专利名称：间隙磁吸附式二维磨削力测试系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机械加工过程中磨削力的测试系统，属于力测量技术领域。
背景技术：
为了设计磨削加工设备，尤其是磨削机器人，需要了解不同磨削材料、不同砂轮和不同工艺参数下的磨削力(正压力和切向力)范围。磨削力测量设备通常采用传统磨床和二维或多维测力传感器实现，实验设备复杂、成本昂贵现有技术中大量可用于力测量的装置(如中国发明专利公开CN101524818、 CN101526406和CN101131335)多采用测力传感器，并无合适的磨削装置，不能直接用于磨削力测量，只能与大型磨床配合使用，还需要另行设计合适的辅助工装，工作繁琐，且实验成本较高。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有磨削力测试设备结构复杂、成本昂贵的问题，提供一种间隙磁吸附式二维磨削力测试系统，能够同时用于磨削加工和数据采集及处理，结构紧凑、体积小，且成本较低。本发明采用如下技术方案本发明所述的间隙磁吸附式二维磨削力测试系统，其特征在于包括牵引装置、导磁轨道平台、升降加工装置、磁吸附式移动机构和数据采集系统；所述牵引装置包括牵引电机、牵引轮和牵引绳；所述数据采集系统包括至少三个测量Z方向受力的力传感器、一个测量X方向受力的力传感器、采集卡和计算机；所述磁吸附式移动机构含有磁吸附单元和万向滚珠，磁吸附单元包括轭铁和磁体，轭铁和磁体组成磁路；磁吸附单元通过万向滚珠沿轨道平台上的轨道运动；磁吸附单元与导磁平台之间留有间隙；测量Z方向受力的力传感器安装在升降加工装置底部，并与磁吸附单元固接；测量X方向受力的力传感器固定在升降加工装置上，并与牵引绳一端连接，牵引绳与导磁轨道平台上的轨道平行；牵引绳的另一端固定在牵引轮的圆周上，牵引轮与电机的输出轴相连；所述升降加工装置包括机架、砂轮、砂轮升降机构、垂直导向装置、水平导向装置、 末端滑块和磨削电机；磨削电机的输出轴通过传动机构与砂轮相连，砂轮安装在所述的末端滑块上；所述砂轮升降机构包含一个升降连杆组，升降连杆组一端与末端滑块铰接，另一端与水平导向装置铰接；所述水平导向装置包括水平导向电机、丝杠、设置在丝杠上的第一螺母块和第二螺母块、水平导向件、第一水平移动块和第二水平移动块；所述的第一水平移动块和第二水平移动块的一端分别与水平导向件连接，另一端与所述的第一螺母块和第二螺母块连接，第一螺母块和第二螺母块旋向相反；所述垂直导向装置至少包括一个垂直导向件，垂直导向件固定在机架上；所述的末端滑块沿垂直导向件上下滑动。本发明所述的间隙磁吸附式二维磨削力测试系统，其特征在于所述磁吸附式移动机构含有三个磁吸附单元和三个万向滚珠；每个磁吸附单元通过一个万向滚珠沿轨道平台上的轨道运动；三个万向滚珠呈正三角形布置，且经过正三角形中心的法线与牵引绳方向垂直相交。本发明所述的间隙磁吸附式二维磨削力测试系统，其特征在于所述牵引装置还含有传动机构，该传动机构的输入轴与牵引电机的输出轴相连，输出轴与牵引轮相连；所述的传动机构采用齿轮传动机构、涡轮蜗杆传动、皮带传动机构或链条传动机构。
本发明所述的间隙磁吸附式二维磨削力测试系统，其特征在于所述的升降连杆组采用X形连杆，X形连杆包括两根铰接成X形的杆件，两根杆件的一端分别与末端滑块固定连接，两根杆件的另一端分别与水平导向装置中的第一水平移动块和第二水平移动块铰接。本发明所述的间隙磁吸附式二维磨削力测试系统，其特征在于所述的升降连杆组采用V形连杆，V形连杆包括两根铰接成V形的杆件，两根杆件的末端与末端滑块固定连接，两根杆件的另一端分别与水平导向装置中的第一水平移动块和第二水平移动块铰接。