承组件的内环沿轴向固定在芯轴上，并采用轴承端盖将球轴承组件的外环沿轴向固定在轴承座上；

力传感器与芯轴同心安装，力传感器尾端与轴承座固定连接，力传感器前端与过渡件固定连接；过渡件旁肩通过调整件及连接件与数控车床的刀架固定连接；过渡件前端与数控车床尾座上的顶尖顶接；将非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄的测头分别对称均布对准芯轴的尾端法兰前端面，将非接触式位移传感器δ₅、δ₆在XZ面内分别对准芯轴的外圆面及顶尖的外圆面，将非接触式位移传感器δ₇、δ₈在YZ面内分别对准芯轴的外圆面及顶尖的外圆面，非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄、δ₅、δ₆、δ₇、δ₈的支架各自固定在数控机床的刀架上；

步骤2、按照典型的车削工艺的切削力分力比例F_X/F_Y/F_Z进行加载，

2.1)通过调整施载组件的连接件与调整件之间的斜面接触位置，微调过渡件的Y向高度，施加Y向分力F_Y，由力传感器输出F_Y的值；

2.2)由数控车床自身的数控系统控制机床X轴进给部件作X向微动进给，施加X向分力F_X，由力传感器输出F_X的值；

2.3)由数控车床自身的数控系统控制机床Z轴进给部件作Z向微动进给，施加Z向分力F_Z，由力传感器输出F_Z的值；

重复步骤2.1)～步骤2.3)，使F_X/F_Y/F_Z达到预定的比例要求；

步骤3、驱动数控车床主轴连续旋转，检测主轴连续运转状态下数控车床整机相对刚度，

3.1)利用力传感器输出主轴连续旋转状态下的F_X、F_Y、F_Z值，通过公式求出合力载荷，并通过Fcosα₃＝F_Z求出F与F_Z的夹角α₃，通过Fcosα₂＝F_Y求出F与F_Y的夹角α₂，通过Fcosα₁＝F_X求出F与F_X的夹角α₁；

3.2)利用芯轴端面的四个非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄输出的位移值平均求出Z向的相对位移值δ_Z，利用布置在YZ面的非接触式位移传感器δ₇、δ₈输出的位移值平均求出Y向的相对位移值δ_Y，利用布置在XZ面的个非接触式位移传感器δ₅、δ₆输出的位移值平均求出X向的相对位移值δ_X，利用公式δ＝δ_X·cosα₁+δ_Y·cosα₂+δ_Z·cosα₃进行运算，即可求出沿合力载荷F方向的相对位移值δ；

3.3)利用公式K_径＝F_X/δ_X得到主轴连续运转状态下数控机床径向相对刚度K_径，利用公式K_轴＝F_Z/δ_Z得到主轴连续运转状态下数控机床轴向相对刚度K_轴，利用公式K＝F/δ得到主轴连续运转状态下模拟不同载荷比例的数控机床综合相对刚度K，即成。

本发明的有益效果是，该检测装置及方法施载简单，不需专门的驱动、传动、控制单元，利用数控机床自身的数控系统就可以方便地实施加载；能够用于各种类型数控机床在主轴连续运转状态下的整机相对刚度检测，也能够用于数控机床在主轴连续运转状态下的部件刚度检测；方便地模拟出各种典型工艺的载荷比例加载，进行主轴连续运转状态下模拟不同载荷比例的刚度试验，更能反映影响机床刚度的实际因素。

附图说明

图1是本发明检测装置在加工中心的安装结构示意图；

图2是本发明检测装置与加工中心的装配结构示意图；

图3是图2中的D-D截面示意图；

图4是图2中的E-E截面示意图；

图5是本发明检测装置与数控车床的装配结构示意图

图6是图5中的A-A截面示意图；

图7是图5中的B-B截面示意图；

图8是图5中的C-C截面示意图；

图9是图5中的K视向结构示意图。

图中，1.芯轴，2.轴承端盖，3.球轴承组件，4.轴承座，5.锁紧螺母，6.力传感器，7.过渡件，8.调整件，9.连接件，10.顶尖，11.主轴，12.主轴箱体，13.刀架，14.尾座，15.芯轴主体段，16.主轴松拉刀机构；

21.立柱，22.主轴部件，23.检测装置，24.工作台，25.床身。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

