专利名称：加工中心多轴联动变位加载装置及静刚度分布的检测方法
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，具体涉及一种加工中心多轴联动变位加载装置及静刚度分布的检测方法。
背景技术：
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 (包括力和力矩)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。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，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、不同加工位置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。如具有 Z轴、Y轴及X轴三个直线运动和C轴、A轴两个回转运动的5轴加工中心，通过Z、Y、X、C、 A五轴联动可以加工各种类型的复杂表面。实际加工时在加工点有三向切削力，工作台的 载荷是通过工件传递过来的，工作台将会承受六项切削载荷(三个力Fx，Fy, Fz和三个力矩 Mx, My, Mz)；同理主轴也将会承受六项切削载荷。机床静刚度试验是采用模拟载荷代替切削加工载荷。国内外现有的加工中心静刚 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。5轴加工中 心通过Z、Y、X、C、A五轴联动可以加工各种类型的复杂表面，加工时加工点位置在变化，Z、 Y、X、C、A五轴部件的位置随之变化，因此主轴一侧和工作台一侧的静刚度都将随着工件加 工点位置变化而将变化。刚度变化直接影响加工表面的形状精度，因此需要检测加工中心 的静刚度分布。国内外现有的加工中心静刚度检测装置及检测方法不能对主轴施加六项模拟载 荷，因此主轴一侧不能完全模拟切削载荷。工作台与主轴承受的是载荷与反载荷的关系，故 工作台一侧虽然可以施加六项模拟载荷，但不能完全模拟切削载荷，机床静刚度试验是采 用模拟载荷代替切削加工载荷的，在加载点施加三向模拟力，期望加工中心的主轴一侧和 工作台一侧都能够承受完全模拟切削载荷的六项模拟载荷。
发明内容
本发明的目的是提供一种加工中心多轴联动变位加载装置，以解决现有的加工中心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及不能完全模拟切 削载荷的问题。本发明的另一个目的是提供利用上述多轴联动变位加载装置进行静刚度分布检 测的方法。本发明所采用的技术方案为，一种加工中心多轴联动变位加载装置，包括受载试 件和模拟加载的施载组件；受载试件上设置有受载面；施载组件包括钢球、盖、球座、弯板、 力传感器和连接件A ；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 位于盖外部；球座的另一端与弯板的一端固定连接，弯板的另一端与力传感器的一端固定 连接，力传感器的另一端与连接件A固定连接。其中，连接件A上还设置有连接件B;连接件A为圆柱形，连接件B由左连接构件 和右连接构件组成；左连接构件和右连接构件分别由水平设置的横杆和设置在横杆上且与 横杆垂直的竖杆组成；左连接构件和右连接构件同时固定在连接件A上，且是以连接件A中 轴线为对称线的对称结构。其中，受载试件的受载面为任意形状。另外，该多轴联动变位加载装置用于各种立式加工中心、卧式加工中心或车铣复 合加工中心。本发明所采用的另一个技术方案为，当该变位加载装置用于车铣复合加工中心检 测静刚度分布时，该变位加载装置的结构是
包括受载试件和模拟加载的施载组件；受载试件上设置有受载面；施载组件包括钢 球、盖、球座、弯板、力传感器和连接件A ；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部；球座的另一端与弯板的一端固定连接，弯板的另一端与力 传感器的一端固定连接，力传感器的另一端与连接件A固定连接； 利用上述装置，进行静刚度分布检测的步骤是，
先将施载组件的连接件A与刀柄固定连接，刀柄拉紧在主轴的锥孔内；再将受载试件 安装在工作台上；在主轴、主轴壳体及工作台上分别安装位移传感器；然后通过多轴联动 运动将施载组件和受载试件运动到预先设置的第1个加载位置，并使受载试件的受载面在 受载点处的法线与球座轴线L方向一致；通过多轴联动运动的微调，施载组件对受载试件 受载面上的受载点施加模拟载荷；由位移传感器检测的位移和施载组件的力传感器检测的 模拟载荷可求出该加载位置在模拟负载下的刚度；然后再通过多轴联动运动将施载组件和 受载试件运动到下一个加载位置，并使受载试件的受载面在受载点处的法线与球座轴线L 方向一致，即通过多轴联动变更加载位置，再检测下一个加载位置的刚度；重复上述过程， 依次检测各个加载位置的刚度，即得到模拟负载下的刚度分布。本发明所采用的还有一个技术方案为，当该变位加载装置用于立式加工中心、卧 式加工中心检测静刚度分布时，该变位加载装置的结构是
包括受载试件和模拟加载的施载组件；受载试件上设置有受载面；所述施载组件包括 钢球、盖、球座、弯板、力传感器和连接件A ；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部；球座的另一端与弯板的一端固定连接，弯板的另一端与 力传感器的一端固定连接，力传感器的另一端与连接件A固定连接；连接件A上还设置有连 接件B ；连接件A为圆柱形，连接件B由左连接构件和右连接构件组成；左连接构件和右连接构件分别由水平设置的横杆和设置在横杆上且与横杆垂直的竖杆组成；左连接构件和右 连接构件同时固定在连接件A上，且是以连接件A中轴线为对称线的对称结构； 利用上述装置，进行静刚度分布检测的步骤是，
先将施载组件的连接件A与刀柄固定连接，刀柄拉紧在主轴的锥孔内，设置在连接件A 上的连接件B通过竖杆与主轴壳体连接；再将受载试件安装在工作台上；在主轴、主轴壳体 及工作台上分别安装位移传感器；然后通过多轴联动运动将施载组件和受载试件运动到预 先设置的第1个加载位置，并使受载试件的受载面在受载点处的法线与球座轴线L方向一 致；通过多轴联动运动的微调，施载组件对受载试件受载面上的受载点施加模拟载荷；由 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可求出该加载位置在模拟 负载下的刚度；然后再通过多轴联动运动将施载组件和受载试件运动到下一个加载位置， 并使受载试件的受载面在受载点处的法线与球座轴线L方向一致，即通过多轴联动变更加 载位置，检测下一个加载位置的刚度；重复上述过程，依次检测各个加载位置的刚度，即得 到模拟负载下的刚度分布。本发明的有益效果是可以施加模拟全(包括力及力矩)载荷；可通过多轴联动运 动变换加载位置，能够检测加工中心的静刚度分布；可以通过设计及调整改变施载组件的 球座轴线方向，可以设计各种受载试件的加工表面形状，从而满足不同模拟载荷比例和不 同联动轴数(可3轴 5轴联动)的试验要求。
图1为典型的5轴联动加工中心的运动功能示意图2是本发明多轴联动变位全载荷模拟加载装置组成及安装连接示意图； 图3是本发明多轴联动变位全载荷模拟加载装置的施载组件结构示意图； 图4是本发明实施例1多轴联动变位全载荷模拟加载装置结构示意图； 图5是本发明实施例2多轴联动变位全载荷模拟加载装置结构示意图。图中，1.受载试件，2.施载组件，3.工作台，4.刀柄，5.主轴，6.主轴壳体，2_1. 钢球，2-2.盖，2-3.球座，2-4.弯板，2-5.力传感器，2-6.连接件A，2-7.连接件B，2-7-1. 横杆，2-7-2.竖杆，7.主轴部件，8. A轴部件，9. Z轴部件，10. X轴部件，11.立柱横梁部件， 12. C轴部件，13. Y轴部件、14.床身部件，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。图1为具有Z轴、Y轴及X轴三个直线运动和C轴、A轴两个回转运动的5轴加工 中心，5轴加工中心主要由主轴部件7，A轴部件8，Z轴部件9、X轴部件10、立柱横梁部件 11、C轴部件12、Y轴部件13、床身部件14及工作台3等组成，η为主轴回转运动，是切削运 动，不参与联动，作为承载对象的末端执行器为主轴5和工作台3，主轴部件7包括刀柄4， 主轴5，主轴壳体6 (如图2)，刀柄4 一侧完成Α、Ζ、Χ轴运动，工件安装在工作台3上，工件 一侧完成Y、C轴运动。如图2所示，本发明提供了一种加工中心多轴联动变位加载装置，包括受载试件1 和模拟加载的施载组件2 ；受载试件1上设置有受载面，受载面可设计成任意形状；如图5所示，施载组件2包括钢球2-1、盖2-2、球座2-3、弯板2-4、力传感器2_5和连接件A 2-6 ； 球座2-3的一端固定连接有盖2-2，钢球2-1内置在盖2-2和球座2_3里，且钢球2_1的一 部分位于盖2-2外；球座2-3的另一端与弯板2-4的一端固定连接，弯板2-4的另一端与 力传感器2-5的一端固定连接，力传感器2-5的另一端与连接件A2-6固定连接。当将本发 明模拟加载装置用于车铣复合加工中心时，将连接件A2-6与刀柄4固定连接，刀柄4拉紧 在主轴5的锥孔内，将受载试件1安装在工作台3上，即可对加工中心的静刚度分布进行检 测。当将本发明模拟加载装置用于各种立式加工中心和卧式加工中心时，在图5所示变位 加载装置的基础上，在连接件A2-6上再设置连接件B2-7，如图3和4所示连接件A2-6的 形状为圆柱形，连接件B2-7由左连接构件和右连接构件组成；左连接构件和右连接构件分 别由水平设置的横杆2-7-1和设置在横杆2-7-1上且与横杆2-7-1垂直的竖杆2_7_2组 成；左连接构件和右连接构件通过横杆2-7-1固定在连接件A2-6上，且是以连接件A2-6中 轴线为对称线的对称结构。将连接件A2-6与刀柄4固定连接，刀柄4拉紧在主轴5的锥孔 内，设置在连接件A2-6上的连接件B2-7与通过竖杆2-7-2与主轴壳体6连接，将受载试件 1安装在工作台3上，即可对加工中心的静刚度分布进行检测。如图3、4和5，根据模拟载荷比例设计球座2-3的轴线L与Y、Z轴成％和％倾 角，钢球2-1与受载试件1的受载面为点接触，在点接触处的模拟载荷可分解为三个分力 Fx, Fy, Fz，倾角α y和α z不同时则Fx，Fy, Fz之间的比例不同，Fx，Fy, Fz等效到工作台和 主轴处的力矩Mx，My，Mz也不同。实施例1
将本发明变位加载装置用于5轴联动立式加工中心或卧式加工中心，其检测加工中心 静刚度分布的方法为如图2和图4所示，先将施载组件2的连接件A2-6与刀柄4固定连 接，刀柄4拉紧在主轴5的锥孔内，设置在连接件A2-6上的连接件B2-7通过竖杆2_7_2与 主轴壳体6连接；将受载试件1安装在工作台3上；安装位移传感器，位移传感器可安装多 个，如安装在主轴5、主轴壳体6及工作台3上；然后通过Z、Y、X、C、A五轴联动运动将施载 组件2和受载试件1运动到预先设置的第1个加载位置，并使受载试件1的受载面在受载 点处的法线与球座轴线L方向一致；通过Z、Y、X、C、A轴运动的微调，施载组件2对受载试 件1受载面上的受载点施加模拟载荷；由位移传感器检测的位移和施载组件2的力传感器 2-5检测的模拟载荷可求出该加载位置的模拟负载下的刚度；然后再通过Z、Y、X、C、A五轴 联动运动将施载组件2和受载试件1运动到下一个加载位置，并使受载试件1的受载面在 受载点处的法线与球座2-3轴线L方向一致，即通过五轴联动变更加载位置，检测下一个加 载位置的刚度；依次重复上述过程，即可得到模拟负载下的刚度分布。实施例2
将本发明变位加载装置用于5轴联动车铣复合加工中心，同实施例1唯一不同的是，可 利用主轴车削时的定位功能，因此不需要连接件B2-7，其多轴联动变位全载荷模拟加载装 置如图5所示，只需要将施载组件2的连接件A2-6与刀柄4固定连接，刀柄4拉紧在主轴 5的锥孔内，将受载试件1安装在工作台3上即可，其检测加工中心静刚度分布的方法与实 施例1相同，也是通过Z、Y、X、C、A五轴联动变更加载位置，在此不做赘述。实施例3
将本发明变位加载装置用于x、Y、z、c四轴联动加工中心(如图1所示的加工中心中无A轴)，施载组件2与加工中心的连接同实施例1，不同的是通过X、Y、Z、C四轴联动变更加 载位置。受载试件1的受载面形状可以设计得简单些。 其中，回转轴轴线平行于X轴的回转轴称为A轴；回转轴轴线平行于Y轴的回转轴 称为B轴；回转轴轴线平行于Z轴的回转轴称为C轴。
权利要求
一种加工中心多轴联动变位加载装置，其特征在于包括受载试件(1)和模拟加载的施载组件(2)；所述受载试件(1)上设置有受载面；所述施载组件(2)包括钢球(2 1)、盖(2 2)、球座(2 3)、弯板(2 4)、力传感器(2 5)和连接件A(2 6)；球座(2 3)的一端固定连接有盖(2 2)，钢球(2 1)内置在盖(2 2)和球座(2 3)里，且钢球(2 1)的一部分位于盖(2 2)外部；球座(2 3)的另一端与弯板(2 4)的一端固定连接，弯板(2 4)的另一端与力传感器(2 5)的一端固定连接，力传感器(2 5)的另一端与连接件A(2 6)固定连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述连接件A(2-6)上还设置有连接件 B (2-7)；连接件A (2-6)为圆柱形，连接件B (2-7)由左连接构件和右连接构件组成；左 连接构件和右连接构件分别由水平设置的横杆(2-7-1)和设置在横杆(2-7-1)上且与横杆 (2-7-1)垂直的竖杆(2-7-2)组成；左连接构件和右连接构件同时固定在连接件A (2-6) 上，且是以连接件A (2-6)中轴线为对称线的对称结构。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述受载试件(1)的受载面为任意形状。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于该多轴联动变位加载装置用于车铣复合 加工中心。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于该多轴联动变位加载装置用于各种立式 加工中心、卧式加工中心。
6.利用权利要求1所述的多轴联动变位加载装置进行静刚度分布的检测方法，其特征 在于当该变位加载装置用于车铣复合加工中心检测静刚度分布时，该变位加载装置的结 构是包括受载试件(1)和模拟加载的施载组件(2)；所述受载试件(1)上设置有受载面；所 述施载组件(2)包括钢球(2-1)、盖(2-2)、球座(2-3)、弯板(2-4)、力传感器(2-5)和连接 件A (2-6 )；球座(2-3 )的一端固定连接有盖(2-2 )，钢球(2-1)内置在盖(2-2 )和球座(2-3 ) 里，且钢球(2-1)的一部分位于盖(2-2)外部；球座(2-3)的另一端与弯板(2-4)的一端固 定连接，弯板(2-4)的另一端与力传感器(2-5)的一端固定连接，力传感器(2-5)的另一端 与连接件A (2-6)固定连接；利用上述装置，进行静刚度分布检测的步骤是，先将施载组件(2)的连接件A (2-6)与刀柄(4)固定连接，刀柄(4)拉紧在主轴(5)的 锥孔内；再将受载试件(1)安装在工作台(3)上；在主轴(5)、主轴壳体(6)及工作台(3)上 分别安装位移传感器；然后通过多轴联动运动将施载组件(2)和受载试件(1)运动到预先 设置的第1个加载位置，并使受载试件(1)的受载面在受载点处的法线与球座(2-3)轴线L 方向一致；通过多轴联动运动的微调，施载组件(2)对受载试件(1)受载面上的受载点施加 模拟载荷；由位移传感器检测的位移和施载组件(2)的力传感器(2-5)检测的模拟载荷可 求出该加载位置在模拟负载下的刚度；然后再通过多轴联动运动将施载组件(2)和受载试 件(1)运动到下一个加载位置，并使受载试件(1)的受载面在受载点处的法线与球座(2-3) 轴线L方向一致，即通过多轴联动变更加载位置，再检测下一个加载位置的刚度；重复上述 过程，依次检测各个加载位置的刚度，即得到模拟负载下的刚度分布。
7.利用权利要求2所述的多轴联动变位加载装置进行静刚度分布的检测方法，其特征 在于当该变位加载装置用于立式加工中心、卧式加工中心检测静刚度分布时，该变位加载 装置的结构是包括受载试件(1)和模拟加载的施载组件(2)；所述受载试件(1)上设置有受载面；所 述施载组件(2)包括钢球(2-1)、盖(2-2)、球座(2-3)、弯板(2-4)、力传感器(2-5)和连接 件A (2-6 )；球座(2-3 )的一端固定连接有盖(2-2 )，钢球(2-1)内置在盖(2-2 )和球座(2-3 ) 里，且钢球(2-1)的一部分位于盖(2-2)外部；球座(2-3)的另一端与弯板(2-4)的一端固 定连接，弯板(2-4)的另一端与力传感器(2-5)的一端固定连接，力传感器(2-5)的另一端 与连接件A (2-6)固定连接；连接件A (2-6)上还设置有连接件B (2_7);连接件A (2-6) 为圆柱形，连接件B (2-7)由左连接构件和右连接构件组成；左连接构件和右连接构件分别 由水平设置的横杆(2-7-1)和设置在横杆(2-7-1)上且与横杆(2-7-1)垂直的竖杆(2-7-2) 组成；左连接构件和右连接构件同时固定在连接件A (2-6)上，且是以连接件A (2-6)中轴 线为对称线的对称结构；利用上述装置，进行静刚度分布检测的步骤是，先将施载组件(2)的连接件A (2-6)与刀柄(4)固定连接，刀柄(4)拉紧在主轴(5)的 锥孔内，设置在连接件A (2-6)上的连接件B (2-7)通过竖杆(2-7-2)与主轴壳体(6)连 接；再将受载试件(1)安装在工作台(3)上；在主轴(5)、主轴壳体(6)及工作台(3)上分别 安装位移传感器；然后通过多轴联动运动将施载组件(2)和受载试件(1)运动到预先设置 的第1个加载位置，并使受载试件(1)的受载面在受载点处的法线与球座(2-3)轴线L方 向一致；通过多轴联动运动的微调，施载组件(2)对受载试件(1)受载面上的受载点施加 模拟载荷；由位移传感器检测的位移和施载组件(2)的力传感器(2-5)检测的模拟载荷可 求出该加载位置在模拟负载下的刚度；然后再通过多轴联动运动将施载组件(2)和受载试 件(1)运动到下一个加载位置，并使受载试件(1)的受载面在受载点处的法线与球座(2-3) 轴线L方向一致，即通过多轴联动变更加载位置，检测下一个加载位置的刚度；重复上述过 程，依次检测各个加载位置的刚度，即得到模拟负载下的刚度分布。
全文摘要
本发明公开了一种加工中心多轴联动变位加载装置，包括受载试件和施载组件，施载组件由钢球、盖、球座、弯板、力传感器、连接件A及连接件B组成。连接件A与加工中心的刀柄固定连接，刀柄拉紧在主轴的锥孔内，同时连接件A通过连接件B与主轴壳体连接。利用该装置进行静刚度分布的检测方法，通过多轴联动运动将施载组件和受载试件运动到预先设置加载位置，并使受载试件的受载面在受载点处的法线与球座轴线一致；由安装在主轴、主轴壳体及工作台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可求出该加载位置的模拟负载下的刚度；通过多轴联动变更加载位置，依次重复上述过程，即得到模拟负载下的刚度分布。
文档编号G01M99/00GK101915679SQ20101024664
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月6日 优先权日2010年8月6日
发明者惠烨, 杨新刚, 赵锐, 黄玉美 申请人:西安理工大学