CN107498391B - 机床切削加工过程的热力载荷模拟和误差检测系统及方法 - Google Patents
机床切削加工过程的热力载荷模拟和误差检测系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107498391B CN107498391B CN201710654904.XA CN201710654904A CN107498391B CN 107498391 B CN107498391 B CN 107498391B CN 201710654904 A CN201710654904 A CN 201710654904A CN 107498391 B CN107498391 B CN 107498391B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cutting
- bearing
- lathe
- controller
- heat source
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 title claims abstract description 56
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 230000008569 process Effects 0.000 title claims abstract description 17
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims abstract description 132
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 48
- 229920002379 silicone rubber Polymers 0.000 claims description 30
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 23
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 20
- 241000239290 Araneae Species 0.000 claims description 19
- 230000005520 electrodynamics Effects 0.000 claims description 18
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 15
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 10
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 10
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 8
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 5
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 2
- 235000013358 Solanum torvum Nutrition 0.000 claims 1
- 240000002072 Solanum torvum Species 0.000 claims 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 abstract description 7
- 238000003754 machining Methods 0.000 abstract description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 14
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 238000011160 research Methods 0.000 description 8
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 7
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 5
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 5
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 5
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 3
- 239000002173 cutting fluid Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000997 High-speed steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018487 Ni—Cr Inorganic materials 0.000 description 1
- 206010037660 Pyrexia Diseases 0.000 description 1
