CN110375938B - 外圆磨床头架动刚度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种外圆磨床头架动刚度测量装置及方法，该装置中的力传感器通过螺钉安装在被截断的外圆磨床头架顶尖中间，用于测量外圆磨床头架顶尖在X、Y上的力；四个非接触式电涡流位移传感器通过磁性表座固定在工作台上，用以测量头架顶尖和头架壳体X和Y方向上的位移，力传感器和四个非接触式电涡流位移传感器采集的测量电压信号通过信号线，依次经过信号放大器、AD采集卡传输到计算机；该方法包括分别记录和计算得到机床处于空转状态和磨削状态时，外圆磨床头架顶尖和头架壳体X和Y方向上的动刚度，计算动刚度差值，并与之前设定的阈值相比较后，改进外圆磨床头架顶尖和头架壳体以满足各自动刚度要求，从而使机床头架满足动刚度要求。

Description

外圆磨床头架动刚度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种外圆磨床头架刚度测量装置，尤其是一种外圆磨床头架动刚度测量装置及方法。

背景技术

外圆磨床的头架是磨床的关键部分，包括头架壳体10、头架顶尖11等，它的作用是支撑工件和传递动力，即使工件转动，如图1所示。对磨床头架进行动态分析有助于人们优化磨床结构设计，进而提高本身的性能，保证产品质量。刚度是我们评价机床结构性能的一个重要指标，它指材料在受力时抵抗弹性变形的能力。过去人们往往测得的都是磨床头架的静刚度，这对于人们评价机床性能过于片面，不能正确反映机床抗振能力，所以，还需测得磨床头架的动刚度。动刚度是指引起单位振幅所需要的动态力。在相同的动态力作用下，动刚度越大，则产生的振幅越小，表明机床的结构性能较好；相反，动刚度越小，则产生的振幅越大，机床结构性能越差。磨床头架的动刚度越小，在磨削过程中易产生变形，这样磨床的加工精度就很难得到保证，从而磨削产品不能达到质量要求。因此，人们需要测得磨床在磨削状态下的动刚度，来充分评价机床的结构性能，进而优化机床结构，保证产品质量。基于以上原因，需要发明一种外圆磨床头架动刚度测量装置及方法，用来准确测量磨床在磨削过程中的动刚度，方便我们正确评价机床的结构性能，最终保证产品质量。

发明内容

本发明提出一种外圆磨床头架动刚度测量装置及测量方法，从而来评价外圆磨床头架的刚性是否满足加工要求，进一步提高本身刚度，从而减少振动，提高产品质量。

本发明的技术方案是：一种外圆磨床头架动刚度测量装置，包括头架壳体、被截断的外圆磨床头架顶尖、力传感器、四个非接触式电涡流位移传感器、信号放大器、AD采集卡和计算机，所述力传感器通过螺钉安装在被截断的外圆磨床头架顶尖中间，用于测量外圆磨床头架顶尖在X、Y上的力；四个非接触式电涡流位移传感器通过磁性表座固定在工作台上，用以测量头架顶尖和头架壳体X 和Y方向上的位移，所述力传感器和四个非接触式电涡流位移传感器采集的测量电压信号通过信号线，依次经过信号放大器、AD采集卡传输到计算机上，由计算机软件通过维纳滤波原理，将电压信号进行滤波，进而转换为实际的动态力，外圆磨床磨削加工时，计算机每0.01s获取一次外圆磨床头架顶尖的动态力和头架壳体的位移，并根据力除于位移来计算出磨削过程中，外圆磨床头架顶尖和头架壳体这两个部位的动刚度。

进一步，所述被截断的外圆磨床头架顶尖由长为L₁的外圆磨床头架顶尖在

处截断而成，两个截断的截面上分别打上四个螺纹孔，四个螺纹孔上通过螺钉连接安装一个力传感器，从而在磨削过程中能获得外圆磨床头架顶尖处X和Y 方向的力。

进一步，所述力传感器为可测得X、Y、Z三个方向上力的三向力传感器，其量程为1KN。

进一步，所述非接触式电涡流位移传感器的灵敏度为0.1μm，量程为1mm。

进一步，所述计算机软件通过维纳滤波原理，将电压信号进行滤波，进而转换为实际的动态力，采用公式(1)到(12)进行计算处理：

x(n)＝s(n)+w(n) (1)

e(n)＝s(n)-δ(n) (3)

E[e(n)²]＝E[(s(n)-δ(n))²] (4)

设h(n)是物理可实现的，也即是因果序列：

h(n)＝0(n<0) (5)

所以，由(1)、(2)、(3)、(4)推导，得：

要使均方差最小，则将上式对各h(n),n＝0,1,2……,并且等于0，得：

即：

用相关函数R来表达上式，则得到维纳-霍夫方程离散式：

从维纳-霍夫方程解出的h就是最小均方误差下的h,h_opt(n)，此时，均方误差最小：

由式(10)进一步化简得：

其中，x(n)：观测到的随机信号，w(n)：噪声信号，s(n)：有用信号， y(n)：s(n)估计值，用δ(n)表示，e(n)：真值和估计值的误差，h(n)：单位脉冲响应，h_opt(n)：最佳线性滤波器。

一种外圆磨床头架动刚度测量方法，采用外圆磨床头架动刚度测量装置，包括以下步骤：

(1)设定机床空转与磨削状态下，在外圆磨床头架顶尖和头架壳体部位X 和Y方向上的动刚度差的阈值分别为kd_xa,kd_ya和kd_xb，kd_yb；

(2)启动机床，使机床处于空转状态，记录外圆磨床头架顶尖截断部位X 和Y方向上的力F_x1和F_y1，以及外圆磨床头架顶尖和头架壳体X和Y方向上的位移，分别为Sx₁₁，Sx₂₁和Sy₁₁，Sy₂₁，通过力除以位移求得在外圆磨床头架顶尖和头架壳体在X和Y方向上的动刚度分别为kd_x11，kd_y11和kd_x21,kd_y21；

(3)让机床加工零件,记录机床处于磨削状态时，外圆磨床头架顶尖顶尖截断处X和Y方向的力F_x2和F_y2,以及外圆磨床头架顶尖和头架壳体在X和Y 方向上的位移，分别为Sx₁₂，Sx₂₂和Sy₁₂，Sy₂₂，通过力除以位移求得在外圆磨床头架顶尖和头架壳体X和Y方向上的动刚度分别为kd_x12，kd_y12和 kd_x22,kd_y22；

(4)计算机床处于空转和磨削状态下，外圆磨床头架顶尖和头架壳体在X、 Y方向上的动刚度差值Δkd_x1，Δkd_y1和Δkd_x2，Δkd_y2；

(5)将动刚度差值与之前设定的阈值相比较，如果Δkd_x1>kd_xa或Δkd_y1>kd_ya，则外圆磨床头架顶尖刚度不满足要求，需进行改进；如果Δkd_x2>kd_xb或Δkd_y2>kd_yb，则头架壳体刚度不满足要求，需进行改进；若动刚度差值均大于之前设定的阈值，则外圆磨床头架顶尖和头架壳体都需进行改进，以满足各自动刚度要求，从而使机床头架满足动刚度要求。

本发明的测量装置及测量方法的有益效果是：

本发明是基于磨床头架，力传感器以及位移传感器的设计，研制出了一种评价磨床头架动刚度的方法，实现了在磨削过程中准确测量磨床头架顶尖和壳体的动刚度，从而优化机床结构，提高产品质量。

附图说明

图1为磨床结构示意图；

图2为磨床头架顶尖示意图；

图3为磨床头架顶尖截断处理示意图；

图中：(a)为截断顶尖主视图，(b )为截断顶尖的截面图；

图4为力传感器示意图；

图中：(a)为主视图，(b)为中间剖视图；

图5为力传感器与头架顶尖配合示意图

图6为本发明的整套测量装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图6所示，本发明的外圆磨床头架动刚度测量装置，包括头架壳体10、工件4、砂轮5、被截断的外圆磨床头架顶尖1、力传感器2、四个非接触式电涡流位移传感器3、信号放大器、AD采集卡和计算机。力传感器2通过螺钉与被截断的外圆磨床头架顶尖1相连接，用于测量测量头架顶尖在X、Y、Z三个方向上的力；四个非接触式电涡流位移传感器3通过磁性表座固定在工作台上，用以测量外圆磨床头架顶尖1和头架壳体10在X和Y方向上的位移。力传感器2和四个非接触式电涡流位移传感器3采集的电压信号通过信号线，依次经过信号放大器、AD采集卡传输到计算机上，由计算机软件通过维纳滤波原理，将电压信号进行滤波，进而转换为实际的动态力。

(1)被截断的外圆磨床头架顶尖

外圆磨床头架顶尖11，如图2所示。外圆磨床头架顶尖长为L1，直径为

为了准确测量磨削加工中外圆磨床头架顶尖在X和Y方向的受力情况，将外圆磨床头架顶尖在

处截断，图3(a)所示，在两个截面上分别打上四个M_a的螺纹孔，螺纹孔之间的距离为d1,螺纹孔圆心到横截面圆心距离为d2,如图3(b)所示。这样在截断处可以通过螺钉连接安装一个力传感器，从而在磨削过程中能获得顶尖处X和Y方向的力。

(2)力传感器

力传感器2，如图4(a)，(b)，图5所示，高为H1，直径为

在力传感器上下两侧各有一个长方体法兰6，长和宽为a。在长方体上有四个M_a的螺纹孔，相邻两个孔的孔间距为d1,螺纹孔到长方体中心距离为d2。该力传感器可测得X、 Y、Z三个方向上的力，量程为1KN。本次设计只需测得X和Y两个方向上的力。

(3)非接触式电涡流位移传感器

该非接触式涡流传感器3灵敏度为0.1μm，量程为1mm，用于测量外圆磨床头架顶尖和壳体两个部分X和Y方向的位移。在使用时，须将非接触式涡流传感器用磁性表座固定在外圆磨床工作台上。

(4)整套测量装置

整套测量装置有：被截断的外圆磨床头架顶尖1、力传感器2、四个非接触式电涡流位移传感器3、信号放大器、AD采集卡和计算机。测量外圆磨床头架在实际磨削过程中的动刚度需要先测量出X和Y方向对应的动态力F_x、F_y和位移S_x、S_y。为此，需要将力传感器与经过截断处理的顶尖通过螺钉连接起来，如图5所示。测量磨削过程中顶尖X、Y两个方向的动态力。电压信号通过信号线，依次经过信号放大器、AD采集卡传输到计算机上。计算机软件通过维纳滤波原理，如公式(1)到(12)所示，将电压信号进行滤波，进而转换为实际的动态力。

x(n)＝s(n)+w(n) (1)

e(n)＝s(n)-δ(n) (3)

E[e(n)²]＝E[(s(n)-δ(n))²] (4)

设h(n)是物理可实现的，也即是因果序列：

h(n)＝0(n<0) (5)

所以，由(1)、(2)、(3)、(4)推导，得：

要使均方差最小，则将上式对各h(n),n＝0,1,2……,并且等于0，得：

即：

用相关函数R来表达上式，则得到维纳-霍夫方程离散式：

从维纳-霍夫方程解出的h就是最小均方误差下的h,h_opt(n)，此时，均方误差最小：

由式(10)进一步化简得：

其中，x(n)：观测到的随机信号，w(n)：噪声信号，s(n)：有用信号， y(n)：s(n)估计值，用δ(n)表示，e(n)：真值和估计值的误差，h(n)：单位脉冲响应，h_opt(n)：最佳线性滤波器。

此外，在外圆磨床工作台上需要用磁性表座安装固定4个非接触式电涡流位移传感器A₁、A₂、A₃、A₄以测量顶尖和头架壳体这两个部位的X和Y方向的位移S_x1、S_x2、、S_y1、S_y2。位移信号同样通过信号线，依次经过信号放大器、AD采集卡传输到计算机上。整个测量装置如图6所示。外圆磨床磨削加工时，计算机每0.01s获取一次外圆磨床头架顶尖的动态力和外圆磨床头架各个部位位移，并根据公式

计算出外圆磨床头架在磨削过程中，外圆磨床头架顶尖和头架壳体这两个部位的动刚度。

一种外圆磨床头架动刚度测量方法，采用外圆磨床头架动刚度测量装置，包括以下步骤：

(1)将三向力传感器通过螺钉与被截断的头架顶尖相连接，并将四个电涡流位移传感器通过磁性表座固定在工作台上，用以测量头架顶尖和头架壳体X 和Y方向上的位移。这两种信号通过信号线、信号放大器、AD采集卡，最后传入计算机。调试整套测量系统。

(2)设定机床空转与磨削状态下，在机床头架顶尖和壳体部位X和Y方向上的动刚度差的阈值为kd_xa,kd_ya和kd_xb，kd_yb。

(3)启动机床，使机床处于空转状态，记录外圆磨床头架顶尖截断部位X 和Y方向上的力F_x1和F_y1，以及外圆磨床头架顶尖和头架壳体X和Y方向上的位移，分别为Sx₁₁，Sx₂₁和Sy₁₁，Sy₂₁，求得在外圆磨床头架顶尖和头架壳体在X和Y方向上的动刚度分别为kd_x11，kd_y11和kd_x21,kd_y21，计算公式如下：

(4)让机床加工零件,记录机床处于磨削状态时，外圆磨床头架顶尖顶尖截断处X和Y方向的力F_x2和F_y2,以及外圆磨床头架顶尖和头架壳体在X和Y方向上的位移，分别为Sx₁₂，Sx₂₂和Sy₁₂，Sy₂₂，求得在外圆磨床头架顶尖和头架壳体X和Y方向上的动刚度分别为kd_x12，kd_y12和kd_x22,kd_y22，计算公式如下：

(5)计算机床处于空转和磨削状态下，头架顶尖和壳体在X、Y方向上的动刚度差值Δkd_x1，Δkd_y1，Δkd_x2，Δkd_y2,计算公式如下：

Δkd_x1＝kd_x12-kd_x11 (21)

Δkd_y1＝kd_y12-kd_y11 (22)

Δkd_x2＝kd_x22-kd_x21 (23)

Δkd_y2＝kd_y22-kd_y21 (24)

(6)将动刚度差值与之前设定的阈值相比较，如果Δkd_x1>kd_xa或Δkd_y1>kd_ya，则外圆磨床头架顶尖刚度不满足要求，需进行改进；如果Δkd_x2>kd_xb或Δkd_y2>kd_yb，则头架壳体刚度不满足要求，需进行改进；若动刚度差值均大于之前设定的阈值，则外圆磨床头架顶尖和头架壳体都需进行改进，以满足各自动刚度要求，从而使机床头架满足动刚度要求。

Claims (5)

1.一种外圆磨床头架动刚度测量方法，采用外圆磨床头架动刚度测量装置，该装置包括头架壳体、被截断的外圆磨床头架顶尖、力传感器、四个非接触式电涡流位移传感器、信号放大器、AD采集卡和计算机，所述力传感器通过螺钉安装在被截断的外圆磨床头架顶尖中间，用于测量外圆磨床头架顶尖在X、Y上的力；四个非接触式电涡流位移传感器通过磁性表座固定在工作台上，用以测量头架顶尖和头架壳体X和Y方向上的位移，所述力传感器和四个非接触式电涡流位移传感器采集的测量电压信号通过信号线，依次经过信号放大器、AD采集卡传输到计算机上，由计算机软件通过维纳滤波原理，将电压信号进行滤波，进而转换为实际的动态力，外圆磨床磨削加工时，计算机每0.01s获取一次外圆磨床头架顶尖的动态力和头架壳体的位移，并根据力除于位移来计算出在磨削过程中，外圆磨床头架顶尖和头架壳体这两个部位的动刚度，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)设定机床空转与磨削状态下，在外圆磨床头架顶尖和头架壳体部位X和Y方向上的动刚度差的阈值分别为kd_xa,kd_ya和kd_xb，kd_yb；

(2)启动机床，使机床处于空转状态，记录外圆磨床头架顶尖截断部位X和Y方向上的力F_x1和F_y1，以及外圆磨床头架顶尖和头架壳体X和Y方向上的位移，分别为Sx₁₁，Sx₂₁和Sy₁₁，Sy₂₁，通过力除以位移求得在外圆磨床头架顶尖和头架壳体在X和Y方向上的动刚度分别为kd_x11，kd_y11和kd_x21,kd_y21；

(3)让机床加工零件,记录机床处于磨削状态时，外圆磨床头架顶尖顶尖截断处X和Y方向的力F_x2和F_y2,以及外圆磨床头架顶尖和头架壳体在X和Y方向上的位移，分别为Sx₁₂，Sx₂₂和Sy₁₂，Sy₂₂，通过力除以位移求得在外圆磨床头架顶尖和头架壳体X和Y方向上的动刚度分别为kd_x12，kd_y12和kd_x22,kd_y22；

(4)计算机床处于空转和磨削状态下，外圆磨床头架顶尖和头架壳体在X、Y方向上的动刚度差值Δkd_x1，Δkd_y1和Δkd_x2，Δkd_y2；

(5)将动刚度差值与之前设定的阈值相比较，如果Δkd_x1>kd_xa或Δkd_y1>kd_ya，则外圆磨床头架顶尖刚度不满足要求，需进行改进；如果Δkd_x2>kd_xb或Δkd_y2>kd_yb，则头架壳体刚度不满足要求，需进行改进；若动刚度差值均大于之前设定的阈值，则外圆磨床头架顶尖和头架壳体都需进行改进，以满足各自动刚度要求，从而使机床头架满足动刚度要求。

2.根据权利要求1所述的外圆磨床头架动刚度测量方法，其特征在于：所述被截断的外圆磨床头架顶尖由长为L₁的外圆磨床头架顶尖在

处截断而成，两个截断的截面上分别打上四个螺纹孔，四个螺纹孔上通过螺钉连接安装一个力传感器，从而在磨削过程中能获得外圆磨床头架顶尖处X和Y方向的力。

3.根据权利要求1所述的外圆磨床头架动刚度测量方法，其特征在于：所述力传感器为可测X、Y、Z三个方向上力的三向力传感器，其量程为1KN。

4.根据权利要求1所述的外圆磨床头架动刚度测量方法，其特征在于：所述非接触式电涡流位移传感器的灵敏度为0.1μm，量程为1mm。

5.根据权利要求1所述的外圆磨床头架动刚度测量方法，其特征在于：所述计算机软件通过维纳滤波原理，将电压信号进行滤波，进而转换为实际的动态力，采用公式(1)到(12)进行计算处理：

x(n)＝s(n)+w(n) (1)

e(n)＝s(n)-δ(n) (3)

E[e(n)²]＝E[(s(n)-δ(n))²] (4)

设h(n)是物理可实现的，也即是因果序列：

h(n)＝0(n<0) (5)

所以，由(1)、(2)、(3)、(4)推导，得：

要使均方差最小，则在公式(7)中代入各h(n),n＝0,1,2……,并且使公式(7)等于0，得到：

即：

用相关函数R来表达上式，则得到维纳-霍夫方程离散式：

从维纳-霍夫方程解出的h就是最小均方误差下的h,h_opt(n)，此时，均方误差最小：

由式(10)进一步化简得：

其中，x(n)：观测到的随机信号，w(n)：噪声信号，s(n)：有用信号，y(n)：s(n)估计值，用δ(n)表示，e(n)：真值和估计值的误差，h(n)：单位脉冲响应，h_opt(n)：最佳线性滤波器。

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