CN110549165A - 用于确定机床的结构特性的系统和方法 - Google Patents

用于确定机床的结构特性的系统和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110549165A
CN110549165A CN201910469131.7A CN201910469131A CN110549165A CN 110549165 A CN110549165 A CN 110549165A CN 201910469131 A CN201910469131 A CN 201910469131A CN 110549165 A CN110549165 A CN 110549165A
Authority
CN
China
Prior art keywords
tool
force
permanent magnet
preloading
machine tool
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.)
Granted
Application number
CN201910469131.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110549165B (zh
Inventor
M.波斯特尔
N.B.布达茨
F.库斯特
J-P.贝苏舍
J.蒙宁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
George Fisher Process Solutions
Inspire AG
Original Assignee
George Fisher Process Solutions
Inspire AG
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by George Fisher Process Solutions, Inspire AG filed Critical George Fisher Process Solutions
Publication of CN110549165A publication Critical patent/CN110549165A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110549165B publication Critical patent/CN110549165B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M7/00—Vibration-testing of structures; Shock-testing of structures
    • G01M7/08—Shock-testing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/30—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying a single impulsive force, e.g. by falling weight
    • 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
    • B23Q15/00—Automatic control or regulation of feed movement, cutting velocity or position of tool or work
    • B23Q15/007—Automatic control or regulation of feed movement, cutting velocity or position of tool or work while the tool acts upon the workpiece
    • 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
    • B23Q17/0966—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 a force on parts of the machine other than a motor
    • 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
    • B23Q17/0971—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 mechanical vibrations of parts of the machine
    • 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
    • B23Q17/12—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring vibration
    • 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
    • B23Q17/24—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools using optics or electromagnetic waves
    • B23Q17/2428—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools using optics or electromagnetic waves for measuring existing positions of tools or workpieces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H1/00—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector
    • G01H1/003—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector of rotating machines
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/22—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady torsional forces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/30—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying a single impulsive force, e.g. by falling weight
    • G01N3/317—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying a single impulsive force, e.g. by falling weight generated by electromagnetic means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • G01H11/02—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by magnetic means, e.g. reluctance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G01H9/004—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors
    • G01H9/006—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors the vibrations causing a variation in the relative position of the end of a fibre and another element
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/003—Generation of the force
    • G01N2203/0032—Generation of the force using mechanical means
    • G01N2203/0039—Hammer or pendulum
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/003—Generation of the force
    • G01N2203/005—Electromagnetic means

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Machine Tool Sensing Apparatuses (AREA)
  • Testing Of Balance (AREA)

Abstract

本发明是涉及用于确定机床的结构特性的系统。该系统包括：激振装置，其被构造成在机床的刀具中引发动态激振；预加载装置，其被构造成在刀具上产生静态力；以及感测装置，其用于获取数据组，基于该数据组可以确定刀具的结构特性。