不同种类的数控机床其末端执行器不同，主轴旋转类数控机床可以分为主轴刀具旋转(刀具安装在主轴上)和主轴工件旋转(工件安装在主轴上)两类，例如，加工中心、数控铣床、磨齿机等数控机床的末端执行器为安装刀具的主轴和安装工件的工作台；而数控车床的末端执行器为安装刀具的刀架和安装工件的主轴，尾座为安装工件的辅助支承。以下以加工中心和数控车床两种不同类型数控机床的具体实施方式为例进行说明。

实施例1，主轴连续运转状态下加工中心整机相对刚度检测。

如图1，是本发明的检测装置23与加工中心的力流传递关系，该检测装置23安装在加工中心的主轴部件22和工作台24之间，该检测装置23的加载载荷通过主轴部件22、立柱21传递到床身25；同时反作用力通过工作台24传递给机床，形成加工中心的整机力流。

如图2、图3、图4，在主轴连续运转状态下，本发明整机相对刚度检测装置23在加工中心的安装结构是，包括竖直设置的芯轴1，芯轴1向上通过主轴松拉刀机构16与加工中心主轴箱体12中的主轴11拉紧连接，芯轴1的下端通过球轴承组件3与轴承座4配合连接，球轴承组件3的内环通过锁紧螺母5沿轴向在芯轴1上固定连接(实现定位)，球轴承组件3的外环通过轴承端盖2沿轴向固定在轴承座4中；轴承座4向下与力传感器6固定连接，力传感器6向下与过渡件7固定连接，过渡件7向下通过连接件9与加工中心的工作台固定连接，力传感器6与芯轴1同心安装；在芯轴1的法兰下端面对称均布有非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄，非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄的测头对准芯轴1的法兰下端面，在芯轴主体段15外圆面上对准设置有非接触式位移传感器δ₅、δ₆、δ₇、δ₈，其中的非接触式位移传感器δ₅、δ₆在XZ面内分别对准芯轴主体段15外圆面上，其中的非接触式位移传感器δ₇、δ₈在YZ面内分别对准芯轴主体段15外圆面上，所有非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄、δ₅、δ₆、δ₇、δ₈的固定支架各自固定在加工中心的工作台24上。

F_X、F_Y、F_Z的施加分别由加工中心自身的数控系统控制其X轴进给部件作X向微动进给、Y轴进给部件作Y向微动进给、Z轴进给部件作Z向微动进给来实现。

本发明主轴连续运转状态下加工中心整机相对刚度进行检测的方法，利用上述的整机相对刚度检测装置，按照以下步骤实施：

步骤1、安装检测装置，将芯轴1上端与加工中心的主轴11通过主轴松拉刀机构16拉紧连接，芯轴1的下端轴肩台阶上安装有球轴承组件3，芯轴1通过球轴承组件3与轴承座4配合连接，利用锁紧螺母5将球轴承组件3的内环沿轴向固定在芯轴1上，利用轴承端盖2将球轴承组件3的外环沿轴向固定在轴承座4上；轴承座4向下与力传感器6上端固定连接，力传感器6与芯轴1同心安装，力传感器6下端与过渡件7固定连接；过渡件7下端通过连接件9与加工中心的工作台24固定连接；将非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄的测头分别对称均布对准芯轴1的法兰下端面，将非接触式位移传感器δ₅、δ₆在XZ面内分别对准芯轴主体段15外圆面上，将非接触式位移传感器δ₇、δ₈在YZ面内分别对准准芯轴主体段15外圆面上，降所有非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄、δ₅、δ₆、δ₇、δ₈的支架各自固定在加工中心的工作台24上；

步骤2、按照加工中心的典型工艺的切削力分力比例F_X/F_Y/F_Z进行加载，

2.1)由加工中心自身的数控系统控制X轴进给部件作X向微动进给，施加X向分力F_X，由力传感器6输出F_X的值；

2.2)控制Y进给部件作Y向微动进给，施加Y向分力F_Y，由力传感器6输出F_Y的值；

2.3)控制Z轴进给部件作Z向微动进给，施加Z向分力F_Z，由力传感器6输出F_Z的值；

重复步骤2.1)～步骤2.3)使F_X/F_Y/F_Z达到预定的比例要求；

步骤3、驱动加工中心的主轴11连续旋转，检测主轴11在连续运转状态下加工中心整机相对刚度，

3.1)由力传感器6输出主轴连续旋转状态下F_X、F_Y、F_Z的值，由下式求出合力载荷并由Fcosα₃＝F_Z求出F与F_Z的夹角α₃，由Fcosα₂＝F_Y求出F与F_Y夹角的α₂，由Fcosα₁＝F_X求出F与F_X的夹角α₁；

