CN112763168B - 一种加工中心三向静刚度测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加工中心三向静刚度测试系统，包括工作平台、用于施加载荷的假刀、设置在工作平台上方用于对假刀施加静载荷的检测机构和数据采集处理器，所述检测机构包括检测平台、对称设置在检测平台上端的两个固定块和转动设置在检测平台上方的检测板，两个所述固定块之间设有半圆环导轨，两个所述半圆环导轨的中部滑动的设有滑套，本发明中，通过静载荷施加组件和位移检测组件的相互配合，能够快速对加工中心主轴的X和Y方向的静刚度进行测试或检测，测试机构整体紧凑，安装简单快速，能够适用于小型加工中心的静刚度测试，而且测试系统能够对主轴的位移变化做出快速的反应，不会损坏加工中心内部的精密零部件。

Description

一种加工中心三向静刚度测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及加工中心静刚度测试技术领域，尤其涉及一种加工中心三向静刚度测试系统及测试方法。

背景技术

静刚度的定义:主轴单元的静刚度K,定义为使主轴前端产生单位径向位移时,在位移方向施加的力为Fr,则：K=Fr/δ;主轴单元的静刚度通常分为X、Y、Z轴三个方向,其中X、Y方向的刚度称为径向刚度，Z方向(与主轴轴心线重合)的刚度称为轴向刚度。一般情况，径向刚度远比轴向刚度重要，是衡量主轴单元刚度的重要指标,通常用来代替主轴的刚度。

目前静刚度检测装置的施力装置大多都是由气缸或液压油缸来作为机床静刚度加载的动力源，然后在气缸/液压油缸的前端安装压力传感器（SP），这种施力装置一般要有配套的控制系统（如压力控制系统）及控制逻辑电路来完成工作，附件太多安装较为繁琐从而导致整体检测速度过慢，而且这种施力装置不适用于小型加工中心的静刚度测试，通用性较差。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决传统的施力装置安装较为繁琐，整体测试速度较慢的问题，而提出的一种加工中心三向静刚度测试系统。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种加工中心三向静刚度测试系统，包括工作平台、用于施加载荷的假刀、设置在工作平台上方用于对假刀施加静载荷的检测机构和数据采集处理器；

所述检测机构包括检测平台、对称设置在检测平台上端的两个固定块和转动设置在检测平台上方的检测板，两个所述固定块之间设有半圆环导轨，两个所述半圆环导轨的中部滑动的设有滑套，所述检测板的两端与两个滑套相连接，所述检测板的上端设有检测组件，所述检测平台的上端还设有环形齿块，右侧所述滑套的一侧设有驱动组件；

所述驱动组件包括壳体、设置在壳体一侧的第一驱动电机和转动设置在壳体内部的第一蜗杆与第一驱动齿轮，所述第一驱动电机的输出端与第一蜗杆的一端连接，所述第一蜗杆与第一驱动齿轮相互啮合，所述第一驱动齿轮与检测平台上端设置的环形齿块相互啮合；

所述检测组件包括设置在检测板上端一侧的静载荷施加组件与挡块以及滑动设置在检测板上端另一侧的位移检测组件，所述挡块靠近静载荷施加组件的一端设有压力传感器；

所述静载荷施加组件包括滑动设置在检测板上端一侧的滑动块，所述滑动块的内部滑动的设有T型顶杆和U型顶杆，所述滑动块的内部对称转动的设置有从动齿轮，所述T型顶杆的两端设有齿条，且与从动齿轮相互啮合，所述U型顶杆靠近从动齿轮的一侧设有齿条，且U型顶杆内侧的齿条与从动齿轮相互啮合，所述T型顶杆的头部通过螺纹连接有球型顶块，所述U型顶杆远离滑动块的一端设有圆台型顶块，所述滑动块的上端设有机壳，所述机壳的一端设有第二驱动电机，所述机壳的内部转动设有第二蜗杆和第二从动蜗轮，所述第二驱动电机的输出端与第二蜗杆的一端连接，所述第二蜗杆和第二从动蜗轮相互啮合，所述T型顶杆靠近第二从动蜗轮的一端也设有齿块，且齿块与第二从动蜗轮相互啮合；