Description

用于确定机床的结构特性的系统和方法
技术领域
本发明是涉及用于确定机床的结构特性的系统和方法。
背景技术
为了预测机加工过程的结果并因此实现其优化，必须精确地知道机床的结构特性以及更具体地其在机加工过程中使用的刀尖处的所得到的行为。例如，在铣削过程中，预测机床在机加工条件和切削过程下的结构特性之间的相互作用允许确定所谓的稳定性叶瓣图。稳定性叶瓣图表示经受切削刀具和工件之间的自激颤振的过程的稳定性极限，该自激颤振由关于刀具（即，主轴）的转速和切削深度的再生现象引发。
计算稳定性叶瓣图所需的结构特性是刀具和工件之间的动态柔度。动态柔度由刀尖和工件之间的相对位移关于作用在刀尖和工件之间的对应力的频率响应函数来定义。
为了识别结构特性，通常使用利用仪表化冲击锤进行的冲击测试。仪表化冲击锤是这样一种装置，即它通过撞击测试结构（例如，刀具）将激振力脉冲引入到测试结构中并使得能够通过整合力传感器来测量所产生的力。通过测量对刀具中引发的冲击力的响应来确定刀具处的频率响应函数。为了获得刀具和工件之间的动态柔度，还必须在工件侧上测量频率响应函数，然后将其与在刀具侧上获得的频率响应函数相结合。
使用标准冲击锤的测量条件通常与机加工期间的加载条件极为不同，尤其是在刀具侧上。这是由于以下事实：出于安全原因，建议仅在非旋转刀具的情况下使用冲击锤，但是在机加工期间主轴轴杆（spindle shaft）的旋转可能会强烈影响所得到的刀尖动态特征。此外，由机加工过程产生的机械载荷可以表示为静态力分量和动力分量的相加；静态力分量对应于平均机加工力，而由锤产生的冲击不会引发任何静态载荷分量。因此，对于呈现出对加载参数或刀具转速的强烈依赖性的结构而言，机加工条件和测量条件之间的差异会导致重要的预测误差。对于其中轴杆由角接触滚珠轴承支撑的主轴而言，通常情况如此。所得到的接触角受轴杆的转速的影响，相应地轴承系统的刚度也受轴杆的转速的影响。这种轴承的刚度还取决于轴承的预载荷。机加工过程易于产生重要的静态载荷，静态载荷往往增大或减小轴承的有效预载荷并潜在地变更所得到的刚度。
此外，由于由操作者操控锤的手动操作，因此冲击的大小和位置可能显著变化，这导致所得到的频率响应的重大变化并因此导致大的测量不确定性。这在远离共振峰的频率范围内尤为如此，在共振峰处，较少的能量由冲击测试引发，但对于预测稳定性波瓣图仍然值得考虑。
EP 2824440描述了一种用于模态冲击测试的系统。该系统包括第一组部件和与第一组部件分离的第二组部件。第一组部件和第二组部件包括用于模态冲击测试的模态冲击测试系统。模态冲击测试系统的冲击系统被构造成冲击以操作速度旋转的测试元件。
用于确定机床的结构特性的已知系统和方法的缺点在于，测量条件不考虑可能由机加工过程产生的静态载荷与切削刀具的旋转相结合的影响，并因此与实际机加工条件不同，从而引起预测误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于确定机床的结构特性的系统和方法，其避免了现有技术解决方案的缺点。
特别地，本发明的目的是提供一种用于确定机床的结构特性的系统和方法，其改进了所确定的结构特性的准确性。
本发明的另外的目的是提供一种用于确定机床的结构特性的系统和方法，其实现了更自动化的设置。
根据本发明，这些目的是通过独立权利要求的特征实现的。另外，进一步有利的实施例由从属权利要求和描述产生。
EP 2916187涉及一种颤振数据库系统，其包括中央颤振数据库。中央数据库被馈送有对应于机加工刀具的机加工和颤振条件的数据。被馈送到中央颤振数据库的数据从包括在颤振数据库系统中的至少两个单独的机加工刀具获得和收集。数据被发送到中央颤振数据库，以基于真实条件产生颤振稳定性图。本发明中公开的系统和方法可以应用于EP2916187中公开的颤振数据库系统以确定机床的结构特性。
根据本发明的实施例，一种用于确定机床的结构特性的系统包括激振装置、预加载装置和感测装置。激振装置被构造成在机床中使用的刀具中（尤其是在刀具的圆柱形部分处）引发动态激振。预加载装置被构造成在刀具上产生静态力。应用感测装置以获取数据组，基于该数据组可以确定刀具的结构特性。对于强烈取决于特定因素的结构而言，有必要确定在代表机加工条件的测量条件下的结构特性。通过应用包括激振装置和预加载装置的系统，可以在刀具中引入动态载荷和静态载荷两者。因此，可以在测量条件下精确地模拟机加工条件。
在一个优选实施例中，当刀具围绕旋转轴线旋转时，可以应用该系统。当在刀具的旋转期间在刀具中引发动态激振时，可以获得更可靠的频率响应函数，其结果是对结构特性的准确确定。该实施例特别有利于确定机床的结构特性，诸如在铣削过程中使用的机床的结构特性。铣削是一种断续的切削过程，其在刀具旋转的同时在刀尖和工件之间产生周期性的切削力。这种所得到的载荷可以表示为沿径向和轴向两个方向的静态和动态切削力分量的组合。预加载装置可以产生表示平均切削力的静态力。因此，根据本发明的系统确保在更能代表机加工条件的测量条件下确定刀尖的结构特性，并且可以更精确地预测机床的结构特性。合乎逻辑地，可以获得更准确的铣削过程的稳定性叶瓣图。