3.2)采用芯轴1端面的四个非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄输出的位移值平均求出Z向的相对位移值δ_Z，采用布置在YZ面的非接触式位移传感器δ₇、δ₈输出的位移值平均求出Y向的相对位移值δ_Y，采用布置在XZ面的个非接触式位移传感器δ₅、δ₆输出的位移值平均求出X向的相对位移值δ_X，按照δ＝δ_X·cosα₁+δ_Y·cosα₂+δ_Z·cosα₃进行运算，即可求出沿合力载荷F方向的相对位移值δ；

3.3)利用K＝F/δ得到主轴连续运转状态下模拟不同载荷比例的加工中心末端执行器安装刀具的主轴相对安装工件的工作台的刚度，即整机相对刚度，即成。

上述检测方法还可以用于加工中心在主轴连续运转状态下模拟不同载荷比例的部件刚度检测，例如主轴连续运转状态下加工中心整机相对刚度检测装置中，将非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄、δ₅、δ₆、δ₇、δ₈的支架固定在主轴箱体上，就可以检测在主轴连续运转状态下模拟不同载荷比例的主轴部件的刚度。

实施例2，主轴连续运转状态下数控车床整机相对刚度检测。

如图5，在主轴连续运转状态下，本发明整机相对刚度检测装置在数控车床的安装结构是，包括水平设置的芯轴1，芯轴1的尾端法兰与主轴箱体12中的主轴11的法兰盘固定连接，实施例为通过多个螺栓固定连接，芯轴1前端为细颈的芯轴主体段15(朝向顶尖10一端)，芯轴主体段15前端台阶上通过成对角接触的球轴承组件3支撑安装在轴承座4中，芯轴主体段15前端面同心安装有锁紧螺母5，轴承座4尾端固定安装有轴承端盖2，两者共同用于锁紧球轴承组件3防止松脱；轴承座4前端与力传感器6连接，力传感器6再与过渡件7连接，过渡件7的外端轴心顶尖孔与安装在尾座14上的顶尖10顶接，

如图9，过渡件7径向长出的旁肩依次通过调整件8、连接件9与刀架13固定连接；

如图6、图7、图8，在芯轴1的尾端法兰前端面沿圆周对正有四个非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄，该四个接触式位移传感器沿同一圆周均匀分布；在芯轴主体段15上径向对正有两个非接触式位移传感器δ₅、δ₇，该两个非接触式位移传感器δ₅、δ₇在X、Y方向呈直角分布；在顶尖10的圆周上径向对正有另外两个非接触式位移传感器δ₆、δ₈，该两个非接触式位移传感器δ₆、δ₈在X、Y方向呈直角分布，总共八个非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄、δ₅、δ₆、δ₇、δ₈的安装支架各自固定在数控机床的刀架13上。

上述的芯轴1、轴承端盖2、成对角接触的球轴承组件3、轴承座4、锁紧螺母5一起称为载荷传递组件；过渡件7、调整件8、连接件9、刀架13及尾座14上的顶尖10一起称为施载组件。芯轴1的尾端(图5中的左端面)与数控机床的主轴11连接，依靠主轴11凸出的短圆锥面定心并用螺栓与主轴11固定连接进行传动；芯轴1的前端(图5中的右端)通过成对角接触的球轴承组件3与轴承座4配合连接，并由锁紧螺母5将球轴承组件3的内环沿轴向固定在芯轴1上，并由轴承端盖2将球轴承组件3的外环沿轴向固定在轴承座4上；力传感器6与芯轴1同心安装，其左端与轴承座4固定连接，右端与过渡件7固定连接；过渡件7的旁肩通过调整件8、连接件9与数控车床的刀架13固定连接，连接件9与调整件8之间为斜面接触，见图9；过渡件7的右端与数控车床的尾座14上的顶尖10顶接；非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄的测头对准芯轴1的尾端法兰前端面，非接触式位移传感器δ₅、δ₆在XZ面内分别对准芯轴1的外圆面及顶尖10的外圆面，δ₇、δ₈在YZ面内分别对准芯轴1的外圆面及顶尖10的外圆面。

