CN114593884A - 一种数控刀架静刚度测试装置及方法 - Google Patents

一种数控刀架静刚度测试装置及方法 Download PDF

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汪满新
杨益诚
韩军
冯虎田
欧屹
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Abstract

本发明公开了一种数控刀架静刚度测试装置及方法，属于数控机床功能部件综合性能检测领域。数控刀架静刚度测试装置包括：数控刀架测试台，力加载装置，变形测量装置、地平铁、控制系统、数采系统；数控刀架测试台和力加载装置固定安装于地平铁上，变形测量装置安装于数控刀架测试台上，控制系统用于控制刀架转动以测试不同刀位的刀架刚度，数采系统用于将力加载装置和变形测量装置的测试数据上传至工控机。本发明测试装置结构简单紧凑，加载力范围较大，可以支持多型号多方向各工位数控刀架静刚度测试和最大承载能力测试；测试方法明确了力加载作用点位置，更加符合车床实际工况需求，测量结果重复度和可信度高。

Description

一种数控刀架静刚度测试装置及方法
技术领域
本发明涉及一种静刚度测试装置及方法，具体涉及一种数控刀架静刚度测试装置及方法，属于数控机床功能部件综合性能检测领域。
背景技术
随着近几年国内机床用户急切需要“高精尖”的机床设备来提升用户核心竞争力，其对机床产品性能的要求度逐渐提高。数控刀架静刚度定义为刀架刀尖位置处抵抗静态变形的能力。数控刀架作为数控车床核心功能部件，其直接参与零件切削加工过程，故刀架静刚度性能直接影响加工零件的质量，也成为评估刀架性能的重要指标，以及刀架结构优化的主要参考依据。
国内少有对刀架刚性的相关研究，相关静刚度测试装置和测试方法还很欠缺，其测试方法大部分由厂家按经验自行制定，未形成统一的测试标准，测试结果可信度低。中国专利CN104568424B公开了载荷力方向自平衡的加载装置及力方向自控的数控刀架静刚度测试平台，中国专利CN108151989A公开了数控卧式伺服刀架刚性检测装置及使用方法，中国专利CN109186899A公开了一种车床刀架竖直径向的静刚度测量装置及其测量方法，通过对这三件专利分析可知，现有的数控刀架刚度测试装置包括被测刀架、力加载装置和变形测量装置组成。这些专利中存在以下问题：并未明确刀架力加载及变形测量位置点；部分专利装置仅能测量刀架切向方向静刚度；测量装置仅能对单一型号刀架进行刚度测试；测试方法测试结果较少不能反应刀架真实静刚度值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题目前数控卧式伺服刀架力加载点位置不明确、不符合车床实际工况、加载装置结构复杂、刚性测试功能不全面的问题。
为了解决现有对车床数控刀架静刚度测试技术的不足，本发明的目的在于提供一种数控刀架静刚度测试装置及方法，可测试数控刀架切向静刚度、轴正向静刚度和轴反向静刚度，该装置支持多型号各工位数控刀架静刚度测试，测试结果更符合实际车床工况。
实现本发明目的的技术解决方案是：
一种数控刀架静刚度测试装置，包括数控刀架测试台、力加载装置、变形测量装置、地平铁、控制系统和数采系统，所述数控刀架测试台和力加载装置固定安装于地平铁上，所述变形测量装置安装于数控刀架测试台上；所述控制系统用于控制刀架转动以测试不同刀位的刀架刚度，所述数采系统用于将力加载装置和变形测量装置的测试数据上传至工控机；
所述的数控刀架测试台包括被测刀架、刀架转接板、测试台架、模拟假刀和夹紧块；所述测试台架固定安装于地平铁上，所述刀架转接板固定安装于测试台架上，所述被测刀架固定安装于刀架转接板上；所述模拟假刀按照车床实际工况伸出刀架刀盘，并具有切向力和轴向力加载点，该点的位置均位于模拟假刀上伸出刀盘1.5倍刀方长度处，所述模拟假刀通过夹紧块固定安装于被测刀架的刀盘上；
所述的力加载装置包括切向加载装置和轴向加载装置，切向加载装置与轴向加载装置内部结构相同；所述切向加载装置和轴向加载装置均包括压头、S型力传感器、传感器连接工装、胀紧套和液压千斤顶；所述压头、S型力传感器、传感器连接工装、胀紧套和液压千斤顶同轴线；所述传感器连接工装的一端与液压千斤顶活塞杆的直径相同，并用胀紧套相互连接，传感器连接工装另一端设有外螺纹；所述S型力传感器两端均有内螺纹，其一端的内螺纹与传感器连接工装的外螺纹连接，另一端内螺纹与压头上外螺纹连接。
进一步的实施方式中，所述的切向加载装置还包括角块和压板；角块放置于地平铁之上并通过压板固定，所述切向加载装置竖直放置在地平铁上，且其液压千斤顶外圆周与角块相切定位。
进一步的实施方式中，所述的轴向加载装置还包括加载装置台架、加载装置转接板、加载装置工装板、前支撑块、后支撑块、前压块、后压块和承载块；所述加载装置台架位于数控刀架台架测试台的一侧并固定于地平铁上，所述加载装置转接板螺栓固定于加载装置台架上，所述加载装置工装板上开有腰型槽，并通过螺栓固定于加载装置转接板上，因不同型号数控刀架力加载点位置不同，其作用在于可以根据沿着腰型槽方向调整加载装置工装板76的位置，从而满足多型号数控刀架静刚度测试的需求；所述前压块与后压块，前支撑块与后支撑块结构分别相同，且前压块和后压块分别与前支撑块和后支撑块构成连接环，所述轴向加载装置水平布置，并夹在上述两个连接环内部，且底部与承载块接触；所述前压块、前支撑块和后压块、后支撑块通过螺栓贯穿固定于加载工装板上，所述承载块也通过螺栓固接于加载工装板上。
进一步的实施方式中，所述的变形测量装置包括切向变形测量装置和轴向变形测量装置，所述切向变形测量装置和轴向变形测量装置采用数显千分表，并通过磁性万向表架吸附于刀架转接板上。
进一步的实施方式中，所述切向加载装置、切向变形测量装置、切向力加载点同轴线且为竖直方向并与被测刀架1的主轴轴线垂直；所述轴向加载装置、轴向变形测量装置、轴向力加载点同轴线且为竖直方向并与被测刀架1的主轴轴线平行；所述模拟假刀安装方向与上述轴线垂直。
进一步的实施方式中，所述力加载装置也可使用直线模组，所述变形测量装置也可使用电涡流传感器或激光位移传感器。
进一步的实施方式中，所述加载力数值大小及技术要求需按照国家标准GBT20960-2007《数控卧式转塔刀架》静态加载试验相关规定。
一种数控刀架静刚度测试方法，其利用所述的数控刀架静刚度测试装置，测试过程包括以下步骤：
步骤一、安装被测刀架：根据被测刀架型号的拧紧力矩等技术要求将数控刀架和刀架转接板固定安装于测试台架上；
步骤二、安装模拟假刀：使其伸出刀盘的长度大于1.5倍的刀方，并利用夹紧块锁紧模拟假刀；
步骤三、安装力加载装置和变形测量装置：确保力加载装置和数显千分表表头测试位置位于伸出刀盘长度1.5倍刀方处，并使其轴线与模拟假刀垂直，在此，利用千分表和量块检验安装精度；
步骤四、消除安装间隙：进行一次预压消除安装间隙，并将数显千分表读数清零；
步骤五、开展静刚度测试试验：
(1)采用阶梯式增加载荷至规定值后逐步卸载，并将力传感器与数显千分表数据同步上传至工控机，卸载后记录残余变形量并将数显千分表清零；
(2)切向和轴向各重复独立加载5次；得到5次有效测试数据；
(3)利用控制系统将刀架切换至下一工位，重复上述步骤直至得出所有工位的静刚度值；
步骤六、计算数控刀架静刚度值：将各次力与变形的数据线性拟合斜率后取平均作为刀架该工位的静刚度值；将所有工位静刚度值取平均作为被测刀架的静刚度值。
一种数控刀架静刚度测试方法，该方法用于数控刀架切向静刚度测试时，力加载装置和变形测量装置的轴线处于竖直方向，且与刀架轴线垂直；该方法用于数控刀架轴向静刚度测试时，力加载装置和变形测量装置的轴线处于水平方向，且与刀架轴线平行。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、本发明的数控刀架静刚度测试装置可以支持多型号多方向数控刀架静刚度测试；
2、本发明的数控刀架静刚度测试装置力加载范围较大，在有效地检测数控刀架刚度性能的同时，也可以检测刀架最大承载能力；
3、本发明的数控刀架静刚度测试装置结构简单紧凑，测量数据同步至工控机上，便于测试人员进行测试操作；
4、本发明的数控刀架静刚度测试方法明确了力加载作用点位置，更加符合车床实际工况需求，且可以检测刀架各工位静刚度数值，测量结果重复度和可信度高。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例1中切向加载装置的结构示意图；
图3为本发明实施例1中的轴向加载结构示意图；
图4为本发明实施例1的测试方法流程图；
图5为本发明实施例1的测试系统框架图；
图6为本发明实施例2的结构示意图。
图中编号所代表的含义为：
1、被测刀架，2、切向变形测试装置，3、轴向变形测试装置，4、模拟假刀，5、夹刀块，6、轴向加载装置，71、前压块，72、前支撑块，73、后支撑块，74、后压块，75、承载块，76、加载装置工装板，77、加载装置转接板，78、加载装置台架，8、压板，9、角块，101、压头，102、S型力传感器，103、传感器连接工装，104、胀紧套，105、液压千斤顶，11、刀架台架，12地平铁，13、刀架转接板，14、轴反向变形测量装置，15、支架。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：
实施例1：
结合图1，本实例的一种数控刀架静刚度测试装置，包括数控刀架测试台、力加载装置、变形测量装置和地平铁12、控制系统、数采系统，所述数控刀架测试台和力加载装置固定安装于地平铁12上，所述变形测量装置安装于数控刀架测试台上；所述控制系统用于控制刀架转动以测试不同刀位的刀架刚度，所述数采系统用于将力加载装置和变形测量装置的测试数据上传至工控机。
所述的数控刀架测试台包括被测刀架1、刀架转接板13、测试台架11、模拟假刀4和夹紧块5；所述测试台架11固定安装于地平铁12上，所述刀架转接板13固定安装于测试台架11上，所述被测刀架1固定安装于刀架转接板13上；所述模拟假刀4按照车床实际工况伸出刀架刀盘，并具有切向力和轴向力加载点，该点的位置位于模拟假刀4上伸出刀盘1.5倍刀方长度处，所述模拟假刀4通过夹紧块5固定安装于被测刀架的刀盘上。
结合图2，所述的力加载装置包括切向加载装置和轴向加载装置6，切向加载装置与轴向加载装置6内部结构相同；所述切向加载装置和轴向加载装置均包括压头101、S型力传感器102、传感器连接工装103、胀紧套104和液压千斤顶105；所述压头101、S型力传感器102、传感器连接工装103、胀紧套104和液压千斤顶105同轴线；所述传感器连接工装103的一端与液压千斤顶105活塞杆的直径相同，并用胀紧套104相互连接，传感器连接工装103另一端设有外螺纹；所述S型力传感器102两端均有内螺纹，其一端的内螺纹与传感器连接工装103的外螺纹连接，另一端内螺纹与压头101上外螺纹连接。
所述的切向加载装置还包括角块9和压板8；所述角块9放置于地平铁12之上并通过压板8固定，所述切向加载装置垂直放置在地平铁12上，且其液压千斤顶105外圆周与角块9相切定位。
结合图3，所述的轴向加载装置6还包括加载装置台架78、加载装置转接板77、加载装置工装板76、前支撑块72、后支撑块73、前压块71、后压块74和承载块75；所述加载装置台架78位于数控刀架台架测试台的一侧并固定于地平铁12上，所述加载装置转接板77螺栓固定于加载装置台架78上，所述加载装置工装板76上开有腰型槽，并通过螺栓固定于加载装置转接板77上，因不同型号数控刀架力加载点位置不同，其作用在于可以根据沿着腰型槽方向调整加载装置工装板76的位置，从而满足多型号数控刀架静刚度测试的需求；所述前压块71与后压块74结构相同，前支撑块72与后支撑块73结构相同，且前压块71和后压块74分别与前支撑块72和后支撑块73构成连接环，所述轴向加载装置6水平布置，并夹在上述两个连接环内部，且底部与承载块75接触；所述前压块71、前支撑块72和后压块74、后支撑块73通过螺栓贯穿固定于加载工装板76上，所述承载块75也通过螺栓固接于加载工装板76上。
所述的变形测量装置包括切向变形测量装置2和轴向变形测量装置3，所述切向变形测量装置2和轴向变形测量装置3采用数显千分表，并通过磁性万向表架吸附于刀架转接板13上。
所述切向加载装置、切向变形测量装置2、切向力加载点同轴线且为竖直方向并与被测刀架1的主轴轴线垂直；所述轴向加载装置6、轴向变形测量装置3、轴向力加载点同轴线且为水平方向且与被测刀架1的主轴轴线平行；所述模拟假刀4安装方向与上述轴线垂直。
所述力加载装置也可采用直线模组，所述变形测量装置也可采用电涡流传感器或激光位移传感器。
所述加载力数值大小及技术要求需按照国家标准GBT 20960-2007《数控卧式转塔刀架》静态加载试验相关规定。
结合图4和5，本实例的一种数控刀架静刚度测试方法，利用所述的数控刀架静刚度测试装置，测试过程包括以下步骤：
步骤一、安装被测刀架：根据被测刀架型号的拧紧力矩等技术要求将数控刀架和刀架转接板固定安装于测试台架上；
步骤二、安装模拟假刀：使其伸出刀盘的长度大于1.5倍的刀方，并利用夹紧块锁紧模拟假刀；
步骤三、安装力加载装置和变形测量装置：确保力加载装置和数显千分表表头测试位置位于伸出刀盘长度1.5倍刀方处，并使其轴线与模拟假刀垂直，在此，利用千分表和量块检验安装精度；
步骤四、消除安装间隙：进行一次预压消除安装间隙，并将数显千分表读数清零；
步骤五、开展静刚度测试试验：
(1)采用阶梯式增加载荷至规定值后逐步卸载，并将力传感器与数显千分表数据同步上传至工控机，卸载后记录残余变形量并将数显千分表清零；
(2)切向和轴向各重复独立加载5次；得到5次有效测试数据；
(3)利用控制系统将刀架切换至下一工位，重复上述步骤直至得出所有工位的静刚度值；
步骤六、计算数控刀架静刚度值：将各次力与变形的数据线性拟合斜率后取平均作为刀架该工位的静刚度值；将所有工位静刚度值取平均作为被测刀架的静刚度值。
所述的一种数控刀架静刚度测试方法，该方法用于数控刀架切向静刚度测试时，力加载装置和变形测量装置的轴线处于竖直方向，且与刀架轴线垂直；该方法用于数控刀架轴向静刚度测试时，力加载装置和变形测量装置的轴线处于水平方向，且与刀架轴线平行。
实施例2：
结合图6，实施例2与实施例1的区别在于，在实施例1的基础上，调整轴向加载装置的轴线位置位于刀架的轴反向方向，增加轴反向变形测量装置14和支架15，支架15螺栓固定于地平铁12上，轴反向变形测量装置14吸附于支架15之上，其余安装要求和测试方法同实施例1，即可测量刀架的轴反向静刚度。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的专业人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种数控刀架静刚度测试装置，其特征在于：包括数控刀架测试台、力加载装置、变形测量装置、地平铁(12)、控制系统、数采系统，所述数控刀架测试台和力加载装置固定安装于地平铁(12)上，所述变形测量装置安装于数控刀架测试台上；所述控制系统用于控制刀架转动以测试不同刀位的刀架刚度，所述数采系统用于将力加载装置和变形测量装置的测试数据上传至工控机；
所述的数控刀架测试台包括被测刀架(1)、刀架转接板(13)、测试台架(11)、模拟假刀(4)和夹紧块(5)；所述测试台架(11)固定安装于地平铁(12)上，所述刀架转接板(13)固定安装于测试台架(11)上，所述被测刀架(1)固定安装于刀架转接板(13)上；所述模拟假刀(4)按照车床实际工况伸出刀架刀盘，并具有切向力和轴向力加载点，该点的位置位于模拟假刀(4)上伸出刀盘1.5倍刀方长度处，所述模拟假刀(4)通过夹紧块(5)固定安装于被测刀架的刀盘上；
所述的力加载装置包括切向加载装置和轴向加载装置(6)，所述切向加载装置与轴向加载装置(6)内部结构相同；所述切向加载装置和轴向加载装置均包括压头(101)、S型力传感器(102)、传感器连接工装(103)、胀紧套(104)和液压千斤顶(105)；所述压头(101)、S型力传感器(102)、传感器连接工装(103)、胀紧套(104)和液压千斤顶(105)同轴线；所述传感器连接工装(103)的一端与液压千斤顶(105)活塞杆的直径相同，并用胀紧套(104)相互连接，传感器连接工装(103)另一端设有外螺纹；所述S型力传感器(102)两端均有内螺纹，其一端的内螺纹与传感器连接工装(103)的外螺纹连接，另一端内螺纹与压头(101)上外螺纹连接。
2.根据权利要求1所述的一种数控刀架静刚度测试装置，其特征在于：所述切向加载装置还包括角块(9)和压板(8)，所述角块(9)放置于地平铁(12)之上并通过压板(8)固定，所述切向加载装置垂直放置在地平铁(12)上，且其液压千斤顶(105)外圆周与角块(9)相切定位。
3.根据权利要求1所述的一种数控刀架静刚度测试装置，其特征在于：所述轴向加载装置(6)还包括加载装置台架(78)、加载装置转接板(77)、加载装置工装板(76)、前支撑块(72)、后支撑块(73)、前压块(71)、后压块(74)和承载块(75)，所述加载装置台架(78)位于数控刀架台架测试台的一侧并固定于地平铁(12)上，所述加载装置转接板(77)固定于加载装置台架(78)上，所述加载装置工装板(76)上开有腰型槽，并固定于加载装置转接板(77)上；所述前压块(71)与后压块(74)结构相同，前支撑块(72)与后支撑块(73)结构相同，且前压块(71)和后压块(74)分别与前支撑块(72)和后支撑块(73)构成连接环，所述轴向加载装置(6)水平布置，并夹在上述两个连接环内部，且底部与承载块(75)接触；所述前压块(71)、前支撑块(72)和后压块(74)、后支撑块(73)贯穿固定于加载工装板(76)上，所述承载块(75)固接于加载工装板(76)上。
4.根据权利要求1所述的一种数控刀架静刚度测试装置，其特征在于：所述的变形测量装置包括切向变形测量装置(2)和轴向变形测量装置(3)，所述切向变形测量装置(2)和轴向变形测量装置(3)采用数显千分表，并通过磁性万向表架吸附于刀架转接板(13)上。
5.根据权利要求1所述的一种数控刀架静刚度测试装置，其特征在于：所述切向加载装置、切向变形测量装置(2)、切向力加载点同轴线且为竖直方向并与被测刀架(1)的主轴轴线垂直；所述轴向加载装置(6)、轴向变形测量装置(3)、轴向力加载点同轴线且为水平方向并与被测刀架(1)的主轴轴线平行；所述模拟假刀(4)安装方向与上述轴线垂直。
6.根据权利要求1所述的一种数控刀架静刚度测试装置，其特征在于：所述力加载装置采用直线模组，所述变形测量装置采用电涡流传感器或激光位移传感器。
7.一种数控刀架静刚度测试方法，其特征在于，利用权利要求1所述的数控刀架静刚度测试装置，测试过程包括以下步骤：
步骤一、安装被测刀架：根据被测刀架型号的拧紧力矩等技术要求将数控刀架和刀架转接板固定安装于测试台架上；
步骤二、安装模拟假刀：使其伸出刀盘的长度大于1.5倍的刀方，并利用夹紧块锁紧模拟假刀；
步骤三、安装力加载装置和变形测量装置：确保力加载装置和数显千分表表头测试位置位于伸出刀盘长度1.5倍刀方处，并使其轴线与模拟假刀垂直，在此，利用千分表和量块检验安装精度；
步骤四、消除安装间隙：进行一次预压消除安装间隙，并将数显千分表读数清零；
步骤五、开展静刚度测试试验：
(1)采用阶梯式增加载荷至规定值后逐步卸载，并将力传感器与数显千分表数据同步上传至工控机，卸载后记录残余变形量并将数显千分表清零；
(2)切向和轴向各重复独立加载多次；得到多次有效测试数据；
(3)利用控制系统将刀架切换至下一工位，重复上述步骤直至得出所有工位的静刚度值；
步骤六、计算数控刀架静刚度值：将各次力与变形的数据线性拟合斜率后取平均作为刀架该工位的静刚度值；将所有工位静刚度值取平均作为被测刀架的静刚度值。
8.根据权利要求7所述的一种数控刀架静刚度测试方法，其特征在于，该方法用于数控刀架切向静刚度测试时，力加载装置和变形测量装置的轴线处于垂直切向方向，且与刀架轴线垂直；该方法用于数控刀架轴向静刚度测试时，力加载装置和变形测量装置的轴线处于水平轴向方向，且与刀架轴线平行。
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