- 206010044565 Tremor Diseases 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N chromium nickel Chemical compound [Cr].[Ni] VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000001447 compensatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 238000012850 discrimination method Methods 0.000 description 1
- 230000008571 general function Effects 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N novaluron Chemical compound C1=C(Cl)C(OC(F)(F)C(OC(F)(F)F)F)=CC=C1NC(=O)NC(=O)C1=C(F)C=CC=C1F NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 238000009747 press moulding Methods 0.000 description 1
- 238000004886 process control Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
- B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
- B23Q17/09—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool
- B23Q17/0952—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool during machining
- B23Q17/0985—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool during machining by measuring temperature
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
- B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
- B23Q17/09—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool
- B23Q17/0952—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool during machining
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Machine Tool Sensing Apparatuses (AREA)
- Automatic Control Of Machine Tools (AREA)
Abstract
本发明公开了一种机床切削加工过程的热力载荷模拟和误差检测系统及方法，机床热力载荷模拟和误差检测系统包括机床工作台，主轴芯棒，控制器，控制系统，设置在机床工作台上的切削热模拟装置和单向切削力模拟装置，以及机床进给系统热源模拟装置。本发明不需要将机床的机构从机床上拆卸下来，使实验情况更符合实际工况；同时，本发明可将该误差值反馈至机床控制系统中的补偿模块，可以减小加工误差提高加工精度。
Description
技术领域
本发明涉及机械技术领域中的金属切削机床，具体涉及模拟机床真实切削工况下的各热源处的热载荷、切削热载荷和切削力载荷及刀具热误差和力误差检测装置。
背景技术
制约机床精度的因素有很多，比较典型的有机床热误差、几何误差和传动链误差，对以上误差的辨识方法、建模方法和补偿手段目前已得到比较完善的研究。随着高速硬切削、难切削材料和高速干式切削的推广应用，以前很少被考虑的切削载荷误差对机床加工精度的影响越来越凸显，尤其是热力耦合引起的加工误差。
目前对切削过程由热力耦合引起的加工误差的研究较少，主要是因为实现对切削过程刀具定位误差的在线测量非常困难，难以建立准确的热力耦合误差模型，对切削载荷误差的研究也仅限于间接测量法和理论分析法。通过测量主轴电机或驱动电机电流结合神经网络建立切削力误差的方法会因为霍尔元件很容易受到各种外部干扰而不能真实反映切削力，从而不能建立准确的切削力误差模型。对切削温度的测量虽较为直观方便，但仅针对由切削热引起的误差的研究很少，针对热力耦合效应的研究也大都集中在机床动态性能及优化领域。
在对机床热误差的研究过程中仅仅考虑机床进给系统热源并不能反映出机床承受热载荷的全貌，特别是在干式切削工况下，切削热的快速积累直接使刀具产生较大热应力从而使刀具产生热变形，进而产生加工误差。
在对机床力误差的研究过程中一般都不把切削力误差考虑进去，认为切削力在最后的工序中较小，不能引起很大的偏移量。但是在切削深度和切削用量逐步提升的机械加工中，切削力无疑加大了很多，且在机械加工中难切削材料逐步占据了一席之地，对于这些切削性能很差的材料，会产生很大的切削力，进而产生加工误差。
机床切削加工时，受主轴旋转、进给机构的移动以及切屑的影响，激光干涉仪和激光位移传感器等几何检测装置无法安装在机床上，对机床各项载荷造成的误差不能实现在线测量，通过对机床各项载荷进行模拟加载来模拟机床实际工况再进行误差检测的手段一般也仅仅针对机床的力（矩）载荷，目前的研究中尚未发现有针对机床热力载荷进行模拟加载的先例。
发明内容
有鉴于此，为解决现有技术存在的上述问题，申请人提供了一种机床热力载荷模拟和误差检测系统，以期实现对机床进给系统热源及刀具切削刃产生的热载荷和力载荷进行模拟，在此基础上进行机床误差在线测量。