在一个实施例中，预加载装置被构造成在刀具上产生磁力。产生的磁力等于预限定的静态力。
在一个变型中，预加载装置包括至少一个永磁体以沿刀具的旋转轴线的径向方向或轴向方向在刀具上产生磁力。
在另一个变型中，磁力由电磁体产生。预加载装置包括围绕芯的线圈。铁磁材料可以用作芯。通过施加通过线圈的电流，产生磁场。该变型具有通过改变电流来快速改变磁场的优点。
对于由在存在磁场的情况下易于磁化的（诸如，铁磁性的或抗磁性的）材料制成的刀具而言，布置在刀具附近的永磁体分别产生有吸引力的磁力、排斥的磁力，磁力取决于永磁体和刀具之间的距离、由永磁体产生的磁场强度、两个物体的几何形状以及刀具材料的磁导率。可以通常使用有限元方法来计算抑或通过将力传感器放置在预加载装置与机床工作台之间的力路径内来测量将在永磁体和刀具之间设置的用于实现预定预载荷的距离。
在一个有利变型中，预加载装置包括至少两个永磁体，以沿刀具的旋转轴线的径向方向和轴向方向在刀具上产生磁力。在该变型中，通过沿旋转轴线的径向方向布置的第一永磁体沿旋转轴线的径向方向产生第一磁力，同时通过沿旋转轴线的轴向方向布置的第二永磁体沿旋转轴线的轴向方向产生第二磁力。预限定的静态力可以包括沿径向方向和轴向方向的分量。通过将两个永磁体独立地整合在该系统中，可以在测量条件下单独地引入静态力的两个分量。
在优选实施例中，预加载装置还包括调节器件以用于将由永磁体产生的磁力调节到预限定的静态力。定位成靠近旋转刀具的永磁体产生静载荷。
在一个变型中，调节器件包括至少一个细螺纹螺钉，所述细螺纹螺钉操作地连接到永磁体使得永磁体和刀具之间的距离可以被改变，从而可以改变由永磁体产生的磁力。通过经细螺纹螺钉来调节刀具和磁体之间的间隙，有可能产生等效于预限定的静态力的力，例如切削力的静态力分量。这增强了系统的灵活性，并且同时可以以简单的方式调控作用在刀具上的静态力水平。
改变由永磁体产生的磁力的另一个变型是调节刀具和机床工作台之间的位置。例如，通过控制机床轴线，可以重新定位刀具以使得能够实现永磁体和刀具之间的距离的变化。由于可以精确地控制机器轴线，因此可以精确地控制距离和所得到的磁力。
在一个实施例中，当刀具是切削刀具时，预限定的静态力是切削力的静态力分量。切削刀具并不限于特定的机加工过程。它可以是在不同的机加工过程中使用的切削刀具：车削、成型、铣削、钻孔、磨削。
在铣削过程的应用中，待由预加载装置模拟的平均切削力通常可以高达500 N。使用例如50 mm直径的圆柱形钕铁硼永磁体并且考虑由具有30 mm的直径的铁磁材料制成的刀具以及永磁体和刀具之间大约1 mm的距离，可以实现这样的数量级。
在一些实施例中，激振装置被构造成通过使用冲击锤来引发冲击力。在优选的变型中，选择自动仪表化冲击锤装置以使得能够产生可调节的准确激振。自动冲击锤装置使用致动系统来自动地移动端部尖端，以便在冲击目标物体时产生适当的脉冲力。自动冲击锤使得能够产生可调节且可重复的冲击，并且通常配备有放置在端部尖端和致动系统之间的力传感器。特别地，在刀具的圆柱形部分上（例如，在切削刀具的切削部分上方的部分中）引发冲击力。然而，也可考虑使用其上没有形成切削部分但以相同的结构特性为特征的模拟刀具。
在一些实施例中，感测装置包括至少一个非接触式位移换能器以测量刀具的位置，使得可以得到刀具的位置的偏差。有利的是，以使得两个非接触式换能器在测量期间正交地定位在刀具的径向平面中的方式布置所述两个非接触式位移换能器。
在一些变型中，非接触式位移换能器是电容式传感器、或涡流传感器、或激光振动计。
在实施例中，感测装置包括用于测量作用在刀具上的冲击力的大小的第一力传感器。可以通过将刀具的测量位置用作响应信号并将所测量的冲击力用作输入信号来导出频率响应函数。
在另外的实施例中，该系统还包括控制器，该控制器被构造成控制激振装置，例如以控制由自动冲击锤产生的冲击力的触发和大小。控制器还被构造成接收由感测装置获取的数据组，诸如刀具的测量位置和由冲击锤在刀具中引发的冲击力。可以使用有线通信或无线通信将该数据组从感测装置转移到控制器。有可能将控制器构造成基于所接收的数据组确定结构特性。
使用自动冲击锤使得能够产生可调节且准确的激振。因此，必须校准冲击力的大小，以便产生代表对应的机加工过程的动态激振。由于自动冲击锤安装在固定装置上而不是由操作员手动操控，因此所产生的冲击的高重复性使得能够更准确地表征关键模式。使用控制器，整个测量程序也可以自动化。此外，它还允许在刀具旋转的同时冲击刀具而不会对操作者造成任何伤害风险，因为冲击锤不需要由操作员在机器的工作区域中进行任何操纵。
在一个变型中，可以使用整合在系统中的第二力传感器将由永磁体产生的磁力校准到预限定的静态力。例如，力传感器可以放置在永磁体和调节器件之间。
根据本发明的一个实施例，该系统用于确定在以下过程之一中使用的机床的结构特性：铣削过程、车削过程、成型过程、钻孔过程或磨削过程。
在一个变型中，选择可以自动放置在机床工作台上或从机床工作台移除的托盘系统作为支撑器件，该系统可以安装在该支撑器件上。托盘系统可包括用于通信和供电的对接装置。通过这种方式，可以进一步改进测试的自动化。
