CN108088399B - 加载状态下机床精度的检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种加载状态下机床精度检测装置，包括机床主轴、机床主轴连接架、测量装置、底座连接架以及底座，其中：所述机床主轴连接架连接所述机床主轴和所述测量装置的一端；所述底座连接架连接所述底座和所述测量装置的另一端。在测量时，将底座安装到机床工作台上。底座连接架的旋转中心与机床主轴连接架的旋转中心保持一定距离相对转动，同时测量装置上的压电致动器产生一定频率的负载作用在机床主轴和机床工作台之间，并用LVDT位移传感器测量机床主轴和机床工作台的相对位移，实现机床多自由度空间运动精度的测量。

Description

加载状态下机床精度的检测装置及方法

技术领域

本发明属于机床检测领域，涉及机床动态几何精度的测量，具体涉及加载状态下机床精度的检测装置及方法。

背景技术

随着现代制造业的不断发展，对数控机床的加工精度提出了越来越高的要求，检测的方法也在不断更新。机床的加工精度检测主要集中在机床几何精度的检测，现在普遍采用的方法有激光干涉仪的定位精度检测，球杆仪的动态精度检测等。

利用压电材料的逆压电效应，将压电陶瓷两端施加的电压控制信号转换成机械形变位移和力的输出，满足高精度微位移和高刚性的技术要求。压电叠堆是压电陶瓷片和电极片堆叠而成，以此来获得较大的位移。压电叠堆的控制方式有开环式和闭环式两种，闭环式在压电叠堆上装有提供反馈信号的传感器，具有更高的位移精度，但同时会导致动态的响应变慢。

LVDT位移传感器由铁芯、衔铁、初级线圈、次级线圈组成。初级线圈、次级线圈同心分布在骨架上，线圈内部有一个可自由移动的杆状衔铁。当衔铁在线圈内部移动并偏离中心位置时，两个线圈产生的感应电动势不等，有电压的输出，其电压的大小取决于位移量的大小。LVDT位移传感器具有响应速度快、高线性度、高分辨率的技术特点。LVDT的可动铁芯和线圈之间通常没有实体接触，因此广泛应用于精密材料的冲击挠度或振动测试。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种加载状态下机床精度的检测装置及方法。

根据本发明提供的一种加载状态下机床精度检测装置，包括机床主轴、机床主轴连接架、测量装置、底座连接架以及底座，其中：所述机床主轴连接架连接所述机床主轴和所述测量装置的一端；所述底座连接架连接所述底座和所述测量装置的另一端。

优选地，所述测量装置包括压电致动器、LVDT传感器以及两个环形固定架，其中：所述压电致动器和LVDT传感器同轴设置并在首尾段分别通过两个环形固定架紧固，两个环形固定架分别连接机床主轴连接架和底座连接架；所述LVDT传感器两端分别设置有磁性标准球。

优选地，所述环形固定架包括用于紧固压电致动器和LVDT传感器的环形固定部、延伸部以及突出部，其中，所述延伸部自环形固定部上表面的两个边缘处纵向延伸形成；所述突出部自所述延伸部的外侧面向外延伸；

所述机床主轴连接架和所述底座连接架上分别设置有滑动轴承和圆形凸台，所述滑动轴承与所述突出部相匹配；所述圆形凸台顶端设置有放置标准球的球形凹槽；

所述环形固定架与所述机床主轴连接架转动连接；所述环形固定架与所述底座连接架转动连接。

优选地，所述底座包括夹头、锁紧螺帽、底座主轴以及高精密轴承，其中：所述高精密轴承的轴承内圈安装于底座主轴上的圆形凸台两端，轴承外圈安装在底座的内侧；所述底座主轴能够在底座内转动；底座主轴上端开有锥形凹槽，在锥形凹槽内装有夹头，所述底座连接架中的长杆伸入所述夹头中并通过锁紧螺帽紧固。

优选地，还包括机床工作台，所述底座安装在所述机床工作台上。

优选地，还包括电源模块，所述压电致动器通过电源模块产生负载作用；所述LVDT传感器包括铁芯线圈分离式LVDT传感器，用于测量高频的动态信号。

优选地，还包括刀柄，所述机床主轴连接架的长杆插入所述刀柄上并与刀柄安装在所述机床主轴上。

根据本发明提供的一种采用上述装置的加载状态下机床精度检测方法，包括如下步骤：

步骤一：将底座安装到机床工作台上合适位置并固定；

步骤二：调整机床主轴，使机床主轴轴心和机床工作台上底座的底座主轴的轴心同心；

步骤三：将机床主轴连接架上的长杆插入刀柄，将刀柄同连接的机床主轴连接架安装到机床主轴上；

步骤四：调节底座连接架的高度并通过锁紧螺帽固定底座连接架；

步骤五：开启并加载压电致动器，打开LVDT传感器准备测量；

步骤六：运行机床，使机床主轴绕底座轴线运动，压电致动器动态加载并进行数据测量。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、弥补了在现有测量测量技术中，在机床实际加载状况下运动几何精度的测量空白；

2、进行机床加载状态下的测量，进一步保证了机床在实际加工中的精度，具有较强的应用价值；

3、具有较广的应用范围，适用于各类数控机床和加工中心机床动态精度的测量；

4、使用压电致动器进行加载，可以精确控制加载力的大小和加载频率的大小，可以满足不同加载要求下的测量；

5、采用分离式的LVDT传感器，具有较高频率的动态测量能力；

6、装置一端通过刀柄连接固定，另一端通过锁紧螺母连接并固定，方便装置的安装，具有测量简单方便的特点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是加载状态下机床精度检测装置的结构示意图；

图2是加载状态下机床精度检测装置的主视图；

图3是加载状态下机床精度检测装置的测量装置的主视图；

图4是加载状态下机床精度检测装置的测量装置半剖图；。

图5是加载状态下机床精度检测装置的测量装置的结构示意图；

图6是加载状态下机床精度检测装置的底座的半剖图；

图7是加载状态下机床精度检测装置的底座的结构示意图；

图8是加载状态下机床精度检测装置的底座连接架的结构示意图。

图中示出：

机床主轴连接架1 夹头9

LVDT传感器2 机床工作台10

压电致动器3 螺栓11

LVDT传感器铁芯4 机床主轴12

环形固定架5 锁紧螺帽13

底座主轴6 底座连接架14

高精密轴承7 滑动轴承15

底座8

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1和图2所示，根据本发明提供的一种加载状态下机床精度检测装置，包括机床主轴12、机床主轴连接架1、测量装置、底座连接架14以及底座8，其中：所述机床主轴连接架1连接所述机床主轴12和所述测量装置的一端，所述机床主轴连接架1上的长杆插入刀柄上并与刀柄安装在机床主轴12上，进而实现了机床主轴12和机床主轴连接架1的连接；所述底座连接架14连接所述底座8和所述测量装置的另一端。所述底座8通过两个T型螺栓11安装在所述机床工作台10上。机床主轴连接架1和底座连接架14均起到承接的作用。

如图3和图4所示，所述测量装置包括压电致动器3、LVDT传感器2以及两个环形固定架5，其中：所述压电致动器3和LVDT传感器2同轴设置，LVDT位移传感器在内，压电致动器3在外，压电致动器3和LVDT传感器2首尾段分别通过两个环形固定架5紧固，两个环形固定架5分别连接机床主轴连接架1和底座连接架14；所述LVDT传感器2两端分别设置有磁性标准球。

更为详细地，所述压电致动器3通过电源模块产生负载作用，所述压电致动器3选用叠堆型以获得较大的位移，因每片陶瓷片可有2um左右的位移，则由许多陶瓷片叠加在一起的压电叠堆可产生几十微米的位移；所述LVDT位移传感器选用铁芯分离式的位移传感器，用于测量高频的动态信号，铁芯分离式的位移传感器避免了测量装置与被测量件的机械接触，使得铁芯分离式的位移传感器满足高冲击，高振动下的精确测量。

如图5所示，环形固定架5包括用于紧固压电致动器3和LVDT传感器2的环形固定部501、延伸部502以及突出部503，其中，所述延伸部502自环形固定部501上表面的两个边缘处纵向延伸形成；所述突出部503自所述延伸部502的外侧面向外延伸。

如图6至图8所示，所述机床主轴连接架1和所述底座连接架14上分别设置有滑动轴承和用于测量标准球的圆形凸台，所述滑动轴承与所述突出部相匹配；所述圆形凸台顶端设置有放置标准球的球形凹槽，所述球形凹槽保证标准球在旋转时球心的位置不变；所述环形固定架5与所述机床主轴连接架1转动连接，形成转动副，所述转动副能够实现测量装置在测量装置轴线和机床主轴12轴线所在的平面内摆动。所述环形固定架5与所述底座连接架14转动连接。

进一步地，所述底座8包括夹头9、锁紧螺帽、底座主轴6以及高精密轴承7，其中：所述高精密轴承7的轴承内圈安装于底座主轴6上的圆形凸台两端，轴承外圈安装在底座8的内侧；所述底座主轴6能够在底座8内转动；底座主轴6上端开有锥形凹槽，在锥形凹槽内装有夹头9，所述底座连接架14中的长杆伸入所述夹头9中并通过锁紧螺帽紧固，使得底座8和底座连接架14固定。

根据本发明提供的一种采用上述装置的加载状态下机床精度检测方法，具体为：

将底座8安装到机床工作台10上合适位置并固定；调整机床主轴12，使机床主轴12轴心和机床工作台10上底座8的底座主轴6的轴心同心；将机床主轴连接架1上的长杆插入刀柄，将刀柄同连接的机床主轴连接架1安装到机床主轴12上；调节底座连接架14的高度并通过锁紧螺帽固定底座连接架14；使用压电致动器3产生加载，作用在环形固定架5、机床主轴连接架1和底座连接架14上，然后传递到机床主轴12和机床工作台10上，以达到机床在切削加工时刀具切削力作用的情况。压电致动器3配有专用的电源模块，电源模块产生300Hz左右正弦信号或矩形信号，产生100V左右电压。如果采用电荷控制的电源模块，则产生相应大小的电流。LVDT传感器2两端各连接有标准球，以达到测量装置与底座8的旋转中心和测量装置与机床主轴12的旋转中心保持距离不变的要求。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种加载状态下机床精度检测装置，其特征在于，包括机床主轴、机床主轴连接架、测量装置、底座连接架以及底座，其中：所述机床主轴连接架连接所述机床主轴和所述测量装置的一端；所述底座连接架连接所述底座和所述测量装置的另一端；

所述测量装置包括压电致动器、LVDT传感器以及两个环形固定架，其中：所述压电致动器和LVDT传感器同轴设置并在首尾段分别通过两个环形固定架紧固，两个环形固定架分别连接机床主轴连接架和底座连接架；所述LVDT传感器两端分别设置有磁性标准球。

2.如权利要求1所述的一种加载状态下机床精度检测装置，其特征在于，

所述环形固定架包括用于紧固压电致动器和LVDT传感器的环形固定部、延伸部以及突出部，其中，所述延伸部自环形固定部上表面的两个边缘处纵向延伸形成；所述突出部自所述延伸部的外侧面向外延伸；

所述机床主轴连接架和所述底座连接架上分别设置有滑动轴承和圆形凸台，所述滑动轴承与所述突出部相匹配；所述圆形凸台顶端设置有放置标准球的球形凹槽；

所述环形固定架与所述机床主轴连接架转动连接；所述环形固定架与所述底座连接架转动连接。

3.如权利要求1所述的一种加载状态下机床精度检测装置，其特征在于，所述底座包括夹头、锁紧螺帽、底座主轴以及高精密轴承，其中：所述高精密轴承的轴承内圈安装于底座主轴上的圆形凸台两端，轴承外圈安装在底座的内侧；所述底座主轴能够在底座内转动；底座主轴上端开有锥形凹槽，在锥形凹槽内装有夹头，所述底座连接架中的长杆伸入所述夹头中并通过锁紧螺帽紧固。

4.如权利要求1所述的一种加载状态下机床精度检测装置，其特征在于，还包括机床工作台，所述底座安装在所述机床工作台上。

5.如权利要求1所述的一种加载状态下机床精度检测装置，其特征在于，还包括电源模块，所述压电致动器通过电源模块产生负载作用；所述LVDT传感器包括铁芯线圈分离式LVDT传感器，用于测量高频的动态信号。

6.如权利要求1所述的一种加载状态下机床精度检测装置，其特征在于，还包括刀柄，所述机床主轴连接架的长杆插入所述刀柄上并与刀柄安装在所述机床主轴上。

7.一种加载状态下机床精度检测方法，采用上述权利要求1至6任一项所述的一种加载状态下机床精度检测装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将底座安装到机床工作台上合适位置并固定；

步骤二：调整机床主轴，使机床主轴轴心和机床工作台上底座的底座主轴的轴心同心；

步骤三：将机床主轴连接架上的长杆插入刀柄，将刀柄同连接的机床主轴连接架安装到机床主轴上；

步骤四：调节底座连接架的高度并通过锁紧螺帽固定底座连接架；

步骤五：开启并加载压电致动器，打开LVDT传感器准备测量；

步骤六：运行机床，使机床主轴绕底座轴线运动，压电致动器动态加载并进行数据测量。

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