CN113790862A - 一种用于便携式加工系统的刚度测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机床性能测试技术领域，提出了一种用于便携式加工系统的刚度测试装置及方法。该装置主要由控制模块、气路调节模块、刚度测试夹具、测量模块四部分组成。测试平台基座有定位功能，前表面设计刻度盘配合转塔实现加工设备主轴径向平面内定角度方向刚度测量。气缸前端压力传感器和位移传感器通过特殊定位结构和可调位置安装座与测试块表面刻度线对中，确测量施载点的形变量。控制模块由PC和PLC构成，集成了压力传感器和位移传感器测量模块，可自动完成稳定施载、数据采集并输出刚度曲线。该装置适应已有夹具和工装，最大程度的模拟实际加工工况，可实现包括加工设备、夹具等连接零部件刚度系统刚度的准确测量。

Description

一种用于便携式加工系统的刚度测试装置及方法

技术领域

本发明涉及机床性能测试技术领域，尤其涉及一种用于便携式加工系统的刚度测试装置及方法。

背景技术

加工设备的静态刚度是设备抵抗外载荷引起变形、保持加工精度的重要特性之一，高精度加工设备一般都对刚度特性有较高的要求。目前，传统的加工设备如数控车床、加工中心，往往采用较为厚重的结构以获得较大的静态刚度，满足要求。但这些设备一般体型较大且安装工位固定，难以适用于狭小空间的加工任务。为此，国内外正大力发展便携式加工设备，如自动进给钻，其体积小、质量轻等优势明显，既可以适合于传统机器不可达的复杂加工工位，也可以取代传统手工加工，已被广泛应用于航空航天领域。

但是，此类便携式加工设备多采用浮动主轴，要求主轴同时完成旋转和进给运动，静态刚性较弱。并且，为满足狭小空间和轻便易携的要求，设备体积和质量往往很小，无法采用传统厚重的结构制造，进一步降低了设备的静态刚度。此外，便携式加工设备往往需要通过加工模板和专用夹具与被加工区域连接，进而实现自动化加工，导致整个加工系统的静态刚度会随加工区域位置发生改变。可见，便携式加工系统的静态刚度普遍较弱，远低于传统加工设备，对加工质量和精度影响更大，且其静态刚度特性多变，刚度特性极为复杂。因此，对便携式加工设备与工件夹具所组成的加工系统进行静态刚度分析极为重要，已成为目前的研究热点之一。

分析加工设备的刚度特性一般可通过理论计算、仿真分析以及实验测试方法，但由于加工设备往往结构复杂且存在大量连接、间隙或过盈配合等部位，理论计算和仿真分析难以准确表征，因此，采用实验测试是目前准确获得和分析加工设备刚度特性的优选方法之一。当前国内外对于普通机床及多轴加工中心的刚度分析开展了较为充分地研究，并设计了系列化的可用于普通机床及多轴加工中心的刚度分析及测量方法。如波兰PiotrPawelko发表的论文“A new measurement system to determine stiffnessdistribution in machine tool workspace[J].Archives of Civil and MechanicalEngineering,2021,21(2).”中提出了一种固定于机床工作平台的机床准静态刚度测试系统，该系统能够施加大小和方向可控的力，并同时测量产生的位移，进而计算系统刚度，然而此系统的加载和测量装置都相对于床身或地面固定，不适用于便携式加工系统局部加工区域的刚度测量，且其体积大，灵活性较差。电子科技大学的丁杰雄等人发明了“一种五轴机床变刀具姿态下的静刚度测试装置”，申请号为CN201711400972，该装置在正交三轴滑台每个滑动方向上采用双向气缸来进行加载，其可测姿态范围有限，需要提前知道刀具的姿态信息，过程复杂费时，测试效率不高，而且其装置难以直接应用于在空间受限工位运行的加工设备的测量。西安交通大学高羡明等人发明了“一种模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置及方法”，专利号为ZL201410105866，该装置采用液压缸施载，测量前需要分别安装三向施载液压缸，手动控制液压缸输出压力，测量过程比较繁琐，且可能会带来环境污染。

