CN112798314A - 一种专用数控摆角铣头的动静热特性测试自动可调姿工装 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种专用数控摆角铣头的动静热特性测试自动可调姿工装，通过该工装向铣头不同方向施加不同的载荷，从而得到该特种铣头的形变量，进而得到该铣头静刚度、模态振型、热变形等各项特性。由于该特种铣头具有A、B、C三个方向的旋转轴，使用该专用检验装置对铣头进行法向载荷加载后利用力、位移传感器(或百分表)测得施加载荷大小及铣头各方向的变形量。本发明针对该铣头三旋转轴特点，操作简单，可调性高，耐用性好。

Description

一种专用数控摆角铣头的动静热特性测试自动可调姿工装

技术领域

本发明涉及数控摆角铣头的动静热特性测试自动可调姿工装，具体来说可根据一种专用数控铣头ABC轴不同旋转位置而进行调姿的专用测试型工装，属于数控加工领域。

背景技术

多轴联动数控机床对于一个国家的航天航空、船舶舰艇制造实力高低起到了至关重要的作用，而多轴数控摆角铣头又是其中的重要组成部分。一台高质量的数控摆角铣头在保证其加工效率的同时，又能确保较高的加工精度。在实际生产过程中，一些要求高精度加工精度的工件主要依赖于机床及摆角铣头的加工精度，因此如何测量铣头的加工精度，并在测试环节取得精确数据就显得十分重要。

目前，在国内高精度机床制造领域，对于通用型摆角铣头的动静态特征研究较为深入。但是由于某些零件的特殊加工要求或加工空间限制，因此研制了以ABC为旋转轴的一种专用数控摆角铣头。由于替换了一个旋转轴，在铣头机动性增加的同时，也为其测试提升了难度。虽然目前对于五轴数控机床的静态测试分析较多，但此前研究主要针对于AC、BC为旋转轴的数控摆角铣头，对于ABC为旋转轴的专用数控摆角铣头研究较少，现有工装难以准确向ABC轴摆角铣头准确施加切削轴向力，因此目前针对这一类摆角铣头的专用静态特征测试工装研究相对欠缺。

发明内容

本发明针对现有ABC轴旋转摆角铣头专用静态特征测试工装研究不足的情况，结合现有通用型铣头测试工装的成熟技术及ABC轴旋转铣头运动灵活的特点，提出了了一种专用于该型双旋转轴铣头的可调姿工装。在实验过程中载荷施加机构通过调姿机构向铣头准确施加主切削力、切削轴向力、切削径向力，并通过力传感器精确记录载荷施加情况。通过布置在铣头上的位移传感器可得到ABC轴铣头在不同旋转角度、不同载荷施加情况下的受力变形情况，完成对于该型铣头的动静热特征测试。

本发明通过以下技术方案实现：

一种专用数控摆角铣头的动静热特征测试工装，包含载荷施加模块、旋转调姿模块、数据测量模块及上位机：其中载荷施加模块用于向铣头施加载荷；旋转调姿模块用于准确将载荷准确施加于铣头轴向或径向方向；上位机作为指令发出端及数据采集端，通过控制电机控制工装姿态，并通过数据测量模块中的力传感器和位移传感器采集信号信息、分析测试数据，得到该型摆角铣头的动静热测试的各主要特征。

所述载荷施加模块由底板、辅助定位杆、推杆电机组成。所述旋转调姿模块由下端摆臂、中部摆臂、上端摆臂、旋转动力机构a、旋转动力机构b、旋转锁止机构a及旋转锁止机构b组成。数据测量模块由力传感器、位移传感器、温度传感器、信号采集模组及上位机组成。

