CN108608259B - 丝杠硬态干式切削机床支撑夹持力测量系统和测量方法 - Google Patents

丝杠硬态干式切削机床支撑夹持力测量系统和测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种丝杠硬态干式切削机床支撑夹持力测量系统和测量方法。该系统包括丝杠硬态干式切削机床本体、多个受力‑传感装置和数据采集装置；方法为：受力‑传感装置通过螺栓与丝杠硬态干式切削机床本体的各支撑架组件和跟刀架分别固联，各个力传感器均接入数据采集模块；驱动机床头架带动待加工丝杠绕C轴转动，驱动床鞍带动旋转头和两个跟刀架沿Z轴移动，同时驱动支撑架组件分别沿竖直方向动态上升或下降；数据采集模块实时采集每个力传感器的数据，并分别计算出支撑架组件对待加工丝杠的支撑力、跟刀架对待加工丝杠的夹持力和夹持扭矩。本发明能够对支撑夹持力进行实时精确地测量，从而大大提高待加工工件的表面加工精度和表面加工质量。

Description

丝杠硬态干式切削机床支撑夹持力测量系统和测量方法
技术领域
本发明涉及丝杠硬态旋风铣削加工技术领域，特别是一种丝杠硬态干式切削机床支撑夹持力测量系统和测量方法。
背景技术
近年来，丝杠硬态旋铣加工工艺因为具有加工效率高、绿色环保等特点，被广泛应用于高档精密数控机床的高品质丝杠的成形加工中。但在丝杠硬态旋风铣削加工过程中，很难实时测量丝杠硬态干式切削机床的支撑架和跟刀架对待加工丝杠的支撑夹持力以及夹持扭矩，而支撑夹持力和夹持扭矩是影响丝杠经硬态旋风铣削加工后的加工精度和表面质量的关键因素。如果支撑夹持力和夹持扭矩选择不恰当，极易引起丝杠在硬态旋风铣削加工过程中产生较大的振动和变形。因此保证硬态旋风铣削加工过程中支撑架和跟刀架对待加工丝杠施加恰当的支撑夹持力以及夹持扭矩，对提高丝杠经硬态旋风铣削加工后的加工精度与表面质量具有重大意义。
检索现有技术的文献发现，中国发明专利公开号CN102183321A，名称为夹持力测量仪及夹持力测量方法，该专利介绍了一种根据弹簧的形变量与拉力成正比的原理设计而成的夹持力测量仪，通过拉力机构产生对夹具内的标准块的拉力，并将拉力机构产生的拉力通过弹簧的形变在指示机构中直观地指示出来，从而对夹具的夹持力做出准确的测量，特别的是，通过更换不同的标准块，该夹持力测量仪还可以对不同夹具的夹持力进行测量。但是该测量仪是纯机械式的，每次测量都需要人工拉动拉力机构，而且每次测量得到的夹持力数据也需要人工记录，不能实时在线接收和存储，所以该夹持力测量仪的操作费时费力。中国实用新型专利公开号CN203083762U，名称为一种用于检测夹持垫块的夹持力的装置，该专利介绍了一种用于检测夹持垫块的夹持力的装置，该装置通过在被夹持垫块夹紧的标准钢筋下悬挂已知重量的配重来间接测量夹持垫块的夹紧力，因为当标准钢筋被夹紧后不发生滑移，配重的重力与夹持垫块的夹持力大小相等。该装置原理简单，但是测量时需要一边观察标准钢筋是否发生滑移一边不断更换配重，操作过程较为繁琐。
可见，目前夹持力的测量装置主要是针对一般夹具而设计的，需要同时包括支撑夹持模块和测量模块，而且较多都是纯机械式的，操作费时费力，并不太适用于丝杠硬态旋风铣削机床的支撑夹持力和夹持扭矩的测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种丝杠硬态干式切削机床的支撑夹持力测量系统和测量方法，对待加工丝杠在硬态旋风铣削过程中所受的支撑夹持力和夹持扭矩进行实时精确的测量，从而大大提高待加工工件的表面加工精度和表面加工质量。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种丝杠硬态干式切削机床支撑夹持力测量系统，包括丝杠硬态干式切削机床本体、多个受力-传感装置和数据采集装置，其中：
丝杠硬态干式切削机床本体包括底座、主轴箱、机床头架、床身、床鞍、升降台、待加工丝杠、尾架顶尖、多个支撑架组件、两个跟刀架和旋铣头；