综上，目前刚度测试装置和方法多需固定于地面或机床台面，只适用于测量传统加工设备主轴的刚度，难以在位对便携式加工设备与工件夹具所组成的加工系统进行静态刚度分析，且装置体积较大不易安装、便携性差，无法在空间受限工位对便携式加工装备的静态刚度进行准确测量。基于上述原因，迫切需要一种针对便携式加工系统的刚度测试装置和方法，进而指导其结构设计和安装方法，最终提高加工精度。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足，发明了一种用于便携式加工系统的刚度测试装置及方法。该刚度测试装置包括控制模块E、气路调节模块A、刚度测试夹具、模拟刀具模块和测量模块。通过控制PC上软件的相关按键，操控气路中比例阀18以调节气缸11推力大小，控制电磁阀19开闭实现气缸11的伸出和缩回。设计位置可调、可转位夹具，适应用于装夹在不同孔间距加工模板的自动进给钻刚度测试，通过气缸对被测模拟刀具施加载荷，激光位移传感器采集变形数据，可以测量沿刀具径向任意方向的刚度值。

本发明的技术方案：

一种用于便携式加工系统的刚度测试装置，包括控制模块E、气路调节模块A、刚度测试夹具、模拟刀具模块和测量模块；

加工设备通过专用夹具完成装夹，刚度测试装置是适应专用夹具的工装，专用夹具主要由连接套22、加工模板15和夹具后板2组成；连接套22一端与加工设备1螺栓连接，另一端与加工模板15通过旋转卡位结构锁紧；加工模板15与夹具后板2螺栓连接；加工模板15中央竖直排布4个连接通孔用于固定刚度测试夹具，中间设有一中心孔用于加工设备1穿过；加工模板15一侧通过垫片25、垫圈24和螺栓23将两个夹具安装座D紧固在夹具后板2一侧，夹具后板2设有与夹具安装座D上的正面凸台D1相配合的孔；

刚度测试夹具包括转塔B、测试平台基座C和夹具安装座D；三者依次连接；夹具安装座D具有定位功能，其上设有正面凸台D1、定位凸台D2、中央通孔D3和安装座螺纹孔D4；夹具安装座D上表面设计水平液泡进行水平调平，正面凸台D1使夹具安装座D与加工模板15在竖直平面平行；测试平台基座C设有定位滑槽C1、阶梯通槽C2、基座螺纹孔C3、背面凸台C4和阶梯孔C5；定位滑槽C1与定位凸台D2配合使夹具安装座D于垂直面上下滑动，改变中央通孔D3位置；过阶梯通槽C2将测试平台基座C与夹具安装座D螺接；阶梯通槽C2位于测试平台基座C上下共四个，适应不同孔间距加工模板15的安装，而且避免安装螺栓与转塔B的干涉；转塔B中部设有通孔B4，背面设有与通孔B4同轴的两级定位凸台；其中一级凸台B2和测试平台基座C配合，限制转塔B在平面内转动；二级凸台B1和阶梯孔C5配合，约束转塔B在平面内的平移；转塔B上连接气缸安装座10的安装平面B6低于转塔B上其余平面B3，使气缸安装座10与其余平面B3竖直对齐；压紧螺钉14过基座螺纹孔C3和通孔B4将转塔B安装于测试平台基座C上；转塔正面通孔为沉头孔B5，避免压紧螺钉14与压力传感器8干涉；测试平台基座C设有和与转塔B匹配的刻度盘26，旋转转塔B对准测试平台基座C刻度盘26的角度值，进行设定加工设备1主轴径向平面内某一角度方向的刚度测量；

模拟刀具模块主要由测试块7和测试杆6构成；测试杆6设计为阶梯轴状，其尾部设有螺纹与加工设备1连接，测试块7两对称表面设计十字刻度线，为位移测量基准和压力施加基准；测试杆6前端与测试块7上装有轴承的螺纹孔连接，适应不同转塔B与测试平台基座C夹角位姿的刚度测试；