所述旋转动力机构a由旋转电机a、传动皮带a、旋转轴端盖a组成。

所述旋转动力机构b由旋转电机b、传动皮带b、旋转轴端盖b组成。

所述旋转锁止机构a由转动轴组件a、限位环a、倾角传感器a组成。

所述旋转锁止机构b由转动轴组件b、限位环b、倾角传感器b组成。

所述转动轴组件a及转动轴组件b均由组成旋转轴、定位键、步进旋转电机、旋转凸轮及弹簧片组成。

所述推杆电机、旋转电机a、旋转电机b、步进旋转电机的信号输入端与上位机信号输出端相连接，接受上位机指令调整工装载荷施加、位姿调整、角度锁止。

所述倾角传感器a、倾角传感器b的信号输出端与上位机信号输入端相连接，测量整体工装姿态并向上位机反馈。

所述力传感器、位移传感器、温度传感器的信号输出端与信号采集模块信号输入端相连接，信号采集模块信号输出端与上位机信号输入端相连接。

与现有技术相比较，本发明具有如下技术效果。

1、与现有摆角铣头动静热特征测试工装相比，本发明在满足基础铣头测试的基础上，可针对ABC三旋转轴专用型摆角铣头的运动特点自动调姿，满足其测量需求，特别是满足径向高精度测量需求，保证测量准确性。

2、本发明摆角铣头测试工装可针对铣头的不同摆角情况，通过上位机读取铣头程序代码，自动解析摆臂旋转角度及工装姿态，实现自动控制，为测量工作提高便捷性，提升效率。

3、本发明摆角铣头测试工装可实现XY双向±180°旋转调节，并在此范围内可实现自动最小步长为5°的角度锁止，提高测量工装对于普通铣头的通用性及三旋转轴专用铣头的适用性。

附图说明

图1为本发明适用场景示意图。

图2为本发明整体结构示意图。

图3为本发明旋转轴组件示意图。

图4为本发明限位环结构示意图。

图5为本发明旋转锁止机构剖面图。

图6为本发明实施流程图。

图中：

1-1推杆电机、1-2辅助定位杆、1-3底板。

2-1下端摆臂、2-2中部摆臂、2-3上端摆臂、2-4旋转动力机构a、2-5旋转锁止机构a、2-6旋转锁止机构b、2-7旋转动力机构b。

2-5-1-1旋转轴、2-5-1-2定位键、2-5-1-3步进旋转电机、2-5-1-4旋转凸轮、2-5-1-5弹簧片。

3-1力传感器、3-2位移传感器、3-3温度传感器、3-4信号采集模组、3-5上位机。

具体实施方式

结合附图及实际实施方式对本发明提出一种专用数控摆角铣头的动静热特性测试自动可调姿工装及使用方式做详细说明：

本发明的动静热特性特征测试使用场景如图1所示，包含载荷施加模块、旋转调姿模块、数据测量模块。其中数据测量模块中的力传感器3-1、位移传感器3-2、温度传感器3-3的信号输出端与信号采集模块3-4信号输入端相连接，信号采集模块3-4信号输出端与上位机3-5信号输入端相连接。

如图2所示载荷施加模块由推杆电机1-1、辅助定位杆1-2、底板1-3组成。其特征在于推杆电机1-1通过电机螺栓1-1-1及电机锁紧螺母1-1-2与底板1-3固定。辅助定位杆1-2底端以螺栓方式旋入底板1-3，下端摆臂2-1通过其底板上定位孔与辅助定位杆1-2相配合，约束下端摆臂的2-1水平方向自由度。推杆电机1-1对下端摆臂2-1提供垂直支撑，并施加实验载荷。旋转调姿模块2可针对铣头三旋转轴的转动情况对应姿态调整并沿铣头径向传递所施载荷。其主要由下端摆臂2-1、中部摆臂2-2、上端摆臂2-3、旋转动力机构a2-4、旋转锁止机构a2-5、旋转锁止机构b2-6及旋转动力机构b2-7组成。下端摆臂2-1通过旋转动力机构a2-4及旋转锁止机构a2-5与中部摆臂2-2相连，并跟随其转动；上端摆臂2-3通过旋转锁止机构b2-6及旋转动力机构b2-7与中摆臂2-2相连，并跟随其转动。

