CN105675329B - 一种车床静刚度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车床静刚度测量装置。其包括加载装置、刚度仪、模拟刀具、载荷测量装置、位移变量测量装置和数据处理模块，加载装置安装于刚度仪上，并对模拟刀具进行加载；载荷测量装置包括测力仪、三向力放大器和模数转换器，测力仪安装于模拟刀具上，并与三向力放大器连接，三向力放大器通过模数转换器与数据处理模块连接；位移变量测量装置包括位移传感器，位移传感器分别位于床头、刀架和尾座处，位移变量测量装置与数据处理模块相连；数据处理模块计算并显示静刚度值和静刚度曲线。通过载荷测量装置和位移变量测量装置测量不同载荷作用下不同位置的位移变化量，实现不同工况作用下车床静刚度的测定。

Description

一种车床静刚度测量装置

技术领域

本发明涉及一种车床静刚度测量装置。

背景技术

刚度是指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力。车床刚度是指车床上安装刀具的部件与安装工件的部件抵抗外力作用下产生变形的能力，它是评价车床工作性能的主要指标之一。车床在不同状态下所表现出的刚度是不相同的，在动态下表现的刚度为动态刚度，简称动刚度；在静态下表现的刚度为静态刚度，简称静刚度；车床静刚度检测装置传统的测量方法是，利用千分表、分别测出床头、刀架、尾座三处的位移量，通过标准测力环读出测力环在床头、刀架、尾座三处的数值，然后根据测力环的读数对照标准表经计算确定外加载荷值；传统测量方法需要人工读数、计算、绘图，费时、费力、测量误差大，不能满足精确测量车床静刚度值需求；因此，设计一种自动化程度较高、测量精度高的车床静刚度测量装置，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供了一种车床静刚度测量装置，其通过载荷测量装置和位移变量测量装置测量不同载荷作用下不同位置的位移变化量，实现不同工况作用下车床静刚度的测定，其采用的技术方案如下：

一种车床静刚度测量装置，其包括加载装置、刚度仪、模拟刀具、载荷测量装置、位移变量测量装置和数据处理模块，

所述加载装置安装于刚度仪上，其通过扳手转动螺杆的方式对模拟刀具进行加载载荷，且加载载荷的方向由刚度仪控制；

所述载荷测量装置包括测力仪、三向力放大器和模数转换器，所述测力仪安装于模拟刀具上，所述测力仪检测模拟刀具的受力F，并将该力F分解为F_x、F_y、F_z，且将F_x、F_y、F_z三个分力分别转换为电压信号，所述电压信号通过三向力放大器传输至模数转换器，所述模数转换器与数据处理模块相连；

所述位移变量测量装置包括若干个位移传感器，所述位移传感器分别位于床头、刀架和尾座处，所述位移传感器将其测量的位移量转换为数字信号，并将数字信号传输至数据处理模块；优选的，还包括集线器，其设置于位移变量测量装置与数据处理模块的连线上，其输入端为并行口，输出端为串行口且与数据处理模块连接；

所述数据处理模块通过对模数转换器传递的信号和位移传感器传递的信号进行处理，计算并显示静刚度值和静刚度曲线；

所述位移变量测量装置还包括用于监测位移传感器工作的测微仪，其与位移传感器并联，并通过集线器与数据处理模块连接。

在上述技术方案的基础上，所述集线器与数据处理模块的连接接口为USB接口。

在上述技术方案的基础上，所述三向力放大器为四通道动态应变仪。

在上述技术方案的基础上，所述测力仪包括测力传感器，所述测力传感器采用电阻应变片式。

在上述技术方案的基础上，所述位移传感器与集线器的连接线包括时钟线和数据线，所述位移传感器的信号输出频率为每秒5次至每秒12次。

在上述技术方案的基础上，所述刚度仪分为单向刚度仪或三向刚度仪。

在上述技术方案的基础上，所述数据处理模块通过以下步骤处理：

a)通过对位移传感器获得y_刀、y_头、y_尾；其中，y_刀为刀架处的位移变量、y_头为床头处的位移变量、y_尾为尾座处的位移变量；

b)通过测力仪获得F_x、F_y、F_z，其中，F_x为轴向方向的分力，F_y为径向方向的分力，F_z为垂直方向的分力；其中F为切削力；

c)其中k_车为车床静刚度。

本发明具有如下优点：通过测力仪采集加载载荷的大小，通过数据处理模块获取当前工况的加载载荷的大小，防止加载不准确或超载；通过位移变量测量装置对不同载荷作用下不同位置的位移量进行检测，进而通过数据处理模块实现不同工况下车床静刚度的测定；通过测微仪与位移传感器并行使用，有助于提高位移变量测量的精度及可靠性；另外通过数据处理模块实时显示，提高测定效率和检测精度；整个装置具有广泛的测量范围、高灵敏度、高可靠度以及高测量精度。