具体地，该技术方案为：机床热力载荷模拟和误差检测系统，包括机床工作台，主轴芯棒，控制器，控制系统，设置在机床工作台上的切削热模拟装置和单向切削力模拟装置，以及机床进给系统热源模拟装置设置在机床工作台上的切削热模拟装置和单向切削力模拟装置，以及机床进给系统热源模拟装置;
其中，所述单向切削力模拟装置包括安装在L型基板上的支撑导轨，安装在机床工作台上的进给跟踪装置，安装在进给跟踪装置上的电动式激振器，连接在电动式激振器输出端的激振器顶杆，安装在支撑导轨上的轴承支座，两端分别与激振器顶杆和轴承支座螺纹连接的拉压力传感器，以及与轴承支座过渡连接的角接触轴承；所述角接触轴承与加热器本体的外圆柱面过盈连接。
所述切削热模拟装置包括加热器本体，焊接于加热器本体内圆柱面上的刀刃状热电阻加热片，贴在加热器本体内圆柱面上的温度传感器，与加热器本体固定连接的弹性触头，固定在支撑板上的电刷支架，以及安装在电刷支架上的电刷；
根据本发明的一个方面，所述机床进给系统热源模拟装置包括硅橡胶绝缘片，包覆于两层硅橡胶绝缘片之间的镍铬合金电阻丝，以及内嵌于硅橡胶绝缘片内的片状铂电阻温度传感器；所述硅橡胶绝缘片贴在机床进给系统热源表面，片状铂电阻温度传感器分别位于硅橡胶绝缘片的两端。
根据本发明的一个方面，所述控制系统用于接收机床X/Y/Z方向进给速度、进给时长、主轴转速、切削时长、工件材料、刀具参数和切削用量，调用对应切削参数的实际热荷载数据和力荷载数据，再将数据发送到控制器中，所述控制器将信号分别输出至机床进给系统热源模拟装置、切削热模拟装置和单向切削力模拟装置。
根据本发明的一个方面，所述驱动滑台的信号输入端与控制器的信号输出端相连，控制器的信号输入端与机床X/Y/Z轴位移光栅尺信号输出端和电阻尺信号输出端相连。
根据本发明的一个方面，所述角接触轴承为背靠背安装双列角接触轴承。
一种机床热力载荷模拟和误差检测方法，其特征在于，基于上述任一项所述的机床热力载荷模拟和误差检测系统，所述方法包括如下步骤：
步骤1，将硅橡胶绝缘片贴在机床进给系统热源处；
步骤2，连接电源通电；
步骤3，在上位机控制系统界面的进给运动参数设置模块设置好X/Y/Z三个方向的进给速度和进给时长，系统自动下载对应进给系统热源温度数据到控制器；
步骤4，点击上位机控制系统界面的进给运动开始按钮进行进给系统热源模拟，由刀刃状热电阻加热片、加热器本体、温度传感器、弹性触头、电刷和电刷支架组成的刀具刀刃处的切削热模拟装置；
步骤5，将刀刃状热电阻加热片和加热器本体组成的切削热模拟加载装置安装在主轴芯棒上；
步骤6，将双列角接触球轴承安装在加热器本外圆周；
步骤7，将轴承支座和轴承端盖安装在角接触球轴承外圈；
步骤8，将伺服驱动滑台安装在机床工作台上；
步骤9，将支撑平台安装在伺服驱动滑台上端面；
步骤10，将电动式激振器安装在支撑平台上；
步骤11，将激振器顶杆两端分别和电动式激振器与轴承座侧面固定连接；
步骤12，将轴承支座与支撑导轨固定连接，安装在L型基板上；；
步骤13，将电刷和电刷支架固定连接，安装在支撑板上，保证弹性触头和电刷接触连接；
步骤14，移动机床主轴使主轴刀架与主轴芯棒中心线对齐安装；
步骤15，将电动式激振器与控制器相连；
步骤16，将机床X/Y/Z轴位移光栅尺信号输出端和电阻尺信号输出端与控制器的伺服控制信号输入端相连；
步骤17，在上位机控制系统界面的切削运动参数设置模块设置主轴转速、切削时长、工件材料、刀具参数、切削用量等参数，系统自动下载对应切削热温度和切削力数据到控制器；
步骤18，点击上位机控制系统界面的切削运动开始按钮进行切削热和切削力模拟；
步骤19，开启机床设置紧急方向，开始运行。
实施本发明，可获得的有益效果是：
1）、通过对热力载荷模拟装置的设置和自动控制，对进给系统热源、切削热和切削力进行载荷模拟可以实现对机床实际工况下的热力载荷变化完整的模拟，并且不需要将机床的机构从机床上拆卸下来，使实验情况更符合实际工况。
2）、由于模拟过程不进行切削，不存在切屑和切削液的干扰，可检测机床在模拟热负载和力负载作用下的刀具及其他机构的误差变化情况，将该误差值反馈至机床控制系统中的补偿模块，可以减小加工误差提高加工精度。
3）、该装置可以解决实验中浪费巨大、破坏性强及实验周期长的问题。
附图说明
图1为本发明装置的总体功能框架原理图。
图2为本发明装置的装置正三轴测图。
图3为本发明装置的后视图。
图4为本发明装置的俯视图。
图5为切削热模拟加载模块示意图。
图6为硅橡胶加热贴片内部结构示意图。
图7为本发明另一实施例的正三轴测图。
图8为本发明另一实施例的正视图。
图9为本发明另一实施例的主视图。
图10为本发明另一实施例的旋转加载模块示意图。
图11为本发明另一实施例的Z轴主轴示意图。
图12为本发明另一实施例单向切削力模拟加载模块示意图。
具体实施方式
为了阐明本发明装置的所能实现的功能效果，下面结合附图对装置的具体实施方式做详细介绍。
为了解决现有技术存在的上述技术问题，提供一种用于切削加工过程的热力载荷模拟方法和系统，包括机床进给系统热源模拟装置1、刀具刀刃处的切削热模拟装置2、单向切削力模拟装置3、上位机控制系统4、模拟刀具的主轴芯棒5、控制器6和机床工作台7。
其中，机床进给系统热源模拟装置1中镍铬合金电阻丝1-1包覆于两片硅橡胶绝缘片1-2之间，片状铂电阻温度传感器1-3内嵌于一片硅橡胶绝缘片1-2内部，三者组成硅橡胶加热片与控制器6相连，控制器6与上位机控制系统4相连，上位机控制系统4设置机床X/Y/Z三个方向进给速度、进给时长、主轴转速、切削时长、工件材料、刀具参数、切削用量等参数，调用后台对应工况下进给系统热源温度数据，下载到控制器6中闭环控制进给系统热源温度。