如图3及图4所示，旋转锁止机构a2-5及旋转锁止机构b2-6分别由转动轴组件a2-5-1、限位环a2-5-2、倾角传感器a2-5-3及转动轴组件b2-6-1、限位环b2-6-2、倾角传感器b2-6-3组成。其中限位环a2-5-2及限位环b2-6-2的特征在于其内环有多组限位键槽，且角度分别为20度、30度、50度、70度。键槽与旋转轴上的定位键向配合，达到锁止旋转角度的作用。倾角传感器a2-5-3测量下端摆臂2-1与中部摆臂2-2夹角，并向上位机3-5反馈；倾角传感器b2-6-3测量中部摆臂2-2与上端摆臂2-3夹角，并向上位机3-5反馈。

转动轴组件a2-5-1及转动轴组件b2-6-1的特征在于其一端有在轴表面分布且相间隔为95°的键槽孔3个，且由旋转轴2-5-1-1、定位键2-5-1-2、步进旋转电机2-5-1-3、旋转凸轮2-5-1-4及弹簧片2-5-1-5组成。常态下3个定位键2-5-1-2由弹簧片2-5-1-5控制，在弹力作用下在键槽孔内保持回收位置，此时工装可在旋转动力机构a2-4或旋转动力机构b2-5的作用下正常旋转。在锁止状态下，上位机3-5控制步进旋转电机2-5-1-3带动旋转凸轮2-5-1-4到达指定键槽孔，定位键2-5-1-2在旋转凸轮2-5-1-4的作用下伸出键槽孔与限位环a2-5-2或限位环b2-6-2配合，同时旋转动力机构a2-4或旋转动力机构b2-7停止旋转，达到旋转锁止作用。

结合本发明提出的自动可调姿工装测量摆角铣头动静热特征的测量流程如图1所示。

Claims (6)

1.一种专用数控摆角铣头的动静热特性测试自动可调姿工装，其特征在于包含载荷施加模块、旋转调姿模块、数据测量模块；上位机(3-5)与工装载荷施加模块中的推杆电机(1-1)及旋转调姿模块中的倾角旋转电机a(2-4-1)、倾角旋转电机b(2-5-1)、倾角传感器a(2-6-3)、倾角传感器b(2-7-3)及数据测量模块中的力传感器(3-1)和位移传感器(3-2)相连接；推杆电机(1-1)及倾角旋转电机a(2-4-1)、倾角旋转电机b(2-5-1)作为执行端，接受上位机(3-5)发出工作指令；倾角传感器a(2-6-3)、倾角传感器b(2-7-3)作为执行检测端，将工装位姿的调整情况反馈到上位机(3-5)；力传感器(3-1)、位移传感器(3-2)为数据收集端，与上位机(3-5)中后续数据处理软件连接后，分析铣头动静热特征各数据。

2.根据权利要求1所述的一种专用数控摆角铣头的动静热特性测试自动可调姿工装，载荷施加模块由推杆电机(1-1)、辅助定位杆(1-2)、底板(1-3)组成；其特征在于：推杆电机(1-1)通过电机螺栓(1-1-1)及电机锁紧螺母(1-1-2)与底板(1-3)固定；辅助定位杆(1-2)底端以螺栓方式旋入底板(1-3)，下端摆臂(2-1)通过其底板上定位孔与辅助定位杆(1-2)相配合，约束下端摆臂的(2-1)水平方向自由度；推杆电机(1-1)对下端摆臂(2-1)提供垂直支撑，并施加实验载荷。

3.根据权利要求1所述的一种专用数控摆角铣头的动静热特性测试自动可调姿工装，其特征在于：旋转调姿模块针对铣头三旋转轴的转动情况对应姿态调整并沿铣头径向传递所施载荷；由下端摆臂(2-1)、中部摆臂(2-2)、上端摆臂(2-3)、旋转动力机构a(2-4)、旋转锁止机构a(2-5)、旋转锁止机构b(2-6)及旋转动力机构b(2-7)组成；下端摆臂(2-1)通过旋转动力机构a(2-4)及旋转锁止机构a(2-5)与中部摆臂(2-2)相连，并跟随其转动；上端摆臂(2-3)通过旋转锁止机构b(2-6)及旋转动力机构b(2-7)与中摆臂(2-2)相连，并跟随其转动。

4.根据权利要求1所述的一种专用数控摆角铣头的动静热特性测试自动可调姿工装，其特征在于：旋转动力机构a(2-4)及旋转动力机构b(2-7)分别向中部摆臂(2-2)、上端摆臂(2-3)施加旋转力矩，并通过上位机(3-5)输入指令控制摆臂旋转；两动力旋转机构分别由旋转电机a(2-4-1)、传动皮带a(2-4-2)、旋转轴端盖a(2-4-3)及旋转电机b(2-7-1)、传动皮带b(2-7-2)、旋转轴端盖b(2-7-3)组成；旋转电机a(2-4-1)与下端摆臂(2-1)以螺钉固定连接，旋转轴端盖a(2-4-3)与旋转轴组件a(2-5-1)以螺钉固定连接；旋转电机b(2-7-1)与上端摆臂(2-3)以螺钉固定连接，旋转轴端盖b(2-7-3)与旋转轴组件b(2-6-1)以螺钉固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种专用数控摆角铣头的动静热特性测试自动可调姿工装，其特征在于：旋转锁止机构a(2-5)及旋转锁止机构b(2-6)分别由转动轴组件a(2-5-1)、限位环a(2-5-2)、倾角传感器a(2-5-3)及转动轴组件b(2-6-1)、限位环b(2-6-2)、倾角传感器b(2-6-3)组成；其中限位环a(2-5-2)及限位环b(2-6-2)的特征在于其内环有多组限位键槽，且角度分别为20度、30度、50度、70度；键槽与旋转轴上的定位键向配合，达到锁止旋转角度的作用；倾角传感器a(2-5-3)测量下端摆臂(2-1)与中部摆臂(2-2)夹角，并向上位机(3-5)反馈；倾角传感器b(2-6-3)测量中部摆臂(2-2)与上端摆臂(2-3)夹角，并向上位机(3-5)反馈；

转动轴组件a(2-5-1)及转动轴组件b(2-6-1)的一端有在轴表面分布且相间隔为95°的键槽孔三个，且由旋转轴(2-5-1-1)、定位键(2-5-1-2)、步进旋转电机(2-5-1-3)、旋转凸轮(2-5-1-4)及弹簧片(2-5-1-5)组成；常态下三个定位键(2-5-1-2)由弹簧片(2-5-1-5)控制，在弹力作用下在键槽孔内保持回收位置，此时工装在旋转动力机构a(2-4)或旋转动力机构b(2-5)的作用下正常旋转；在锁止状态下，上位机(3-5)控制步进旋转电机(2-5-1-3)带动旋转凸轮(2-5-1-4)到达指定键槽孔，定位键(2-5-1-2)在旋转凸轮(2-5-1-4)的作用下伸出键槽孔与限位环a(2-5-2)或限位环b(2-6-2)配合，同时旋转动力机构a(2-4)或旋转动力机构b(2-7)停止旋转，达到旋转锁止作用。

6.根据权利要求1所述的一种专用数控摆角铣头的动静热特性测试自动可调姿工装，其特征在于：数据测量模块由力传感器(3-1)、位移传感器(3-2)、温度传感器(3-3)及信号采集模组(3-4)组成；力传感器(3-1)为接触式测量传感器，位移传感器(3-2)、温度传感器(3-3)为非接触式测量传感器；力传感器(3-1)、位移传感器(3-2)和温度传感器(3-3)测量数据经由信号采集模组(3-4)整理滤波后，上传至上位机(3-5)进行后续分析记录。

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