附图说明

图1：本发明的载荷测量的流程示意图；

图2：本发明的位移变量测量的流程示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1至图2所示，本实施例的一种车床静刚度测量装置，其包括加载装置1、刚度仪2、模拟刀具3、载荷测量装置、位移变量测量装置和数据处理模块5，

所述刚度仪2包括弓形架、支撑轴和三维角度调整装置；

所述加载装置1安装于刚度仪2上，其通过扳手转动螺杆的方式对模拟刀具3进行加载载荷，且加载载荷的方向由刚度仪2控制；即加载载荷的方向是通过弓形架上不同角度和刚度仪2三维角度调整装置共同作用控制的；根据机械设计，弓形架上的加载装置最大加载范围为3000N，间隔15°有一个加载位置，尾座上，径向每间隔15°，有一个弓形架调整位置，并可以固定；通过上述调整，可实现三向载荷的测量。

所述载荷测量装置4包括测力仪41、三向力放大器42和模数转换器43，所述测力仪41安装于模拟刀具3上，所述测力仪41检测模拟刀具3的受力F，并将该力F分解为F_x、F_y、F_z，且将F_x、F_y、F_z三个分力分别转换为电压信号，所述电压信号通过三向力放大器42传输至模数转换器43，所述模数转换器43与数据处理模块5相连；

所述测力仪41包括测力传感器，所述测力传感器采用电阻应变片式，在工作前，首先保证模拟刀具3不受任何外力，并将三向力放大器42接地用来屏蔽外界干扰信号，然后通电先预热3-5分钟，保证各电气元件处于正常工作状态，然后将测力仪41的X、Y、Z三个通道调零，使电桥平衡；测力传感器受到外力作用时，产生微量变形，使电桥失去平衡，从而对外输出电压信号；由于测力传感器输出的电压信号较弱，在几到十几mv，因此必须经过三向力放大器42将电压信号放大，放大后的电压在±5N范围内，且放大后的电压信号经过模数转换器43传输至数据处理模块5后，经数据处理模块5处理后，可直接实时显示力F的大小；

所述位移变量测量装置包括若干个位移传感器6，所述位移传感器6分别位于床头、刀架和尾座处，所述位移传感器6将其测量的位移量转换为数字信号，并将数字信号传输至数据处理模块5；所述位移变量测量装置实行接触式测量；优选的，还包括集线器8，其设置于位移变量测量装置与数据处理模块5的连线上，其输入端为并行口，输出端为串行口且与数据处理模块5连接；通过集线器8，位移变量测量装置与数据处理模块5只需一条数据线即可，防止过多线路复杂，造成不必要的麻烦；

所述数据处理模块5通过对模数转换器43传递的信号和位移传感器6传递的信号进行处理，显示加载载荷的大小、位移变化量；计算并显示静刚度值和静刚度曲线；所述数据处理模块5可通过LabVIEW虚拟仪器软件实现，并且直接输出实验报告，联机打印；

所述位移变量测量装置还包括用于监测位移传感器6工作的测微仪7，其与位移传感器6并联，并通过集线器8与数据处理模块5连接。所述测微仪7的测量范围为0-12mm，精度为1um；所述测微仪7既可以单独实时显示当前的测量值，又可以将三个测微仪7通过集线器8，实现一个串行接口与数据处理模块5连接，完成对位移变化量数据的采集和传输；使用前先用磁力表座固定测微仪7表头，打开测微仪7开关，选择测量单位类型，调整磁力表座位置，使测微仪7表头与刚度仪2要求的测量位置接触，并有一定的压缩量，三个并行的测微仪7输出线与集线器8连接；

根据测微仪7显示屏上的数据判定位移传感器6测量端与测量位置是否接触，实现测微仪7触电压紧力的调整，提升位移传感器6的测量精度，提高位移变量的测量可靠性；为了防止测微仪7接触不良，本发明可通过测微仪7数显表指示值和数据处理模块5中采集的位移变化量进行比较，如果数据显示不一致或者不显示，应及时检查测微仪7触头是否接触良好，数据线连接是否可靠，测微仪7是否有电。

优选的，所述集线器8与数据处理模块5的连接接口为USB接口。

优选的，所述三向力放大器42为四通道动态应变仪。

优选的，所述测力仪41包括测力传感器，所述测力传感器采用电阻应变片式。所述测力传感器采用SDC-L3M型应变式三向车削测力传感器。

进一步，所述位移传感器6与集线器8的连接线包括时钟线和数据线，所述位移传感器6的信号输出频率为每秒5次至每秒12次，正常情况下，输出频率为每秒8次。

进一步，所述刚度仪2分为单向刚度仪或三向刚度仪。

该车床静刚度测量装置的测力范围Fz为：0-3000N；Fx、Fy为0-1500N，精度为±5N即测力仪允许的误差范围；位移变量测量范围0-12mm，精度为1um即位移传感器的最小读数。

更进一步，所述数据处理模块通过以下步骤处理：

a)通过对位移传感器获得y_刀、y_头、y_尾；其中，y_刀为刀架处的位移变量、y_头为床头处的位移变量、y_尾为尾座处的位移变量；

b)通过测力仪获得F_x、F_y、F_z，其中，F_x为轴向方向的分力，F_y为径向方向的分力，F_z为垂直方向的分力；其中F为切削力；

c)其中k_车为车床静刚度。

车床的静刚度与床头、尾座、刀架它们之间的刚度关系可以用下式表示：

式中：

式中y_头、y_尾、y_刀为在其所受不同载荷的情况下，床头、尾座、刀架三处的对应位移变量值，

故：

所以：

上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种车床静刚度测量装置，其特征在于，其包括加载装置、刚度仪、模拟刀具、载荷测量装置、位移变量测量装置和数据处理模块，

所述加载装置安装于刚度仪上，其通过扳手转动螺杆的方式对模拟刀具进行加载载荷，且加载载荷的方向由刚度仪控制；

所述载荷测量装置包括测力仪、三向力放大器和模数转换器，所述测力仪安装于模拟刀具上，所述测力仪检测模拟刀具的受力F，并将该力F分解为F_x、F_y、F_z，且将F_x、F_y、F_z三个分力分别转换为电压信号，所述电压信号通过三向力放大器传输至模数转换器，所述模数转换器与数据处理模块相连；

所述位移变量测量装置包括若干个位移传感器，所述位移传感器分别位于床头、刀架和尾座处，所述位移传感器将其测量的位移量转换为数字信号，并将数字信号传输至数据处理模块；还包括集线器，其设置于位移变量测量装置与数据处理模块的连线上，其输入端为并行口，输出端为串行口且与数据处理模块连接；

所述数据处理模块通过对模数转换器传递的信号和位移传感器传递的信号进行处理，计算并显示静刚度值和静刚度曲线；

所述位移变量测量装置还包括用于监测位移传感器工作的测微仪，其与位移传感器并联，并通过集线器与数据处理模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种车床静刚度测量装置，其特征在于：所述集线器与数据处理模块的连接接口为USB接口。

3.根据权利要求1或2所述的一种车床静刚度测量装置，其特征在于：所述三向力放大器为四通道动态应变仪。

4.根据权利要求1或2所述的一种车床静刚度测量装置，其特征在于：所述测力仪包括测力传感器，所述测力传感器采用电阻应变片式。

5.根据权利要求1或2所述的一种车床静刚度测量装置，其特征在于：所述位移传感器与集线器的连接线包括时钟线和数据线，所述位移传感器的信号输出频率为每秒5次至每秒12次。

6.根据权利要求1所述的一种车床静刚度测量装置，其特征在于：所述刚度仪分为单向刚度仪或三向刚度仪。

7.根据权利要求1所述的一种车床静刚度测量装置，其特征在于：所述数据处理模块通过以下步骤处理：

a)通过对位移传感器获得y_刀、y_头、y_尾；其中，y_刀为刀架处的位移变量、y_头为床头处的位移变量、y_尾为尾座处的位移变量；

b)通过测力仪获得F_x、F_y、F_z，其中，F_x为轴向方向的分力，F_y为径向方向的分力，F_z为垂直方向的分力；其中F为切削力；

c)其中k_车为车床静刚度。