CN108582038B - 一种模拟三轴数控机床加工的非接触式力加载装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟三轴数控机床加工的非接触式力加载装置，该装置主要包括加载棒、加载盘和三平动并联机构三个部分；所述加载棒安装在三轴数控机床主轴前端，加载盘安装在三平动并联机构上面，三平动并联机构安装在数控机床工作台上。本发明通过控制三平动并联机构跟踪三轴数控机床运动，使得加载棒实时处于加载盘中心；通过对加载盘通以不同频率的电流，实现对加载棒施加不同频率的力，进而模拟三轴数控机床的加工过程，实现对数控机床的性能测试。该装置结构简单对称，容易实现模块化，制造成本低。

Description

一种模拟三轴数控机床加工的非接触式力加载装置

技术领域

本发明涉及机床可靠性试验领域，具体涉及一种应用于机床可靠性试验中的模拟三轴数控机床加工的加载装置。

背景技术

数控机床是具有高科技含量的工作母机，是制造机器的机器，是实现国家工业化、现代化、信息化、智能化的基础装备，也是实现制造强国战略的重要保障。对数控机床而言，其可靠性不仅指机床本身能够平稳运行，更重要的是能够保证长时间加工出合格的产品，因此可靠性是数控机床的重要指标。数控机床可靠性涉及数控机床的整个寿命周期，从数控机床的设计、制造、装配、安装、调试、用户使用到机床报废，都与数控机床的可靠性技术密切相关。

为提高数控机床可靠性，需开展数控机床可靠性试验。数控机床可靠性试验根据试验施加载荷形式的不同可分为现场跟踪试验、模拟机床运行工况的可靠性试验以及高于实际工况应力水平的可靠性试验。现场跟踪试验方法的采样周期长，信息反馈迟缓，可靠性研究进程滞后，而且得到的失效数据和故障数据的准确度与用户使用环境条件、使用人员的操作水平以及现场跟踪人员的能力等密切相关，故障数据的真实性有时较难保证。模拟实际工况的可靠性试验多为功能部件的可靠性实验室试验，在一定程度上解决了现场跟踪试验方法的上述不足，但仍存在试验周期长，信息反馈慢等问题。高应力可靠性试验是在不改变产品失效模式和失效机理的情况下进行的，对机床施加高于正常应力水平的载荷，加速机床暴露出薄弱环节，有效缩短试验周期。但目前的高应力可靠性试验只对数控机床进行单轴加载，对多轴机床施加多维载荷还难以实现。但实际上，机床在切削时承受多维力和力矩，单轴加载无法复现机床的实际工况，使得可靠性效果大打折扣。

在数控机床高应力可靠性试验过程中，需要设计适用于三轴数控机床的加载装置。由于并联机构结构紧凑，刚度大，加速度高，灵活性好等优点，可基于并联机构开发出适用于数控机床快速试验的数控机床加载机构，具有非常广阔的前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟三轴数控机床加工的非接触式力加载装置，该机构属于三自由度并联机构，具有结构紧凑、易于制造等特点，可通过调节杆件长短，安装至不同规格的数控机床上，操作简便。同时，该机构还具有高速、高精度等优点，可实现快速跟随数控机床运动，并施加精准多维载荷。

本发明的技术方案如下：

一种模拟三轴数控机床加工的非接触式力加载装置，三轴数控机床包括数控机床工作台、数控机床主轴，其特征在于，该装置包括加载棒、加载盘和三平动并联机构；所述的加载棒成圆柱体，加载棒前端带有均匀的环状凹槽，加载棒后端夹持在数控机床主轴上；所述的加载盘包括软磁铁骨架和线圈，并固定在三平动并联机构上；所述的线圈缠绕在软磁铁骨架上；所述的三平动并联机构包括动平台、第一支链、第二支链和第三支链；所述的第一支链、第二支链、第三支链分别连接动平台和数控机床工作台构成空间闭环机构；所述的动平台上固定安装加载盘；所述的第一支链包括第一球铰、第二球铰、第一伸出杆、第二伸出杆、第一套筒、第二套筒、第一连杆、第二连杆、横杆、转动杆、支链底座；所述的第一球铰连接动平台和第一伸出杆，第二球铰连接动平台和第二伸出杆，所述的第一伸出杆和第一套筒通过第一移动副连接，第二伸出杆和第二套筒通过第二移动副连接；所述的第一套筒和第一连杆固结，第二套筒和第二连杆固结；所述的第一连杆通过第一转动副连接横杆，并通过第二转动副连接转动杆；所述的第二连杆通过第三转动副连接横杆，并通过第四转动副连接转动杆；所述的第一连杆、横杆、第二连杆、转动杆构成平行四边形结构；所述的转动杆通过第五转动副连接支链底座；所述的支链底座固定在数控机床工作台上；所述的第二支链、第三支链和第一支链的结构和连接方式完全相同。

本发明所述的一种模拟三轴数控机床加工的非接触式力加载装置，其特征在于，所述的第一支链、第二支链和第三支链成120度对称布置。

本发明所述的一种模拟三轴数控机床加工的非接触式力加载装置，其特征在于，所述的第一球铰包括球铰座、第一球铰杆、第二球铰杆、球铰套杆，所述的球铰座固接在动平台上，所述的第一球铰杆通过球铰第一转动副连接球铰座，所述的第二球铰杆通过球铰第二转动副连接第一球铰杆，所述的球铰套杆通过球铰第三转动副连接第二球铰杆，所述的球铰套杆固结在第一连杆上端；所述的球铰第一转动副、球铰第二转动副和球铰第三转动副的三个转动轴线相互垂直并相交于一点；所述的第二球铰和第一球铰的结构和连接方式完全相同。

本发明所述的一种模拟三轴数控机床加工的非接触式力加载装置，其特征在于，所述的第一移动副和第二移动副可采用气动、液压、电动缸或者丝杠螺母驱动。

本发明具有以下优点及突出性的技术效果：

本发明提出一种模拟三轴数控机床加工的非接触式力加载装置，通过驱动三平动并联机构的三个支链，可实现三平动并联机构跟踪三轴数控机床运动，保证加载棒实时处于加载盘中心。通过对加载盘的线圈通以不同频率的电流，实现对加载棒施加不同频率的力和载荷，进而模拟三轴数控机床的加工过程。本发明的机构对称，易于制造，可适用于不同规格机床上加载。本发明控制简单，灵活性好，在实现快速跟随数控机床运动的同时，可实现载荷的实时精准加载。

附图说明

图1为本发明提供的一种模拟三轴数控机床加工的非接触式力加载装置在一台三轴数控机床上实施模拟加工的示意图

图2为本发明提供的一种模拟三轴数控机床加工的非接触式力加载装置的三维结构示意图。

图3为本发明的加载棒的三维结构示意图。

图4为本发明的加载盘的三维结构示意图。

图5为本发明的三平动并联机构的三维结构示意图。

图6为本发明的第一支链实施例结构爆炸视图。

图7为本发明的第一球铰实施例结构爆炸视图。

图中：1-三轴数控机床；2-加载棒；3-三平动并联机构；4-数控机床工作台；31-加载盘；32-动平台；33-第一支链；34-第二支链；35-第三支链；310-软磁铁骨架；311-线圈；331-第一球铰；332-第一伸出杆；333-第一套筒；334-横杆；335-第一连杆；336-转动杆；337-支链底座；338-第二球铰；339-第二伸出杆；3310-第二套筒；3311-第二连杆； 3311-球铰座；3312-第一球铰杆；3313-第二球铰杆；3314-球铰套。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的一种模拟三轴数控机床加工的非接触式力加载装置结合附图及实施例详细说明如下：

图1为本发明的一种模拟三轴数控机床加工的非接触式力加载装置在一台三轴数控机床1上实施模拟加工的示意图。将该非接触力加载装置安装在一台三轴数控机床1的数控机床工作台4上，对数控机床主轴实施力加载，模拟数控机床加工，通过数据采集系统采集数控机床各类信号，实现数控机床可靠性测试。

图2为本发明的所述的一种模拟三轴数控机床加工的非接触式力加载装置的一种实施例。该装置包括加载棒2、加载盘31和三平动并联机构3。

图3为本发明的加载棒2三维结构示意图。所述的加载棒2成圆柱形，在加载棒2的前端带有均匀的环状凹槽，用于消除电磁加载中产生的涡流现象，减少发热现象。加载棒 2的后端固定在数控机床的主轴上。

图4为本发明的加载盘31三维结构示意图。所述的加载盘31包括软磁铁骨架310和线圈311。所述的软磁铁骨架310为对称结构。所述的线圈311缠绕在软磁铁骨架310上，当线圈311上通过电流时，可实现对伸入加载盘32中心的加载棒2施加力，进而实现对机床主轴施加载荷，模拟机床切削工件。

图5为本发明的三平动并联机构3三维结构示意图，其包括动平台32、第一支链33、第二支链34和第三支链35。所述的三平动并联机构3安装在数控机床的工作台4上，所述的第一支链33，第二支链34，第三支链35分别连接动平台32和数控机床工作台4构成空间闭环结构。所述的动平台32上用来固定和安装加载盘31。所述的第一支链33、第二支链34和第三支链35的结构和连接方式完全相同。下面将以第一支链33为例，进行详细说明。

图6为本发明的第一支链33三维结构爆炸视图。所述的第一支链33包括第一球铰331、第二球铰338、第一伸出杆332、第二伸出杆339、第一套筒333、第二套筒3310、第一连杆335、第二连杆3311、横杆334、转动杆336、支链底座337。所述的第一球铰331连接动平台32和第一伸出杆332，第二球铰338连接动平台32和第二伸出杆339。所述的第一伸出杆332和第一套筒333通过第一移动副连接，第二伸出杆339和第二套筒3310通过第二移动副连接。所述的第一套筒333和第一连杆335固结，第二套筒3310和第二连杆3311固结。所述的第一连杆335通过第一转动副连接横杆334，并通过第二转动副连接转动杆336。所述的第二连杆3311通过第三转动副连接横杆334，并通过第四转动副连接转动杆336。所述的第一连杆335、横杆334、第二连杆3311、转动杆336构成平行四边形结构。所述的转动杆336通过第五转动副连接支链底座337。所述的第一移动副和第二移动副可采用气动、液压、电动缸或者丝杠螺母驱动。

所述的第一球铰331也可采用三个转动轴线相互垂直且相交于一点的三个转动副来代替。图7为本发明的第一球铰331的一种实施例的三维结构爆炸视图。所述的第一球铰331 包括球铰座3311、第一球铰杆3312、第二球铰杆3313、球铰套杆3314，所述的球铰座3311 固接在动平台32上，所述的第一球铰杆3312通过第六转动副连接球铰座3311，所述的第二球铰杆3313通过第七转动副连接第一球铰杆3312，所述的球铰套杆3314通过第八转动副连接第二球铰杆3313，所述的球铰套杆3314固结在第一连杆335上端；所述的第六转动副、第七转动副和第八转动副的三个转动轴线相互垂直并相交于一点。

当非接触式力加载装置工作时，将加载棒2安装在三轴数控机床1的主轴前端，将加载盘31安装在三平动并联机构3的动平台32上，将三平动并联机构3固定在数控机床工作台4上。通过驱动三平动并联机构3的第一支链33、第二支链34和第三支链35的移动副，进而驱动加载盘31跟踪三轴数控机床1上的加载棒2运动，使得加载棒2实时处于加载盘31中心，但不和加载盘31接触。通过对加载盘31通以不同频率的电流，实现对加载棒2施加不同频率的力，模拟数控机床加工过程，实现对数控机床的性能测试。该装置结构简单对称，容易实现模块化，制造成本低，具有非常广阔的应用前景。