根据本发明的一个实施例，一种用于确定在机床中使用的机床的特性的方法包括以下步骤：将刀具安装到机床中的刀架；将包括激振装置、预加载装置和感测装置的系统稳定地放置成靠近刀具并处于激振装置可以在刀具中引发动态力并且预加载装置可以在刀具上施加静态力的位置中；以旋转状态操作刀具；通过激振装置在刀具中引发动态力；通过感测装置获取数据组；以及基于所获取的数据组确定机床的结构特性。
在优选实施例中，该方法还包括以下步骤：通过调节器件将由永磁体在刀具上产生的磁力调节到预限定的静态力；通过冲击锤将冲击力引发到刀具中；通过第一力传感器测量冲击力的大小；以及通过非接触式位移换能器测量刀具的位置。
附图说明
为了描述其中可以获得本公开的优点和特征的方式，在下文中，将通过参考在附图中图示的本公开的特定实施例来呈现对上文简要描述的原理的更具体的描述。这些附图仅描绘了本公开的示例性实施例，并且因此将不被视为限制其范围。通过使用附图，以附加的特征和细节来描述和解释本公开的原理，在附图中：
图1图示了系统的第一实施例的框图；
图2图示了系统的第一实施例的布置结构；
图3图示了系统的第二实施例的框图；
图4图示了系统的第二实施例的布置结构；
图5图示了系统的第三实施例的框图；
图6图示了系统的第三实施例的布置结构。
具体实施方式
图1图示了系统1的第一实施例的框图，该系统包括预加载装置10、作为激振装置的自动冲击锤21和感测装置30。预加载装置被构造成在机床中使用的刀具2上作用静态力，并且包括第一永磁体10a和第一调节器件11a。应用自动冲击锤以在刀具上引发动态激振。感测装置30包括非接触式位移换能器31以测量刀具的位置，从刀具的位置可以得到刀具位置的偏差。
图2示出了用于确定机床特性的第一实施例的布置结构。图2图示了确定例如在铣削过程中使用的切削刀具2a的特性的示例。然而，根据本发明的系统并不限于应用于铣削过程。待表征的切削刀具安装在铣床的主轴中。第一永磁体10a定位在切削刀具附近并沿切削刀具的旋转轴线的径向方向定位。第一调节器件11a在一个端部处连接到永磁体，并且在另一端部处连接到支撑框架40。调节器件布置成使得其位置可以沿着支撑框架变化，以确保永磁体的最佳定位。如图2中所示，永磁体沿刀具的旋转轴线的径向方向定位在刀具附近，并且距刀具具有在通常为0.5至20 mm之间的范围内的距离。支撑臂42安装在第一支撑框架上处于调节器件下方，并与调节器件平行。非接触式位移换能器布置在支撑臂上并定位成沿刀具的旋转轴线的径向方向进行测量，并且距刀具具有在通常为1至5 mm的范围内的距离。第一支撑框架竖直固定地安装在第一支撑基座41上，第一支撑基座41设计成在测试期间稳定地放置在例如机床的工作台上。自动冲击锤21安装在第二支撑框架43上，第二支撑框架43竖直固定地安装在第二支撑基座44上。第二支撑基座设计成防止传输易于干扰感测装置和预加载装置的反作用力。通过使用自动冲击锤代替由操作者手动操纵的标准冲击锤，所产生的冲击力的可重复性增加，并且因此通过使用该系统确定的结构特性更准确。为了获得频率响应函数，必须测量由冲击锤引发的冲击力的大小。因此，第一力传感器32整合在自动冲击锤上并在测试状态下定位成靠近冲击待表征的切削刀具的端部尖端。
如图2中所示的系统的布置结构允许在旋转状态下（如在机加工条件下，诸如以不同操作速度旋转）确定刀具的特性。
图3图示了系统1的第二实施例的框图。该实施例与第一实施例的不同之处在于，预加载装置附加地包括第二永磁体10b和第二调节器件11b，该第二调节器件操作地连接到第二永磁体以改进表征的精度。
图4示出了在测试期间的系统的第二实施例的布置结构。第二调节器件直接布置在第一支撑基座上，使得第二永磁体在测试状态下沿旋转轴线的轴向方向定位并且位于待表征的刀具下方。第一永磁体10a和第二永磁体10b分别沿旋转轴线的径向方向产生磁力和沿旋转轴线的轴向方向产生力。这提供了以下优点：可以更精确地模拟在机加工状态下作用在切削刀具2上的力。在铣削过程的情况下，作用在测试刀具上的磁力对应于机加工条件下的平均切削力。
图5和图6图示了系统的第三实施例，其中整合了控制器。控制器被构造成控制自动冲击锤、接收由非接触式位移换能器和第一力传感器测量的数据组。图6示出了通过线33和34将控制器连接到非位移换能器和第一力传感器以将数据从传感器传输到控制器的变型。控制器还通过线35连接到自动冲击锤，以使得能够调节和触发冲击力。然而，控制器和位移换能器、第一力传感器和自动冲击锤之间的无线通信也适用于提供系统的灵活设计。
参考列表
1 系统
2 刀具
2a 切削刀具
3 刀尖
10 预加载装置
10a 第一永磁体
10b 第二永磁体
11a 第一调节器件
11b 第二调节器件
20 激振装置
21 自动冲击锤
30 感测装置
31 位移换能器
32 第一力传感器
33 第一输出信号
34 第二输出信号
35 用于控制自动脉冲锤的通信线路
40 第一支撑框架
41 第一支撑基座
42 支撑臂
43 第二支撑框架
44 第二支撑基座
50 控制器