所述位移检测组件包括滑块和设置在滑块上端的电涡流位移传感器，所述滑块通过定位螺栓固定在检测板的上端。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述工作平台的上端通过定位螺栓设有平面位移微调平台，所述平面位移微调平台的上端设有调平组件，所述调平组件包括均布设置在平面位移微调平台上端的四根调节丝杆，所述调节丝杆的上端通过螺纹连接套设有调节套筒，四个所述调节套筒的上端通过球铰座连接有检测平台。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述T型顶杆、U型顶杆、压力传感器和电涡流位移传感器均在同一水平面内。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述压力传感器和电涡流位移传感器的信号输出端与数据采集处理器的输入端相连接，所述数据采集处理器的输出端与第一驱动电机和第二驱动电机的信号输入端连接。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述检测板的中部开设有用于放置假刀的凹孔。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述假刀的刀头为球状，并经调质处理。

作为上述技术方案的进一步描述：

包括下列步骤：a.先将电涡流位移传感器通过定位螺栓安装到检测板上适当位置，然后通过调平组件将检测平台调至水平，再将假刀安装到机床主轴上，调节主轴位置，将假刀刀头的中心高度调节至与球型顶块的中心高度等高，固定主轴位置，通过调节平面位移微调平台使得假刀刀头的铅垂线与检测板中部凹孔的圆心重合。

b.将压力传感器和电涡流位移传感器与数据采集处理器通过数据线连接，再将第一驱动电机和第二驱动电机与数据采集处理器通过数据线连接，完成测量准备工作。

c.将初始时测量的静刚度方向记为X轴静刚度Kx，并记录此时的压力传感器对应的读数为Fx₀及电涡流位移传感器的读数为Lx₀，作为初始读数,启动静载荷施加组件内部的第二驱动电机后，通过压力传感器采集得到对应方向的作用力记为Fx₁~Fx_n，通过电涡流位移传感器采集得到假刀对应的位移变化量记为Lx₁~Lx_n。

d.启动第一驱动电机，使得检测组件转动π/2个弧度，将这时测量的静刚度方向记为Y轴静刚度Ky，并记录此时的压力传感器对应的读数为Fy₀及电涡流位移传感器的读数为Ly₀，作为初始读数,启动静载荷施加组件内部的第二驱动电机后，通过压力传感器采集得到对应方向的作用力记为Fy₁~Fy_n，通过电涡流位移传感器采集得到假刀对应的位移变化量记为Ly₁~Ly_n。

e.将上述多组有效数据代入加工中心主轴静刚度检测公式：

K=Fr/δ既K=（Fx_n-Fx_n-1）/（Lx_n-Lx_n-1）或K=（Fy_n-Fy_n-1）/（Ly_n-Ly_n-1）；

式中：K一加工中心主轴静刚度；

Fr一加工中心主轴径向载荷；

δ一加工中心主轴径向位移。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，通过静载荷施加组件和位移检测组件的相互配合，能够快速对加工中心主轴的X和Y方向的静刚度进行测试或检测，测试机构整体紧凑，安装简单快速，能够适用于小型加工中心的静刚度测试，而且测试系统能够对主轴的位移变化做出快速的反应，不会损坏加工中心内部的精密零部件。

2、本发明中，通过驱动组件和位移检测组件的相互配合，能够快速检测假刀在平面的位置，通过数据采集处理器和加工中心的数据共享能够快速调节假刀到指定测试位置，加快了整体检测的时间，通过平面位移微调平台和调平组件确保了检测时的数据可靠有效。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例提供的调平组件结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例提供的检测机构结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例提供的检测机构俯视图；