本发明所述的间隙磁吸附式二维磨削力测试系统，其特征在于所述的升降连杆组采用χ+v形连杆，X+V形连杆包括两根铰接成X形的杆件和两根铰接成V形的杆件，杆件的上端与水平导向装置中的水平移动块铰接，杆件的下端与末端滑块连接；X形的杆件在V 形的杆件上面或在V形的杆件下面。本发明所述的间隙磁吸附式二维磨削力测试系统，其特征在于所述力传感器包括电阻式和压电式一维或二维测力传感器。本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果该发明不但能够同时进行磨削加工和数据采集及处理，而且结构紧凑、体积小，便于安装拆卸和调整、成本低廉，非常适合磨削测力试实验；同时容易推广到其它应用领域， 如铣削、切割测力等。
图1是本发明提供的间隙磁吸附式二维磨削力测试系统实施例结构原理示意图。图2是图1的侧视图。图3是本实施例提供的磁吸附式移动机构结构示意图。图4是本实施例的磁吸附式移动机构和Z方向力传感器在升降加工装置上的安装示意图。图5是本实施例的砂轮安装在末端滑块上的示意图。在图1至图3中1-牵引装置，2-导磁轨道平台，3-升降加工装置，4-磁吸附式移动机构，5-数据采集系统，11-牵引电机，12-牵引轮，13-牵引绳，14-涡轮蜗杆，15-牵引支架，31-机架，32-砂轮，33-砂轮升降机构，331-升降连杆组，34-垂直导向装置，341-垂直导向件，35-水平导向装置，351-丝杠，352a-第一螺母块，352b-第二螺母块，
353-水平导向件，354a-第一水平移动块，354b-第二水平移动块，36-末端滑块，361-砂轮第一半轴，362-砂轮第二半轴，37-磨削电机，38-水平导向电机，41-磁吸附单元，411-轭铁，412-磁体，42-万向滚珠，51-力传感器，52-采集卡，53-计算机，54-调节架，6-工件夹具。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例进一步详细介绍本发明的具体结构及工作原理。图1、2是本发明提供的磁吸附式二维磨削力测试系统实施例结构原理示意图，包括牵引装置1、导磁轨道平台2、升降加工装置3、磁吸附式移动机构4和数据采集系统5。本发明所述的间隙磁吸附式二维磨削力测试系统中，牵引装置包括牵引电机11、 牵引轮12和牵引绳13 ；本实施例中牵引装置还含有传动机构，该传动机构的输入轴与电机的输出轴相连，输出轴与牵引轮相连；所述的传动机构可以采用齿轮传动机构、涡轮蜗杆传动、皮带传动机构或链条传动机构，本实施例中采用涡轮蜗杆14传动。本发明所述的间隙磁吸附式二维磨削力测试系统中，数据采集系统包括三个测量 Z方向受力的力传感器51、一个测量X方向受力的力传感器、采集卡52和计算机53。图3是本实施例提供的磁吸附式移动机构结构示意图。磁吸附式移动机构包括三个磁吸附单元41和三个万向滚珠42，磁吸附单元包括轭铁411和磁体412，轭铁和磁体组成磁路；每个磁吸附单元通过一个万向滚珠沿轨道平台上的轨道运动；磁吸附单元与导磁平台之间有间隙；三个万向滚珠呈正三角形布置，且经过正三角形中心的法线与牵引绳方向垂直相交。图4是本实施例的磁吸附式移动机构和三个Z方向力传感器在升降加工装置上的安装示意图，测量Z方向受力的力传感器安装在升降加工装置底部，并与磁吸附单元固接。本发明所述的间隙磁吸附式二维磨削力测试系统中，测量X方向受力的力传感器固定在升降加工装置上，并与牵引绳一端连接，牵引绳与导磁轨道平台上的轨道平行；牵引绳的另一端固定在牵引轮的圆周上，牵引轮与牵引电机的输出轴相连。本发明所述的间隙磁吸附式二维磨削力测试系统中，升降加工装置包括机架31、 砂轮32、砂轮升降机构33、垂直导向装置34、水平导向装置35、末端滑块36和磨削电机37 ； 磨削电机的输出轴通过传动机构与砂轮相连，砂轮安装在所述的末端滑块上；所述砂轮升降机构包含一个升降连杆组331，升降连杆组一端与末端滑块铰接，另一端与水平导向装置铰接；所述水平导向装置包括水平导向电机38、丝杠351、设置在丝杠上的第一螺母块352a 和第二螺母块352b、水平导向件353、第一水平移动块354a和第二水平移动块354b ；所述的第一水平移动块和第二水平移动块的一端分别与水平导向件连接，另一端与所述的第一螺母块和第二螺母块连接，第一螺母块和第二螺母块旋向相反；所述垂直导向装置至少包括一个垂直导向件341，垂直导向件固定在机架上；所述的末端滑块沿垂直导向件上下滑动。待加工工件由工件夹具6夹持。本发明所述的间隙磁吸附式二维磨削力测试系统中，末端滑块中含有砂轮第一半轴361及砂轮第二半轴362，砂轮第一半轴和砂轮第二半轴以孔轴定位，内外螺纹连接夹持砂轮，第一、第二半轴和端部的滚动轴承连接在末端滑块上，砂轮更换时只需松开螺纹连接即可。图5是其组成示意图。本发明所述的间隙磁吸附式二维磨削力测试系统中，升降连杆组可以采用X形连杆，X形连杆包括两根铰接成X形的杆件，两根杆件的一端分别与末端滑块固定连接，两根杆件的另一端分别与水平导向装置中的第一水平移动块和第二水平移动块铰接。本发明所述的间隙磁吸附式二维磨削力测试系统中，升降连杆组可以采用V形连杆，V形连杆包括两根铰接成V形的杆件，两根杆件的末端与末端滑块固定连接，两根杆件的另一端分别与水平导向装置中的第一水平移动块和第二水平移动块铰接。本发明所述的间隙磁吸附式二维磨削力测试系统中，升降连杆组可以采用X+V形连杆，χ+v形连杆包括两根铰接成X形的杆件和两根铰接成V形的杆件，杆件的上端与水平导向装置中的水平移动块铰接，杆件的下端与末端滑块连接；X形的杆件在V形的杆件上面或在V形的杆件下面。本实施例中采用Χ+V形连杆。 本发明所述的间隙磁吸附式二维磨削力测试系统中，所述力传感器包括电阻式和压电式一维或二维测力传感器，本实施例中采用一维S型拉压力传感器。工作原理叙述如下升降加工装置通过磁吸附单元以一定的吸附力Fns吸附于导磁轨道平台上，以保证加工测试过程中加工装置不脱离导磁轨道平台。当该系统工作时，牵引电机11通过带动涡轮蜗杆输出轴上的牵引轮转动，牵引绳的一端固定在牵引轮上的槽中，并在运动时缠绕在牵引轮的槽内；牵引绳的另一端与测量 X方向受力的力传感器51相连，该力传感器通过调节架54固定到升降加工装置上，并牵引升降加工装置通过磁吸附式移动机构沿与导磁轨道平台上的轨道平行方向运动；通过控制牵弓I装置上的牵弓I电机转速可以控制砂轮的进给速度。通过控制升降加工装置上的磨削电机和水平导向电机可以分别控制砂轮的切削线速度和工件磨削深度。假设万向滚珠与轨道表面摩擦系数为μ，轨道形状为V型，角度为θ，升降加工装置重量为G，某工艺参数下法向磨削力为Fn，切向磨削力为Ft。则磨削力测量步骤如下—、磨削测力时首先进行空载运动标定，S卩不磨削工件，仅牵引升降加工装置以一定速度沿导磁轨道平台上的轨道运动。则X方向力传感器测得的空载拉力为Fe，三个Y 方向力传感器测得的总压力为G。二、磨削加工时，此时测得的总压力和拉力分别为F压'=G-FnF拉'=Fe-Fngy/cos((3i-0)/2)+Ft由以上两式可求解得出法向和切向磨削力Fn = G-F 压'
权利要求
1.一种间隙磁吸附式二维磨削力测试系统，其特征在于包括牵引装置(1)、导磁轨道平台(2)、升降加工装置(3)、磁吸附式移动机构(4)和数据采集系统(5)；所述牵引装置包括牵引电机(11)、牵引轮(12)和牵引绳(13)；所述数据采集系统包括至少三个测量Z方向受力的力传感器(51)、一个测量X方向受力的力传感器、采集卡(52)和计算机(53)；所述磁吸附式移动机构含有磁吸附单元(41)和万向滚珠(42)，磁吸附单元包括轭铁 (411)和磁体(412)，轭铁和磁体组成磁路；磁吸附单元通过万向滚珠沿轨道平台上的轨道运动；磁吸附单元与导磁平台之间留有间隙；测量Z方向受力的力传感器安装在升降加工装置底部，并与磁吸附单元固接；测量X方向受力的力传感器固定在升降加工装置上，并与牵引绳一端连接，牵引绳与导磁轨道平台上的轨道平行；牵引绳的另一端固定在牵引轮的圆周上，牵引轮与电机的输出轴相连；所述升降加工装置包括机架(31)、砂轮(32)、砂轮升降机构(33)、垂直导向装置(34)、 水平导向装置(35)、末端滑块(36)和磨削电机(37)；磨削电机的输出轴通过传动机构与砂轮相连，砂轮安装在所述的末端滑块上；所述砂轮升降机构包含一个升降连杆组(331)，升降连杆组一端与末端滑块铰接，另一端与水平导向装置铰接；所述水平导向装置包括水平导向电机(38)、丝杠(351)、设置在丝杠上的第一螺母块(352a)和第二螺母块(352b)、水平导向件(353)、第一水平移动块(354a)和第二水平移动块(354b)；所述的第一水平移动块和第二水平移动块的一端分别与水平导向件连接，另一端与所述的第一螺母块和第二螺母块连接，第一螺母块和第二螺母块旋向相反；所述垂直导向装置至少包括一个垂直导向件 (341)，垂直导向件固定在机架上；所述的末端滑块沿垂直导向件上下滑动。
2.如权利要求1所述的间隙磁吸附式二维磨削力测试系统，其特征在于所述磁吸附式移动机构含有三个磁吸附单元(41)和三个万向滚珠(42)；每个磁吸附单元通过一个万向滚珠沿轨道平台上的轨道运动；三个万向滚珠呈正三角形布置，且经过正三角形中心的法线与牵引绳方向垂直相交。
3.如权利要求1所述的间隙磁吸附式二维磨削力测试系统，其特征在于所述牵引装置还含有传动机构，该传动机构的输入轴与牵引电机的输出轴相连，输出轴与牵引轮相连； 所述的传动机构采用齿轮传动机构、涡轮蜗杆传动、皮带传动机构或链条传动机构。
4.如权利要求1所述的间隙磁吸附式二维磨削力测试系统，其特征在于所述的升降连杆组采用X形连杆，X形连杆包括两根铰接成X形的杆件，两根杆件的一端分别与末端滑块固定连接，两根杆件的另一端分别与水平导向装置中的第一水平移动块和第二水平移动块铰接。
5.如权利要求1所述的间隙磁吸附式二维磨削力测试系统，其特征在于所述的升降连杆组采用V形连杆，V形连杆包括两根铰接成V形的杆件，两根杆件的末端与末端滑块固定连接，两根杆件的另一端分别与水平导向装置中的第一水平移动块和第二水平移动块铰接。
6.如权利要求1所述的间隙磁吸附式二维磨削力测试系统，其特征在于所述的升降连杆组采用X+V形连杆，X+V形连杆包括两根铰接成X形的杆件和两根铰接成V形的杆件， 杆件的上端与水平导向装置中的水平移动块铰接，杆件的下端与末端滑块连接；X形的杆件在V形的杆件上面或在V形的杆件下面。
7.如权利要求1所述的间隙磁吸附式二维磨削力测试系统，其特征在于所述力传感器包括电阻式和压电式一维或二维测力传感器。
全文摘要
间隙磁吸附式二维磨削力测试系统，涉及一种机械加工过程中磨削力测试的实验设备。该测试系统包括牵引装置、导磁轨道平台、升降加工装置、磁吸附式移动机构和数据采集系统。传统的磨削力测量设备通常采用磨床和二维或多维测力传感器实现，实验设备复杂、成本昂贵。本发明不仅能够同时进行磨削加工和数据采集及处理，而且结构紧凑、体积小、便于安装拆卸和调整、成本较低廉，非常适于磨削测力实验。
文档编号G01L5/00GK102248485SQ20111002361
公开日2011年11月23日 申请日期2011年1月21日 优先权日2011年1月21日
发明者刘佳君, 孙振国, 崔宗伟, 张文增, 张长, 陈咏华, 陈强, 项康泰 申请人:清华大学, 青海大学