CN107271182A - 一种模拟刀具切削力和作用位置的加载实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟刀具切削力和作用位置的加载实验装置，装置包括能够同时施加三向力的加载装置，加载装置上安装有用于测量模拟加载三向作用力大小的检测装置，加载装置能通过配件的自定义化实现空间各位置的模拟加载。包括能接受三向力的加载板和加载试验台，加载装置上有不同的加载位点用以模拟真实加工刀具作用位置。将装置连接好后，调整加载装置的作用力，即可模拟机床刀具实际加工情况下作用在工件各个不同位置下的切削力，在机床整机上不便采集的传动部件的有用信息可以方便得到，用于研究不同位置和大小的切削力与传动部件的各项指标的联系。

Description

一种模拟刀具切削力和作用位置的加载实验装置

技术领域

本发明涉及机床模拟加载装置，主要涉及一种模拟刀具切削力和作用位置的加载实验装置。

背景技术

机床是装备制造业的基础，代表了制造业的发展水平，丝杠的磨损及其它失效形式将影响机床精度及其稳定性，由于以前高速硬切削和大功率切削以及难加工的新型材料很少出现在生产加工中，并且没有专门的研究方法，所以较小的切削力对机床的影响不予考虑。近年来，随着机床加工精度的提高和难加工材料的发展，不同加工方式产生的不同切削力引起的机床传动件寿命变化越来越受到重视，研究切削力对机床传动件寿命的影响变得尤为重要。

加工方式及加工参数对作用在传动部件上的切削力有较大影响，切削过程中切削负载会传递到机床传动部件上，从而增加机床传动件的磨损，对机床精度产生影响，引起机床误差变化和机床受力变形，这些变形最终反映为刀具和工件的正确的相对切削位置变化，造成加工误差。

为了监测机床进给系统的精度和传动件的磨损程度，需要对机床进行动态测试。但是由于该测试是一个长期且大量浪费材料的过程，因此，需要对机床进行切削力模拟加载实验，用以测得传动件的各项性能指标。

目前的机床切削力模拟加载装置很少，有的采用磁粉制动器、拉压力计、测功机等，有的采用并联机构，这些设备只是模拟丝杠的磨损，并不能和切削力直接联系起来，也有模拟三向切削力的装置，但是也只限于在三向力上的模拟，并不能真正模拟机床刀具真实加工情况下作用在工件各个不同位置下的切削力，从而这些装置不能真实反映实际状况。

发明内容

现有的切削力加载装置不能模拟机床刀具真实加工情况下作用在工件各个不同位置下的切削力，由于在机床整机上不便于采集传动部件的有用信息，并且存在切屑和切削液，存在诸多干扰试验的因素。针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种模拟刀具切削力和作用位置的加载实验装置，用于研究不同位置和大小的切削力与传动部件的各项指标的联系。

本发明的技术方案是提供一种模拟刀具切削力和作用位置的加载实验装置，包括底板、被测传动件试验台、加载板、加载系统、随动加载台和随动加载控制电路；被测传动件试验台与随动加载台相互平行的固定在底板上，并通过随动加载控制电路控制同步运动，被测传动件试验台的台面与随动加载台的台面位于同一水平面上，加载板垂直固定在被测传动件试验台上，加载系统包括三向加载装置和加载杆，三向加载装置固定在随动加载台上，加载杆的一端固定在三向加载装置上，另一端垂直固定在加载板上，三向加载装置包括X轴加载装置、Y轴加载装置和Z轴加载装置；X轴加载装置与Y轴加载装置在水平面内相互垂直，Z轴加载装置垂直于X轴加载装置与Y轴加载装置所在的水平面。

加载系统通过配件提高加载系统的高度位置，将配件固定安装在随动加载台上，再把加载系统固定安装在配件上；配件在Y方向上至少设有两组螺栓孔适配Y方向的加载位置调整，加载板上的相应高度位置处设有用于固定加载杆的螺栓孔。

加载杆长度改变时，被测传动件试验台台面的Y方向上设有用于调整加载板位置的螺栓孔。

加载杆通过固定螺栓和反向固定螺母固定在加载板上，固定螺栓的螺头紧固在加载板上，螺杆部通过反向固定螺母固定在加载杆的端部。

X轴加载装置、Y轴加载装置和Z轴加载装置结构相同，X轴加载装置包括X轴推力螺栓、X轴加载机架、X轴力传感器和X轴顶块，X轴推力螺栓、X轴力传感器和X轴顶块的几何中心轴线同轴安装于X轴加载机架的定位凹槽内，X轴推力螺栓顶紧X轴力传感器和X轴顶块，使X轴顶块与加载杆接触。

被测传动件试验台与随动加载台的结构相似，随动加载台包括平台机架、伺服电机、联轴器、电机机架、端盖、丝杠副、两条导轨副、丝杠副后端支架和角接触轴承，伺服电机固定安装在电机机架上，联轴器、丝杠副与伺服电机的输出轴同轴线安装，丝杠副的一端通过一对反向安装的角接触轴承安装在电机机架内，端盖固定该对反向安装的角接触轴承的位置，丝杠副的另一端通过角接触轴承固定在丝杠副后端支架上，伺服电机、联轴器、电机机架、端盖、丝杠副、丝杠副后端支架、角接触轴承整套装配好后通过螺栓固定安装至平台机架上，两条导轨副水平安装在平台机架的两侧，两条导轨副上安装滑块和随动加载台的台面，随动加载台的下台面与丝杠副的丝杠螺母相连，丝杠副运动即可控制随动加载台的台面水平移动。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）由于采用上述方案，采用推力螺栓，力传感器，顶块同轴线的加载方式，可简单方便的通过调节三个推力螺栓实现加载三向力无级调节。固定螺栓和反向固定螺母保证加载杆垂直稳定的固定在加载板上，确保了加载时实际加载的三向力的大小与力传感器测得的大小基本一致，配件和加长杆的自定义化方便使用者针对试验要求做出调整。

（2）由于没有实际切削，不伴随切屑和切削液，可方便测量出在模拟切削加工条件下，整个进给系统的状态和传动部件的振动，受力，噪声等状态指标。

（3）通过切削力直接加载到实验平台上，不需要在机床上采集信息，而是直接通过平台对传动系统单独进行加载，可研究受不同位置的三向切削力对机床传动部件寿命的影响。

附图说明

图1为本发明的立体示意图；

图2为加载系统的立体示意图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为图2的B-B剖视图；

图5为随动加载台立体示意图；

图6为配件装配立体示意图；

图7为加长加载杆装配立体示意图。

图中，1-底板，2-被测传动件试验台，3-加载板，

4-加载系统，

401-X轴推力螺栓，402-X轴加载机架，403-X轴力传感器，404-Z轴推力螺栓，405-Z轴力传感器，406-Z轴加载机架，407-加载杆，408-固定螺栓，409-反向固定螺母，410-Y轴力传感器，411-Y轴加载机架，412-Y轴推力螺栓，413-X轴顶块，414-Y轴顶块，415-Z轴顶块，

5-随动加载台，

501-伺服电机，502-联轴器，503-电机机架，504-端盖，505-丝杠副，506-导轨副，507-丝杠副后端支架，508-角接触轴承，

6-配件，7-加长加载杆。

具体实施方式

为了阐明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的介绍。

图中包括以下部件：底板1、被测传动件试验台2、加载板3、加载系统4、X轴推力螺栓401、X轴加载机架402、X轴力传感器403、Z轴推力螺栓404、Z轴力传感器405、Z轴加载机架406、加载杆407、固定螺栓408、反向固定螺母409、Y轴力传感器410、Y轴加载机架411、Y轴推力螺栓412、X轴顶块413、Y轴顶块414、Z轴顶块415、随动加载台5、伺服电机501、联轴器502、电机机架503、端盖504、丝杠副505、导轨副506、丝杠副后端支架507、角接触轴承508、配件6和加长加载杆7。

一种模拟刀具切削力和作用位置的加载实验装置，包括底板1、被测传动件试验台2、加载板3、加载系统4、随动加载台5和随动加载控制电路；被测传动件试验台2与随动加载台5相互平行的固定在底板1上，并通过随动加载控制电路控制同步运动，被测传动件试验台2的台面与随动加载台5的台面位于同一水平面上，加载板3垂直固定在被测传动件试验台2上，加载系统4包括三向加载装置和加载杆407，三向加载装置固定在随动加载台5上，加载杆407的一端固定在三向加载装置上，另一端垂直固定在加载板3上，三向加载装置包括X轴加载装置、Y轴加载装置和Z轴加载装置；X轴加载装置与Y轴加载装置在水平面内相互垂直，Z轴加载装置垂直于X轴加载装置与Y轴加载装置所在的水平面。

加载系统通过配件6提高加载系统4的高度位置，将配件6固定安装在随动加载台5上，再把加载系统4固定安装在配件6上；配件6在Y方向上至少设有两组螺栓孔适配Y方向的加载位置调整，加载板3上的相应高度位置处设有用于固定加载杆407的螺栓孔。

加载杆407长度改变时，被测传动件试验台2台面的Y方向上设有用于调整加载板3位置的螺栓孔。

加载杆407通过固定螺栓408和反向固定螺母409固定在加载板3上，固定螺栓408的螺头紧固在加载板3上，螺杆部通过反向固定螺母409固定在加载杆407的端部。

X轴加载装置、Y轴加载装置和Z轴加载装置结构相同，X轴加载装置包括X轴推力螺栓401、X轴加载机架402、X轴力传感器403和X轴顶块413，X轴推力螺栓401、X轴力传感器403和X轴顶块413的几何中心轴线同轴安装于X轴加载机架402的定位凹槽内，X轴推力螺栓401顶紧X轴力传感器403和X轴顶块413，使X轴顶块413与加载杆407接触。

被测传动件试验台2与随动加载台5的结构相似，随动加载台5包括平台机架、伺服电机501、联轴器502、电机机架503、端盖504、丝杠副505、两条导轨副506、丝杠副后端支架507和角接触轴承508，伺服电机501固定安装在电机机架503上，联轴器502、丝杠副505与伺服电机501的输出轴同轴线安装，丝杠副505的一端通过一对反向安装的角接触轴承安装在电机机架503内，端盖504固定该对反向安装的角接触轴承的位置，丝杠副505的另一端通过角接触轴承508固定在丝杠副后端支架507上，伺服电机501、联轴器502、电机机架503、端盖504、丝杠副505、丝杠副后端支架507、角接触轴承508整套装配好后通过螺栓固定安装至平台机架上，两条导轨副506水平安装在平台机架的两侧，两条导轨副506上安装滑块和随动加载台5的台面，随动加载台5的下台面与丝杠副505的丝杠螺母相连，丝杠副505运动即可控制随动加载台5的台面水平移动。

通过随动加载控制电路的速度环和位置环控制两伺服电机运动，两伺服电机使被测传动件试验台2与随动加载台5同时运动。

实施例

为了表述方便，建立如图2中所示的X-Y-Z直角坐标系，图中的丝杠副的移动方向为Y轴、垂直丝杠副滑动方向为X轴、垂直加载台面方向为Z轴建立直角坐标系。

如图1-图7所示，本发明的一种模拟刀具切削力和作用位置的加载实验装置，包括底板1、被测传动件试验台2、加载板3、加载系统4、随动加载台5和随动加载控制电路。

所述加载系统包括X轴加载装置，Y轴加载装置，Z轴加载装置，加载杆407。

所述的配件6和加长加载杆7应有多种尺寸可供选择，图6和图7只是两种尺寸的示意图，具体尺寸由实验者自行决定，方便实验的自定义化。

所述加载板3应该有和配件6和加长加载杆7相对应的螺栓孔位置，螺栓孔位置即实验者自定的加载位置。

本发明在应用时，首先选择需要在加载板3上加载的位置，将加载板固定在随动加载台5上的合适位置，再选择合适的配件6和加长加载杆7，先将加长加载杆7通过固定螺栓408固定在加载板3上，再通过反向固定螺母409调整加长加载杆7的位姿，反向固定螺母409反向旋紧在加长加载杆7上时用水平仪调整保证加长加载杆的位姿水平，又由于固定螺栓408旋紧在加载板3上，保证了加长加载杆7与加载板3垂直且与地面水平，由此确保加载的三向力与力传感器的数值基本一致。

固定好整套实验装置后，调整X轴推力螺栓401、Y轴推力螺栓412、Z轴推力螺栓404，直到X轴力传感器403、Y轴力传感器410、Z轴力传感器405达到实验需要的数值，完成推力螺栓调整后开启随动加载控制电路，使被测传动件试验台2与随动加载台5同时运动，通过随动加载控制电路的编码器和光栅控制两伺服电机同步运动，保证两台面之间没有相对运动，即可开始测试。

由于没有实际切削，不伴随切屑和切削液，可自行布置需要信息的传感器的位置，以方便测量出在模拟切削加工条件下，整个进给系统的状态和传动部件的振动，受力，噪声等状态指标。

通过切削力直接加载到实验平台上，不需要在机床上采集信息，而是直接通过平台对传动系统单独进行加载，可研究受不同位置的三向切削力对机床传动部件寿命的影响。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种模拟刀具切削力和作用位置的加载实验装置，其特征在于：包括底板、被测传动件试验台、加载板、加载系统、随动加载台和随动加载控制电路；被测传动件试验台与随动加载台相互平行的固定在底板上，并通过随动加载控制电路控制同步运动，被测传动件试验台的台面与随动加载台的台面位于同一水平面上，加载板垂直固定在被测传动件试验台上，加载系统包括三向加载装置和加载杆，三向加载装置固定在随动加载台上，加载杆的一端固定在三向加载装置上，另一端垂直固定在加载板上，三向加载装置包括X轴加载装置、Y轴加载装置和Z轴加载装置；X轴加载装置与Y轴加载装置在水平面内相互垂直，Z轴加载装置垂直于X轴加载装置与Y轴加载装置所在的水平面。

2.根据权利要求1所述的模拟刀具切削力和作用位置的加载实验装置，其特征在于：加载系统通过配件提高加载系统的高度位置，将配件固定安装在随动加载台上，再把加载系统固定安装在配件上；配件在Y方向上至少设有两组螺栓孔适配Y方向的加载位置调整，加载板上的相应高度位置处设有用于固定加载杆的螺栓孔。

3.根据权利要求1所述的模拟刀具切削力和作用位置的加载实验装置，其特征在于：加载杆长度改变时，被测传动件试验台台面的Y方向上设有用于调整加载板位置的螺栓孔。

4.根据权利要求1所述的模拟刀具切削力和作用位置的加载实验装置，其特征在于：加载杆通过固定螺栓和反向固定螺母固定在加载板上，固定螺栓的螺头紧固在加载板上，螺杆部通过反向固定螺母固定在加载杆的端部。

5.根据权利要求1所述的模拟刀具切削力和作用位置的加载实验装置，其特征在于：X轴加载装置、Y轴加载装置和Z轴加载装置结构相同，X轴加载装置包括X轴推力螺栓、X轴加载机架、X轴力传感器和X轴顶块，X轴推力螺栓、X轴力传感器和X轴顶块的几何中心轴线同轴安装于X轴加载机架的定位凹槽内，X轴推力螺栓顶紧X轴力传感器和X轴顶块，使X轴顶块与加载杆接触。

6.根据权利要求1所述的模拟刀具切削力和作用位置的加载实验装置，其特征在于：被测传动件试验台与随动加载台的结构相似，随动加载台包括平台机架、伺服电机、联轴器、电机机架、端盖、丝杠副、两条导轨副、丝杠副后端支架和角接触轴承，伺服电机固定安装在电机机架上，联轴器、丝杠副与伺服电机的输出轴同轴线安装，丝杠副的一端通过一对反向安装的角接触轴承安装在电机机架内，端盖固定该对反向安装的角接触轴承的位置，丝杠副的另一端通过角接触轴承固定在丝杠副后端支架上，伺服电机、联轴器、电机机架、端盖、丝杠副、丝杠副后端支架、角接触轴承整套装配好后通过螺栓固定安装至平台机架上，两条导轨副水平安装在平台机架的两侧，两条导轨副上安装滑块和随动加载台的台面，随动加载台的下台面与丝杠副的丝杠螺母相连，丝杠副运动即可控制随动加载台的台面水平移动。

7.根据权利要求6所述的模拟刀具切削力和作用位置的加载实验装置，其特征在于：通过随动加载控制电路的速度环和位置环控制两伺服电机运动，两伺服电机使被测传动件试验台与随动加载台同时运动。