本发明的主轴连续运转状态下数控车床整机相对刚度检测方法，利用上述的数控车床整机相对刚度检测装置，按照以下步骤实施：

步骤1、安装检测装置，

将载荷传递组件的芯轴1尾端与数控车床的主轴11连接，依靠主轴11的短圆锥面定心并用螺栓与主轴11固定；芯轴1的前端通过球轴承组件3与轴承座4配合连接，并采用锁紧螺母5将球轴承组件3的内环沿轴向固定在芯轴1上，并采用轴承端盖2将球轴承组件3的外环沿轴向固定在轴承座4上；

力传感器6与芯轴1同心安装，力传感器6尾端与轴承座4固定连接，力传感器6前端与过渡件7固定连接；过渡件7旁肩通过调整件8及连接件9与数控车床的刀架13固定连接；过渡件7前端与数控车床尾座14上的顶尖10顶接；将非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄的测头分别对称均布对准芯轴1的尾端法兰前端面，δ₅、δ₆在XZ面内分别对准芯轴1的外圆面及顶尖10的外圆面，δ₇、δ₈在YZ面内分别对准芯轴1的外圆面及顶尖10的外圆面，非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄、δ₅、δ₆、δ₇、δ₈的支架各自固定在数控车床的刀架13上；

步骤2、按照典型的车削工艺的切削力分力比例F_X/F_Y/F_Z进行加载，

2.1)通过调整施载组件的连接件9与调整件8之间的斜面接触位置，微调过渡件7的Y向高度，施加Y向分力F_Y，由力传感器6输出F_Y的值；

2.2)由数控车床自身的数控系统控制机床X轴进给部件作X向微动进给，施加X向分力F_X，由力传感器6输出F_X的值；

2.3)由数控车床自身的数控系统控制机床Z轴进给部件作Z向微动进给，施加Z向分力F_Z，由力传感器6输出F_Z的值；

重复步骤2.1)～步骤2.3)，使F_X/F_Y/F_Z达到预定的比例要求；

步骤3、驱动数控车床主轴连续旋转，检测主轴连续运转状态下数控车床整机相对刚度，

3.1)利用力传感器6输出主轴连续旋转状态下的F_X、F_Y、F_Z值，通过公式求出合力载荷，并通过Fcosα₃＝F_Z求出F与F_Z的夹角α₃，通过Fcosα₂＝F_Y求出F与F_Y的夹角α₂，通过Fcosα₁＝F_X求出F与F_X的夹角α₁；

3.2)利用芯轴1端面的四个非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄输出的位移值平均求出Z向的相对位移值δ_Z，利用布置在YZ面的非接触式位移传感器δ₇、δ₈输出的位移值平均求出Y向的相对位移值δ_Y，利用布置在XZ面的个非接触式位移传感器δ₅、δ₆输出的位移值平均求出X向的相对位移值δ_X，利用公式δ＝δ_X·cosα₁+δ_Y·cosα₂+δ_Z·cosα₃进行运算，即可求出沿合力载荷F方向的相对位移值δ；

3.3)利用公式K_径＝F_X/δ_X得到主轴连续运转状态下数控车床径向相对刚度K_径，利用公式K_轴＝F_Z/δ_Z得到主轴连续运转状态下数控车床轴向相对刚度K_轴，利用公式K＝F/δ得到主轴连续运转状态下模拟不同载荷比例的数控车床综合相对刚度K，即成。

本发明上述检测方法还可以用于数控车床在主轴连续运转状态下模拟不同载荷比例的的部件刚度检测，例如主轴连续运转状态下数控车床整机相对刚度检测装置中，拆掉过渡件8及尾座14，将非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄、δ₅、δ₇的支架固定在主轴箱体12上，就可以检测在主轴连续运转状态下模拟不同载荷比例的主轴部件刚度。同样，本发明方法也可以检测在主轴连续运转状态下模拟不同载荷比例的刀架部件、进给部件刚度。

上述的主轴连续运转状态下整机相对刚度的检测装置和检测方法，可适用与其他主轴刀具旋转(刀具安装在主轴上)和主轴工件旋转(工件安装在主轴上)各种主轴旋转类数控机床。

Claims (5)

1.一种主轴连续运转状态下整机相对刚度检测装置，其特征在于：

包括芯轴(1)，芯轴(1)另一端为细颈的芯轴主体段(15)，芯轴主体段(15)前端通过球轴承组件(3)支撑安装在轴承座(4)中，芯轴主体段(15)前端面同心安装有锁紧螺母(5)，轴承座(4)尾端固定安装有轴承端盖(2)；轴承座(4)前端与力传感器(6)连接，力传感器(6)再与过渡件(7)连接。