刀具刀刃处的切削热模拟装置2中，刀刃状热电阻加热片2-1外表面焊接在加热器本体2-2内圆柱面上，温度传感器2-3贴在加热器本体2-2内圆柱面上，刀刃状热电阻加热片2-1内表面与主轴芯棒5过盈连接，加热器本体2-2外圆柱面与角接触球轴承3-5内圈过盈连接，加热器本体2-2与弹性触头2-4固定连接，弹性触头2-4与电刷2-5弹性接触，电刷2-5安装在电刷支架2-6上，电刷支架2-6与支撑板3-8固定连接，电刷2-5与控制器6相连，上位机控制系统4通过调用对应工况下刀具切削温度数据下载到控制器6中闭环控制刀具刀刃温度。
所述单向切削力模拟装置3中，电动式激振器3-1安装在支撑平台3-8上，支撑平台3-8与伺服驱动滑台3-9上表面固定连接，激振器顶杆3-2安装在电动式激振器3-1输出端，拉压力传感器3-3两端分别与激振器顶杆3-2和轴承支座3-4螺纹连接，轴承支座3-4内圈与角接触球轴承3-5外圈过渡连接，轴承端盖3-6安装在轴承支座3-4下端面，轴承座3-4安装在轴承支架3-7上，轴承支架3-7与支撑板3-8固定连接，所述角接触球轴承3-5为背靠背安装双列角接触球轴承；上位机控制系统4通过调用对应工况下刀具切削力数据下载到控制器6中闭环控制刀具单向受力大小。
所述伺服驱动滑台3-9的信号输入端与控制器6信号伺服控制信号输出端相连，控制器6的伺服控制信号输入端与机床X/Y/Z轴位移光栅尺信号输出端和电阻尺信号输出端相连，控制伺服驱动滑台3-9驱动刀具刀刃处的切削热模拟装置2和单向切削力模拟装置3持续跟踪主轴芯棒加载；所述伺服驱动滑台3-9底座与机床工作台7固定连接。
所述控制器6采用DSP或FPGA作为微控制器；所述上位机控制系统采用LabView作为程序语言。
以下结合图1所示为本装置实施原理图，进一步描述本发明的技术细节：
由镍铬合金电阻丝1-1、硅橡胶绝缘片1-2、pt100片状铂电阻温度传感器1-3、带数字显示器的温度控制器1-4、数据采集卡1-5和上位机控制系统4组成的机床进给系统热源模拟装置，其中镍铬合金电阻丝1-1包覆于硅橡胶绝缘片1-2内部。
本实施例的实现过程如下：
步骤1，将硅橡胶绝缘片1-2贴在机床进给系统热源处；
步骤2，连接电源通电；
步骤3，在上位机控制系统4界面的进给运动参数设置模块设置好X/Y/Z三个方向的进给速度和运行时间，系统自动下载进给系统热源温度数据到带数字显示器的温度控制器1-4；
步骤4，点击上位机控制系统4界面的进给运动开始按钮进行进给系统热源模拟。
由贴片接触加热线圈2-1、线圈支架2-2、输出变压器箱2-3、输出端子2-4、柔性连接电缆组2-5、进水管2-6和出水管2-7、水冷机2-8、红外探头2-9、探头支架2-10、加热电源2-11和主轴芯2-12组成的刀具切削刃热源模拟热加载设备。
步骤5，将贴片接触加热线圈2-1装在线圈支架2-2上，连接到输出变压器箱2-3的输出端子2-4；
步骤6，将贴片接触加热线圈2-1套在主轴芯棒2-12外表面；
步骤7，给加热电源2-11和水冷机2-8上电；
步骤8，开启水冷机2-8使冷却液循环；
步骤9，将红外探头激光束对准被加热区域直到加热电源2-10人机界面显示实时温度；
步骤10，开启感应加热电源2-11主机，在上位机控制系统界面的切削运动参数设置模块设置主轴转速和运行时间，系统自动下载刀具切削温度温度数据到感应加热电源2-11；
步骤11，点击上位机控制系统4界面的切削运动开始按钮进行刀具热源模拟。
由激光位移传感器3-1、传感器支架3-2、传感器信号处理器3-3和上位机控制系统4组成的位移检测设备，将激光位移传感器3-1上电预热30min；
步骤12，将激光位移传感器3-1安装在传感器支架3-2上，激光束对准主轴芯棒2-12外表面；
步骤13，点击上位机控制系统4界面的测量开始按钮进行刀具误差测量。
所述机床热载荷模拟和热误差检测系统的具体实施现场如图2~图4所示，装置按照图示所示位置安装，再按照步骤1-步骤13开始对机床进给系统热源和刀具刀刃进行模拟热加载。
所述硅橡胶绝缘片1-2内部包覆镍铬合金电阻丝1-1与内嵌pt100片状铂电阻温度传感器1-3的具体情况如图5所示，将镍铬合金电阻丝1-1折弯成图示形状尽量使硅橡胶绝缘片1-2外表面受热均匀，pt100片状铂电阻温度传感器1-3的内嵌位置能尽量反映贴片整体平均温度。
在进一步的实施例中，本实施例所取得切削力数据为两刃立铣刀侧铣铝合金的切削力，Y向切削力大致为高频的周期变化作用力，切削力变化频率为100Hz，因此要求装置能够准确输出要求频率和要求切削力大小范围内的切削力信号。
在进一步的实施例中，由于不同切削参数下的切削力变化情况不一样，而且因为切削过程复杂，转速、进给速率、刀具和切屑等都会对切削力大小造成一定的影响，测量得出的切削力波形并不是完美的理论曲线波形，另外切削力在切屑和机床震颤等干扰因素影响下，最小值可能恒大于零也可能出现过零，所以要求力源信号输出力具有任意可设定性，本实验选取的力源信号输出设备为DSP作为控制器输出，DSP处理器作为具有高性能运算能力的专用处理器，其主频高达150MHz，在控制激振器这类对实时性要求较高的场合具有很大的优势，通过将采集到的切削力信号写进程序当中经处理后转换为模拟信号对激振器进行控制。
在进一步的实施例中，为了避免在立铣刀上开孔，同时方便测量变形的位移量，实验采用主轴芯棒代替立铣刀，因此必须保证芯棒的材料、尺寸和外形能和立铣刀一致，这样才能保证芯棒受到热载荷和力载荷作用时能产生和刀具一致的响应，保证实验结果的可靠性。
在进一步的实施例中，所用位移传感器为电涡流位移传感器，之所以使用该传感器是因为该EX-305V型位移传感器在本实验装置环境下特别方便安装、工作温度范围大、测量精度高同时具有亚微米级的分辨率，满足了实验对高精度测量和便于装卸的要求。
贴片式硅橡胶加热片是一种通电即发热的，由两层硅橡胶薄片包住厚度为0.05mm-0.1mm的镍铬丝电阻，经高温模压成形及老化热处理而成，具有很高的可靠性。该装置加热迅速，热容量小，在温控器的控制下能迅速开启或关断。加热温度范围为-40℃-200℃，数字显示温控器采用基于单片机的温控单元，可根据从贴片内接热电偶传回的温度信号通过温控器内部单片机PID程序控制实现目标温度的恒温调节。
