CN105845015A - 一种摆头转台式五轴机床模拟切削力加载装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种摆头转台式五轴机床模拟切削力加载装置及使用方法，装置包括X向、Y向、Z向、转台回转向及摆头回转向切削力加载组件，通过分别拧紧X向、Y向、Z向、转台回转向及摆头回转向预紧螺栓实现切削力加载，方法步骤为：将装置吊装到机床转台上，将转台回转向定盘固连到机床转台上，将机床刀具主轴与阻尼电机的电机轴相固连；设定一组切削力，通过扭力扳手分别将五个切削力加载组件中的预紧螺栓进行拧紧，使五个切削力加载组件中的摩擦力分别与所设定的切削力相等，由于摩擦力无法直接读出，需通过公式M＝KFd/μ计算出拧紧力矩再进行读取；启动机床并运行加工程序，真实模拟机床在受力条件下的实际运行状态，测试当前切削力条件下的机床性能。

Description

一种摆头转台式五轴机床模拟切削力加载装置及使用方法

技术领域

本发明属于机床性能测试技术领域，特别是涉及一种摆头转台式五轴机床模拟切削力加载装置及使用方法。

背景技术

目前，对于数控机床中的摆头转台式五轴机床，通过五轴联动可满足复杂曲面零件的高精度加工，且在诸多行业内成为了不可或缺的加工设备。由于机床制造企业不同，各机床制造企业的机床产品在性能上往往也会不同，由于机床性能存在差异，导致机床的实际加工能力也存在明显差异。对于机床采购企业而言，都希望能够利用较低的价格购买到性能更优的机床产品，但是实际情况是，机床价格往往和机床性能挂钩，机床性能越优良，机床的价格越昂贵，主要原因是机床性能的获得往往需要高昂测试成本。

在机床定型前，机床的性能测试是必不可少的环节，通过机床性能测试过程，可以不断发现机床在使用过程中可能出现的故障，再根据故障诊断结果来改进原有设计，进一步提升机床性能，直到测试出机床的极限性能，并在极限性能下将机床定型。

现阶段，机床性能测试的实现方式主要有两种，第一种是通过机床实际加工材料实物来实现的，第二种是通过计算机模拟机床加工过程来实现的；通过第一种方式进行的机床性能测试，需要消耗大量的材料实物和加工刀具，而加工刀具的价格是非常昂贵的，往往一次性能测试过程就需要耗费数把加工刀具，而上述花费都会计入机床的制造成本，但这种机床性能测试方式是最可靠的，能够保证机床在出厂后具有最优的性能，缺点是机床的制造成本高昂；通过第二种方式进行的机床性能测试，虽然测试成本很低，但是测试可靠性同样很低，计算机模拟的都是理想状态下的加工过程，而实际加工过程则是具有不确定性的，即使在计算机中模拟完成了性能测试，但机床在实际加工过程中仍无法避免故障的发生，尽管机床的制造成本降低了，同时也牺牲了机床的性能。

因此，迫切需要寻找一种全新的机床性能测试手段，能够真实模拟机床实际加工过程中的受力条件，又无需消耗材料实物和加工刀具，有效降低机床性能测试成本，保证机床优良性能的同时降低机床制造成本。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种摆头转台式五轴机床模拟切削力加载装置及使用方法，能够真实模拟机床实际加工过程中的受力条件，又无需消耗材料实物和加工刀具，有效降低机床性能测试成本，保证机床优良性能的同时降低机床制造成本。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种摆头转台式五轴机床模拟切削力加载装置，包括X向切削力加载组件、Y向切削力加载组件及Z向切削力加载组件，所述X向切削力加载组件包括X向导轨式底座及X向滑台，所述Y向切削力加载组件包括Y向导轨及Y向滑块，所述Z向切削力加载组件包括Z向导轨及Z向滑块；

所述X向滑台设置在X向导轨式底座1内，X向滑台与X向导轨式底座滑动配合，在X向滑台与X向导轨式底座的滑动接触面之间加装有阻尼片，在X向滑台与X向导轨式底座之间设置有X向预紧力加载结构件；

所述Z向导轨竖直固装在X向滑台上，Z向滑块套装于Z向导轨上，Z向滑块与Z向导轨滑动配合，在Z向滑块与Z向导轨的滑动接触面之间加装有阻尼片，在Z向滑块与Z向导轨之间设置有Z向预紧力加载结构件；

所述Y向导轨水平设置在X向导轨式底座上方，Y向导轨与X向导轨式底座相垂直，Y向滑块套装于Y向导轨上，Y向滑块与Y向导轨滑动配合，在Y向滑块与Y向导轨的滑动接触面之间加装有阻尼片，在Y向滑块与Y向导轨之间设置有Y向预紧力加载结构件，Y向滑块固定连接在Z向滑块上。

所述X向预紧力加载结构件包括X向预紧螺栓、X向滚珠式导向块及X向导向凹槽，X向预紧螺栓安装在X向滑台上，X向导向凹槽设置在X向导轨式底座上，X向滚珠式导向块位于X向预紧螺栓与X向导向凹槽之间，X向预紧螺栓的螺杆底端与X向滚珠式导向块的顶部相接触，X向滚珠式导向块的底部滚珠位于X向导向凹槽内。

所述Y向预紧力加载结构件包括Y向预紧螺栓、Y向滚珠式导向块及Y向导向凹槽，Y向预紧螺栓安装在Y向滑块上，Y向导向凹槽设置在Y向导轨上，Y向滚珠式导向块位于Y向预紧螺栓与Y向导轨之间，Y向预紧螺栓的螺杆底端与Y向滚珠式导向块的顶部相接触，Y向滚珠式导向块的底部滚珠位于Y向导向凹槽内。

所述Z向预紧力加载结构件包括Z向预紧螺栓、Z向滚珠式导向块及Z向导向凹槽，Z向预紧螺栓安装在Z向滑块上，Z向导向凹槽设置在Z向导轨上，Z向滚珠式导向块位于Z向预紧螺栓与Z向导轨之间，Z向预紧螺栓的螺杆底端与Z向滚珠式导向块的顶部相接触，Z向滚珠式导向块的底部滚珠位于Z向导向凹槽内。

在所述X向导轨式底座下表面设置有转台回转向切削力加载组件，转台回转向切削力加载组件包括转台回转向定盘及转台回转向动盘，转台回转向动盘水平固装在X向导轨式底座下表面，转台回转向定盘与转台回转向动盘滑动接触配合，在转台回转向定盘与转台回转向动盘的滑动接触面之间加装有阻尼片，在转台回转向定盘与转台回转向动盘之间连接有转台回转向预紧螺栓。

在所述Y向导轨上方安装有支架，在支架上表面设置有摆头回转向切削力加载组件，摆头回转向切削力加载组件包括摆头回转向定盘及摆头回转向动盘，摆头回转向定盘竖直固装在支架上表面，摆头回转向定盘与摆头回转向动盘滑动接触配合，在摆头回转向定盘与摆头回转向动盘的滑动接触面之间加装有阻尼片，在摆头回转向定盘与摆头回转向动盘之间连接有摆头回转向预紧螺栓。

在所述摆头回转向动盘固定安装有阻尼电机，阻尼电机的电机轴与机床刀具主轴固定连接配合。

在所述X向导轨式底座内共设置有两个X向滑台，在每个X向滑台上均设置有两根Z向导轨，在每根Z向导轨上都设有一个Z向滑块，在每个Z向滑块上都固连有一个Y向滑块；所述Y向导轨共设置有两根，且处于同一个X向滑台上的两个Y向滑块串联在同一根Y向导轨上，两根Y向导轨上的Y向滑块两两对应固连。

在所述Z向导轨与X向导轨式底座之间加装有结构刚性加强稳定架，结构刚性加强稳定架包括Z向立杆和X向导轨式顶梁，在Z向导轨顶端安装有X向辅助滑台板，Z向立杆固定安装在X向导轨式底座与X向导轨式顶梁之间，X向辅助滑台板位于X向导轨式顶梁内，X向辅助滑台板与X向导轨式顶梁滑动配合。

所述的摆头转台式五轴机床模拟切削力加载装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤一：选定一个需要进行性能测试的摆头转台式五轴机床，将模拟切削力加载装置吊装到机床的旋转工作台上，并将转台回转向定盘与机床的旋转工作台固定连接在一起，再将机床刀具主轴与阻尼电机的电机轴固定连接在一起；

步骤二：设定一组切削力；

步骤三：利用扭力扳手分别拧紧X向预紧螺栓、Y向预紧螺栓、Z向预紧螺栓、转台回转向预紧螺栓及摆头回转向预紧螺栓，使X向滑台与X向导轨式底座之间的摩擦力、Y向滑块与Y向导轨之间的摩擦力、Z向滑块与Z向导轨之间的摩擦力、转台回转向定盘与转台回转向动盘之间的摩擦力、摆头回转向定盘及摆头回转向动盘之间的摩擦力分别等于所设定的切削力，由于摩擦力无法在扭力扳手上直接读出，通过扭力扳手只能直接读出拧紧力矩，而拧紧力矩需要通过计算得到，计算公式为M＝KFd/μ，式中，M为拧紧力矩，K为拧紧力系数，F为摩擦力，d为预紧螺栓的螺纹公称直径，μ为摩擦系数；

步骤四：启动机床并运行加工程序，开始模拟机床的加工过程，并真实模拟机床在受力条件下的实际运行状态，进而测试出在当前切削力条件下的机床性能；

步骤五：重新设定切削力，重复步骤三及步骤四，完成不同切削力条件下的机床性能测试。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，提供了一种全新的机床性能测试手段，通过全新设计的摆头转台式五轴机床模拟切削力加载装置，在与机床进行配装使用后，能够真实模拟出机床实际加工过程中的受力条件，完全不用消耗材料实物和加工刀具，有效降低了机床性能测试成本，在保证机床优良性能的同时还有效降低了机床制造成本。

附图说明

图1为本发明的一种摆头转台式五轴机床模拟切削力加载装置立体图；

图2为本发明的一种摆头转台式五轴机床模拟切削力加载装置正视图；

图3为本发明的一种摆头转台式五轴机床模拟切削力加载装置侧视图；

图中，1—X向导轨式底座，2—X向滑台，3—Y向导轨，4—Y向滑块，5—Z向导轨，6—Z向滑块，7—X向预紧螺栓，8—X向导向凹槽，9—Y向预紧螺栓，10—Y向导向凹槽，11—Z向预紧螺栓，12—Z向导向凹槽，13—转台回转向定盘，14—转台回转向动盘，15—转台回转向预紧螺栓，16—支架，17—摆头回转向定盘，18—摆头回转向动盘，19—摆头回转向预紧螺栓，20—阻尼电机，21—结构刚性加强稳定架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1、2、3所示，一种摆头转台式五轴机床模拟切削力加载装置，包括X向切削力加载组件、Y向切削力加载组件及Z向切削力加载组件，所述X向切削力加载组件包括X向导轨式底座1及X向滑台2，所述Y向切削力加载组件包括Y向导轨3及Y向滑块4，所述Z向切削力加载组件包括Z向导轨5及Z向滑块6；

所述X向滑台2设置在X向导轨式底座1内，X向滑台2与X向导轨式底座1滑动配合，在X向滑台2与X向导轨式底座1的滑动接触面之间加装有阻尼片，在X向滑台2与X向导轨式底座1之间设置有X向预紧力加载结构件；

所述Z向导轨5竖直固装在X向滑台2上，Z向滑块6套装于Z向导轨5上，Z向滑块6与Z向导轨5滑动配合，在Z向滑块6与Z向导轨5的滑动接触面之间加装有阻尼片，在Z向滑块6与Z向导轨5之间设置有Z向预紧力加载结构件；

所述Y向导轨3水平设置在X向导轨式底座1上方，Y向导轨3与X向导轨式底座1相垂直，Y向滑块4套装于Y向导轨3上，Y向滑块4与Y向导轨3滑动配合，在Y向滑块4与Y向导轨3的滑动接触面之间加装有阻尼片，在Y向滑块4与Y向导轨3之间设置有Y向预紧力加载结构件，Y向滑块4固定连接在Z向滑块6上。

所述X向预紧力加载结构件包括X向预紧螺栓7、X向滚珠式导向块及X向导向凹槽8，X向预紧螺栓7安装在X向滑台2上，X向导向凹槽8设置在X向导轨式底座1上，X向滚珠式导向块位于X向预紧螺栓7与X向导向凹槽8之间，X向预紧螺栓7的螺杆底端与X向滚珠式导向块的顶部相接触，X向滚珠式导向块的底部滚珠位于X向导向凹槽8内。

所述Y向预紧力加载结构件包括Y向预紧螺栓9、Y向滚珠式导向块及Y向导向凹槽10，Y向预紧螺栓9安装在Y向滑块4上，Y向导向凹槽10设置在Y向导轨3上，Y向滚珠式导向块位于Y向预紧螺栓9与Y向导轨3之间，Y向预紧螺栓9的螺杆底端与Y向滚珠式导向块的顶部相接触，Y向滚珠式导向块的底部滚珠位于Y向导向凹槽10内。

所述Z向预紧力加载结构件包括Z向预紧螺栓11、Z向滚珠式导向块及Z向导向凹槽12，Z向预紧螺栓11安装在Z向滑块6上，Z向导向凹槽12设置在Z向导轨5上，Z向滚珠式导向块位于Z向预紧螺栓11与Z向导轨5之间，Z向预紧螺栓11的螺杆底端与Z向滚珠式导向块的顶部相接触，Z向滚珠式导向块的底部滚珠位于Z向导向凹槽12内。

在所述X向导轨式底座1下表面设置有转台回转向切削力加载组件，转台回转向切削力加载组件包括转台回转向定盘13及转台回转向动盘14，转台回转向动盘14水平固装在X向导轨式底座1下表面，转台回转向定盘13与转台回转向动盘14滑动接触配合，在转台回转向定盘13与转台回转向动盘14的滑动接触面之间加装有阻尼片，在转台回转向定盘13与转台回转向动盘14之间连接有转台回转向预紧螺栓15。

在所述Y向导轨3上方安装有支架16，在支架16上表面设置有摆头回转向切削力加载组件，摆头回转向切削力加载组件包括摆头回转向定盘17及摆头回转向动盘18，摆头回转向定盘17竖直固装在支架16上表面，摆头回转向定盘17与摆头回转向动盘18滑动接触配合，在摆头回转向定盘17与摆头回转向动盘18的滑动接触面之间加装有阻尼片，在摆头回转向定盘17与摆头回转向动盘18之间连接有摆头回转向预紧螺栓19。

在所述摆头回转向动盘18固定安装有阻尼电机20，阻尼电机20的电机轴与机床刀具主轴固定连接配合。

在所述X向导轨式底座1内共设置有两个X向滑台2，在每个X向滑台2上均设置有两根Z向导轨5，在每根Z向导轨5上都设有一个Z向滑块6，在每个Z向滑块6上都固连有一个Y向滑块4；所述Y向导轨3共设置有两根，且处于同一个X向滑台2上的两个Y向滑块4串联在同一根Y向导轨3上，两根Y向导轨3上的Y向滑块4两两对应固连。

在所述Z向导轨5与X向导轨式底座1之间加装有结构刚性加强稳定架21，结构刚性加强稳定架21包括Z向立杆和X向导轨式顶梁，在Z向导轨5顶端安装有X向辅助滑台板，Z向立杆固定安装在X向导轨式底座1与X向导轨式顶梁之间，X向辅助滑台板位于X向导轨式顶梁内，X向辅助滑台板与X向导轨式顶梁滑动配合。

所述的摆头转台式五轴机床模拟切削力加载装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤一：选定一个需要进行性能测试的摆头转台式五轴机床，将模拟切削力加载装置吊装到机床的旋转工作台上，并将转台回转向定盘13与机床的旋转工作台固定连接在一起，再将机床刀具主轴与阻尼电机20的电机轴固定连接在一起；

步骤二：设定一组切削力；

步骤三：利用扭力扳手分别拧紧X向预紧螺栓7、Y向预紧螺栓9、Z向预紧螺栓11、转台回转向预紧螺栓15及摆头回转向预紧螺栓19，使X向滑台2与X向导轨式底座1之间的摩擦力、Y向滑块4与Y向导轨3之间的摩擦力、Z向滑块6与Z向导轨5之间的摩擦力、转台回转向定盘13与转台回转向动盘14之间的摩擦力、摆头回转向定盘17及摆头回转向动盘18之间的摩擦力分别等于所设定的切削力，由于摩擦力无法在扭力扳手上直接读出，通过扭力扳手只能直接读出拧紧力矩，而拧紧力矩需要通过计算得到，计算公式为M＝KFd/μ，式中，M为拧紧力矩，K为拧紧力系数，F为摩擦力，d为预紧螺栓的螺纹公称直径，μ为摩擦系数；

步骤四：启动机床并运行加工程序，开始模拟机床的加工过程，并真实模拟机床在受力条件下的实际运行状态，进而测试出在当前切削力条件下的机床性能；

步骤五：重新设定切削力，重复步骤三及步骤四，完成不同切削力条件下的机床性能测试。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (10)

1.一种摆头转台式五轴机床模拟切削力加载装置，其特征在于：包括X向切削力加载组件、Y向切削力加载组件及Z向切削力加载组件，所述X向切削力加载组件包括X向导轨式底座及X向滑台，所述Y向切削力加载组件包括Y向导轨及Y向滑块，所述Z向切削力加载组件包括Z向导轨及Z向滑块；

所述X向滑台设置在X向导轨式底座1内，X向滑台与X向导轨式底座滑动配合，在X向滑台与X向导轨式底座的滑动接触面之间加装有阻尼片，在X向滑台与X向导轨式底座之间设置有X向预紧力加载结构件；

所述Z向导轨竖直固装在X向滑台上，Z向滑块套装于Z向导轨上，Z向滑块与Z向导轨滑动配合，在Z向滑块与Z向导轨的滑动接触面之间加装有阻尼片，在Z向滑块与Z向导轨之间设置有Z向预紧力加载结构件；

所述Y向导轨水平设置在X向导轨式底座上方，Y向导轨与X向导轨式底座相垂直，Y向滑块套装于Y向导轨上，Y向滑块与Y向导轨滑动配合，在Y向滑块与Y向导轨的滑动接触面之间加装有阻尼片，在Y向滑块与Y向导轨之间设置有Y向预紧力加载结构件，Y向滑块固定连接在Z向滑块上。

2.根据权利要求1所述的一种摆头转台式五轴机床模拟切削力加载装置，其特征在于：所述X向预紧力加载结构件包括X向预紧螺栓、X向滚珠式导向块及X向导向凹槽，X向预紧螺栓安装在X向滑台上，X向导向凹槽设置在X向导轨式底座上，X向滚珠式导向块位于X向预紧螺栓与X向导向凹槽之间，X向预紧螺栓的螺杆底端与X向滚珠式导向块的顶部相接触，X向滚珠式导向块的底部滚珠位于X向导向凹槽内。

3.根据权利要求1所述的一种摆头转台式五轴机床模拟切削力加载装置，其特征在于：所述Y向预紧力加载结构件包括Y向预紧螺栓、Y向滚珠式导向块及Y向导向凹槽，Y向预紧螺栓安装在Y向滑块上，Y向导向凹槽设置在Y向导轨上，Y向滚珠式导向块位于Y向预紧螺栓与Y向导轨之间，Y向预紧螺栓的螺杆底端与Y向滚珠式导向块的顶部相接触，Y向滚珠式导向块的底部滚珠位于Y向导向凹槽内。

4.根据权利要求1所述的一种摆头转台式五轴机床模拟切削力加载装置，其特征在于：所述Z向预紧力加载结构件包括Z向预紧螺栓、Z向滚珠式导向块及Z向导向凹槽，Z向预紧螺栓安装在Z向滑块上，Z向导向凹槽设置在Z向导轨上，Z向滚珠式导向块位于Z向预紧螺栓与Z向导轨之间，Z向预紧螺栓的螺杆底端与Z向滚珠式导向块的顶部相接触，Z向滚珠式导向块的底部滚珠位于Z向导向凹槽内。

5.根据权利要求1所述的一种摆头转台式五轴机床模拟切削力加载装置，其特征在于：在所述X向导轨式底座下表面设置有转台回转向切削力加载组件，转台回转向切削力加载组件包括转台回转向定盘及转台回转向动盘，转台回转向动盘水平固装在X向导轨式底座下表面，转台回转向定盘与转台回转向动盘滑动接触配合，在转台回转向定盘与转台回转向动盘的滑动接触面之间加装有阻尼片，在转台回转向定盘与转台回转向动盘之间连接有转台回转向预紧螺栓。

6.根据权利要求1所述的一种摆头转台式五轴机床模拟切削力加载装置，其特征在于：在所述Y向导轨上方安装有支架，在支架上表面设置有摆头回转向切削力加载组件，摆头回转向切削力加载组件包括摆头回转向定盘及摆头回转向动盘，摆头回转向定盘竖直固装在支架上表面，摆头回转向定盘与摆头回转向动盘滑动接触配合，在摆头回转向定盘与摆头回转向动盘的滑动接触面之间加装有阻尼片，在摆头回转向定盘与摆头回转向动盘之间连接有摆头回转向预紧螺栓。

7.根据权利要求6所述的一种摆头转台式五轴机床模拟切削力加载装置，其特征在于：在所述摆头回转向动盘固定安装有阻尼电机，阻尼电机的电机轴与机床刀具主轴固定连接配合。

8.根据权利要求1所述的一种摆头转台式五轴机床模拟切削力加载装置，其特征在于：在所述X向导轨式底座内共设置有两个X向滑台，在每个X向滑台上均设置有两根Z向导轨，在每根Z向导轨上都设有一个Z向滑块，在每个Z向滑块上都固连有一个Y向滑块；所述Y向导轨共设置有两根，且处于同一个X向滑台上的两个Y向滑块串联在同一根Y向导轨上，两根Y向导轨上的Y向滑块两两对应固连。

9.根据权利要求1所述的一种摆头转台式五轴机床模拟切削力加载装置，其特征在于：在所述Z向导轨与X向导轨式底座之间加装有结构刚性加强稳定架，结构刚性加强稳定架包括Z向立杆和X向导轨式顶梁，在Z向导轨顶端安装有X向辅助滑台板，Z向立杆固定安装在X向导轨式底座与X向导轨式顶梁之间，X向辅助滑台板位于X向导轨式顶梁内，X向辅助滑台板与X向导轨式顶梁滑动配合。

10.权利要求1所述的摆头转台式五轴机床模拟切削力加载装置的使用方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：选定一个需要进行性能测试的摆头转台式五轴机床，将模拟切削力加载装置吊装到机床的旋转工作台上，并将转台回转向定盘与机床的旋转工作台固定连接在一起，再将机床刀具主轴与阻尼电机的电机轴固定连接在一起；

步骤二：设定一组切削力；

步骤三：利用扭力扳手分别拧紧X向预紧螺栓、Y向预紧螺栓、Z向预紧螺栓、转台回转向预紧螺栓及摆头回转向预紧螺栓，使X向滑台与X向导轨式底座之间的摩擦力、Y向滑块与Y向导轨之间的摩擦力、Z向滑块与Z向导轨之间的摩擦力、转台回转向定盘与转台回转向动盘之间的摩擦力、摆头回转向定盘及摆头回转向动盘之间的摩擦力分别等于所设定的切削力，由于摩擦力无法在扭力扳手上直接读出，通过扭力扳手只能直接读出拧紧力矩，而拧紧力矩需要通过计算得到，计算公式为M＝KFd/μ，式中，M为拧紧力矩，K为拧紧力系数，F为摩擦力，d为预紧螺栓的螺纹公称直径，μ为摩擦系数；

步骤四：启动机床并运行加工程序，开始模拟机床的加工过程，并真实模拟机床在受力条件下的实际运行状态，进而测试出在当前切削力条件下的机床性能；

步骤五：重新设定切削力，重复步骤三及步骤四，完成不同切削力条件下的机床性能测试。