2.根据权利要求1所述的主轴连续运转状态下整机相对刚度检测装置，其特征在于：

对于加工中心，竖直设置的芯轴(1)向上通过主轴松拉刀机构(16)与加工中心主轴箱体(12)中的主轴(11)拉紧连接，过渡件(7)向下通过连接件(9)与加工中心的工作台固定连接，力传感器(6)与芯轴(1)同心安装；在芯轴(1)的法兰下端面对称均布有非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄，非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄的测头对准芯轴(1)的法兰下端面，在芯轴主体段(15)外圆面上对准设置有非接触式位移传感器δ₅、δ₆、δ₇、δ₈，其中的非接触式位移传感器δ₅、δ₆在XZ面内分别对准芯轴主体段(15)外圆面上，其中的非接触式位移传感器δ₇、δ₈在YZ面内分别对准芯轴主体段(15)外圆面上。

3.一种主轴连续运转状态下整机相对刚度检测方法，其特征在于，利用权利要求2所述的主轴连续运转状态下整机相对刚度检测装置，按照以下步骤实施：

步骤1、安装检测装置，将芯轴(1)上端与加工中心的主轴(11)通过主轴松拉刀机构(16)拉紧连接，芯轴(1)的下端轴肩台阶上安装有球轴 承组件(3)，芯轴(1)通过球轴承组件(3)与轴承座(4)配合连接，利用锁紧螺母(5)将球轴承组件(3)的内环沿轴向固定在芯轴(1)上，利用轴承端盖(2)将球轴承组件(3)的外环沿轴向固定在轴承座(4)上；轴承座(4)向下与力传感器(6)上端固定连接，力传感器(6)与芯轴(1)同心安装，力传感器(6)下端与过渡件(7)固定连接；过渡件(7)下端通过连接件(9)与加工中心的工作台(24)固定连接；将非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄的测头分别对称均布对准芯轴(1)的法兰下端面，将非接触式位移传感器δ₅、δ₆在XZ面内分别对准芯轴主体段(15)外圆面上，将非接触式位移传感器δ₇、δ₈在YZ面内分别对准芯轴主体段(15)外圆面上，将所有非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄、δ₅、δ₆、δ₇、δ₈的支架各自固定在加工中心的工作台(24)上；

步骤2、按照加工中心的典型工艺的切削力分力比例F_X/F_Y/F_Z进行加载，

2.1)由加工中心自身的数控系统控制X轴进给部件作X向微动进给，施加X向分力F_X，由力传感器(6)输出F_X的值；

2.2)控制Y进给部件作Y向微动进给，施加Y向分力F_Y，由力传感器(6)输出F_Y的值；

2.3)控制Z轴进给部件作Z向微动进给，施加Z向分力F_Z，由力传感器(6)输出F_Z的值；

重复步骤2.1)～步骤2.3)使F_X/F_Y/F_Z达到预定的比例要求；

步骤3、驱动加工中心的主轴(11)连续旋转，检测主轴(11)在连续运转状态下加工中心整机相对刚度，

3.1)由力传感器(6)输出主轴连续旋转状态下F_X、F_Y、F_Z的值，由下 式求出合力载荷并由Fcosα₃＝F_Z求出F与F_Z的夹角α₃，由Fcosα₂＝F_Y求出F与F_Y夹角的α₂，由Fcosα₁＝F_X求出F与F_X的夹角α₁；

3.2)采用四个非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄输出的位移值平均求出Z向的相对位移值δ_Z，采用布置在YZ面的非接触式位移传感器δ₇、δ₈输出的位移值平均求出Y向的相对位移值δ_Y，采用布置在XZ面的个非接触式位移传感器δ₅、δ₆输出的位移值平均求出X向的相对位移值δ_X，按照δ＝δ_X·cosα₁+δ_Y·cosα₂+δ_Z·cosα₃进行运算，求出沿合力载荷F方向的相对位移值δ；

3.3)利用K＝F/δ得到主轴连续运转状态下模拟不同载荷比例的加工中心末端执行器安装刀具的主轴相对安装工件的工作台的刚度，即整机相对刚度，即成。

4.根据权利要求1所述的主轴连续运转状态下整机相对刚度检测装置，其特征在于：

对于数控车床，水平设置的芯轴(1)的尾端法兰与主轴箱体(12)中的主轴(11)的法兰盘固定连接；过渡件(7)的外端轴心顶尖孔与安装在尾座(14)上的顶尖(10)顶接，