Claims (16)

1.一种用于确定机床的结构特性的系统（1），包括：
a. 激振装置（20），其被构造成在所述机床中使用的刀具（2）中引发动态激振；
b. 预加载（10）装置，其被构造成在所述刀具上产生静态力；以及
c. 感测装置（30），其用于获取数据组，基于所述数据组可以确定所述机床的所述结构特性。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，可以在所述刀具围绕旋转轴线旋转时应用所述系统。
3.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述预加载装置被构造成产生等于预限定的静态力的磁力。
4.根据前述权利要求3所述的系统，其中，所述预加载装置包括至少一个永磁体（10a、10b），以沿所述刀具的旋转轴线的径向方向或轴向方向在所述刀具上产生所述磁力。
5.根据前述权利要求3所述的系统，其中，所述预加载装置包括至少两个永磁体，以沿所述刀具的所述旋转轴线的径向方向和轴向方向产生所述磁力。
6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述预加载装置还包括调节器件（11a、11b），以用于将由所述永磁体产生的所述磁力调节到所述预限定的静态力。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述调节器件包括至少一个细螺纹螺钉，所述细螺纹螺钉操作地连接到所述永磁体使得所述永磁体和所述刀具之间的距离可以改变，从而由所述永磁体产生的磁力可以变化。
8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述预限定的静态力等于在所述刀具切削时的平均切削力。
9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述激振装置是冲击锤，优选地是自动冲击锤（21）。
10.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述感测装置包括至少一个非接触式位移换能器（31）以测量所述刀具的位置。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述非接触式位移换能器是电容式传感器、或涡流传感器、或激光振动计。
12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述感测装置包括用于测量所述冲击力的大小的第一力传感器（32）。
13.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述系统还包括控制器（50），所述控制器被构造成控制所述激振装置，以接收由所述感测装置获取的数据组并且基于所接收的所述数据组确定所述刀具的结构特性。
14.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，第二力传感器被整合在所述系统中以用于测量由所述预加载装置在所述刀具上产生的力。
15.一种用于确定机床的结构特性的方法，包括：
a. 将刀具安装到所述机床中的主轴；
b. 将根据权利要求1至14中任一项所述的系统稳定地放置成靠近所述刀具并处于激振装置可以在所述刀具中引发动态力并且所述预加载装置可以在所述刀具上施加静态力的位置中；
c. 以旋转状态操作所述刀具；
d. 通过所述激振装置将所述动态力引发到所述刀具中；
e. 通过所述感测装置获取数据组；以及
f. 基于所获取的所述数据组确定所述机床的结构特性。
16.根据权利要求15所述的方法，其包括：
a. 通过调节器件将由永磁体在所述刀具上产生的磁力调节到预限定的静态力；
b. 通过冲击锤将冲击力引发到所述刀具中；
c. 通过第一力传感器测量所述冲击力的大小；以及
d. 通过非接触式位移换能器测量所述刀具的位置。
CN201910469131.7A 2018-06-01 2019-05-31 用于确定机床的结构特性的系统和方法 Active CN110549165B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP18175533.1A EP3575768B1 (en) 2018-06-01 2018-06-01 System and method for determining structural characteristics of a machine tool
EP18175533.1 2018-06-01