图4示出了根据本发明实施例提供的检测机构转动示意图；

图5示出了根据本发明实施例提供的静载荷施加组件结构示意图；

图6示出了根据本发明实施例提供的滑动块剖视图；

图7示出了根据本发明实施例提供的T型顶杆结构示意图；

图8示出了根据本发明实施例提供的位移检测组件结构示意图。

图例说明：

1、工作平台；2、平面位移微调平台；3、调平组件；4、检测机构；5、检测组件；6、假刀；7、数据采集处理器；31、调节丝杆；32、调节套筒；41、检测平台；42、固定块；43、半圆环导轨；44、滑套；45、检测板；46、环形齿块；47、驱动组件；471、壳体；472、第一驱动电机；473、第一蜗杆；474、第一驱动齿轮；51、静载荷施加组件；52、位移检测组件；521、滑块；522、电涡流位移传感器；53、挡块；54、压力传感器；511、滑动块；512、T型顶杆；5121、球型顶块；513、从动齿轮；514、U型顶杆；5141、圆台型顶块；515、机壳；516、第二驱动电机；517、第二蜗杆；518、第二从动蜗轮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种加工中心三向静刚度测试系统及测试方法，包括工作平台1、用于施加载荷的假刀6、设置在工作平台1上方用于对假刀6施加静载荷的检测机构4和数据采集处理器7；

检测机构4包括检测平台41、对称设置在检测平台41上端的两个固定块42和转动设置在检测平台41上方的检测板45，两个固定块42之间设有半圆环导轨43，两个半圆环导轨43的中部滑动的设有滑套44，检测板45的两端与两个滑套44相连接，检测板45的上端设有检测组件5，检测平台41的上端还设有环形齿块46，右侧滑套44的一侧设有驱动组件47；

驱动组件47包括壳体471、设置在壳体471一侧的第一驱动电机472和转动设置在壳体471内部的第一蜗杆473与第一驱动齿轮474，第一驱动电机472的输出端与第一蜗杆473的一端连接，第一蜗杆473与第一驱动齿轮474相互啮合，第一驱动齿轮474与检测平台41上端设置的环形齿块46相互啮合；

检测组件5包括设置在检测板45上端一侧的静载荷施加组件51与挡块53以及滑动设置在检测板45上端另一侧的位移检测组件52，挡块53靠近静载荷施加组件51的一端设有压力传感器54；

静载荷施加组件51包括滑动设置在检测板45上端一侧的滑动块511，滑动块511的内部滑动的设有T型顶杆512和U型顶杆514，滑动块511的内部对称转动的设置有从动齿轮513，T型顶杆512的两端设有齿条，且与从动齿轮513相互啮合，U型顶杆514靠近从动齿轮513的一侧设有齿条，且U型顶杆514内侧的齿条与从动齿轮513相互啮合，T型顶杆512的头部通过螺纹连接有球型顶块5121，U型顶杆514远离滑动块511的一端设有圆台型顶块5141，滑动块511的上端设有机壳515，机壳515的一端设有第二驱动电机516，机壳515的内部转动设有第二蜗杆517和第二从动蜗轮518，第二驱动电机516的输出端与第二蜗杆517的一端连接，第二蜗杆517和第二从动蜗轮518相互啮合，T型顶杆512靠近第二从动蜗轮518的一端也设有齿块，且齿块与第二从动蜗轮518相互啮合；

位移检测组件52包括滑块521和设置在滑块521上端的电涡流位移传感器522，滑块521通过定位螺栓固定在检测板45的上端。

进一步，工作平台1的上端通过定位螺栓设有平面位移微调平台2，平面位移微调平台2的上端设有调平组件3，调平组件3包括均布设置在平面位移微调平台2上端的四根调节丝杆31，调节丝杆31的上端通过螺纹连接套设有调节套筒32，四个调节套筒32的上端通过球铰座连接有检测平台41。

进一步，T型顶杆512、U型顶杆514、压力传感器54和电涡流位移传感器522均在同一水平面内。

进一步，压力传感器54和电涡流位移传感器522的信号输出端与数据采集处理器7的输入端相连接，数据采集处理器7的输出端与第一驱动电机472和第二驱动电机516的信号输入端连接，数据采集处理器7的信号输出端还与显示屏的信号输入端连接。

进一步，检测板45的中部开设有用于放置假刀6的凹孔。

进一步，假刀6的刀头为球状，并经调质处理。

进一步，包括下列步骤：a.先将电涡流位移传感器522通过定位螺栓安装到检测板45上适当位置，然后通过调平组件3将检测平台41调至水平，再将假刀6安装到机床主轴上，调节主轴位置，将假刀6刀头的中心高度调节至与球型顶块5121的中心高度等高，固定主轴位置，通过调节平面位移微调平台2使得假刀6刀头的铅垂线与检测板45中部凹孔的圆心重合。

b.将压力传感器54和电涡流位移传感器522与数据采集处理器7通过数据线连接，再将第一驱动电机472和第二驱动电机516与数据采集处理器7通过数据线连接，完成测量准备工作。

c.将初始时测量的静刚度方向记为X轴静刚度Kx，并记录此时的压力传感器54对应的读数为Fx₀及电涡流位移传感器522的读数为Lx₀，作为初始读数,启动静载荷施加组件51内部的第二驱动电机516后，通过压力传感器54采集得到对应方向的作用力记为Fx₁~Fx_n，通过电涡流位移传感器522采集得到假刀6对应的位移变化量记为Lx₁~Lx_n。

d.启动第一驱动电机472，使得检测组件5转动π/2个弧度，将这时测量的静刚度方向记为Y轴静刚度Ky，并记录此时的压力传感器54对应的读数为Fy₀及电涡流位移传感器522的读数为Ly₀，作为初始读数,启动静载荷施加组件51内部的第二驱动电机516后，通过压力传感器54采集得到对应方向的作用力记为Fy₁~Fy_n，通过电涡流位移传感器522采集得到假刀6对应的位移变化量记为Ly₁~Ly_n。

e.将上述多组有效数据代入加工中心主轴静刚度检测公式：

K=Fr/δ既K=（Fx_n-Fx_n-1）/（Lx_n-Lx_n-1）或K=（Fy_n-Fy_n-1）/（Ly_n-Ly_n-1）；

式中：K一加工中心主轴静刚度；

Fr一加工中心主轴径向载荷；

δ一加工中心主轴径向位移。

工作原理：使用时，先将平面位移微调平台2通过定位螺栓放置于假刀6下方的工作平台1上，再将电涡流位移传感器522通过定位螺栓安装到检测板45上适当位置，通过转动调节套筒32将检测平台41调至水平，将假刀6安装到机床主轴上，调节主轴位置，将假刀6刀头的中心高度调节至与球型顶块5121的中心高度等高，固定主轴位置，启动第一驱动电机472，第一驱动电机472驱使第一蜗杆473转动，第一蜗杆473驱使第一驱动齿轮转动，从而使得滑套44在半圆环导轨43的中部滑动，进一步使得检测板45转动一定的角度，通过电涡流位移传感器522对假刀6进行测距，将数据传输给数据采集处理器7，数据采集处理器7通过处理确定假刀6在平面内的位置后将数据传输给显示器，然后在通过平面位移微调平台2再次调整检测机构4的平面位置，使得假刀6的中心线与检测板45中部凹孔的圆心重合，

将初始时测量的静刚度方向记为X轴静刚度Kx，并记录此时的压力传感器54对应的读数为Fx₀及电涡流位移传感器522的读数为Lx₀，作为初始读数,启动静载荷施加组件51内部的第二驱动电机516，第二驱动电机516驱使第二蜗杆517转动，从而使得第二从动蜗轮518转动，第二从动蜗轮518驱使T型顶杆512伸出，进一步使得两个从动齿轮513转动，从动齿轮513进而驱使U型顶杆514伸出，球型顶块5121对假刀6的中心进行挤压，圆台型顶块5141对压力传感器54进行挤压，根据牛顿第三定律既对假刀6的作用力等于对压力传感器54的作用力，球型顶块5121与假刀6的点对点接触消除了齿轮啮合之间的虚位移，通过压力传感器54采集得到对应方向的作用力记为Fx₁~Fx_n，通过电涡流位移传感器522采集得到假刀6对应的位移变化量记为Lx₁~Lx_n，并在显示器中绘制出δ随Fr变化而变化的图像，当观察图像上的为有固定斜率的直线后，反转第二驱动电机516使得球型顶块5121与假刀6脱离，

启动第一驱动电机472，使得检测组件5转动π/2个弧度，将这时测量的静刚度方向记为Y轴静刚度Ky，并记录此时的压力传感器54对应的读数为Fy₀及电涡流位移传感器522的读数为Ly₀，作为初始读数,启动静载荷施加组件51内部的第二驱动电机516后，通过压力传感器54采集得到对应方向的作用力记为Fy₁~Fy_n，通过电涡流位移传感器522采集得到假刀6对应的位移变化量记为Ly₁~Ly_n，并在显示器中绘制出δ随Fr变化而变化的图像，当观察图像上的为有固定斜率的直线后，反转第二驱动电机516使得球型顶块5121与假刀6脱离，然后将上述多组有效数据代入加工中心主轴静刚度检测公式；

K=Fr/δ既K=（Fx_n-Fx₁）/（Lx_n-Lx_n-1）或K=（Fy_n-Fy_n-1）/（Ly_n-Ly_n-1）。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种加工中心三向静刚度测试系统，其特征在于，包括工作平台（1）、用于施加载荷的假刀（6）、设置在工作平台（1）上方用于对假刀（6）施加静载荷的检测机构（4）和数据采集处理器（7）；

所述检测机构（4）包括检测平台（41）、对称设置在检测平台（41）上端的两个固定块（42）和转动设置在检测平台（41）上方的检测板（45），两个所述固定块（42）之间设有半圆环导轨（43），两个所述半圆环导轨（43）的中部滑动的设有滑套（44），所述检测板（45）的两端与两个滑套（44）相连接，所述检测板（45）的上端设有检测组件（5），所述检测平台（41）的上端还设有环形齿块（46），右侧所述滑套（44）的一侧设有驱动组件（47）；

所述驱动组件（47）包括壳体（471）、设置在壳体（471）一侧的第一驱动电机（472）和转动设置在壳体（471）内部的第一蜗杆（473）与第一驱动齿轮（474），所述第一驱动电机（472）的输出端与第一蜗杆（473）的一端连接，所述第一蜗杆（473）与第一驱动齿轮（474）相互啮合，所述第一驱动齿轮（474）与检测平台（41）上端设置的环形齿块（46）相互啮合；

所述检测组件（5）包括设置在检测板（45）上端一侧的静载荷施加组件（51）与挡块（53）以及滑动设置在检测板（45）上端另一侧的位移检测组件（52），所述挡块（53）靠近静载荷施加组件（51）的一端设有压力传感器（54）；

所述静载荷施加组件（51）包括滑动设置在检测板（45）上端一侧的滑动块（511），所述滑动块（511）的内部滑动的设有T型顶杆（512）和U型顶杆（514），所述滑动块（511）的内部对称转动的设置有从动齿轮（513），所述T型顶杆（512）的两端设有齿条，且与从动齿轮（513）相互啮合，所述U型顶杆（514）靠近从动齿轮（513）的一侧设有齿条，且U型顶杆（514）内侧的齿条与从动齿轮（513）相互啮合，所述T型顶杆（512）的头部通过螺纹连接有球型顶块（5121），所述U型顶杆（514）远离滑动块（511）的一端设有圆台型顶块（5141），所述滑动块（511）的上端设有机壳（515），所述机壳（515）的一端设有第二驱动电机（516），所述机壳（515）的内部转动设有第二蜗杆（517）和第二从动蜗轮（518），所述第二驱动电机（516）的输出端与第二蜗杆（517）的一端连接，所述第二蜗杆（517）和第二从动蜗轮（518）相互啮合，所述T型顶杆（512）靠近第二从动蜗轮（518）的一端也设有齿块，且齿块与第二从动蜗轮（518）相互啮合；

所述位移检测组件（52）包括滑块（521）和设置在滑块（521）上端的电涡流位移传感器（522），所述滑块（521）通过定位螺栓固定在检测板（45）的上端。

2.根据权利要求1所述的一种加工中心三向静刚度测试系统，其特征在于，所述工作平台（1）的上端通过定位螺栓设有平面位移微调平台（2），所述平面位移微调平台（2）的上端设有调平组件（3），所述调平组件（3）包括均布设置在平面位移微调平台（2）上端的四根调节丝杆（31），所述调节丝杆（31）的上端通过螺纹连接套设有调节套筒（32），四个所述调节套筒（32）的上端通过球铰座连接有检测平台（41）。

3.根据权利要求1所述的一种加工中心三向静刚度测试系统，其特征在于，所述T型顶杆（512）、U型顶杆（514）、压力传感器（54）和电涡流位移传感器（522）均在同一水平面内。

4.根据权利要求1所述的一种加工中心三向静刚度测试系统，其特征在于，所述压力传感器（54）和电涡流位移传感器（522）的信号输出端与数据采集处理器（7）的输入端相连接，所述数据采集处理器（7）的输出端与第一驱动电机（472）和第二驱动电机（516）的信号输入端连接。

5.根据权利要求1所述的一种加工中心三向静刚度测试系统，其特征在于，所述检测板（45）的中部开设有用于放置假刀（6）的凹孔。

6.根据权利要求1所述的一种加工中心三向静刚度测试系统，其特征在于，所述假刀（6）的刀头为球状，并经调质处理。

7.根据权利要求1所述的一种加工中心三向静刚度测试系统的测试方法，其特征在于，包括下列步骤：

a.先将电涡流位移传感器（522）通过定位螺栓安装到检测板（45）上适当位置，然后通过调平组件（3）将检测平台（41）调至水平，再将假刀（6）安装到机床主轴上，调节主轴位置，将假刀（6）刀头的中心高度调节至与球型顶块（5121）的中心高度等高，固定主轴位置，通过调节平面位移微调平台（2）使得假刀（6）刀头的铅垂线与检测板（45）中部凹孔的圆心重合；

b.将压力传感器（54）和电涡流位移传感器（522）与数据采集处理器（7）通过数据线连接，再将第一驱动电机（472）和第二驱动电机（516）与数据采集处理器（7）通过数据线连接，完成测量准备工作；

c.将初始时测量的静刚度方向记为X轴静刚度Kx，并记录此时的压力传感器（54）对应的读数为Fx₀及电涡流位移传感器（522）的读数为Lx₀，作为初始读数,启动静载荷施加组件（51）内部的第二驱动电机（516）后，通过压力传感器（54）采集得到对应方向的作用力记为Fx₁~Fx_n，通过电涡流位移传感器（522）采集得到假刀（6）对应的位移变化量记为Lx₁~Lx_n；

d.启动第一驱动电机（472），使得检测组件（5）转动π/2个弧度，将这时测量的静刚度方向记为Y轴静刚度Ky，并记录此时的压力传感器（54）对应的读数为Fy₀及电涡流位移传感器（522）的读数为Ly₀，作为初始读数,启动静载荷施加组件（51）内部的第二驱动电机（516）后，通过压力传感器（54）采集得到对应方向的作用力记为Fy₁~Fy_n，通过电涡流位移传感器（522）采集得到假刀（6）对应的位移变化量记为Ly₁~Ly_n；

e.将上述多组有效数据代入加工中心主轴静刚度检测公式：

K=Fr/δ既K=（Fx_n-Fx_n-1）/（Lx_n-Lx_n-1）或K=（Fy_n-Fy_n-1）/（Ly_n-Ly_n-1）；

式中：K一加工中心主轴静刚度；

Fr一加工中心主轴径向载荷；

δ一加工中心主轴径向位移。

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