在芯轴(1)的尾端法兰前端面沿圆周对正有四个非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄，该四个非接触式位移传感器沿同一圆周均匀分布；在芯轴主体段(15)上径向对正有两个非接触式位移传感器δ₅、δ₇，该两个非接触式位移传感器δ₅、δ₇在X、Y方向呈直角分布；在顶尖(10)的圆周上径向对正有另外两个非接触式位移传感器δ₆、δ₈，该两个非接触式位移传感器δ₆、 δ₈在X、Y方向呈直角分布。

5.一种主轴连续运转状态下整机相对刚度检测方法，其特征在于，利用权利要求4所述的主轴连续运转状态下整机相对刚度检测装置，按照以下步骤实施：

步骤1、安装检测装置，

将载荷传递组件的芯轴(1)尾端与数控车床的主轴(11)连接；芯轴(1)的前端通过球轴承组件(3)与轴承座(4)配合连接，并采用锁紧螺母(5)将球轴承组件(3)的内环沿轴向固定在芯轴(1)上，并采用轴承端盖(2)将球轴承组件(3)的外环沿轴向固定在轴承座(4)上；

力传感器(6)与芯轴(1)同心安装，力传感器(6)尾端与轴承座(4)固定连接，力传感器(6)前端与过渡件(7)固定连接；过渡件(7)旁肩通过调整件(8)及连接件(9)与数控机床的刀架(13)固定连接；过渡件(7)前端与数控机床尾座(14)上的顶尖(10)顶接；将非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄的测头分别对称均布对准芯轴(1)的尾端法兰前端面，将非接触式位移传感器δ₅、δ₆在XZ面内分别对准芯轴(1)的外圆面及顶尖(10)的外圆面，将非接触式位移传感器δ₇、δ₈在YZ面内分别对准芯轴(1)的外圆面及顶尖(10)的外圆面，非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄、δ₅、δ₆、δ₇、δ₈的支架各自固定在数控车床的刀架(13)上；

步骤2、按照典型的车削工艺的切削力分力比例F_X/F_Y/F_Z进行加载，

2.1)通过调整施载组件的连接件(9)与调整件(8)之间的斜面接触位置，微调过渡件(7)的Y向高度，施加Y向分力F_Y，由力传感器(6)输出F_Y的值；

2.2)由数控车床自身的数控系统控制机床X轴进给部件作X向微动进 给，施加X向分力F_X，由力传感器(6)输出F_X的值；

2.3)由数控车床自身的数控系统控制机床Z轴进给部件作Z向微动进给，施加Z向分力F_Z，由力传感器(6)输出F_Z的值；

重复步骤2.1)～步骤2.3)，使F_X/F_Y/F_Z达到预定的比例要求；

步骤3、驱动数控车床主轴连续旋转，检测主轴连续运转状态下数控车床整机相对刚度，

3.1)利用力传感器(6)输出主轴连续旋转状态下的F_X、F_Y、F_Z值，通过公式求出合力载荷，并通过Fcosα₃＝F_Z求出F与F_Z的夹角α₃，通过Fcosα₂＝F_Y求出F与F_Y的夹角α₂，通过Fcosα₁＝F_X求出F与F_X的夹角α₁；

3.2)利用芯轴(1)端面的四个非接触式位移传感器δ₁、δ₂、δ₃、δ₄输出的位移值平均求出Z向的相对位移值δ_Z，利用布置在YZ面的非接触式位移传感器δ₇、δ₈输出的位移值平均求出Y向的相对位移值δ_Y，利用布置在XZ面的个非接触式位移传感器δ₅、δ₆输出的位移值平均求出X向的相对位移值δ_X，利用公式δ＝δ_X·cosα₁+δ_Y·cosα₂+δ_Z·cosα₃进行运算，即可求出沿合力载荷F方向的相对位移值δ；

3.3)利用公式K_径＝F_X／δ_X得到主轴连续运转状态下数控车床径向相对刚度K_径，利用公式K_轴＝F_Z/δ_Z得到主轴连续运转状态下数控车床轴向相对刚度K_轴，利用公式K＝Ｆ/δ得到主轴连续运转状态下模拟不同载荷比例的数控车床综合相对刚度K，即成。