在进一步的实施例中，进给系统热源分为6个独立热源，分别是电机、上轴承、下轴承、丝杠螺母、上滑块、下滑快，因此加热贴片也应分为6种不同规格，要求分别在对应时间内将被加热表面加热到对应温度。上滑块和下滑快的左右滑块因为摩擦生热情况、温升曲线一致，因此可将左右滑块设定为同一热源供热。测温实验是在机床运行长达4个小时之后的热稳定状态下所采集的数据，为了更加符合实际情况本次模拟热加载也对各热源进行长达4小时的热加载，同时为保证实验温升最终目标温度能和测量所得温度一致需对热加载过程进行测温，具体实施方法为对每个热源取加热片几何中心位置点进行测温，以该点处的温度作为各热源热载荷加载得到的温度
在进一步的实施例中，切削时在刀具上产生的热量主要集中在切削刃上，本实验所用二刃整体高速钢直柄立铣刀，直径16mm，螺旋角30°，由于模拟热加载用芯棒代替刀具，必须要求芯棒受热部位符合刀具真实受热情况，包括受热区域形状及热量大小。为使芯棒受热区域符合刀具切削时受热情况，现将一小段铜导线折成刀刃形状焊在芯棒表面，使其和芯棒接触面宽度与刀具切削刃宽度相等，弯曲螺旋角与刀刃螺旋角相等，再将加热线圈通过线圈回弹力固定在铜线外围。因为铜导线是极其良好的导热体且厚度不足1mm，通过给线圈加热，热量能迅速传导至铜导线与芯棒的接触表面从而模拟出刀具的受热情况。
在进一步的实施例中，切削力的模拟加载实现方式主要由施力装置和受力装置组成。对施力装置的要求是能够接收外部输入的切削力信号，在切削力信号的控制下输出相对应的作用力。本发明使用设备型号为HEV-500的电动式激振器作为模拟切削力的输出装置，其原理是通过对处在强大的恒定磁场中的导体输入变化的电流，由导体所受安培力来带动导体做出相应的运动，再通过导体端部的顶杆和芯棒的螺纹连接从而对芯棒施加特定的单向载荷，电流信号是由外部控制器输出的切削力模型信号。
同时，该型号的激振器工作频率范围为0-10KHz，最大输出功率为1600W，最大输出电流40A，最大输出电压40V，输出信噪比大于等于70dB，满足对输出切削力参数的要求。切削力信号源由系统由上位机、DSP控制器组成，运用该装置作为信号源的优点是可以很方便地通过编写上位机程序烧录到控制器中运行，该方法对于复杂的切削力波形的输出有很强的灵活性。
结合图7和图8描述本发明的另一实施例。
图1所示为实施例二的立体图，其包括：由镍铬合金电阻丝、硅橡胶绝缘片102、片状铂电阻温度传感器103组成的机床进给系统热源模拟装置，其中镍铬合金电阻丝包覆于硅橡胶绝缘片102内部。
步骤1，将硅橡胶绝缘片102贴在机床进给系统热源处；
步骤2，连接电源通电；
步骤3，在上位机控制系统4界面的进给运动参数设置模块设置好X/Y/Z三个方向的进给速度和进给时长，系统自动下载对应进给系统热源温度数据到控制器6；
步骤4，点击上位机控制系统界面的进给运动开始按钮进行进给系统热源模拟。由刀刃状热电阻加热片、加热器本体、温度传感器、弹性触头、电刷和电刷支架206组成的刀具刀刃处的切削热模拟装置；
步骤5，将刀刃状热电阻加热片和加热器本体组成的切削热模拟加载装置安装在主轴芯棒5上；
步骤6，将双列角接触球轴承安装在加热器本体外圆周；
步骤7，将轴承座304和轴承端盖306安装在角接触球轴承外圈；
步骤8，将伺服驱动滑台安装在机床工作台7上；
步骤9，将支撑板308安装在伺服驱动滑台309上端面；
步骤10，将电动式激振器301安装在支撑板308上；
步骤11，将激振器顶杆302两端分别和电动式激振器301与轴承座304侧面固定连接；
步骤12，将轴承座与轴承支架307固定连接，安装在支撑板308上；
步骤13，将电刷和电刷支架206固定连接，安装在支撑板308上，保证弹性触头和电刷接触连接；
步骤14，移动机床主轴使主轴刀架与主轴芯棒5中心线对齐安装；
步骤15，将电动式激振器301与控制器6相连；
步骤16，将机床X/Y/Z轴位移光栅尺信号输出端与控制器6的伺服控制信号输入端相连；
步骤17，在上位机控制系统4界面的切削运动参数设置模块设置主轴转速、切削时长、工件材料、刀具参数、切削用量等参数，系统自动下载对应切削热温度和切削力数据到控制器6；
步骤18，点击上位机控制系统4界面的切削运动开始按钮进行切削热和切削力模拟；
步骤19，开启机床设置紧急方向，开始运行。
由伺服驱动滑台伺服驱动滑台、控制器和机床X/Y/Z轴直线位置光栅组成的伺服跟踪进给机构。
一种用于切削加工过程的热力载荷模拟方法和系统的具体实施现场如图1-图4所示，装置按照图示所示位置安装，再按照步骤1-步骤19开始对机床进给系统热源和刀具刀刃切削热和切削力模拟加载。
所述硅橡胶绝缘片包括镍铬合金电阻丝与内嵌片状铂电阻温度传感器。将镍铬合金电阻丝折弯成图示形状尽量使硅橡胶绝缘片外表面受热均匀，片状铂电阻温度传感器的内嵌位置能尽量反映贴片整体平均温度。
在该实施例中，以可改变形状的硅橡胶贴片作为加热装置可适应机床任意外形的热源模拟加热，用控制器和温度传感器结合作为温度反馈回路，测量温度通过与上位机控制系统下载的实际温度数据反馈对比精确控制被加热区域温度大小。
通过直接将刀具刀刃处的切削热模拟装置覆盖在进给系统热源表面进行热模拟加载，不需要将各进给系统机构拆下来单独对其进行热模拟加载，可研究机床全部热源对加工误差的影响。用主轴芯棒代替刀具，方便安装调试，将金属加工成刀刃状加热器贴合在主轴芯棒表面模拟切削刃加热，可方便调整模拟轴向切深，用轴承和轴承座组成的轴承系统将主轴芯棒与激振器隔离开，使激振器工作时主轴可以转动，更贴近机床实际工况。通过将机床进给系统热源模拟装置、切削热模拟装置、切削力模拟装置、控制器和伺服驱动滑台与上位机控制系统集成，实现了一整套模拟机床热载荷方案，可靠性好。由于不进行实际切削，没有切屑和切削液，可方便测出在模拟切削加工条件下、整个进给运动过程中反映到刀具端部的热误差和切削载荷误差，将该误差补偿值反馈至控制系统，可以减小机床的受热变形，提高机床加工精度。
如图9所示，在该实施例中，旋转加载/进给跟踪/误差测量模块主要包括工作台705、附加光栅尺701、电动式激振器702、电阻尺移动触头703、电阻尺尺身704、直线滑台706、支撑导轨707、轴承支座708、主轴芯棒709、连接杆710、L型基板711、光栅尺移动触头712、电主轴713。直线滑台固定于工作台上。电阻尺尺身通过一滑动座沿直线滑台往复移动。电阻尺移动触头固定与电阻尺尺身上。支撑导轨固定于工作台上，电动式激振器滑动连接于该支撑导轨上。轴承支座连接于支撑导轨上。电主轴通过连接在轴承支座上的主轴芯棒连接。轴承座与连接杆固定连接，连接杆 的一端固定有光栅尺移动触头。L型基板固定连接于工作台上，附加光栅尺与L型基板连接并与光栅尺移动触头抵接。
如图10所示，为另一实施例的结构示意图。该实施例主要包括激振器工作台801、激振器802、光栅尺803、L型基板804和导轨805。激振器802安装固定在工作台801上,工作台可以沿轨道往复移动。L型基板固定于激振器的一侧，光栅尺固定在L型基板上，与激振器连接的主轴芯棒通过支撑导轨往复移动。转到图11，该图为图10主轴芯棒部分的截面图。该图主要包括光栅尺移动触头806、第一连接板807、第二连接板808、支撑板809、主轴芯棒810、轴承811和轴承支座812。轴承支座通过第一连接板和第二连接板与支撑轨道固定连接。
如图12所示，该图为Z向进给系统的局部示意图。其主要包括联轴器901、上轴承902、滚轴丝杆903、导轨904、滑块905、丝杆螺母906和托板907 。滚珠丝杆沿导轨的纵向平行设置，丝杆的两端通过上轴承和下轴承与导轨滚动连接，滚珠丝杆的中部连接有托板，并通过丝杆螺母固定。托板的两侧通过滑块沿导轨滑动。电机的输出轴通过联轴器与滚珠丝杆连接。
总之，本发明以可改变形状的硅橡胶贴片作为加热装置可适应机床任意外形的热源模拟加热，用温度控制器和温度传感器结合作为温度反馈回路，测量温度通过与上位机控制系统下载的实际温度数据反馈对比精确控制被加热区域温度大小。
使用刀刃状贴片接触加热的方式对主轴芯棒加热，加热线圈形状可任意定制，芯棒表面加热区域的形状由加热线圈形状决定，可适应不同几何参数刀具的切削热模拟加载。加热电源可根据升温时间的快慢自动调整逆变开关的频率，改变加热功率，切削模拟工况适应性强，可满足不同切削参数下的切削温度模拟。
由于不进行实际切削，没有切屑和切削液，可方便测出在模拟切削加工条件下、整个进给运动过程中机床刀具和其他机构的热误差和力误差，将该误差补偿值反馈至控制系统，可以减小机床的受热变形和加工误差，提高机床加工精度。
通过直接将贴片加热器覆盖在进给系统热源表面进行热模拟加载，不需要将各进给系统机构拆下来单独对其进行热模拟加载，可研究机床全部热源对加工误差的影响。通过将机床进给系统热源模拟装置、切削热模拟装置、单向切削力模拟装置和刀具误差测量装置与上位机控制系统集成，实现了一整套模拟机床热载荷方案，可靠性好。
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 (6)
1.一种机床切削加工过程的热力载荷模拟和误差检测系统，其特征在于，包括机床工作台，主轴芯棒，控制器，控制系统，设置在机床工作台上的切削热模拟装置和单向切削力模拟装置，以及机床进给系统热源模拟装置；
其中，所述单向切削力模拟装置包括安装在L型基板上的支撑导轨，安装在支撑导轨上的支撑板，安装在机床工作台上的驱动滑台，安装在驱动滑台上的支撑平台，安装在支撑平台上的电动式激振器，连接在电动式激振器输出端的激振器顶杆，安装在支撑板上的轴承支座，两端分别与激振器顶杆和轴承支座螺纹连接的拉压力传感器，以及与轴承支座过渡连接的角接触轴承；所述角接触轴承与加热器本体的外圆柱面过盈连接；所述切削热模拟装置包括加热器本体，焊接于加热器本体内圆柱面上的刀刃状热电阻加热片，贴在加热器本体内圆柱面上的温度传感器，与加热器本体固定连接的弹性触头，固定在支撑板上的电刷支架，以及安装在电刷支架上的电刷；轴承支座通过第一连接板和第二连接板与支撑导轨固定连接。
2.如权利要求1所述的机床切削加工过程的热力载荷模拟和误差检测系统，其特征在于，所述机床进给系统热源模拟装置包括硅橡胶绝缘片，包覆于两层硅橡胶绝缘片之间的镍铬合金电阻丝，以及内嵌于硅橡胶绝缘片内的片状铂电阻温度传感器；所述硅橡胶绝缘片贴在机床进给系统热源表面，片状铂电阻温度传感器分别位于硅橡胶绝缘片的两端。
3.如权利要求1所述的机床切削加工过程的热力载荷模拟和误差检测系统，其特征在于，所述控制系统用于接收机床X/Y/Z方向进给速度、进给时长、主轴转速、切削时长、工件材料、刀具参数和切削用量，调用对应切削参数的实际热荷载数据和力荷载数据，再将数据发送到控制器中，所述控制器将信号分别输出至机床进给系统热源模拟装置、切削热模拟装置和单向切削力模拟装置。
4.如权利要求3所述的机床切削加工过程的热力载荷模拟和误差检测系统，其特征在于，所述驱动滑台的信号输入端与控制器的信号输出端相连，控制器的信号输入端与机床X/Y/Z轴位移光栅尺信号输出端和电阻尺信号输出端相连。
5.如权利要求2所述的机床切削加工过程的热力载荷模拟和误差检测系统，其特征在于，所述角接触轴承为背靠背安装双列角接触轴承。
6.一种机床切削加工过程的热力载荷模拟和误差检测方法，其特征在于，基于权利要求1至5任一项所述的机床切削加工过程的热力载荷模拟和误差检测系统，
所述方法包括如下步骤：
步骤1，将硅橡胶绝缘片贴在机床进给系统热源处；
步骤2，连接电源通电；
步骤3，在上位机控制系统界面的进给运动参数设置模块设置好X/Y/Z三个方向的进给速度和进给时长，系统自动下载对应进给系统热源温度数据到控制器；