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110549165A true CN110549165A (zh) 2019-12-10
CN110549165B CN110549165B (zh) 2023-03-31

Family

ID=62495696

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910469131.7A Active CN110549165B (zh) 2018-06-01 2019-05-31 用于确定机床的结构特性的系统和方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11022530B2 (zh)
EP (1) EP3575768B1 (zh)
JP (1) JP7346085B2 (zh)
CN (1) CN110549165B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111687465A (zh) * 2020-05-21 2020-09-22 天津大学 一种微铣削加工中空间刀具跳动参数测量装置及提取方法
CN112828679A (zh) * 2020-12-31 2021-05-25 西安交通大学 一种主轴切削力在线测量系统及方法
CN113484180A (zh) * 2021-06-21 2021-10-08 杭州电子科技大学 一种非接触式超声切削力加载实验装置及实验方法

Citations (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006006267A1 (de) * 2006-02-10 2007-08-16 Utimaco Safeware Ag Verfahren zur Auswahl eines Werkzeugsatzes sowie System und Verwendung hierfür
CN101493686A (zh) * 2009-02-26 2009-07-29 上海交通大学 刀具模态参数不确定的曲面五轴数控工艺参数优化方法
CN102152173A (zh) * 2011-02-24 2011-08-17 大连理工大学 加工中心整机相对动刚度测试系统
CN102589882A (zh) * 2012-01-11 2012-07-18 西安交通大学 由弹簧和压电致动器构成的径向轴承静动态激振装置
CN102825505A (zh) * 2012-08-27 2012-12-19 华南理工大学 基于机器视觉的机床刀具在位检测系统
WO2013088849A1 (ja) * 2011-12-16 2013-06-20 株式会社日立製作所 切削加工装置及びそれを用いた加工方法
CN103217349A (zh) * 2013-04-03 2013-07-24 西安交通大学 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
CN103323200A (zh) * 2013-05-15 2013-09-25 华中科技大学 主轴空运行激励下速度相关的刀尖点模态参数的获取方法
CN103926094A (zh) * 2014-03-20 2014-07-16 西安交通大学 一种模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置及方法
CN203765074U (zh) * 2014-02-28 2014-08-13 乔治费歇尔汽车产品(苏州)有限公司 汽车转向支架切边模切刀位置调节装置
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
CN104677633A (zh) * 2015-03-26 2015-06-03 吉林大学 径向液体静压轴承可靠性试验台
US20170082416A1 (en) * 2015-09-22 2017-03-23 Mikron Agie Charmilles Ag Optical measuring probe calibration
CN206300851U (zh) * 2016-12-26 2017-07-04 上海誉和钻石工具有限公司 一种用于检测超硬刀具焊接强度的冲击检测装置
CN107300470A (zh) * 2017-08-14 2017-10-27 吉林大学 轴箱轴承综合性能试验台
CN107462415A (zh) * 2017-07-20 2017-12-12 哈尔滨理工大学 利用气体激振的高速主轴系统动力学测试装置及测试方法
CN107505108A (zh) * 2017-08-30 2017-12-22 浙江理工大学 密封口环动静态激振力作用特性参数测试装置及方法
CN107571042A (zh) * 2017-09-08 2018-01-12 桂林加宏汽车修理有限公司 一种数控机床工件自动安装的方法及系统
US20180120262A1 (en) * 2016-10-28 2018-05-03 Industrial Technology Research Institute Non-contact dynamic stiffness measurment system and method
DE102016221626A1 (de) * 2016-11-04 2018-05-09 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren und Anordnung zur Überwachung des Ritzprozesses beim Ritzen von Bauteilen mit einem Ritzwerkzeug

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5969245A (ja) * 1982-09-24 1984-04-19 Seiko Instr & Electronics Ltd 切削状態検出装置
JPH07113725A (ja) * 1993-10-18 1995-05-02 Nikon Corp 動揺度測定用プローブ
IT1279062B1 (it) * 1995-11-21 1997-12-04 Pirelli Apparecchiatura per una prova di superamento ostacolo di una ruota comprendente un cerchio e un pneumatico
JP3383537B2 (ja) * 1996-12-18 2003-03-04 日立粉末冶金株式会社 軸受用試験機
US6349600B1 (en) * 1999-03-15 2002-02-26 The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of Commerce Device for stable speed determination in machining
US6859674B1 (en) * 2000-04-28 2005-02-22 Ford Motor Company Method for designing and acquiring a machining system based upon performance characteristics
JP3598348B2 (ja) 2001-09-18 2004-12-08 独立行政法人物質・材料研究機構 材料の静負荷付与下での制振特性評価方法及びその制振特性評価を得るための装置
US6993410B2 (en) * 2003-03-25 2006-01-31 Donald M. Esterling Active electromagnetic device for measuring the dynamic response of a tool in a CNC machine
US6938500B2 (en) 2003-06-17 2005-09-06 The Boeing Company Spindle test apparatus and method
JP4635526B2 (ja) 2003-09-10 2011-02-23 日産自動車株式会社 ロータ制動面の加工装置および加工方法並びにロータ制動面の加工装置の制御プログラム
US10191017B2 (en) * 2012-07-06 2019-01-29 Jtekt Corporation Dynamic characteristic calculation apparatus and its method for machine tool
US9134212B2 (en) 2013-07-08 2015-09-15 The Boeing Company Modal impact testing assembly, system and method
EP2916187B1 (en) 2014-03-05 2018-11-07 Mikron Agie Charmilles AG Improved database for chatter predictions
JP2017138115A (ja) * 2016-02-01 2017-08-10 上銀科技股▲分▼有限公司 リニアスライドに適用する予圧検測方法

