一種模擬真實切削工況的機床靜剛度測試裝置及方法
【專利摘要】一種模擬真實切削工況的機床靜剛度測試裝置及方法，包括用于模擬實際切削工況的切削工藝模擬設備，和切削工藝模擬設備相連的切削力校核設備，及用于檢測機床整機以及各部件測點位移的位移檢測設備；切削力校核設備和位移檢測設備分別與用于處理和顯示數據的電腦終端相連。先安裝好該測試裝置，由實際切削工況計算出三向力的大小，再向模擬刀頭施加三向力模擬切削工況，通過切削力校核設備校核施加的三向力大小，由位移檢測設備測得各部件測點處的位移，計算出機床各部件剛度和整機剛度。本發明能在機床工作狀態下模擬機床切削力，測量出整機以及各部件的剛度，從而發現機床各部件剛度薄弱環節，對機床整機設計及提高機床整機剛度有重要意義。
【專利說明】一種模擬真實切削工況的機床靜剛度測試裝置及方法【技術領域】
[0001]本發明屬于機械裝置領域，具體涉及一種模擬真實切削工況的機床靜剛度測試裝置及方法。
【背景技術】
[0002]機床剛度是機床性能的一個重要指標，是影響機床加工精度的一個重要因素。機床剛度是指機床在切削力作用下機床整機以及各部件抵抗變形的能力。由機床剛度定義可知測量機床剛度需要測量機床切削力的大小以及在切削力作用下機床各部件的變形量。目前機床剛度測量試驗的對象大都為機床主軸末端，對機床各主要部件剛度的測量試驗較少。在傳統的機床整機設計過程中，大都是憑借經驗來設計機床各部件，具有一定的盲目性，往往造成機床部件剛度不足或者冗余。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于提供一種模擬真實切削工況的機床靜剛度測試裝置及方法，能夠對機床整機以及各部件進行剛度測量試驗，從而發現機床各部件剛度的薄弱環節。
[0004]為達到上述目的，本發明采用的技術方案為:
[0005]一種模擬真實切削工 況的機床靜剛度測試裝置，包括設置在機床的工作臺上的切削工藝模擬設備，與切削工藝模擬設備相連的切削力校核設備，以及用于檢測機床整機以及各部件測點位移的位移檢測設備；且切削力校核設備和位移檢測設備分別與用于處理和顯示數據的電腦終端相連；其中切削工藝模擬設備包括用于模擬機床的真實機床刀具的模擬刀頭，以及用于向模擬刀頭上提供三個方向模擬切削力的壓力加載設備；切削力校核設備包括用于校核壓力加載設備向模擬刀頭上加載的模擬切削力大小的壓力傳感器；位移檢測設備包括用于檢測機床各部件位移的位移傳感器。
[0006]所述的切削工藝模擬設備還包括安裝在機床主軸上的刀柄，刀柄上安裝有刀柄螺帽，模擬刀頭安裝在刀柄中，并利用刀柄螺帽進行固定夾緊；模擬刀頭的刀尖處套裝有能夠同時承受徑向力和軸向力的圓錐滾子軸承，圓錐滾子軸承的內圈利用模擬刀頭的軸肩進行定位從而限制其的移動，圓錐滾子軸承的外部安裝有套筒，套筒設有與圓錐滾子軸承的外圈尺寸相配合的階梯孔，階梯孔的臺階面作用在圓錐滾子軸承的外圈上，套筒的外部設有切削力校核設備，切削力校核設備的外側設有壓力加載設備。
[0007]所述的切削力校核設備還包括設置在套筒外部的三個轉接頭，其中一個轉接頭位于模擬刀頭的軸向方向并與模擬刀頭同軸，另兩個轉接頭位于模擬刀頭的徑向方向并相互垂直，且每個轉接頭均與一個壓力傳感器同軸固定，壓力傳感器與轉接頭的接觸面為平面，三個壓力傳感器分別與測力變送器相連，測力變送器與電腦終端相連；壓力傳感器的外側設有壓力加載設備。
[0008]所述的壓力加載設備包括三個液壓缸，每個液壓缸分別設置在一個壓力傳感器的外側，并與壓力傳感器同軸相連，且每個液壓缸分別固定在一個液壓缸支撐件上，液壓缸支撐件固定在工作臺上；液壓泵通過分流閥分別與三個液壓缸相連，且每個分流閥與液壓泵連接的管路上均設有節流閥和壓力表，用于調節和檢測液壓缸輸出的壓力大小。
[0009]所述的位移檢測設備還包括用于固定位移傳感器的傳感器支架，傳感器支架設置在選取的機床各部件測點處，位移傳感器依次通過信號放大器和數據處理設備與電腦終端相連。
[0010]一種模擬真實切削工況的機床靜剛度測試方法，包括以下步驟:
[0011]I)安裝模擬真實切削工況的機床靜剛度測試裝置，包括安裝切削工藝模擬設備、切削力校核設備和位移檢測設備；
[0012]2)按照切削力經驗公式，由數控機床切削工況的具體參數，計算出機床三個方向上的受力情況，即主切削力Fz、切深抗力Fy和進給抗力Fx的大小；
[0013]3)通過三個液壓缸分別向模擬刀頭施加三個方向的力來模擬數控機床切削工況，并通過切削力校核設備校核，使施加的三個方向的力分別與計算出的進給抗力Fx、切深抗力Fy和主切削力Fz的大小相同；
[0014]4)通過位移檢測設備測得機床各部件測點處的位移；
[0015]5)根據剛度計算公式，由測得的位移數據計算出機床各部件的剛度和整機剛度。
[0016]機床各部件測點的 選取標準為:
[0017]a)將機床各部件滑塊導軌連接處選取為機床各部件測點；
[0018]b)將機床各部件在力的作用下的最大變形區域選取為機床各部件測點；
[0019]c)在機床各部件上選取測點時，機床各部件上的測點應對稱分布；
[0020]d)機床各部件會由于力的不均勻分布導致產生傾角，選取的機床各部件測點應能反映出機床各部件產生的傾角。
[0021]所述的步驟2)中使用的切削力經驗公式為:
【權利要求】
1.一種模擬真實切削工況的機床靜剛度測試裝置，其特征在于:包括設置在機床的工作臺(1-10)上的切削工藝模擬設備(1-17)，與切削工藝模擬設備(1-17)相連的切削力校核設備(1-19)，以及用于檢測機床整機以及各部件測點位移的位移檢測設備(1-18);且切削力校核設備(1-19)和位移檢測設備(1-18)分別與用于處理和顯示數據的電腦終端(1-11)相連；其中切削工藝模擬設備(1-17)包括用于模擬機床的真實機床刀具的模擬刀頭(1-3)，以及用于向模擬刀頭(1-3)上提供三個方向模擬切削力的壓力加載設備；切削力校核設備(1-19)包括用于校核壓力加載設備向模擬刀頭(1-3)上加載的模擬切削力大小的壓力傳感器(1-7);位移檢測設備(1-18)包括用于檢測機床各部件位移的位移傳感器(1-13)。
2.根據權利要求1所述的模擬真實切削工況的機床靜剛度測試裝置，其特征在于:所述的切削工藝模擬設備(1-17)還包括安裝在機床主軸上的刀柄(1-1 )，刀柄(1-1)上安裝有刀柄螺帽(1_2),模擬刀頭(1-3)安裝在刀柄(1_1)中，并利用刀柄螺帽(1-2)進行固定夾緊；模擬刀頭(1-3)的刀尖處套裝有能夠同時承受徑向力和軸向力的圓錐滾子軸承(1-4)，圓錐滾子軸承(1-4)的內圈利用模擬刀頭(1-3)的軸肩進行定位從而限制其的移動，圓錐滾子軸承(1-4)的外部安裝有套筒(1-5)，套筒(1-5)設有與圓錐滾子軸承(1-4)的外圈尺寸相配合的階梯孔，階梯孔的臺階面作用在圓錐滾子軸承(1-4)的外圈上，套筒(1-5)的外部設有切削力校核設備(1-19)，切削力校核設備(1-19)的外側設有壓力加載設備。
3.根據權利要求2所述的模擬真實切削工況的機床靜剛度測試裝置，其特征在于:所述的切削力校核設備(1-19)還包括設置在套筒(1-5)外部的三個轉接頭(1-6)，其中一個轉接頭(1-6)位于模擬刀頭(1-3)的軸向方向并與模擬刀頭(1-3)同軸，另兩個轉接頭(1-6)位于模擬刀頭(1-3)的徑向方向并相互垂直,且每個轉接頭(1-6)均與一個壓力傳感器(1-7)同軸固定，壓力傳感器(1-7)與轉接頭(1-6)的接觸面為平面，三個壓力傳感器(1-7)分別與測力變送器(1-12)相連，測力變送器(1-12)與電腦終端(1-11)相連；壓力傳感器(1-7)的外側設有壓力加載設備。
4.根據權利要求3所述的模擬真實切削工況的機床靜剛度測試裝置，其特征在于:所述的壓力加載設備包括三個液壓缸(1-8)，每個液壓缸(1-8)分別設置在一個壓力傳感器(1-7)的外側，并與壓力傳感器(1-7)同軸相連，且每個液壓缸(1-8)分別固定在一個液壓缸支撐件(1-9)上，液壓缸支撐件(1-9)固定在工作臺(1-10)上；液壓泵(1-16)通過分流閥(1-20)分別與三個液壓缸(1-8)相連，且每個分流閥(1-20)與液壓泵(1-16)連接的管路上均設有節流閥和壓力表，用于調節和檢測液壓缸輸出的壓力大小。
5.根據權利要求1-4中任意一項所述的模擬真實切削工況的機床靜剛度測試裝置，其特征在于:所述的位移檢測設備(1-18)還包括用于固定位移傳感器(1-13)的傳感器支架，傳感器支架設置在選取的機床各部件測點處，位移傳感器(1-13)依次通過信號放大器(1-14)和數據處理設備(1-15)與電腦終端(1-11)相連。
6.一種模擬真實切削工況的機床靜剛度測試方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)安裝模擬真實切削工況的機床靜剛度測試裝置，包括安裝切削工藝模擬設備(1-17)、切削力校核設備(1-19)和位移檢測設備(1-18)； 2)按照切削力經驗公式，由數控機床切削工況的具體參數，計算出機床三個方向上的受力情況，即主切削力Fz、切深抗力Fy和進給抗力Fx的大小；(3)通過三個液壓缸(1-8)分別向模擬刀頭(1-3)施加三個方向的力來模擬數控機床切削工況，并通過切削力校核設備(1-19)校核，使施加的三個方向的力分別與計算出的進給抗力Fx、切深抗力Fy和主切削力Fz的大小相同、方向一致； (4)通過位移檢測設備(1-18)測得機床各部件測點處的位移； (5)根據剛度計算公式，由測得的位移數據計算出機床各部件的剛度和整機剛度。
7.根據權利要求6所述的模擬真實切削工況的機床靜剛度測試方法，其特征在于:機床各部件測點的選取標準為: a)將機床各部件滑塊導軌連接處選取為機床各部件測點； b)將機床各部件在力的作用下的最大變形區域選取為機床各部件測點； c)在機床各部件上選取測點時，機床各部件上的測點應對稱分布； d)機床各部件會由于力的不均勻分布導致產生傾角，選取的機床各部件測點應能反映出機床各部件產生的傾角。
8.根據權利要求6或7所述的模擬真實切削工況的機床靜剛度測試方法，其特征在于:所述的步驟2)中使用的切削力經驗公式為:
9.根據權利要求6或7所述的模擬真實切削工況的機床靜剛度測試方法，其特征在于:所述的步驟5)中使用的剛度計算公式為K=F/ δ， 其中:5 = 5^5 2+......+ δ n 1/K=l/Vl/K2+……+1/Kn 其中:K為整機剛度，F為切削力，δ為變形量，δ ^為各部件變形量，Kn為各部件的剛度，η為部件個數。
10.根據權利要求6或7所述的模擬真實切削工況的機床靜剛度測試方法，其特征在于:所述的步驟I)具體包括以下步驟: (1)安裝切削工藝模擬設備: (1.1)將三個液壓缸(1-8)分別固定對應的液壓缸支撐件(1-9)上，將三個液壓缸支撐件(1-9)固定在機床的工作臺(1-10)上，再將三個液壓缸(1-8)分別與分流閥(1-20)相連后再與液壓泵(1-16)相連；.1.2)根據三個液壓缸(1-8)的位置調整機床主軸的位置，使三個液壓缸(1-8)分別位于機床主軸的空間坐標系的x、y、z方向； . 1.3)將刀柄(1-1)安裝到機床主軸中，將模擬刀頭(1-3)安裝到刀柄(1-1)中，并利用刀柄螺帽(1-2)進行加緊固定； . 1.4)在模擬刀頭(1-3)的刀尖處安裝圓錐滾子軸承(1-4)，使圓錐滾子軸承(1-4)的內圈與模擬刀頭(1-3)的軸肩相接觸； . 1.5 )在圓錐滾子軸承(1-4)上安裝套筒(1-5 )，使套筒(1-5 )內的臺階面與圓錐滾子軸承(1-4)的外圈相接觸； (2)安裝切削力校核設備: .2.1)在液壓缸(1-8)的鞍座上安裝轉接頭(1-6)； .2.2)在轉接頭(1-6)上安裝壓力傳感器(1-7)； . 2.3)將壓力傳感器(1-7)與測力變送器(1-12)連接，并利用數據線連接測力變送器(1_12)和電腦終端(1-1I)； .(3)安裝位移檢測設備: .3.1)在機床各部件測點處固定傳感器支架； .3.2)將位移傳感器(1-13)安裝到傳感器支架上； .3.3)連接位移傳感器(1-13)和信號放大器(1-14)； .3.4)連接信號放大器(1-14)和數據處理設備(1-15)； .3.5)連接數據處理設備(1-15)和電腦終端(1-11)。
【文檔編號】G01M99/00GK103926094SQ201410105866
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年3月20日 優先權日:2014年3月20日
【發明者】高羨明, 李寶童, 洪軍, 尹彥陽, 甄宜超, 田向陽 申請人:西安交通大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