步骤4，点击上位机控制系统界面的进给运动开始按钮进行进给系统热源模拟，由刀刃状热电阻加热片、加热器本体、温度传感器、弹性触头、电刷和电刷支架组成的刀具刀刃处的切削热模拟装置；
步骤5，将刀刃状热电阻加热片和加热器本体组成的切削热模拟加载装置安装在主轴芯棒上；
步骤6，将双列角接触球轴承安装在加热器本外圆周；
步骤7，将轴承支座和轴承端盖安装在角接触球轴承外圈；
步骤8，将伺服驱动滑台安装在机床工作台上；
步骤9，将支撑平台安装在伺服驱动滑台上端面；
步骤10，将电动式激振器安装在支撑平台上；
步骤11，将激振器顶杆两端分别和电动式激振器与轴承支座侧面固定连接；
步骤12，将轴承支座与支撑板固定连接，安装在L型基板上；
步骤13，将电刷和电刷支架固定连接，安装在支撑板上，保证弹性触头和电刷接触连接；
步骤14，移动机床主轴使主轴刀架与主轴芯棒中心线对齐安装；
步骤15，将电动式激振器与控制器相连；
步骤16，将机床X/Y/Z轴位移光栅尺信号输出端和电阻尺信号输出端与控制器的伺服控制信号输入端相连；
步骤17，在上位机控制系统界面的切削运动参数设置模块设置主轴转速、切削时长、工件材料、刀具参数、切削用量等参数，系统自动下载对应切削热温度和切削力数据到控制器；
步骤18，点击上位机控制系统界面的切削运动开始按钮进行切削热和切削力模拟；
步骤19，开启机床设置紧急方向，开始运行。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710654904.XA CN107498391B (zh) | 2017-08-03 | 2017-08-03 | 机床切削加工过程的热力载荷模拟和误差检测系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710654904.XA CN107498391B (zh) | 2017-08-03 | 2017-08-03 | 机床切削加工过程的热力载荷模拟和误差检测系统及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107498391A CN107498391A (zh) | 2017-12-22 |
| CN107498391B true CN107498391B (zh) | 2019-07-02 |
Family
ID=60690097
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710654904.XA Active CN107498391B (zh) | 2017-08-03 | 2017-08-03 | 机床切削加工过程的热力载荷模拟和误差检测系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107498391B (zh) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109143967B (zh) * | 2018-08-28 | 2021-04-20 | 大连理工大学 | 一种模拟切削力加载情况的进给系统热误差测试装置及方法 |
| CN109376377B (zh) * | 2018-09-07 | 2019-10-11 | 东南大学 | 高速加工机床整机结构热力学建模与热设计方法 |
| CN109447235B (zh) * | 2018-09-21 | 2021-02-02 | 华中科技大学 | 基于神经网络的进给系统模型训练和预测方法及其系统 |
| CN110076627B (zh) * | 2019-06-05 | 2021-04-23 | 辽宁工程技术大学 | 一种数控机床主轴单元热力耦合误差测量系统 |
| CN110196572B (zh) * | 2019-06-05 | 2021-10-15 | 辽宁工程技术大学 | 考虑加工参数的数控机床热力耦合误差建模及补偿方法 |
| CN112797948B (zh) * | 2020-12-18 | 2022-04-22 | 南京航空航天大学 | 一种刀具变形能测量装置 |
| CN113238480B (zh) * | 2021-05-17 | 2022-04-26 | 合肥工业大学 | 用于金属切削加工冷却气体射流的参数化调控系统及方法 |
| CN113649856B (zh) * | 2021-08-03 | 2022-08-12 | 杭州电子科技大学 | 基于理想气体状态方程的切削负压检测方法 |
| CN113779726B (zh) * | 2021-09-14 | 2023-08-22 | 重庆大学 | 基于切削力的热误差模型创建方法及求解方法 |
| CN115533202B (zh) * | 2022-12-01 | 2023-03-17 | 中国林业科学研究院木材工业研究所 | 一种锯切质量与刀具寿命预测系统 |
| CN115793568B (zh) * | 2023-02-06 | 2023-05-23 | 常州克迈特数控科技有限公司 | 一种基于三维建模的机床零件误差补偿控制系统 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101972947A (zh) * | 2010-09-26 | 2011-02-16 | 天津大学 | 模拟工况载荷条件下机床主轴热误差测试试验方法 |
| CN102160456A (zh) * | 2008-07-15 | 2011-08-17 | 奥特控制有限公司 | 加热元件和用于操作这种加热元件的方法 |
| CN102689234A (zh) * | 2012-06-08 | 2012-09-26 | 合肥工业大学 | 一种滚齿机床热误差的检测装置及检测方法 |
