专利名称：数控车床自动变位模拟加载装置及静刚度分布检测方法
技术领域：
本发明属于在加工作业空间不同位置进行模拟加载条件下的数控机床静刚度检 测技术，具体涉及一种数控车床自动变位模拟加载装置及静刚度分布检测方法。
背景技术：
机床刚度是评价机床性能的重要指标，它是影响机床的工作精度和动态特性的重 要因素。在机床加工作业空间，随着加工点位置的变化使机床构件承载位置及载荷大小(包 括力和矩)发生变化，机床静刚度发生变化。不同加工位置的静刚度变化可以用刚度分布 描述。静刚度的大小及静刚度分布直接影响加工精度(特别是刚度分布直接影响加工表面 的形状精度)，同时影响机床的振动特性。机床静刚度试验是采用模拟载荷代替切削加工载 荷在设计阶段可以用解析的方法预测设计方案的静刚度及静刚度分布情况，然后根 据预测结果进行设计方案修改(方案修改的依据除了静刚度及其分布之外，还有动、热特性 预测结果)，从而提高刚度及改善刚度分布。数控机床静刚度检测试验的用途之一是为评价机床静刚度提供数据；另一用途是 考核验证静刚度及静刚度分布预测方法和方案修改方法的正确性，为研究和改进预测及方 案修改方法提供试验手段。对于多轴联动数控机床，不同的数控机床，加工表面形成原理不同，其进给系统伺 服轴的运动功能不同，保持各个数控轴严格运动关系的联动轴个数及联动关系不同；各种 多轴联动数控机床所承受的载荷性质、运动中载荷的变化规律及各个方向的载荷之间的比 例不同。因此各种多轴联动数控机床模拟加载装置及对应的检测方法不同。卧式数控车床 由主轴部件、刀架、尾座、Z轴及X轴移动部件和床身等部件组成，主轴部件和刀架安装在床 上，Z轴部件置于床上并相对床上作Z向运动，X轴部件置于Z轴部件上并相对Z轴部件作 X向运动，刀架置于X轴部件上。通过主轴回转运动C轴、直线运动Z轴及X轴的三轴联动 可以加工各种类型的回转表面(端面、柱面、锥面、球面、螺旋面及自由回转曲面)，数控车床 作为承载对象的末端执行器为主轴、尾座及刀架。主轴及尾座的载荷是通过工件传递过来 的，工件加工点承受主切削力Fy、轴向切削力Fz及横向切削力Fx，Fy将产生工件一侧绕Z 轴的切削力矩Mz，Fz将产生工件一侧绕Y轴的力矩My。国内外现有的数控车床静刚度检测装置及检测方法只能检测一个确定位置的静 刚度，不能检测静刚度分布。由于工件加工点位置变化，主轴承受的载荷发生变化，主轴位 移也将变化，主轴的静刚度将随着工件加工点位置变化而将变化。同样的理由数控车床尾 座的静刚度也是随着工件加工点位置变化而将变化的。数控车床的刀架承受的载荷虽然 不发生变化，但由于工件加工点位置变化时乘载刀架的X轴、Z轴的滑台的位置变化将使床 身、X轴、Z轴的滑台的位移发生变化，从而影响刀架的静刚度变化。刚度变化直接影响加工 表面的形状精度，因此需要检测数控车床静刚度分布。国内外现有的数控车床静刚度检测装置及检测方法不能对工件一侧施加绕Z轴的模拟力矩载荷Mz及轴向分力Fz产生的绕Y轴的模拟力矩载荷My，因此不能完全模拟切 削载荷，即不能进行全载荷模拟加载。
发明内容
本发明的目的是提供一种数控车床自动变位模拟加载装置，以克服现有的数控车 床静刚度检测装置只能检测一个确定点的静刚度，不能检测静刚度分布的缺点。本发明的另一个目的是提供利用上述自动变位模拟加载装置检测静刚度分布的 方法。本发明所采用的技术方案是，一种数控车床自动变位模拟加载装置，包括受载试 件和模拟加载的施载组件；施载组件由钢球、盖、球座、力传感器、连接件及夹持件组成；球 座的一端固定连接有盖，钢球内置在盖和球座里且钢球的一部分位于盖外；球座的另一端 通过力传感器与连接件固定连接，连接件与夹持件固定连接；受载试件上设置有受载面，受 载面为其法线与球座轴线一致的平面或曲面。本发明所采用的另一个技术方案是，利用上述的自动变位模拟加载装置检测静刚 度分布的方法，包括以下操作步骤先将施载组件的夹持件安装在刀架上，再将受载试件安 装在主轴的卡盘上并通过顶尖与尾座连接；然后将施载组件移动到预先设置的加载位置， 并保证受载试件的受载面法线与球座的轴线方向一致，再对受载试件的受载面施加模拟载 荷；由安装在主轴、尾座、刀架上的位移传感器检测的位移和施载组件的力传感器检测的模 拟载荷求出该加载位置模拟负载下的刚度；再由Z轴及X轴的运动自动变更施载组件加载 位置，依次检测各个加载位置的刚度，即可得到模拟负载下的刚度分布。其特征在于，受载试件的受载面为平面时，通过调整主轴的C轴使得受载试件的 受载面法线与球座的轴线方向一致，再通过Z轴及X轴的运动带动刀架将施载组件移动到 预先设置的加载位置，再通过Z轴及X轴运动的微调对受载试件的受载面施加模拟载荷；由 安装在主轴、尾座、刀架上的位移传感器检测的位移和施载组件的力传感器检测的模拟载 荷求出该加载位置模拟负载下的刚度；由Z轴及X轴的运动自动变更施载组件加载位置，依 次检测各个加载位置的刚度，得到模拟负载下的刚度分布。其特征还在于，受载试件的受载面为曲面时，通过Z轴及X轴的运动带动刀架将施 载组件移动到预先设置的加载位置，同时由C轴运动将受载试件转到对应的加载位置并保 证受载试件的受载面法线与球座的轴线方向一致，然后通过C轴、Z轴及X轴运动的微调对 受载试件的受载面施加模拟载荷；由安装在主轴、尾座、刀架上的位移传感器检测的位移和 施载组件的力传感器检测的模拟载荷求出该加载位置模拟负载下的刚度；然后再由Z轴、X 轴及C轴的联动运动到新的加载位置，并保证受载试件的受载面法线与球座的轴线方向一 致，再依次检测各个加载位置的刚度，得到模拟负载下的刚度分布。其中，数控车床主轴电机采用伺服电机，施加模拟载荷时主轴电机处于使能或制 动状态，以承受扭矩Mz。本发明的有益效果是可以施加模拟全(包括力及矩)载荷；可自动变换加载位置， 能够检测机床静刚度分布；可以通过设计及调整改变施载组件的球座轴线和受载试件的受 载面法线方向(a a z角度)，从而满足不同车削加工类型模拟载荷比例试验的要求。
图1是本发明数控车床自动变位的模拟加载装置的结构示意图2是本发明数控车床自动变位模拟加载装置的施载组件的结构示意图； 图3是自动变位模拟加载装置的工作状态示意图；(a为工作状态俯视示意图，b为工 作状态侧视示意图；)
图中，1.受载试件，2.钢球，3.盖，4.球座，5.力传感器，6.连接件，7.夹持件，8.主轴， 9.卡盘，10.顶尖，11.尾座，12.施载组件，13.刀架，14.受载面，L为球座轴线。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。如图1和图3所示，本发明提供了 一种数控车床自动变位模拟加载装置，包括受载 试件1和模拟加载的施载组件12 ；如图2所示，施载组件12由钢球2、盖3、球座4、力传感 器5、连接件6及夹持件7组成；球座4的一端固定连接有盖3，钢球2内置在盖3和球座4 里且钢球2的一部分位于盖3外；球座4的另一端通过力传感器5与连接件6固定连接，连 接件6与夹持件7固定连接；根据模拟载荷比例设计球座4轴线L与X、Z轴成a x和a z倾 角(见图2)。如图3a所示，受载试件1的一端安装在主轴8的卡盘9上，另一端通过顶尖10 与尾座11连接。如图3b所示，受载试件1上设置有受载面14，受载面14为平面或曲面。