本发明以模拟三轴数控机床加工的非接触式力加载装置的一种实施例为例进行了说明，但是可以理解，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种模拟三轴数控机床加工的非接触式力加载装置，所述三轴数控机床(1)包括数控机床工作台(4)和数控机床主轴以及加载棒(2)和加载盘(31)，所述的加载盘(31)包括软磁铁骨架(310)和线圈(311)，该线圈(311)缠绕在软磁铁骨架(310)上；所述的加载棒(2)成圆柱体，加载棒(2)后端夹持在数控机床主轴上，其特征在于：所述加载装置还包括三平动并联机构(3)，所述的加载棒(2)前端带有均匀的环状凹槽，并固定在三平动并联机构(3)上；所述的三平动并联机构(3)包括动平台(32)、第一支链(33)、第二支链(34)和第三支链(35)；所述的第一支链(33)、第二支链(34)和第三支链(35)中的每条支链的一端均与动平台(32)相连，每条支链的另一端均与数控机床工作台(4)相连，所述的第一支链(33)、第二支链(34)、第三支链(35)、动平台(32)和数控机床工作台(4)构成空间闭环机构；所述的动平台(32)上固定安装加载盘(31)；所述的第一支链(33)包括第一球铰(331)、第二球铰(338)、第一伸出杆(332)、第二伸出杆(339)、第一套筒(333)、第二套筒(3310)、第一连杆(335)、第二连杆(3311)、横杆(334)、转动杆(336)和支链底座(337)；所述的第一球铰(331)连接动平台(32)和第一伸出杆(332)；第二球铰(338)连接动平台(32)和第二伸出杆(339)，所述的第一伸出杆(332)和第一套筒(333)通过第一移动副连接，第二伸出杆(339)和第二套筒(3310)通过第二移动副连接；所述的第一套筒(333)和第一连杆(335)固结，第二套筒(3310)和第二连杆(3311)固结；所述的第一连杆(335)通过第一转动副连接横杆(334)，并通过第二转动副连接转动杆(336)；所述的第二连杆(3311)通过第三转动副连接横杆(334)，并通过第四转动副连接转动杆(336)；所述的第一连杆(335)、横杆(334)、第二连杆(3311)、转动杆(336)构成平行四边形结构；所述的转动杆(336)通过第五转动副连接支链底座(337)；所述的支链底座(337)固定在数控机床工作台(4)上；所述的第二支链(34)、第三支链(35)和第一支链(33)的结构和连接方式完全相同。

2.如权利要求1所述的一种模拟三轴数控机床加工的非接触式力加载装置，其特征在于，所述的第一支链(33)、第二支链(34)和第三支链(35)成120度对称布置。

3.如权利要求1所述的一种模拟三轴数控机床加工的非接触式力加载装置，其特征在于，所述的第一球铰(331)包括球铰座(3311)、第一球铰杆(3312)、第二球铰杆(3313)和球铰套杆(3314)，所述的球铰座(3311)固接在动平台(32)上，所述的第一球铰杆(3312)通过第六转动副连接球铰座(3311)，所述的第二球铰杆(3313)通过第七转动副连接第一球铰杆(3312)，所述的球铰套杆(3314)通过第八转动副连接第二球铰杆(3313)，所述的球铰套杆(3314)固结在第一连杆(335)上端；所述的第六转动副、第七转动副和第八转动副的三个转动轴线相互垂直并相交于一点；所述的第二球铰(338)和第一球铰(331)的结构和连接方式完全相同。

4.如权利要求1所述的一种模拟三轴数控机床加工的非接触式力加载装置，其特征在于，所述的第一移动副和第二移动副采用气动、液压、电动缸或者丝杠螺母驱动。

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