受力-传感装置包括主垫块、力传感器和上垫块，受力-传感装置通过螺栓与丝杠硬态干式切削机床本体的各支撑架组件和跟刀架分别固联，各个力传感器均通过导线接入数据采集模块。
进一步地，所述受力-传感装置的主垫块的一端设置有开口槽，在开口槽底部设置有贯通的第一沉头螺纹孔，且第一沉头螺纹孔的小径段在开口槽的一侧，力传感器上设置有通孔，上垫块上设置有贯通的螺纹孔，用螺栓经主垫块的第一沉头螺纹孔和力传感器的通孔与上垫块的螺纹孔联接；
所述受力-传感装置的主垫块的另一端设置有两个相同的贯通的第二沉头螺纹孔，且这两个第二沉头螺纹孔的大径段在主垫块的上部即与力传感器同侧。
进一步地，所述丝杠硬态干式切削机床本体的支撑架组件数量为4个，第一～四支撑架组件结构完全相同，每个支撑架组件设置有V型支撑模块，每个V型支撑模块设置有第一V型槽，第一V型槽两侧的斜面上分别对称设置有两个螺纹孔，每个受力-传感装置均用两个螺栓依次经主垫块的两个沉头螺纹孔、第一V型槽斜面上的两个螺纹孔之后与V型支撑模块固联，一个支撑架组件对应两个受力-传感装置，每个受力-传感装置的力传感器的接口通过导线接入数据采集模块。
进一步地，所述丝杠硬态干式切削机床本体的两个跟刀架结构完全相同，每个跟刀架设置有两个上下对称的V型动态夹持模块，每个V型动态夹持模块设置有第二V型槽，第二V型槽两侧的斜面上分别对称设置有四个螺纹孔，每个受力-传感装置均用两个螺栓依次经主垫块的两个沉头螺纹孔、V型槽斜面上的两个螺纹孔之后与V型动态夹持模块固联，一个跟刀架对应四个受力-传感装置，每个受力-传感装置的力传感器的接口通过导线接入数据采集模块。
进一步地，所述受力-传感装置的力传感器为三分量应变式力传感器。
进一步地，丝杠硬态干式切削机床本体的第一～四支撑架组件和两个跟刀架中，每个支撑架组件的V型支撑模块和每个跟刀架的V型动态夹持模块上设置的V型槽两侧的斜面与V型槽底部所在平面的夹角均为θ，并且θ的范围为45°～60°。
一种基于所述的丝杠硬态干式切削机床支撑夹持力测量系统的测量方法，步骤如下：
步骤1、将待加工丝杠杠的一端用机床头架固定，另一端经待加工丝杠中心孔用尾架顶尖固定；
步骤2、驱动床鞍将旋铣头调整至切削起始位置，根据预先设定的切削深度驱动升降台调整旋铣头的高度；驱动两个跟刀架分别沿竖直方向移动夹紧待加工丝杠，将与两个跟刀架以及第一～四支撑架组件固联的每个受力-传感装置中的力传感器做回零初始化处理；
步骤3、驱动机床头架带动待加工丝杠绕C轴转动，驱动床鞍带动旋铣头和两个跟刀架沿Z轴移动，同时驱动第一～四支撑架组件分别沿竖直方向动态上升或下降以避免与跟刀架发生碰撞；数据采集模块实时采集与两个跟刀架和第一～四支撑架组件对应的每个力传感器的数据，并分别计算出第一～四支撑架组件对待加工丝杠的支撑力F9～F12、跟刀架对待加工丝杠的夹持力F13～F14和夹持扭矩M13～M14。
进一步地，步骤3中所述计算出第一～四支撑架组件对待加工丝杠的支撑力F9～F12，根据公式(1)～(2)计算得到第一～四支撑架组件对待加工丝杠的支撑力F9～F12：
Figure GDA0002466864990000031
Figure GDA0002466864990000032
其中，Fikτ、Fikb、Fikn是与每个支撑架组件固联的两个受力-传感装置在相对坐标系oτbn中分别测得的三向力；Fikx、Fiky、Fikz是与每个支撑架固联的两个受力-传感装置在绝对坐标系oxyz中分别测得的三向力，i＝9～12，k＝1～2；
其中，相对坐标系oτbn的原点o为受力-传感装置中上垫块的上端面的几何中心，n轴通过原点o并垂直于上垫块的上端面，b轴通过原点o并与待加工丝杠的轴线平行，τ轴通过原点并分别与n轴和b轴垂直；绝对坐标系oxyz的原点o为受力-传感装置中上垫块的上端面的几何中心，z轴通过原点o并竖直向上，y轴通过原点并与待加工丝杠(7)的轴线平行，x轴通过原点并分别与y轴和z轴垂直。
进一步地，步骤3中所述计算出跟刀架对待加工丝杠的夹持力F13～F14和夹持扭矩M13～M14，公式如下：
Figure GDA0002466864990000041
Figure GDA0002466864990000042
Figure GDA0002466864990000043
Figure GDA0002466864990000044
其中，F13jτ、F14jτ是分别与第一跟刀架和第二跟刀架上侧的V型动态夹持模块固联的四个受力-传感装置测得的力，j＝1～4；其中，r为待加工丝杠的半径。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)通过对受力-传感装置中的力传感器的测量数据进行在线分析与计算，可以实时得到待加工丝杠所受的支撑夹持力和夹持扭矩，实现对待加工丝杠硬态旋风铣削全过程的支撑夹持参数的监测，可以大大提高丝杠经硬态旋风铣削加工后的加工精度与表面质量；(2)针对大型丝杠的不同加工位置(如头部、尾部、旋铣头靠近支撑架时支撑架需要下降的位置)，在硬态旋风铣削过程中所受约束状态的不同，对支撑夹持力进行动态调整，从而可以为优化丝杠硬态旋风铣削加工工艺提供强有力的支撑；(3)系统基于丝杠硬态干式切削机床而设计，只需在机床的跟刀架和支撑架上安装受力-传感装置便可以完成测量，不需要再安装其它的支撑夹紧模块，构造简单，易于使用和推广。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为丝杠硬态干式切削机床的结构示意图。
图2为受力-传感装置的结构示意图。
图3为V型支撑模块的结构示意图。
图4为受力-传感装置与V型支撑模块的装配示意图。
图5为V型动态夹持模块的结构示意图。
图6为受力-传感装置与V型动态夹持模块的装配示意图。
具体实施方式
结合图1～图6，本发明的丝杠硬态干式切削机床支撑夹持力测量系统，用于在丝杠硬态切削工过程中针对丝杠硬态干式切削机床的支撑夹持力和夹持扭矩的实时测量，具体包括丝杠硬态干式切削机床本体I、多个受力-传感装置II和数据采集装置III，其中：
丝杠硬态干式切削机床本体I包括底座1、主轴箱2、机床头架3、床身4、床鞍5、升降台6、待加工丝杠7、尾架顶尖8、多个支撑架组件、两个跟刀架13～14和旋铣头15；
受力-传感装置II包括主垫块16、力传感器17和上垫块18，受力-传感装置II通过螺栓19与丝杠硬态干式切削机床本体I的各支撑架组件和跟刀架13～14分别固联，各个力传感器17均通过导线20接入数据采集模块III。
作为一种具体方案：所述受力-传感装置II的主垫块16的一端设置有开口槽16-1，在开口槽16-1底部设置有贯通的第一沉头螺纹孔16-2，且第一沉头螺纹孔16-2的小径段在开口槽16-1的一侧，力传感器17上设置有通孔17-1，上垫块18上设置有贯通的螺纹孔18-1，用螺栓21经主垫块16的第一沉头螺纹孔16-2和力传感器17的通孔17-1与上垫块18的螺纹孔18-1联接；
所述受力-传感装置II的主垫块16的另一端设置有两个相同的贯通的第二沉头螺纹孔16-3，且这两个第二沉头螺纹孔16-3的大径段在主垫块16的上部即与力传感器17同侧。
作为一种具体方案：所述丝杠硬态干式切削机床本体I的支撑架组件数量为4个，第一～四支撑架组件9～12结构完全相同，每个支撑架组件设置有V型支撑模块22，每个V型支撑模块22设置有第一V型槽22-1，第一V型槽22-1两侧的斜面上分别对称设置有两个螺纹孔22-2，每个受力-传感装置II均用两个螺栓19依次经主垫块16的两个沉头螺纹孔16-3、第一V型槽22-1斜面上的两个螺纹孔22-2之后与V型支撑模块22固联，一个支撑架组件对应两个受力-传感装置II，每个受力-传感装置II的力传感器17的接口17-2通过导线20接入数据采集模块III。
作为一种具体方案：所述丝杠硬态干式切削机床本体I的两个跟刀架13～14结构完全相同，每个跟刀架设置有两个上下对称的V型动态夹持模块23，每个V型动态夹持模块23设置有第二V型槽23-1，第二V型槽23-1两侧的斜面上分别对称设置有四个螺纹孔23-2，每个受力-传感装置II均用两个螺栓19依次经主垫块16的两个沉头螺纹孔16-3、V型槽斜面上的两个螺纹孔23-2之后与V型动态夹持模块23固联，一个跟刀架对应四个受力-传感装置II，每个受力-传感装置II的力传感器17的接口17-2通过导线20接入数据采集模块III。
所述受力-传感装置II的力传感器17为三分量应变式力传感器。
所述丝杠硬态干式切削机床本体I的第一～四支撑架组件9～12和两个跟刀架13～14中，每个支撑架组件的V型支撑模块22和每个跟刀架的V型动态夹持模块23上设置的V型槽两侧的斜面与V型槽底部所在平面的夹角均为θ，并且θ的范围为45°～60°。
所述的丝杠硬态干式切削机床支撑夹持力的测量方法，步骤如下：
步骤1、将待加工丝杠7的一端用机床头架3固定，另一端经待加工丝杠7中心孔用尾架顶尖8固定；
步骤2、驱动床鞍5将旋铣头15调整至切削起始位置，根据预先设定的切削深度驱动升降台6调整旋铣头15的高度；驱动两个跟刀架13～14分别沿竖直即U1、U2方向移动夹紧待加工丝杠7，将与两个跟刀架13～14以及第一～四支撑架组件9～12固联的每个受力-传感装置II中的力传感器17做回零初始化处理；
步骤3、驱动机床头架3带动待加工丝杠7绕C轴转动，驱动床鞍5带动旋铣头15和两个跟刀架13～14沿Z轴移动，同时驱动第一～四支撑架组件9～12分别沿竖直即V4～V1方向动态上升或下降以避免与跟刀架发生碰撞；数据采集模块III实时采集与两个跟刀架13～14和第一～四支撑架组件9～12对应的每个力传感器17的数据，并分别计算出第一～四支撑架组件9～12对待加工丝杠7的支撑力F9～F12、跟刀架13～14对待加工丝杠7的夹持力F13～F14和夹持扭矩M13～M14。
进一步地，步骤3中所述计算出第一～四支撑架组件9～12对待加工丝杠7的支撑力F9～F12，根据公式(1)～(2)计算得到第一～四支撑架组件9～12对待加工丝杠7的支撑力F9～F12：
Figure GDA0002466864990000071
Figure GDA0002466864990000072
其中，Fikτ、Fikb、Fikn是与每个支撑架组件固联的两个受力-传感装置在相对坐标系oτbn中分别测得的三向力；Fikx、Fiky、Fikz是与每个支撑架固联的两个受力-传感装置在绝对坐标系oxyz中分别测得的三向力，i＝9～12，k＝1～2；
其中，相对坐标系oτbn的原点o为受力-传感装置II中上垫块18的上端面的几何中心，n轴通过原点o并垂直于上垫块的上端面，b轴通过原点o并与待加工丝杠7的轴线平行，τ轴通过原点并分别与n轴和b轴垂直；绝对坐标系oxyz的原点o为受力-传感装置II中上垫块18的上端面的几何中心，z轴通过原点o并竖直向上，y轴通过原点并与待加工丝杠7的轴线平行，x轴通过原点并分别与y轴和z轴垂直。
进一步地，步骤3中所述计算出跟刀架13～14对待加工丝杠7的夹持力F13～F14和夹持扭矩M13～M14，公式如下：
Figure GDA0002466864990000073
Figure GDA0002466864990000074
Figure GDA0002466864990000075
Figure GDA0002466864990000076
其中，F13jτ、F14jτ是分别与第一跟刀架13和第二跟刀架14上侧的V型动态夹持模块23固联的四个受力-传感装置测得的力，j＝1～4；其中，r为待加工丝杠7的半径。

Claims (3)

1.一种丝杠硬态干式切削机床支撑夹持力测量系统的测量方法，其特征在于，所述丝杠硬态干式切削机床支撑夹持力测量系统，包括丝杠硬态干式切削机床本体(I)、多个受力-传感装置(II)和数据采集装置(III)，其中：
丝杠硬态干式切削机床本体(I)包括底座(1)、主轴箱(2)、机床头架(3)、床身(4)、床鞍(5)、升降台(6)、待加工丝杠(7)、尾架顶尖(8)、多个支撑架组件、两个跟刀架(13～14)和旋铣头(15)；
受力-传感装置(II)包括主垫块(16)、力传感器(17)和上垫块(18)，受力-传感装置(II)通过螺栓(19)与丝杠硬态干式切削机床本体(I)的各支撑架组件和跟刀架(13～14)分别固联，各个力传感器(17)均通过导线(20)接入数据采集模块(III)；
所述丝杠硬态干式切削机床本体(I)的两个跟刀架(13～14)结构完全相同，每个跟刀架设置有两个上下对称的V型动态夹持模块(23)；
所述测量方法的步骤如下：
步骤1、将待加工丝杠(7)的一端用机床头架(3)固定，另一端经待加工丝杠(7)中心孔用尾架顶尖(8)固定；
步骤2、驱动床鞍(5)将旋铣头(15)调整至切削起始位置，根据预先设定的切削深度驱动升降台(6)调整旋铣头(15)的高度；驱动两个跟刀架(13～14)分别沿竖直方向移动夹紧待加工丝杠(7)，将与两个跟刀架(13～14)以及第一～四支撑架组件(9～12)固联的每个受力-传感装置(II)中的力传感器(17)做回零初始化处理；
步骤3、驱动机床头架(3)带动待加工丝杠(7)绕C轴转动，驱动床鞍(5)带动旋铣头(15)和两个跟刀架(13～14)沿Z轴移动，同时驱动第一～四支撑架组件(9～12)分别沿竖直方向动态上升或下降以避免与跟刀架发生碰撞；数据采集模块(III)实时采集与两个跟刀架(13～14)和第一～四支撑架组件(9～12)对应的每个力传感器(17)的数据，并分别计算出第一～四支撑架组件(9～12)对待加工丝杠(7)的支撑力F9～F12、跟刀架(13～14)对待加工丝杠(7)的夹持力F13～F14和夹持扭矩M13～M14。
2.根据权利要求1所述的丝杠硬态干式切削机床支撑夹持力测量系统的测量方法，其特征在于，步骤3中所述计算出第一～四支撑架组件(9～12)对待加工丝杠(7)的支撑力F9～F12，根据公式(1)～(2)计算得到第一～四支撑架组件(9～12)对待加工丝杠(7)的支撑力F9～F12：
Figure FDA0002595322910000021
Figure FDA0002595322910000022
其中，Fikτ、Fikb、Fikn是与每个支撑架组件固联的两个受力-传感装置在相对坐标系oτbn中分别测得的三向力；Fikx、Fiky、Fikz是与每个支撑架固联的两个受力-传感装置在绝对坐标系oxyz中分别测得的三向力，i＝9～12，k＝1～2；
其中，相对坐标系oτbn的原点o为受力-传感装置(II)中上垫块(18)的上端面的几何中心，n轴通过原点o并垂直于上垫块的上端面，b轴通过原点o并与待加工丝杠(7)的轴线平行，τ轴通过原点并分别与n轴和b轴垂直；绝对坐标系oxyz的原点o为受力-传感装置(II)中上垫块(18)的上端面的几何中心，z轴通过原点o并竖直向上，y轴通过原点并与待加工丝杠(7)的轴线平行，x轴通过原点并分别与y轴和z轴垂直。
3.根据权利要求1所述的丝杠硬态干式切削机床支撑夹持力测量系统的测量方法，其特征在于，步骤3中计算出所述跟刀架(13～14)对待加工丝杠(7)的夹持力F13～F14和夹持扭矩M13～M14，公式如下：
Figure FDA0002595322910000023
Figure FDA0002595322910000024
Figure FDA0002595322910000025
Figure FDA0002595322910000026
其中，F13jτ、F14jτ是分别与第一跟刀架(13)和第二跟刀架(14)上侧的V型动态夹持模块(23)固联的四个受力-传感装置测得的力，j＝1～4；其中，r为待加工丝杠(7)的半径。
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