当受载试件1的受载面14为平面时，利用自动变位模拟加载装置检测静刚度分布 的方法为如图3a和3b所示，先将施载组件12的夹持件7安装在刀架13上，再将受载试 件1安装在主轴8的卡盘9上并通过顶尖10与尾座11连接；调整主轴8的C轴使得受载 试件1的受载平面法线与球座4的轴线方向一致，调整后主轴8的C轴电机制动或保持使能 状态，使主轴8不动；安装位移传感器(位移传感器可安装多个，如主轴8、尾座11、刀架13 上)；先通过Z轴及X轴的运动带动刀架13将施载组件12移动到预先设置的加载位置，然 后通过Z轴及X轴运动的微调对受载试件1的受载面14施加模拟载荷；由安装在主轴8、 尾座11、刀架13上的位移传感器检测的位移和施载组件12的力传感器5检测的模拟载荷 求出该加载位置的模拟负载下的刚度；通过Z轴及X轴的运动自动变更施载组件12加载位 置，依次检测各个加载位置的刚度，即可得到模拟负载下的刚度分布。当受载试件1的受载面为曲面，模拟不同加工类型的受载情况。其检测静刚度分 布的方法为先将施载组件12的夹持件7安装在刀架13上，再将受载试件1安装在主轴8 的卡盘9上并通过顶尖10与尾座11连接；安装位移传感器(位移传感器可安装多个，如主 轴8、尾座11、刀架13上)；先通过Z轴及X轴运动带动刀架13将施载组件12移动到预先 设置的加载位置，同时由C轴运动将受载试件1转到对应的加载位置并保证受载试件1的 受载面14法线与球座4的轴线方向一致；然后通过C轴、Z轴及X轴运动的微调对受载试 件1的受载面14施加模拟载荷；由安装在主轴8、尾座11、刀架13上的位移传感器检测的 位移和施载组件12的力传感器5检测的模拟载荷求出该加载位置模拟负载下的刚度；在施 加模拟载荷时主轴8电机处于使能或制动状态，使主轴8不动，以承受扭矩Mz ；然后再由Z 轴、X轴及C轴的联动运动到新的加载位置，并保证受载试件1的受载面14法线与球座4的 轴线方向一致，检测下一个加载位置的刚度；以此类推，依次检测各个加载位置的刚度，即 可得到模拟负载下的刚度分布。
受载试件1的受载面为曲面，自动变更加载位置时，C轴、Z轴及X轴同时运动，既 将施载组件12移动到预先设置的加载位置又保证受载曲面法线与球座4轴线方向一致，其 余与受载面14为平面时的检测方法相同。下面以数控车床在模拟负载下主轴8的X向刚度分布检测为例进行说明，首先通 过Z轴及X轴的运动将施载组件12移动到预先设置的第一个加载位置，由施载组件12的 力传感器5检测得模拟载荷F，F通过受载试件1传递给主轴8，主轴8将承受三个力和三 个力矩，由X向位移传感器检测得与第一个加载位置对应的主轴X向位移Ux，则得主轴8与 模拟负载作用对应的X向刚度Kx为KX=F/UX ；
然后Z轴及X轴的运动自动将施载组件12移动到下一个加载位置(即自动变位)，再由 X向位移传感器检测得与该加载位置对应的位移Ux，求出与该加载位置对应的主轴8的X向 刚度Kx。重复上述过程，可求出预先设置的各个加载位置对应的主轴8的X向刚度Kx，即得 到主轴8的X向刚度Kx随着加载位置变化而变化的分布情况。采用同样的方法可以检测得数控车床主轴8的Y向刚度KY和Z向刚度&的分布。 同理可以检测得数控车床尾座11、刀架13处的刚度分布。本发明提供的一种数控车床自动变换加载位置的全载荷模拟加载装置及模拟负 载下刚度分布检测方法，可用于卧式数控车床和卧式车削中心。
权利要求
一种数控车床自动变位模拟加载装置，其特征在于包括受载试件(1)和模拟加载的施载组件(12)；所述的施载组件(12)由钢球(2)、盖(3)、球座(4)、力传感器(5)、连接件(6)及夹持件(7)组成；球座(4)的一端固定连接有盖(3)，钢球(2)内置在盖(3)和球座(4)里且钢球(2)的一部分位于盖(3)外；球座(4)的另一端通过力传感器(5)与连接件(6)固定连接，连接件(6)与夹持件(7)固定连接；所述的受载试件(1)上设置有受载面(14)，受载面(14)为其法线与球座(4)轴线方向一致的平面或曲面。
2.利用权利要求1所述的自动变位模拟加载装置检测静刚度分布的方法，其特征在 于，包括以下操作步骤先将施载组件(12)的夹持件(7)安装在刀架(13)上，再将受载试件 (1)安装在主轴(8)的卡盘(9)上并通过顶尖(10)与尾座(11)连接；然后将施载组件(12) 移动到预先设置的加载位置，并保证受载试件(1)的受载面(14)法线与球座(4)的轴线方 向一致，再对受载试件(1)的受载面(14)施加模拟载荷；由安装在主轴(8)、尾座(11)、刀架 (13)上的位移传感器检测的位移和施载组件(12)的力传感器(5)检测的模拟载荷求出该 加载位置模拟负载下的刚度；再由Z轴及X轴的运动自动变更施载组件(12)加载位置，依 次检测各个加载位置的刚度，即可得到模拟负载下的刚度分布。
3.根据权利要求2所述检测静刚度分布的方法，其特征在于所述受载试件(1)的受 载面(14)为平面时，通过调整主轴(8)的C轴使得受载试件(1)的受载面(14)法线与球座 (4)的轴线方向一致，再通过Z轴及X轴的运动带动刀架(13)将施载组件(12)移动到预先 设置的加载位置，再通过Z轴及X轴运动的微调对受载试件(1)的受载面(14)施加模拟载 荷；由安装在主轴(8)、尾座(11)、刀架(13)上的位移传感器检测的位移和施载组件(12)的 力传感器(5)检测的模拟载荷求出该加载位置模拟负载下的刚度；由Z轴及X轴的运动自 动变更施载组件(12)加载位置，依次检测各个加载位置的刚度，得到模拟负载下的刚度分 布。
4.根据权利要求2所述静刚度分布检测的方法，其特征在于所述受载试件(1)的受载 面(14)为曲面时，通过Z轴及X轴的运动带动刀架(13)将施载组件(12)移动到预先设置 的加载位置，同时由C轴运动将受载试件(1)转到对应的加载位置并保证受载试件(1)的受 载面(14)法线与球座(4)的轴线方向一致，然后通过C轴、Z轴及X轴运动的微调对受载试 件(1)的受载面(14)施加模拟载荷；由安装在主轴(8)、尾座(11)、刀架(13)上的位移传感 器检测的位移和施载组件(12)的力传感器(5)检测的模拟载荷求出该加载位置模拟负载 下的刚度；然后再由Z轴、X轴及C轴的联动运动到新的加载位置，并保证受载试件(1)的 受载面(14)法线与球座(4)的轴线方向一致，再依次检测各个加载位置的刚度，得到模拟 负载下的刚度分布。
5.根据权利要求2、3或4所述的静刚度分布检测的方法，其特征在于数控车床主轴 (8)电机采用伺服电机，施加模拟载荷时主轴(8)电机处于使能或制动状态，以承受扭矩 Mz0
全文摘要
本发明公开了一种数控车床自动变位模拟加载装置包括受载试件和施载组件，施载组件由钢球、盖、球座、力传感器、连接件及夹持件组成，受载试件一端安装在主轴的卡盘上，另一端通过顶尖与尾座连接。球座的轴线倾角为αx和αz，调整主轴的C轴使得受载试件的受载平面的法线与球座的轴线方向一致；其静刚度分布检测方法为通过Z轴及X轴的运动将施载组件移动到预先设置的加载位置；通过Z轴及X轴运动的微调施加模拟载荷；由安装在主轴、尾座、刀架上的位移传感器检测的位移和施载组件的力传感器检测的模拟载荷求出该加载位置的模拟负载下的刚度，通过Z轴及X轴的运动自动变更加载位置，依次检测各个加载位置的刚度，得到模拟负载下刚度分布。
文档编号G01M5/00GK101852671SQ20101020924
公开日2010年10月6日 申请日期2010年6月25日 优先权日2010年6月25日
发明者惠烨, 杨新刚, 赵锐, 黄玉美 申请人:西安理工大学