| CN103713578A (zh) * | 2013-12-03 | 2014-04-09 | 西安交通大学 | 一种检测与主轴热变形有关的热敏感点是否存在的方法 |
| CN104568485A (zh) * | 2014-12-31 | 2015-04-29 | 南京航空航天大学 | 机床三向动态切削力随动模拟加载装置 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105631122B (zh) * | 2015-12-25 | 2021-08-24 | 鼎奇(天津)主轴科技有限公司 | 一种机床大件的热变形仿真分析与建模方法 |
-
2017
- 2017-08-03 CN CN201710654904.XA patent/CN107498391B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102160456A (zh) * | 2008-07-15 | 2011-08-17 | 奥特控制有限公司 | 加热元件和用于操作这种加热元件的方法 |
| CN101972947A (zh) * | 2010-09-26 | 2011-02-16 | 天津大学 | 模拟工况载荷条件下机床主轴热误差测试试验方法 |
| CN102689234A (zh) * | 2012-06-08 | 2012-09-26 | 合肥工业大学 | 一种滚齿机床热误差的检测装置及检测方法 |
| CN103713578A (zh) * | 2013-12-03 | 2014-04-09 | 西安交通大学 | 一种检测与主轴热变形有关的热敏感点是否存在的方法 |
| CN104568485A (zh) * | 2014-12-31 | 2015-04-29 | 南京航空航天大学 | 机床三向动态切削力随动模拟加载装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107498391A (zh) | 2017-12-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107498391B (zh) | 机床切削加工过程的热力载荷模拟和误差检测系统及方法 | |
| Schmitz et al. | Improving high-speed machining material removal rates by rapid dynamic analysis | |
| CN102033201B (zh) | 采用交流伺服电机作为可变转矩负载的模拟装置及方法 | |
| CN100553879C (zh) | 一种能够对工件自动修型的砂带磨削加工方法及装置 | |
| CN105269404B (zh) | 数控机床刀尖动态特性精度检测装置及其方法 | |
| CN101972947B (zh) | 模拟工况载荷条件下机床主轴热误差测试试验方法 | |
| CN105345094B (zh) | 基于激光探测原理的深孔加工在线纠偏装置 | |
| CN102902232B (zh) | 数控加工工件厚度测量方法及装置 | |
| CN103217349A (zh) | 一种基于三向电磁力加载的高速电主轴动静刚度测试装置及方法 | |
| CN201828650U (zh) | 采用交流伺服电机作为可变转矩负载的模拟装置 | |
| CN108188821B (zh) | 一种数控机床滚珠丝杠进给系统热误差预测方法 | |
| CN103034169A (zh) | 一种数控机床热误差建模与补偿的方法 | |
| CN108226774A (zh) | 电动汽车用永磁同步电机的自动标定系统及方法 | |
| CN110144587A (zh) | 一种激光熔覆过程熔池温度在线监测装置及方法 | |
| Kang et al. | Comprehensive compensation method for thermal error of vertical drilling center | |
| Liu et al. | Thermal behavior analysis of horizontal CNC lathe spindle and compensation for radial thermal drift error | |
| CN101944795B (zh) | 一种热伸长自检测的电主轴结构 | |
| CN211760238U (zh) | 测量工件车铣过程中切削温度的装置 | |
| Gebhardt et al. | Thermally caused location errors of rotary axes of 5-axis machine tools | |
| CN104332199B (zh) | 一种用于反应堆控制棒棒位探测的温度补偿方法 | |
| Huang et al. | Design of a flexible polishing force control flange | |
| Maier et al. | Modeling of the thermomechanical process effects on machine tool structures | |
| CN110913519A (zh) | 一种基于闭环控制加热导体胚料的方法和设备 | |
| CN214794240U (zh) | 一种电子式线材扭力扭转试验机 | |
| CN209102218U (zh) | 一种电池温度梯度测量装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |