CN105717029A - 单颗磨粒高速连续划擦试验机的进给轴调平系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单颗磨粒高速连续划擦试验机的进给轴调平系统及方法，该调平系统包括机床，电主轴，划擦盘，进给轴，激光位移传感器，车削装置等，首先将车削装置固接在进给轴上，划擦盘高速旋转，对划擦盘进行立式车削；然后将激光位移传感器固结在进给轴上，通过进给轴的进给在划擦盘一半径上任意选择两不同点进行测距，并计算出两次测量的距离差；最后是根据测量结果对进给轴的两支承部的高度进行调整。本发明能对进给轴进行精准调平，可用于划擦试验机的进给轴的调平，使进给轴平行于划擦盘的回转平面。有效的保证了单颗磨粒高速连续划擦实验的测试精度，该方法简单便捷，可获得较高的调平精度。

Description

单颗磨粒高速连续划擦试验机的进给轴调平系统及方法

技术领域

本发明涉及一种单颗磨粒高速连续划擦试验机的进给轴调平系统及方法。

背景技术

单颗磨粒划擦实验作为深入研究磨削加工机理的重要手段，近年来被越来越广的应用，用于单颗磨粒的高速连续划擦试验机可在高速条件下稳定采集划擦力信号，而为了保证较高的测试精度，高速连续划擦试验机对各部分的精度要求较高，其中进给轴与划擦盘的平行度更是影响测试过程中划擦深度变化的决定性因素，若进给轴方向与划擦盘回转平面不平行，则在工具头沿划擦试验机进给轴方向进给过程中单颗磨粒的划擦深度是变化的，严重影响了测试精度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种单颗磨粒高速连续划擦试验机的进给轴调平系统及方法，能对进给轴进行精准调平，使其与划擦盘回转平面的平行度达到一定的精度要求，从而保证划擦过程中划擦深度不变，进而保证测试精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：

一种单颗磨粒连续划擦试验机的进给轴调平系统，包括：

机床；

电主轴，垂直装接在机床上；

划擦盘，水平固接在电主轴上且二者同轴，划擦盘可通过电主轴旋转；

进给轴，通过支撑架固接在机床，该支撑架包括高度可调的第一支撑臂和第二支撑臂，进给轴的两端分别固接在第一支撑臂和第二支撑臂；第一支撑臂和第二支撑臂沿划擦盘回转轴线对称设置，进给轴沿划擦盘径线设置；通过调整第一支撑臂高度以调节进给轴的水平度；进给轴上滑动装接有进给装置；

激光位移传感器，固接在进给装置，其探测方向面向划擦盘；

用于对划擦盘表面进行车削的车削装置，装接在进给装置；

通过电主轴带动划擦盘旋转，进给装置带动车削装置进给并对划擦盘表面进行车削，激光位移传感器检测车削后划擦盘表面半径线上两点间的垂直距离和径向距离，计算得到第一支撑臂的调整值，以对进给轴进行调平。

一实施例中：所述第一支撑臂与机床之间设有一能调整第一支撑臂高度的微调装置；通过微调装置调整第一支撑臂高度以调节进给轴水平度。

一实施例中：所述微调装置的最小位移分辨率优于10nm。

一实施例中：所述激光位移传感器的分辨率优于10nm。

一实施例中：所述机床包括固定座与工作台，工作台水平固接在固定座顶部；所述电主轴垂直固接在固定座且向上穿出工作台；所述支撑架固接在工作台；所述微调装置位于工作台与第一支撑臂之间。

一实施例中：所述划擦盘为圆盘状结构，通过夹具固接在电主轴顶部；电主轴、夹具与划擦盘三者同轴。

一实施例中：所述进给装置包括可沿进给轴进给的X向进给装置和可沿平行于划擦盘回转轴线方向进给的Z向进给装置。

一实施例中：所述进给装置的进位精度优于0.1μm。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：

采用上述的单颗磨粒连续划擦试验机的进给轴调平系统的调平方法，包括：

步骤1：采用车削装置对划擦盘进行立式车削：将车削装置固接在进给装置上，划擦盘通过电主轴进行高速旋转，车削装置在进给装置带动下从划擦盘外侧沿进给轴以一定切深径向切入划擦盘，对划擦盘表面进行全面立式车削；

步骤2：测距：选择划擦盘一半径线上的任意两点作为测量点，两测量点所在区域与立式车削时车刀进给所在区域应位于划擦盘回转轴线的两侧；采用激光位移传感器检测两测量点之间的垂直距离差值δ，以及两测量点沿划擦盘径向的距离a；

步骤3，进给轴调平：1)当δ＝0时，表明进给轴方向平行于划擦盘回转平面，无需调整；2)当δ≠0时，调整第一支撑臂高度使其升高或降低，从而使得进给轴方向平行于划擦盘回转平面，调整值为：

$s=\frac{\mathrm{\δ}\·L}{2a}$

其中，L为进给轴两个支撑臂之间的距离。

10.根据权利要求9所述的调平方法，其特征在于：所述步骤2中，两测量点之间的位置应尽量远。

除有说明外，本发明所涉及的各装置的单一处理过程以及各装置间的连接方式均为本领域常规技术，在此不加以详细描述。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

本发明的单颗磨粒高速连续划擦试验机的进给轴调平系统及方法，能对进给轴进行精准调平，可用于划擦试验机的进给轴的调平，使进给轴平行于划擦盘的回转平面。有效的保证了单颗磨粒高速连续划擦实验的测试精度，该方法简单便捷，可获得较高的调平精度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的单颗磨粒连续划擦试验机的进给轴调平系统示意图。

图2为本发明的单颗磨粒连续划擦试验机的进给轴调平系统俯视示意图。

图3为单颗磨粒高速连续划擦试验原理图。

图4为本发明的调平方法中步骤1的立式车削示意图。

图5为本发明的调平方法中步骤2的测距原理图。

附图标记：底座1，床身2，电主轴3，调整螺钉4，工作台5，微调装置6，支撑架7，第一支撑臂71，第二支撑臂72，对刀仪8，X向进给装置9，Z向进给装置10，激光位移传感器夹具11，激光位移传感器12，划擦盘13，夹具14，工具头15，车削装置16，进给轴轴线17，车削去除部分18。

具体实施方式

下面通过实施例具体说明本发明的内容：

请查阅图1和图2，一种单颗磨粒连续划擦试验机的进给轴调平系统，包括：

机床，包括固定座与工作台5，工作台5水平固接在固定座顶部，中部为孔结构；该固定座可以包括上下布置并用螺栓固接的床身2与底座1；床身2为铸铁结构，可以保证试验机的整体刚度，同时具备一定的吸振能力；工作台5与床身2之间可以设有调平工作台5的调整螺钉4；

电主轴3，垂直固接在床身2且向上从工作台5的孔结构中穿出工作台5；电主轴3可以为电动机直联主轴或电动机经中间传动、变速装置驱动主轴；

划擦盘13，为圆盘状结构，通过夹具14水平固接在电主轴3顶部；电主轴3、夹具14与划擦盘13三者同轴；划擦盘13可通过电主轴3旋转；根据需要，划擦盘13可以为黑色金属、有色金属或硬脆材料制成；当划擦盘13较薄或者划擦盘13是硬脆材料时优选真空吸盘作为夹具，当划擦盘13是铁磁性材料时可选用磁吸盘作为夹具，也可采用机械式夹具；

进给轴，通过支撑架7固接在工作台5，该支撑架7包括长度不等的两个支撑臂，较短的第一支撑臂71与工作台5之间设有一能调整第一支撑臂71高度的微调装置6，微调装置6的分辨率越高，调平越精确，最好最小位移分辨率优于10nm；较长的第二支撑臂72直接固接在工作台5上；进给轴的两端分别固接在两个支撑臂上部；第一支撑臂71和第二支撑臂72沿划擦盘13回转轴线对称设置，以使进给轴沿划擦盘13径线设置，进给轴轴线17与划擦盘13径线重合；通过微调装置6调整第一支撑臂71高度以调节进给轴的水平度，即进给轴轴线17与划擦盘13回转平面的夹角；进给轴上滑动装接有X向进给装置9如X向直线电机，可沿进给轴进给，X向进给装置9上装接有Z向进给装置10如Z向直线电机，可沿平行于划擦盘13回转轴线方向进给，进给装置的精度与划擦测试精度相关，根据测试需要，最好X向进给装置和Z向进给装置的进位精度均为0.1μm或更佳；

激光位移传感器12，通过激光位移传感器夹具11固接在Z向进给装置10，通过Z向进给装置10可调节激光位移传感器12在平行于划擦盘13回转轴线的轴向方向高度，通过X向进给装置9带动激光位移传感器12沿进给轴进给；激光位移传感器12的探测方向面向划擦盘13；其分辨率越高，检测及调平越精确，最好最小分辨率应为10nm或更佳；

用于对划擦盘13表面进行车削的车削装置16，固接在Z向进给装置10，通过Z向进给装置10可调节车削装置16在平行于划擦盘13回转轴线的轴向方向高度，通过X向进给装置9带动车削装置16沿进给轴进给；车削装置3可以为金刚石车刀，CBN车刀或球形磨头；当划擦盘为黑色金属时优选使用CBN车刀，当划擦盘为有色金属时优选金刚石车刀，对于黑色金属及硬脆材料制成的划擦盘也可以采用球形磨头；

用于连续划擦试验的工具头15，与车削装置16替换装接在Z向进给装置10，通过Z向进给装置10可调节工具头15在平行于划擦盘13回转轴线的轴向方向高度，通过X向进给装置9带动工具头15沿进给轴进给；工具头15顶端固接有单颗磨粒；所述磨粒为金刚石，CBN，氧化物陶瓷或氮化物陶瓷；磨粒的形状为球形或锥形；该磨粒通过压头、钎焊或电镀固接在工具头15顶端；

对刀仪8，用于在车削装置16和工具头15相互换装前后的对刀；

通过车削装置16对划擦盘13表面进行车削后，激光位移传感器12检测划擦盘13表面位于进给轴轴线17上的两点间的垂直距离和径向距离，得到第一支撑臂71的调整值，以对进给轴进行调平。具体方法如下：

如图3所示，为单颗磨粒高速连续划擦试验原理图，单颗磨粒固结在工具头15的顶端，实验时圆形的划擦盘13在电主轴3带动下做高速旋转运动，工具头15带动单颗磨粒切入划擦盘13，并沿划擦试验机进给轴进给，在划擦盘13端面形成螺旋形划痕；若进给轴方向与划擦盘13回转平面不平行，则在工具头15沿划擦试验机进给轴方向进给过程中单颗磨粒的划擦深度是变化的，严重影响了测试精度。为了避免这样的问题发生，需要在划擦试验之前对进给轴进行调平：

步骤1：采用车削装置16对划擦盘13进行立式车削：如图4所示，将车削装置16装接在Z向进给装置10上，调节其位于划擦盘13外侧，并通过Z向进给装置10调节好合理切深后，划擦盘13通过电主轴3进行高速旋转，车削装置16在X向进给装置9带动下从划擦盘13外侧沿进给轴从A点进给至O点径向切入划擦盘13，进给轴轴线17与划擦盘13径线重合，对划擦盘13表面进行全面的立式车削，即划擦盘13表面均需被车削到；当进给轴与划擦盘13回转平面的角度较大时，由于切深的限制，一次车削可能无法将回转平面完全车成圆锥面，可采取多次车削的方法，直至形成完整的圆锥面；此时，若进给轴方向与划擦盘13回转平面不平行，在去除车削去除部分18后，得到的划擦盘13上的立式车削面为一锥面，可能是向上凸起的锥面，也可能是向下凹陷的锥面；

步骤2：测距：如图5所示，激光位移传感器12通过激光位移传感器夹具11固接在Z向进给装置10上，探测方向面向划擦盘13；X向进给装置9带动激光位移传感器12沿进给轴进给，选择划擦盘13上位于进给轴轴线17上的OB半径线上的任意两点作为测量点，两个测量点所在区域与立式车削时车刀进给所在区域应位于划擦盘回转轴线的两侧；激光位移传感器12在两测量点处分别位于P及P'位置，激光位移传感器12检测P及P’点至划擦盘13的垂直距离，得到垂直距离差值δ，同时，激光位移传感器12检测P至P’点间的径向距离即两测量点沿划擦盘13径向的距离a；

进行测距时，选择的两个测量点之间的位置尽量远，可以提高检测及调平的精度。

步骤3，进给轴调平：1)当δ＝0时，表明进给轴方向平行于划擦盘13回转平面，无需调整；2)当δ≠0时，通过微调装置6调整第一支撑臂71高度使其升高或降低，从而使得进给轴方向平行于划擦盘13回转平面，升高或降低的调整值为：

$s=\frac{\mathrm{\δ}\·L}{2a}$

其中，L为进给轴两个支撑臂之间的水平距离。

如果立式车削面为向上凸起的锥面，P’点高于P点，调平时需要把第一支撑臂71调高s值；

如果立式车削面为向下凹陷的锥面，P’点低于P点，调平时需要把第一支撑臂71降低s值；

调平之后，再将车削装置16换装为工具头15，换装前后利用对刀仪8进行对刀，进行划擦测试，即可保证划擦过程中划擦深度不变，进而保证测试精度。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种单颗磨粒连续划擦试验机的进给轴调平系统，其特征在于：包括：

机床；

电主轴，垂直装接在机床上；

划擦盘，水平固接在电主轴上且二者同轴，划擦盘可通过电主轴旋转；

进给轴，通过支撑架固接在机床，该支撑架包括高度可调的第一支撑臂和第二支撑臂，进给轴的两端分别固接在第一支撑臂和第二支撑臂；第一支撑臂和第二支撑臂沿划擦盘回转轴线对称设置，进给轴沿划擦盘径线设置；通过调整第一支撑臂高度以调节进给轴的水平度；进给轴上滑动装接有进给装置；

激光位移传感器，固接在进给装置，其探测方向面向划擦盘；

用于对划擦盘表面进行车削的车削装置，装接在进给装置；

通过电主轴带动划擦盘旋转，进给装置带动车削装置进给并对划擦盘表面进行车削，激光位移传感器检测车削后划擦盘表面半径线上两点间的垂直距离和径向距离，计算得到第一支撑臂的调整值，以对进给轴进行调平。

2.根据权利要求1所述的一种单颗磨粒连续划擦试验机的进给轴调平系统，其特征在于：所述第一支撑臂与机床之间设有一能调整第一支撑臂高度的微调装置；通过微调装置调整第一支撑臂高度以调节进给轴水平度。

3.根据权利要求2所述的一种单颗磨粒连续划擦试验机的进给轴调平系统，其特征在于：所述微调装置的最小位移分辨率优于10nm。

4.根据权利要求3所述的一种单颗磨粒连续划擦试验机的进给轴调平系统，其特征在于：所述激光位移传感器的分辨率优于10nm。

5.根据权利要求4所述的一种单颗磨粒连续划擦试验机的进给轴调平系统，其特征在于：所述机床包括固定座与工作台，工作台水平固接在固定座顶部；所述电主轴垂直固接在固定座且向上穿出工作台；所述支撑架固接在工作台；所述微调装置位于工作台与第一支撑臂之间。

6.根据权利要求5所述的一种单颗磨粒连续划擦试验机的进给轴调平系统，其特征在于：所述划擦盘为圆盘状结构，通过夹具固接在电主轴顶部；电主轴、夹具与划擦盘三者同轴。

7.根据权利要求6所述的一种单颗磨粒连续划擦试验机的进给轴调平系统，其特征在于：所述进给装置包括可沿进给轴进给的X向进给装置和可沿平行于划擦盘回转轴线方向进给的Z向进给装置。

8.根据权利要求7所述的一种单颗磨粒连续划擦试验机的进给轴调平系统，其特征在于：所述进给装置的进位精度优于0.1μm。

9.采用权利要求1至8中任一项所述的单颗磨粒连续划擦试验机的进给轴调平系统的调平方法，其特征在于：包括：

步骤1：采用车削装置对划擦盘进行立式车削：将车削装置固接在进给装置上，划擦盘通过电主轴进行高速旋转，车削装置在进给装置带动下从划擦盘外侧沿进给轴以一定切深径向切入划擦盘，对划擦盘表面进行全面立式车削；

步骤2：测距：选择划擦盘一半径线上的任意两点作为测量点，两测量点所在区域与立式车削时车刀进给所在区域应位于划擦盘回转轴线的两侧；采用激光位移传感器检测两测量点之间的垂直距离差值δ，以及两测量点沿划擦盘径向的距离a；

步骤3，进给轴调平：1)当δ＝0时，表明进给轴方向平行于划擦盘回转平面，无需调整；2)当δ≠0时，调整第一支撑臂高度使其升高或降低，从而使得进给轴方向平行于划擦盘回转平面，调整值为：

$s=\frac{\mathrm{\δ}\·L}{2a}$

其中，L为进给轴两个支撑臂之间的距离。

10.根据权利要求9所述的调平方法，其特征在于：所述步骤2中，两测量点之间的位置应尽量远。