测量模块包括压力传感模块和位移传感模块；压力传感模块包括压力传感器8和转接块9；压力传感器8通过转接块9连接于气缸11前端，气缸安装座10安装面通过四个定位孔与气缸11安装端面螺栓紧固；气缸安装座10的气缸连接面和转塔B连接面为90°，保证压力传感器8轴线和测试块7平面垂直且与测试杆6轴线相交；位移传感模块包括激光位移传感器5、位移传感器安装座4和弹性垫圈3；激光位移传感器5通过位移传感器安装座4和弹性垫圈3连接到转塔B的其余平面B3上，弹性垫圈3在一定范围内伸缩调节使得激光位移传感器5光轴与测试块7十字刻度中点相交；

控制模块E包括PLC20和PC21；

气路调节模块A包括气泵16、气动三联件17、比例阀18和电磁阀19，四者依次连接；比例阀18和电磁阀19均通过PLC20与PC21连接，电磁阀19通过气管13与气缸11相连，气缸11的进气口和出气口装有调速阀12，控制气缸11的伸缩速度；气泵16为整个气路提供气压，保持最小恒定气压值不变；PC21控制电磁阀19开闭，实现气缸11伸出或者缩回；比例阀18由模拟量信号输入，通过PC21控制比例阀18给定均匀稳定的气缸推力；气路调节模块A控制气缸11动作，给测试杆6施加一定载荷值。

一种用于便携式加工系统的刚度测试方法，步骤如下：

S1、将夹具安装座D安装到加工模板15，利用水平液泡调平夹具安装座D，将测试平台基座C安装到夹具安装座D上；通过定位滑槽C1与定位凸台D2配合使测试平台基座C垂直安装；上下滑动测试平台基座C使其基座螺纹孔C3与安装座螺纹孔D4同轴，螺栓锁紧测试平台基座C；

S2、转塔B装有测量模块，将其二级凸台B1插入阶梯孔C5，通过刻度盘26调节转塔B和测试平台基座C的相对位置，用压紧螺钉14紧固；

S3、装有测试杆6的加工设备1连接加工模板15，测试块7连接于测试杆6前端；

S4、操作PC21设定压力传感器8输入压力值，克服气缸11自身摩擦力，调节调速阀12使气缸11动作平稳；待压力传感器8与测试块7接触后同时开始采集压力传感器8和位移传感器5的实时数据，提前设定PC21端在一定压力范围均布稳定加载，达到某一上限值开始减压到零，完成自动测量和数据采集。

本发明的有益效果是该装置质量轻，极大程度模拟实际工况，利用夹具体与实际工装连接。设备集成度高，通过控制模块控制载荷的施加和传感器的数据读取，操作简单方便。转位结构对结构进行了简化，且可以测量平面内任一方向径向刚度值。高精度比例阀18通过输入模拟量信号可控制气缸11推力平稳均匀，方便数据的记录。设计不同的测量刀具可以进行自动进给钻的不同进给距离位置下主轴刚度测量。

附图说明

图1为一种用于便携式加工系统的刚度测试装置示意图；

图2为专用夹具的左视剖视图；

图3为转塔B的侧视图；

图4a为测试平台基座C的主视图；

图4b为测试平台基座C的左视半剖视图；

图5a为夹具安装座主视图；

图5b为夹具安装座侧视图。

其中：1-加工设备，2-夹具后板，3-弹性垫圈，4-位移传感器安装座，5-激光位移传感器，6-测试杆，7-测试块，8-压力传感器，9-转接块，10-气缸安装座，11-气缸，12-调速阀，13-气管，14-压紧螺钉，15-加工模板，16-气泵，17-气动三联件，18-比例阀，19-电磁阀，20-PLC，21-PC，22-连接套，23-螺钉，24-垫圈，25-垫片，26-刻度盘；A-气路调节模块；B-转塔，B1-二级凸台，B2-一级凸台，B3-其余平面，B4-通孔，B5-沉头孔，B6-安装平面；C-测试平台基座，C1-定位滑槽，C2-阶梯通槽，C3-基座螺纹孔，C4-背面凸台，C5-阶梯孔；D-夹具安装座，D1-夹具正面凸台，D2-定位凸台，D3-中央通孔，D4-安装座螺纹孔；E-控制模块。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施。

如图1所示的一种用于便携式加工系统的刚度测试装置及方法，该装置包括控制模块E、气路调节模块A、刚度测试夹具、模拟刀具模块和测量模块，通过刚度测试夹具完成测量部分的组装和便携移动。

测试前，先将专用夹具安装到工位上，将2个夹具安装座D利用螺钉23、垫圈24和垫片25配合连接到加工模板15的连接通孔；利用水平液泡保证夹具安装座D上表面水平。通过螺栓将测试平台基座C安装到夹具安装座D上，定位滑槽C1和夹具安装座定位凸台D2配合使测试平台基座C垂直安装。在竖直平面内滑动调节基座螺纹孔C3和加工模板15的连接通孔同轴后，通过阶梯通槽C2的螺钉紧固。转塔B安装好气缸11、压力传感器8和激光位移传感器5，一级凸台B2与测试平台基座C平面配合，二级凸台B1与阶梯孔C5配合，通过刻度盘26调整转塔B与测试平台基座C的角度，然后利用压紧螺钉14固定转塔B，安装空间压紧螺钉14端面均布小孔，通过角磨机扳手进行紧固。把测试杆6安装到加工设备1后将加工设备1装入加工模板15的中心孔，将测试块7利用扳手拧紧到测试杆6前端螺纹接口处。采用PC21控制气动调节模块A中气路开闭和气压大小对测试块7施加载荷，同时利用PC21记录位移传感器5的实时数据，得到测试块7的形变量从而测得自动进给钻的静刚度。

如图1、图2所示，专用夹具由加工模板15和夹具后板2构成，加工模板15通过螺栓连接到夹具后板2，加工模板15设有4个连接通孔。模拟刀具由测试块7和测试杆6组成，测试杆6设计为阶梯轴，最大程度提高杆件刚性。测试杆6后端较粗且测试块7较大，先将测试杆6安装至加工设备1，然后将加工设备1装入加工模板15；然后将测试块7连接到测试杆6前端，利用测试块7受载并且测量受载变形。通过更换不同长度的测试杆6来测量加工设备1在不同进给位置的刚度值。

如图2、图4a、图4b、图5a和图5b所示，2个夹具安装座D设有正面凸台D1与夹具后板2上的孔配合，在加工模板15一侧通过垫片25、垫圈24和螺栓23将夹具安装座D紧固在夹具后板2一侧。夹具安装座D上两个对称定位凸台D2，和定位滑槽C1配合保证垂直度。测试平台基座C中央开有螺纹孔C3，增设测试平台基座背面凸台C4加强螺纹强度，用于转塔B的安装。测试平台基座C上下共有四个阶梯通槽C2，适应不同孔间距加工模板15的安装，同时避免安装螺纹与转塔B的干涉。

如图2、图3、图4a和图4b所示，转塔B和压紧螺钉14构成转位结构，搭载气缸11、压力传感器8和位移传感器5，转塔B中部设有中央通孔B4，背面设有与通孔同轴的两级凸台，一级凸台B2和测试平台基座C配合，限制转塔在平面内转动，二级凸台B1和测试平台基座阶梯螺纹孔C5配合，约束转塔在平面内的平移。转塔B连接气缸安装座10的平面B6低于其余平面B3，保证气缸安装座10与转塔B的安装垂直精度。转塔正面通孔为沉头孔B5，避免压紧螺钉14与压力传感器8干涉。

气缸11与气缸安装座10通过螺栓连接，气缸11末端通过转接块9与压力传感器8连接，气缸11安装端面紧贴气缸安装座10安装面用螺栓紧固，气缸安装座10的气缸连接面和转塔B连接面为90°，保证压力传感器8轴线和测试块7平面垂直且与测试杆6轴线相交。激光位移传感器5通过传感器安装座4和弹性垫圈3连接到转塔B上，位移传感器5光轴与压力传感器8轴线同轴。

如图1，所述气路模块A主要由气泵16、气动三联件17、比例阀18和电磁阀19构成，气缸11进气口和出气口装有调速阀12，控制气缸11伸缩速度。电磁阀19、比例阀18通过PLC20与PC21连接，通过PC21控制电磁阀19开闭从而实现气缸11伸出或者缩回，气泵16压力保持最小恒定气压值不变，比例阀18由模拟量信号输入，控制比例阀18给定均匀稳定的气缸16推力，从而实现给测试杆6施加一定载荷值。

本实施例中，刚度测试方法为先将夹具安装座D安装到加工模板15，用水平液泡使得安装座D的上表面水平，将测试平台基座C安装到夹具安装座D上，通过测试平台基座C的定位滑槽C1与夹具安装座D的定位凸台D2配合使测试平台基座C垂直安装，上下滑动测试平台基座C使基座螺纹孔C3同轴，螺栓锁紧测试平台基座C。

转塔B装有测量模块，其二级凸台B1插入阶梯孔C5，通过刻度盘26调节转塔B和测试平台基座C的相对位置，用压紧螺钉14紧固。装有测试杆6的加工设备1连到加工模板15，测试块7接到测试杆6前端。打开气泵16，控制PC21端开始刚度测试。

控制PC21端使电磁阀19为开启状态，调整调速阀12到稳定位置保证气缸推力稳定、冲击小，调节比例阀18压力值大小，同时记录压力传感器8和激光位移传感器5数值大小，控制比例阀18压力值从0增到最大值再从最大值减小到0。

松开压紧螺钉14，将转塔B按照测试平台基座C刻度盘26上的角度值旋转某一角度后，重复上述测量步骤，得到加工设备主轴径向平面内不同角度方向的受载变形数据。

上述步骤方法为完整的刚度测量方法。

在进行自动进给钻的刚度测试时，需要先将夹具安装座D装到加工模板15，后将各部分夹具装到夹具安装座上。利用一台计算机即完成载荷施加和位移数据记录，操作简单，单人即完成刚度测量。

Claims (2)

1.一种用于便携式加工系统的刚度测试装置，其特征在于，该刚度测试装置包括控制模块(E)、气路调节模块(A)、刚度测试夹具、模拟刀具模块和测量模块；

加工设备通过专用夹具完成装夹，刚度测试装置是适应专用夹具的工装，专用夹具主要由连接套(22)、加工模板(15)和夹具后板(2)组成；连接套(22)一端与加工设备(1)螺栓连接，另一端与加工模板(15)通过旋转卡位结构锁紧；加工模板(15)与夹具后板(2)螺栓连接；加工模板(15)中央竖直排布4个连接通孔用于固定刚度测试夹具，中间设有一中心孔用于加工设备(1)穿过；加工模板(15)一侧通过垫片(25)、垫圈(24)和螺栓(23)将两个夹具安装座(D)紧固在夹具后板(2)一侧，夹具后板(2)设有与夹具安装座(D)上的正面凸台(D1)相配合的孔；

刚度测试夹具包括转塔(B)、测试平台基座(C)和夹具安装座(D)；三者依次连接；夹具安装座(D)具有定位功能，其上设有正面凸台(D1)、定位凸台(D2)、中央通孔(D3)和安装座螺纹孔(D4)；夹具安装座(D)上表面设计水平液泡进行水平调平，正面凸台(D1)使夹具安装座(D)与加工模板(15)在竖直平面平行；测试平台基座(C)设有定位滑槽(C1)、阶梯通槽(C2)、基座螺纹孔(C3)、背面凸台(C4)和阶梯孔(C5)；定位滑槽(C1)与定位凸台(D2)配合使夹具安装座(D)于垂直面上下滑动，改变中央通孔(D3)位置；过阶梯通槽(C2)将测试平台基座(C)与夹具安装座(D)螺接；阶梯通槽(C2)位于测试平台基座(C)上下共四个，适应不同孔间距加工模板(15)的安装，而且避免安装螺栓与转塔(B)的干涉；转塔(B)中部设有通孔(B4)，背面设有与通孔(B4)同轴的两级定位凸台；其中一级凸台(B2)和测试平台基座(C)配合，限制转塔(B)在平面内转动；二级凸台(B1)和阶梯孔(C5)配合，约束转塔(B)在平面内的平移；转塔(B)上连接气缸安装座(10)的安装平面(B6)低于转塔(B)上其余平面(B3)，使气缸安装座(10)与其余平面(B3)竖直对齐；压紧螺钉(14)过基座螺纹孔(C3)和通孔(B4)将转塔(B)安装于测试平台基座(C)上；转塔正面通孔为沉头孔(B5)，避免压紧螺钉(14)与压力传感器(8)干涉；测试平台基座(C)设有和与转塔(B)匹配的刻度盘(26)，旋转转塔(B)对准测试平台基座(C)刻度盘(26)的角度值，进行设定加工设备(1)主轴径向平面内某一角度方向的刚度测量；

模拟刀具模块主要由测试块(7)和测试杆(6)构成；测试杆(6)设计为阶梯轴状，其尾部设有螺纹与加工设备(1)连接，测试块(7)两对称表面设计十字刻度线，为位移测量基准和压力施加基准；测试杆(6)前端与测试块(7)上装有轴承的螺纹孔连接，适应不同转塔(B)与测试平台基座(C)夹角位姿的刚度测试；

测量模块包括压力传感模块和位移传感模块；压力传感模块包括压力传感器(8)和转接块(9)；压力传感器(8)通过转接块(9)连接于气缸(11)前端，气缸安装座(10)安装面通过四个定位孔与气缸(11)安装端面螺栓紧固；气缸安装座(10)的气缸连接面和转塔(B)连接面为90°，保证压力传感器(8)轴线和测试块(7)平面垂直且与测试杆(6)轴线相交；位移传感模块包括激光位移传感器(5)、位移传感器安装座(4)和弹性垫圈(3)；激光位移传感器(5)通过位移传感器安装座(4)和弹性垫圈(3)连接到转塔(B)的其余平面(B3)上，弹性垫圈(3)在一定范围内伸缩调节使得激光位移传感器(5)光轴与测试块(7)十字刻度中点相交；

控制模块(E)包括PLC(20)和PC(21)；

气路调节模块(A)包括气泵(16)、气动三联件(17)、比例阀(18)和电磁阀(19)，四者依次连接；比例阀(18)和电磁阀(19)均通过PLC(20)与PC(21)连接，电磁阀(19)通过气管(13)与气缸(11)相连，气缸(11)的进气口和出气口装有调速阀(12)，控制气缸(11)的伸缩速度；气泵(16)为整个气路提供气压，保持最小恒定气压值不变；PC(21)控制电磁阀(19)开闭，实现气缸(11)伸出或者缩回；比例阀(18)由模拟量信号输入，通过PC(21)控制比例阀(18)给定均匀稳定的气缸推力；气路调节模块(A)控制气缸(11)动作，给测试杆(6)施加一定载荷值。

2.一种用于便携式加工系统的刚度测试方法，其特征在于，步骤如下：

S1、将夹具安装座(D)安装到加工模板(15)，利用水平液泡调平夹具安装座(D)，将测试平台基座(C)安装到夹具安装座(D)上；通过定位滑槽(C1)与定位凸台(D2)配合使测试平台基座(C)垂直安装；上下滑动测试平台基座(C)使其基座螺纹孔(C3)与安装座螺纹孔(D4)同轴，螺栓锁紧测试平台基座(C)；

S2、转塔(B)装有测量模块，将其二级凸台(B1)插入阶梯孔(C5)，通过刻度盘(26)调节转塔(B)和测试平台基座(C)的相对位置，用压紧螺钉(14)紧固；

S3、装有测试杆(6)的加工设备(1)连接加工模板(15)，测试块(7)连接于测试杆(6)前端；

S4、操作PC(21)设定压力传感器(8)输入压力值，克服气缸(11)自身摩擦力，调节调速阀(12)使气缸(11)动作平稳；待压力传感器(8)与测试块(7)接触后同时开始采集压力传感器(8)和位移传感器(5)的实时数据，提前设定PC(21)端在一定压力范围均布稳定加载，达到某一上限值开始减压到零，完成自动测量和数据采集。

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