Patent Citations (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006006267A1 (de) * 2006-02-10 2007-08-16 Utimaco Safeware Ag Verfahren zur Auswahl eines Werkzeugsatzes sowie System und Verwendung hierfür
CN101493686A (zh) * 2009-02-26 2009-07-29 上海交通大学 刀具模态参数不确定的曲面五轴数控工艺参数优化方法
CN102152173A (zh) * 2011-02-24 2011-08-17 大连理工大学 加工中心整机相对动刚度测试系统
WO2013088849A1 (ja) * 2011-12-16 2013-06-20 株式会社日立製作所 切削加工装置及びそれを用いた加工方法
CN102589882A (zh) * 2012-01-11 2012-07-18 西安交通大学 由弹簧和压电致动器构成的径向轴承静动态激振装置
CN102825505A (zh) * 2012-08-27 2012-12-19 华南理工大学 基于机器视觉的机床刀具在位检测系统
CN103217349A (zh) * 2013-04-03 2013-07-24 西安交通大学 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
CN103323200A (zh) * 2013-05-15 2013-09-25 华中科技大学 主轴空运行激励下速度相关的刀尖点模态参数的获取方法
CN203765074U (zh) * 2014-02-28 2014-08-13 乔治费歇尔汽车产品(苏州)有限公司 汽车转向支架切边模切刀位置调节装置
CN103926094A (zh) * 2014-03-20 2014-07-16 西安交通大学 一种模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置及方法
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
CN104677633A (zh) * 2015-03-26 2015-06-03 吉林大学 径向液体静压轴承可靠性试验台
US20170082416A1 (en) * 2015-09-22 2017-03-23 Mikron Agie Charmilles Ag Optical measuring probe calibration
US20180120262A1 (en) * 2016-10-28 2018-05-03 Industrial Technology Research Institute Non-contact dynamic stiffness measurment system and method
DE102016221626A1 (de) * 2016-11-04 2018-05-09 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren und Anordnung zur Überwachung des Ritzprozesses beim Ritzen von Bauteilen mit einem Ritzwerkzeug
CN206300851U (zh) * 2016-12-26 2017-07-04 上海誉和钻石工具有限公司 一种用于检测超硬刀具焊接强度的冲击检测装置
CN107462415A (zh) * 2017-07-20 2017-12-12 哈尔滨理工大学 利用气体激振的高速主轴系统动力学测试装置及测试方法
CN107300470A (zh) * 2017-08-14 2017-10-27 吉林大学 轴箱轴承综合性能试验台
CN107505108A (zh) * 2017-08-30 2017-12-22 浙江理工大学 密封口环动静态激振力作用特性参数测试装置及方法
CN107571042A (zh) * 2017-09-08 2018-01-12 桂林加宏汽车修理有限公司 一种数控机床工件自动安装的方法及系统

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111687465A (zh) * 2020-05-21 2020-09-22 天津大学 一种微铣削加工中空间刀具跳动参数测量装置及提取方法
CN112828679A (zh) * 2020-12-31 2021-05-25 西安交通大学 一种主轴切削力在线测量系统及方法
CN112828679B (zh) * 2020-12-31 2022-02-22 西安交通大学 一种主轴切削力在线测量系统及方法
CN113484180A (zh) * 2021-06-21 2021-10-08 杭州电子科技大学 一种非接触式超声切削力加载实验装置及实验方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110549165B (zh) 2023-03-31
US11022530B2 (en) 2021-06-01
JP7346085B2 (ja) 2023-09-19
US20190368990A1 (en) 2019-12-05
EP3575768B1 (en) 2021-10-20
JP2019209474A (ja) 2019-12-12
EP3575768A1 (en) 2019-12-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110549165B (zh) 用于确定机床的结构特性的系统和方法
CN109715321B (zh) 切削刃的偏转的估算
US6993410B2 (en) Active electromagnetic device for measuring the dynamic response of a tool in a CNC machine
EP2642242B1 (en) Measuring device including feeler for workpieces
EP2824440B1 (en) Modal impact testing assembly, system and method
JP5967972B2 (ja) エンドエフェクタクランプのための力及び垂直性の検出
CN108603783B (zh) 用于确定刀具的振动幅度的方法和装置
US8950507B2 (en) Device for preventing vibrations in a tool spindle
US7536924B2 (en) Flexure-based dynamometer for determining cutting force
JP6950856B2 (ja) 切削工具、切削システム、処理方法および処理プログラム
KR20230036160A (ko) 전동 공구와 전동 공구의 이벤트 및/또는 상태를 식별하기 위한 방법
Denkena et al. Process monitoring with a force sensitive axis-slide for machine tools
US20200386651A1 (en) Automatic machine health assessment system for assessing health of a machining tool
JP4940904B2 (ja) かつぎ量計測装置
Ramsauer et al. Flexure-based dynamometer for vector-valued milling force measurement
JP4538653B2 (ja) マイクロ加工装置
Stavropoulos et al. On the design of a monitoring system for desktop micro-milling machines
Sarhan et al. Compensation of machine tool spindle error motions in the radial direction for accurate monitoring of cutting forces utilizing sensitive displacement sensors
Esterling et al. Non-contact device for measuring frequency response functions of CNC machine tools
Ozturk et al. A study on the effects of spindle speed on tool tip dynamics
Dörgeloh et al. Spindle Balancing for Ultra-Precision High Speed Cutting
JP2015116621A (ja) ドリル加工装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
CB02 Change of applicant information
CB02 Change of applicant information

Address after: Bienne

Applicant after: George Fisher process solutions

Applicant after: Inspur AG

Address before: Swiss Road

Applicant before: George Fisher process solutions

Applicant before: Inspur AG

SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant