专利名称：一种直线进给系统动态特性综合测试实验装置的制作方法
技术领域：
本发明属于机械制造技术领域，特别涉及一种直线进给系统动态特性综合测试实验装置。
背景技术：
机床是现代制造技术中的工作母机，在一定程度上决定了一个国家的制造业水平的高低。随着高科技领域不断向着高速、高效、精密、轻量化和自动化的方向发展，对机床的性能要求越来越高，为了满足高科技发展的需求，现代机床正向着高速、大功率、高精度、高可靠性的方向发展。进给系统作为机床的重要组成部分之一，其动态性能直接影响到机床的加工精度、响应速度。直线进给系统作为目前最常见的进给系统，通常采用滚珠丝杠进行传动，在高速、高加速工作过程中，若动态特性不好，则易产生振动，对加工的质量、精度产生严重影响，降低传动部件的寿命，而且无法保证快速启动、停止和准确的定位性能，从而难以实现高速、高效、高质量的加工。因此，研究直线进给系统的动态特性有着重要的意义。外部载荷、摩擦、惯量匹配都是影响进给系统动态特性的关键因素，相比于摩擦、惯量匹配特性，研究外部载荷对进给系统动态特性的影响有一定的难度，这主要是由于进给系统工作过程中所受的外部载荷形式较多，有纵向载荷、横向载荷、垂直载荷、转矩以及它们的复合形式，同时工作台是不断移动的，更对载荷的施加造成了一定的难度。目前还没有实验平台能够全面研究这些因素是如何影响进给系统动态特性，其中的关键难点在于如何精确模拟外部载荷以及在同一个实验平台上同时实现上述影响因素的研究。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种直线进给系统动态特性综合测试实验装置，所述的装置包括单自由度伺服进给机构，纵向加载机构，龙门框架，横向加载机构，垂直加载机构，摩擦加载机构，惯量匹配机构；所述的单自由度伺服进给机构的结构是在底板I的一侧固定有第一电机支撑座2，第一伺服电机3固定在所述的第一电机支撑座2上；第一滚珠丝杠4通过第一联轴器5与所述的第一伺服电机3的转轴连接；所述的第一滚珠丝杠4在靠近所述的第一联轴器5的一端，通过固定在所述底板I上的第一滚珠丝杠支撑固定端6进行支撑转动，另一端通过固定在所述底板I上的第一滚珠丝杠支撑支持端7进行支撑转动；在所述的第一滚珠丝杠4上套接有法兰型式的第一丝杠螺母8，所述的第一丝杠螺母8上固接有第一丝杠螺母座9 ；在所述的第一滚珠丝杠4的两侧平行且等间距的布置有第一滑动导轨10和第二滑动导轨11，在所述的第一滑动导轨10上安置有第一滑块12，在所述的第二滑动导轨11上安置有第二滑块13 ;所述的第一滑块12和第二滑块13处于垂直于所述的第一滚珠丝杠4轴向的同一横向位置；所述的第一滑块12、第二滑块13和第一丝杠螺母8上同时固定连接了工作台14，在所述的工作台14上覆盖有上表面平整的盖板15 ；
所述的纵向加载机构包括两个相同的纵向加载装置，分别对称地布置在所述的第一滑动导轨10和第二滑动导轨11上；其中一个纵向加载机构的结构如下布置在所述的第一滑动导轨10外侧且与其平行的第二滚珠丝杠16，通过固定在所述底板I上的第二滚珠丝杠支撑固定端17和第二滚珠丝杠支撑支持端18进行支撑，并在所述的第二滚珠丝杠支撑固定端17的伸出端通过第二联轴器19与第二伺服电机20直连；所述的第二伺服电机20通过第二电机座21固定在所述底板I上；在所述的第二滚珠丝杠16上连接有法兰型式的第二丝杠螺母22 ;在所述的第二丝杠螺母22上固接有第二丝杠螺母座23 ;在所述的第一滑动导轨10上，且与第二丝杠螺母22处于同一横向位置处，布置有第三滑块24 ;所述的第二丝杠螺母座23和第三滑块24通过第一连接板25进行连接；在所述的第一连接板25上固定有第一支撑座26，在所述的第一支撑座26上安装有第一拉压传感器27 ;第一加载弹簧28的一端连接在所述的第一支撑座26的端部，并和所述的第一拉压传感器27相接触，另一端和固定在所述的工作台14上的第一连接座29连接；另一个纵向加载装置的结构是布置在所述的第二直线导轨11外侧且与其平行的第三滚珠丝杠30，通过固定在所述的底板I上的第三滚珠丝杠支撑固定端31和第三滚珠丝杠支撑支持端32进行支撑，并在所述第三滚珠丝杠支撑固定端31的伸出端通过第三联轴器33与第三伺服电机34直连；所述的第三伺服电机34通过第三电机座35固定在所述底板I上；在所述的第三滚珠丝杠30上套接有法兰型式的第三丝杠螺母36 ;在所述的第三丝杠螺母36上固接有第三丝杠螺母座37 ;在所述的第二滑动导轨11上，且与所述的第三丝杠螺母36处于同一横向位置处，布置有第四滑块38 ;所述的第三丝杠螺母座37和所述的第四滑块38通过第二连接板39进行连接；在所述的第二连接板39上固定有第二支撑座40，在所述的第二支撑座40上安装有第二拉压传感器41 ;第二加载弹簧42的一端连接在所述的第二支撑座40的端部，并和所述的第二拉压传感器41相接触，另一端和固定在所述的工作台14上的第二连接座43连接；所述的龙门框架的结构是垂直安装在所述的底板I上的第一立柱44和第二立柱45的上端通过横梁46进行连接，从而形成一个龙门框架；所述的第一立柱44和第二立柱45分别安装在所述的工作台14的两侧；所述的横梁46与工作台14的横向平行；所述的横向加载机构的结构是支撑板47固定在所述的第一立柱44上；第四伺服电机48通过第四电机座49固定在所述的支撑板47上；所述的第四伺服电机48的转轴与所述的工作台14的横向平行；第四滚珠丝杠50通过第四联轴器51与所述的第四伺服电机48直连，并通过固定在所述的支撑板47上的第四滚珠丝杠支撑固定端52支撑转动；所述的第四滚珠丝杠50上连有法兰型式的第四丝杠螺母53 ;所述的第四丝杠螺母53上安装有第三压力传感器54 ;在所述的第四滚珠丝杠50的另一端与第一连接头55通过螺纹连接；第一直线轴承56安放在所述的第一连接头55的另一端所开的孔中；加载头57的圆柱端位于所述的第一直线轴承56另一端所开的孔中；所述的加载头57的另一端为轴线与所述的工作台14的侧面短边相平行的圆柱轴，并通过所述的圆柱轴连接有第二直线轴承58 ；在所述的加载头57和所述第三压力传感器54之间装有第三加载弹簧59 ;所述的第三加载弹簧59将所述的第二直线轴承58压紧在工作台14的侧面；所述的垂直加载机构包括横向移动装置和垂直加载装置，其中所述的横向移动装置的结构是布置在横梁46 —侧的第五滚珠丝杠60，通过固定在所述的横梁46上的第五滚珠丝杠支撑固定端61和第五滚珠丝杠支撑支持端62进行支撑转动，并在所述的第五滚珠丝杠支撑固定端62的伸出端通过第五联轴器63与第五伺服电机64直连,第五伺服电机64通过第五电机座65固定在所述的横梁46上；在所述的第五滚珠丝杠60上套接有法兰形式的第五丝杠螺母66，所述的第五丝杠螺母66上固定连接有第五丝杠螺母座67 ;在所述的横梁46的另一侧布置有第三滑动导轨68，在所述的第三滑动导轨68上布置有和固定板69固定连接的第三滑块70 ;所述的第五丝杠螺母座67通过横板71与所述的固定板69相连；所述的垂直加载装置的结构是第六伺服电机72通过第六电机座73固定在所述的固定板69上，且其转轴与工作台14垂直；第六滚珠丝杠74通过第六联轴器75和所述的第六伺服电机72直连，并通过固定在固定板69上的第六滚珠丝杠支撑固定端76进行支撑转动；所述的第六滚珠丝杠74上套接有法兰形式的第六丝杠螺母77 ;所述的第六丝杠螺母77上安装有第四压力传感器78 ;所述的第六滚珠丝杠74的另一端和第二连接头79通过螺纹连接；第三直线轴承80安放在所述的第二连接头79另一侧所开的孔中，用于引导球窝81的圆柱端在其中上下滑动；所述的球窝81的另一端为空心的半球形，用于容纳加载球82 ;在所述的球窝81和第四压力传感器78之间安装有第四加载弹簧83 ；所述的摩擦加载机构包括两个结构相同的固定在所述的底板I上的摩擦加载装置，这两个摩擦加载装置分别安放在所述工作台14的左右两侧；其中位于工作台14左侧的摩擦加载装置的结构是位于所述的工作台14左侧的第一底座84固定在所述的底板I上，第一施力扳手85的螺纹杆旋入所述的第一底座84后端的螺纹孔中；第一单向推力球轴承86的轴圈套接在所述的第一施力扳手85螺纹杆的前部轴上，座圈安放在第一圆柱挡块87的安装孔内；第五加载弹簧88的一端紧靠在所述的第一圆柱挡块87的端面上，另一端紧靠在第一滑动块89的一个端面上；所述的第一滑动块89和所述的第五加载弹簧88相接触的一端为圆柱形，该圆柱形端置于所述的第一底座84前端的孔中；在所述的第一滑动块89的另一端固定有第一摩擦片90 ；位于所述的工作台14右侧的摩擦加载装置的结构是位于所述的工作台14右侧的第二底座91固定在所述的底板I上，第二施力扳手92的螺纹杆旋入所述的第二底座91的后端的螺纹孔中；第二单向推力球轴承93的轴圈套接在所述的第二施力扳手92螺纹杆的前部轴上，座圈安放在第二圆柱挡块94的安装孔内；第六加载弹簧95的一端紧靠在所述的第二圆柱挡块94的端面上，另一端紧靠在第二滑动块96的一个端面上；所述的第二滑动块96和所述的第六加载弹簧95相接触的一端为圆柱形，该圆柱形端置于所述的第二底座91前端的孔中；在所述的第二滑动块96的另一端固定有第二摩擦片97 ；所述的惯量匹配机构的结构是在所述的第一滚珠丝杠4上、位于第一滚珠丝杠支撑支持端7外的伸出端上，从内向外依次套接有第一轴套98、配重块99、第二轴套100和螺母101。根据实际需要，可以对本发明的装置加装相应的测量装置，如光栅尺、激光干涉仪、扭矩传感器、加速度传感器等。本发明的有益效果为I、本发明的装置可以研究外载荷、摩擦力、惯量匹配对进给系统动态特性的影响，其中加载机构可以模拟纵向载荷、横向载荷、垂直载荷、扭矩以及复合载荷；
2、本发明的装置的各个加载机构中都安装有力传感器，从而可以通过闭环控制实现对加载力大小的精确控制；3、本发明的装置中的纵向加载机构利用已有的模拟数控工作台的直线导轨进行支撑导向，使得结构简单、紧凑；4、本发明的装置中的横向加载机构通过直线轴承与工作台侧面接触进行加载，由于直线轴承在加载头圆柱轴中滚动摩擦很小，且与工作台侧面是线接触，保证了所施加的载荷垂直于工作台的侧面；5、本发明的装置中的垂直加载机构，通过横向移动装置带动加载装置在工作台的横向方向上移动，同时第一伺服电机可以驱动工作台沿其纵向移动，从而可以实现加载球在工作台任意位置的加载；6、本发明的装置中的垂直加载机构中采用加载球进行加载，由于加载球在加载时与盖板几乎是点接触，在动态加载时，可以保证所加载荷始终是垂直于工作台表面的；7、本发明的装置中的垂直加载机构的第五滚珠丝杠和第三滑动导轨布置在横梁的两侧，使得结构更加简单、紧凑，同时可以减小由于垂直载荷对第五滚珠丝杠和第三滑动导轨产生的弯矩；8、本发明的装置中的横向加载机构和垂直加载机构中的加载力都是沿着滚珠丝杠的轴向方向，因此第四滚珠丝杠和第六滚珠丝杠都是采用悬臂式支撑方式，简化了结构，而且不影响加载的效果；9、本发明的装置中可以根据加载灵敏度及加载力范围的要求，很方便地更换不同刚度及长度的弹簧进行加载。
图I是本发明的整体结构示意图；图2是本发明的部分结构俯视图，主示单自由度伺服进给系统、纵向加载机构、摩擦加载机构和惯量匹配机构；图3是本发明的部分结构示意图，主示横向加载机构和垂直加载机构；图4是本发明的部分结构示意图，主示垂直加载机构；图5是本发明的横向加载机构的分解结构示意图；图6是本发明的垂直加载机构的分解结构示意图；图7是本发明的摩擦加载机构的分解结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体的实施例对本发明提出的直线进给系统动态特性综合测试实验台做详细的说明实施例I :如图2和3所示，所述的单自由度伺服进给机构结构是在底板I的一侧固定有第一电机支撑座2,第一伺服电机3固定在第一电机支撑座2上；第一滚珠丝杠4通过第一联轴器5与第一伺服电机3的转轴连接；第一滚珠丝杠4在靠近第一联轴器5的一端，通过固定在底板I上的第一滚珠丝杠支撑固定端6进行支撑转动，另一端通过固定在底板I上的第一滚珠丝杠支撑支持端7进行支撑转动；在第一滚珠丝杠4上套接有法兰型式的第一丝杠螺母8，第一丝杠螺母8上固接有第一丝杠螺母座9 ;在第一滚珠丝杠4的两侧平行且等间距的布置有第一滑动导轨10和第二滑动导轨11，在第一滑动导轨10上安置有第一滑块12，在第二滑动导轨11上安置有第二滑块13 ;第一滑块12和第二滑块13处于垂直于第一滚珠丝杠4轴向的同一横向位置；第一滑块12、第二滑块13和第一丝杠螺母8上同时固定连接了工作台14，在工作台14上覆盖有上表面平整的盖板15 ；如图2和3所示，所述的纵向加载机构包括两个相同的纵向加载装置，分别对称地布置在第一滑动导轨10和第二滑动导轨11上；其中一个纵向加载机构的结构如下布置在第一滑动导轨10外侧且与其平行的第二滚珠丝杠16，通过固定在底板I上的第二滚珠丝杠支撑固定端17和第二滚珠丝杠支撑支持端18进行支撑，并在第二滚珠丝杠支撑固定端17的伸出端通过第二联轴器19与第二伺服电机20直连；第二伺服电机20通过第二电机座21固定在底板I上；在第二滚珠丝杠16上连接有法兰型式的第二丝杠螺母22 ;在第二丝杠螺母22上固接有第二丝杠螺母座23 ;在第一滑动导轨10上，且与第二丝杠螺母22处于同一横向位置处，布置有第三滑块24 ;第二丝杠螺母座23和第三滑块24通过第一连接板25连接；在第一连接板25上固定有第一支撑座26，在第一支撑座26上安装有第一拉压传感器27 ;第一加载弹簧28的一端连接在第一支撑座26的端部，并和第一拉压传感器27相接触，另一端和固定在工作台14上的第一连接座29连接；另一个纵向加载装置的结构是布置在第二直线导轨11外侧且与其平行的第三滚珠丝杠30，通过固定在底板I上的第三滚珠丝杠支撑固定端31和第三滚珠丝杠支撑支持端32进行支撑，并在第三滚珠丝杠支撑固定端31的伸出端通过第三联轴器33与第三伺服电机34直连；第三伺服电机34通过第三电机座35固定在底板I上；在第三滚珠丝杠30上套接有法兰型式的第三丝杠螺母36 ;在第三丝杠螺母36上固接有第三丝杠螺母座37 ;在第二滑动导轨11上，且与第三丝杠螺母36处于同一横向位置处，布置有第四滑块38 ;第三丝杠螺母座37和第四滑块38通过第二连接板39进行连接；在第二连接板39上固定有第二支撑座40，在第二支撑座40上安装有第二拉压传感器41 ;第二加载弹簧42的一端连接在第二支撑座40的端部，并和第二拉压传感器41相接触，另一端和固定在工作台14上的第二连接座43连接；如图3所示，龙门框架的结构是垂直安装在底板I上的第一立柱44和第二立柱45的上端通过横梁46进行连接，从而形成一个龙门框架；第一立柱44和第二立柱45分别安装在工作台14两侧；横梁46与工作台14的横向平行；如图3和5所示，所述的横向加载机构的结构是支撑板47固定在第一立柱44上；第四伺服电机48通过第四电机座49固定在支撑板47上；第四伺服电机48的转轴与工作台14的横向平行；第四滚珠丝杠50通过第四联轴器51与第四伺服电机48直连，并通过固定在支撑板47上的第四滚珠丝杠支撑固定端52支撑转动；第四滚珠丝杠50上连有法兰型式的第四丝杠螺母53 ;第四丝杠螺母53上安装有第三压力传感器54 ;在第四滚珠丝杠50的另一端与第一连接头55通过螺纹连接；第一直线轴承56安放在第一连接头55的另一端所开的孔中，用于引导加载头57的圆柱端在第一连接头55中滑动；加载头57的另一端为轴线与工作台14的侧面短边相平行的圆柱轴，并通过圆柱轴连接有第二直线轴承58 ;在加载头57和第三压力传感器54之间装有第三加载弹簧59 ;第三加载弹簧59将第二直线轴
9承58压紧在工作台14的侧面；如图3、4和6所示，垂直加载机构包括横向移动装置和垂直加载装置；其中横向移动装置的结构是布置在横梁46 —侧的第五滚珠丝杠60，通过固定在横梁46上的第五滚珠丝杠支撑固定端61和第五滚珠丝杠支撑支持端62进行支撑转动,并在第五滚珠丝杠支撑固定端62的伸出端通过第五联轴器63与第五伺服电机64直连,第五伺服电机64通过第五电机座65固定在横梁46上；在第五滚珠丝杠60上套接有法兰形式的第五丝杠螺母66,第五丝杠螺母66上固定连接有第五丝杠螺母座67 ;在横梁46的另一侧布置有第三滑动导轨68，在第三滑动导轨68上布置有和固定板69固定连接的第三滑块70 ;第五丝杠螺母座67通过横板71与固定板69相连；垂直加载装置的结构是第六伺服电机72通过第六电机座73固定在固定板69上，且其转轴与工作台14垂直；第六滚珠丝杠74通过第六联轴器75和第六伺服电机72直连，并通过固定在固定板69上的第六滚珠丝杠支撑固定端76进行支撑转动；第六滚珠丝杠74上套接有法兰形式的第六丝杠螺母77 ;第六丝杠螺母77上安装有第四压力传感器78 ；第六滚珠丝杠74的另一端和第二连接头79通过螺纹连接；第三直线轴承80安放在第二连接头79另一侧所开的孔中，用于引导球窝81的圆柱端在其中上下滑动；球窝81的另一端为空心的半球形，用于容纳加载球82 ;在球窝81和第四压力传感器78之间安装有第四加载弹黃83 ；如图2和图7所示，摩擦加载机构包括两个结构相同的固定在底板I上的摩擦加载装置，这两个摩擦加载装置分别安放在工作台14的左右两侧；其中位于工作台14左侧的摩擦加载装置的结构是位于工作台14左侧的第一底座84固定在底板I上，第一施力扳手85的螺纹杆旋入第一底座84后端的螺纹孔中；第一单向推力球轴承86的轴圈套接在第一施力扳手85螺纹杆的前部轴上，座圈安放在第一圆柱挡块87的安装孔内；第五加载弹簧88的一端紧靠在第一圆柱挡块87的端面上，另一端紧靠在第一滑动块89的一个端面上；第一滑动块89和第五加载弹簧88相接触的一端为圆柱形，该圆柱形端置于第一底座84前端的孔中；在第一滑动块89的另一端固定有第一摩擦片90 ;在第五加载弹簧88的弹簧力的作用下，第一摩擦片90被压紧在工作台14的左侧面；位于工作台14右侧的摩擦加载装置的结构是位于工作台14右侧的第二底座91固定在所述的底板I上，第二施力扳手92的螺纹杆旋入第二底座91的后端的螺纹孔中；第二单向推力球轴承93的轴圈套接在第二施力扳手92螺纹杆的前部轴上，座圈安放在第二圆柱挡块94的安装孔内；第六加载弹簧95的一端紧靠在第二圆柱挡块94的端面上，另一端紧靠在第二滑动块96的一个端面上；第二滑动块96和第六加载弹簧95相接触的一端为圆柱形，该圆柱形端置于第二底座91前端的孔中；在第二滑动块96的另一端固定有第二摩擦片97，在第六加载弹簧95的弹簧力的作用下，第二摩擦片97被压紧在工作台14的右侧面。如图2所示，所述的惯量匹配机构的结构是在第一滚珠丝杠4上、位于第一滚珠丝杠支撑支持端7外的伸出端上，从内向外依次套接有第一轴套98、配重块99、第二轴套100和螺母101 ;通过拧动螺母101，将配重块99压紧在第一轴套98和第二轴套100之间。在本发明中，没有涉及到相应的测量装置，这并不是说本发明的装置不需要测量装置，而是由研究的需要进行选择使用，例如可以选择光栅尺、激光干涉仪、扭矩传感器、加速度传感器等；这里重点描述的是影响直线进给系统因素的机构实现，上述测量装置的引入对实验平台的结构影响不是决定性的，而且安装也很容易。本发明所述的直线进给系统动态特性综合测试实验装置的工作过程详述如下单自由度伺服进给机构是动态特性研究的对象和载体，其工作过程如下如图2 和3所示，工作台14的位置通过第一伺服电机3进行控制，将工作台14的位置转换为第一伺服电机3的位置控制指令，第一伺服电机3根据位置控制指令值驱动第一伺服电机3的电机旋转，通过第一联轴器5带动第一滚珠丝杠4旋转，第一滚珠丝杠4的旋转转换为第一丝杠螺母8的轴向移动，通过固接在第一丝杠螺母8上的第一丝杠螺母座9带动工作台14沿着第一滚珠丝杠4的轴向移动；可以通过第一伺服电机3的位置反馈和速度反馈实现半闭环控制，也可以通过外加光栅尺形成全闭环控制，在半闭环或闭环控制下，确保工作台14比较精确地移动到指定的位置。加载机构分为纵向加载机构、横向加载机构和垂直加载机构，分别实现纵向加载及扭矩加载、横向加载和垂直加载对于纵向加载机构，纵向载荷大小和转矩大小是其所需实现的加载要求，通过第二伺服电机20和第三伺服电机34共同控制；纵向加载机构的工作过程详述如下如图2所示，将所需加载的纵向载荷或转矩大小转换为工作台14上的第一连接座29和第二连接座43处的纵向载荷大小，再根据第一加载弹簧28和第二加载弹簧42的位移-载荷曲线，将纵向载荷大小转换为对应的第一加载弹簧28和第二加载弹簧42的拉伸或压缩量；由于两个纵向伺服加载机构的结构相同，这里以其中一个纵向伺服加载机构为例说明第一加载弹簧28的拉伸或压缩量即为第三滑块24相对于工作台14所需的移动值，该移动值加上工作台14的移动值即为第二伺服电机20的位置指令；第二伺服电机20根据位置指令值驱动第二伺服电机20的电机轴旋转，通过第二联轴器19带动第二滚珠丝杠16旋转，第二滚珠丝杠16的旋转转换为第二丝杠螺母22的轴向移动，从而通过第二丝杠螺母座23及第一连接板25带动第三滑块24在第一滑动导轨10上纵向移动，就可以对第一加载弹簧28进行拉伸或压缩，实现对工作台14在第一连接座29处的纵向加载；在加载过程中，第一拉压传感器27将测得的载荷值进行反馈，通过与所需的纵向加载力大小进行比较，将偏差载荷值转换为第一加载弹簧28所需的拉伸或压缩调整量，通过第二伺服电机20调整第三滑块24的位置，实现对该纵向加载力的闭环控制；由于两个纵向伺服加载机构对称布置，因此若第一加载弹簧28和第二加载弹簧42的加载力大小相等，且方向相同，即对工作台14施加了单向纵向力的加载；若第一加载弹簧28和第二加载弹簧42的加载力大小相等，但方向相反，即对工作台14施加了单向转矩加载；若第一加载弹簧28和第二加载弹簧42的加载力大小不相等，即对工作台14施加了纵向力和转矩的复合加载。对于横向加载机构，横向载荷大小是其所需实现的加载要求，通过第四伺服电机48进行控制；所述横向加载机构的工作过程详述如下如图3和5所示，将所需加载的横向载荷大小根据第三加载弹簧59的位移-载荷关系转换为第三加载弹簧59的压缩量,该压缩量值即为第四丝杠螺母53在横向方向上的移动量；将该压缩量转换为第四伺服电机48的位置控制指令，第四伺服电机48根据位置指令驱动第四伺服电机48的电机轴转动，通过第四联轴器51带动第四滚珠丝杠50旋转，第四滚珠丝杠50的旋转转换为第四丝杠螺母53的轴向移动，从而对第三加载弹簧59进行压缩，进而将第二直线轴承58压紧在工作台14的侧面，实现对工作台14的横向加载；工作台14在纵向移动时，第二直线轴承59在工作台14的侧面滚动，由于第二直线轴承59滚动阻力很小，同时与工作台14侧面是线接触，因此保证了施加的载荷垂直于工作台14的侧面；在加载过程中，第三压力传感器54将测得的载荷值进行反馈，通过与所需的横向载荷大小进行比较，将偏差载荷值转换为第三加载弹簧59所需的压缩调整量，通过第四伺服电机48对第四丝杠螺母53的位置进行重新调整，实现对横向加载力大小的闭环控制。对于垂直加载机构，加载点的位置和垂直载荷的大小是其所需实现的加载要求，加载点的纵向位置控制由第一伺服电机3完成,加载点的横向位置控制由第五伺服电机64完成，垂直载荷控制由第六伺服电机48完成；所述垂直加载机构的工作过程详述如下加载点的纵向位置控制与单自由度伺服进给机构工作过程类似，这里不再赘述。如图3、图4和图6所示，加载点的横向位置控制过程为将加载点的横向位置转换为第五伺服电机64的位置控制指令，第五伺服电机64根据位置指令值驱动第五伺服电机64的电机轴旋转，通过第五联轴器63带动第五滚珠丝杠60旋转，第五滚珠丝杠60的旋转转换为第五丝杠螺母66的轴向移动，通过固定连接在第五丝杠螺母66上的第五丝杠螺母座67带动横板71沿着第五滚珠丝杠60的轴向运动，横板71通过固定连接在其上的固定板69带动垂直加载装置在第三滑动导轨68上滑动，从而实现了加载点的横向位置控制；由于加载点的横向位置不需要非常精确的控制，因此通过第五伺服电机64的位置反馈和速度反馈实现半闭环控制即可满足要求；如图4和6所示，垂直载荷大小控制过程为将所需加载的垂直载荷大小通过第四加载弹簧83的位移-载荷曲线转换为第四加载弹簧83的压缩量，该压缩量值即为第六丝杠螺母77在垂直方向上所需的移动值；第六伺服电机72将第四加载弹簧83所需的压缩量值转换而成的位置控制指令值驱动第六伺服电机72的电机轴旋转，通过第六联轴器75带动第六滚珠丝杠74旋转，第六滚珠丝杠74的旋转转换为第六丝杠螺母77的轴向移动，从而对第四加载弹簧83进行压缩，进而通过球窝81将压力传导至加载球82，对盖板15的表面施加垂直加载；由于在加载过程中，加载球82和盖板15是点接触，保证了加载力始终垂直于盖板15的表面；加载球82在球窝81中任意滚动，从而方便地实现加载位置的变化；球窝81上端的圆柱头由第三直线轴承80来导向，保证球窝81始终在垂直方向上运动；在第四加载弹簧83的上端设置有第四压力传感器78，在加载的过程中将测得的载荷值进行反馈，通过与所需的垂直载荷大小进行比较，将偏差载荷值转换为第四加载弹簧83所需的压缩调整量，通过第六伺服电机72对第六丝杠螺母77的位置进行重新调整，实现了对垂直加载力大小的闭环控制。以上所述的各加载机构既可以单独施加载荷，也可以相互配合实现复合加载。如图2和图7所示，摩擦加载机构的工作过程详述如下以工作台14左侧的摩擦加载装置为例，根据所需施加的摩擦载荷值，并通过第一摩擦片90与工作台14侧面的摩擦系数以及第五加载弹簧88的位移-载荷曲线，计算出第五加载弹簧88所需的压缩量值，再根据第一施力扳手85螺纹杆的导程，即可算出第一施力扳手85所需旋转的圈数；转动第一施力扳手85，随着螺纹杆的旋入，推动第一单向推力轴承86以及第一圆柱挡块87，从而可以压缩第五加载弹簧88产生所需的压缩量，在第五加载弹簧88的作用下，第一摩擦片90被压紧在工作台14的侧面；由于使用了第一单向推力球轴承86，因此在第一施力扳手85旋转加载过程中，第五加载弹簧88不会发生扭转，保证了施加力的稳定性；当不需要施加摩擦载荷时，反向旋转第一施力扳手85即可使得摩擦片脱离工作台14的侧面。工作台14右侧的摩擦加载装置工作过程与之一样，两者可以配合使用。摩擦加载并不需要非常精确，因此不必要使用压力传感器，这样不仅简化了机构，而且节省了成本。如图2所示，惯量匹配机构的工作过程详述如下根据所需配置的转动惯量的大小，计算出配重块99的质量以及形状,然后依次将第一轴套98、配重块99、第二轴套100套装在第一滚珠丝杠4的端部轴上，利用螺母101进行紧固，以保证配重块99被压紧在第一轴套98和第二轴套100的端面之间；做完相应惯量匹配特性实验研究后，拧出螺母101，可更换新的配重块进行实验。
权利要求
1. 一种直线进给系统动态特性综合测试实验装置，其特征在于，所述的装置结构如下 所述的装置包括单自由度伺服进给机构，纵向加载机构，龙门框架，横向加载机构，垂直加载机构，摩擦加载机构，惯量匹配机构； 所述的单自由度伺服进给机构的结构是在底板(I)的一侧固定有第一电机支撑座(2),第一伺服电机(3)固定在所述的第一电机支撑座(2)上；第一滚珠丝杠(4)通过第一联轴器(5)与所述的第一伺服电机(3)的转轴连接；所述的第一滚珠丝杠(4)在靠近所述的第一联轴器(5)的一端，通过固定在所述底板(I)上的第一滚珠丝杠支撑固定端(6)进行支撑 转动，另一端通过固定在所述底板(I)上的第一滚珠丝杠支撑支持端(7 )进行支撑转动；在所述的第一滚珠丝杠(4)上套接有法兰型式的第一丝杠螺母(8)，所述的第一丝杠螺母(8)上固接有第一丝杠螺母座(9);在所述的第一滚珠丝杠(4)的两侧平行且等间距的布置有第一滑动导轨(10)和第二滑动导轨(11)，在所述的第一滑动导轨(10)上安置有第一滑块(12)，在所述的第二滑动导轨(11)上安置有第二滑块(13);所述的第一滑块(12)和第二滑块(13)处于垂直于所述的第一滚珠丝杠(4)轴向的同一横向位置；所述的第一滑块(12)、第二滑块(13)和第一丝杠螺母(8)上同时固定连接了工作台(14)，在所述的工作台(14)上覆盖有上表面平整的盖板(15)； 所述的纵向加载机构包括两个相同的纵向加载装置，分别对称地布置在所述的第一滑动导轨(10)和第二滑动导轨(11)上；其中一个纵向加载机构的结构如下布置在所述的第一滑动导轨(10)外侧且与其平行的第二滚珠丝杠(16)，通过固定在所述底板(I)上的第二滚珠丝杠支撑固定端(17)和第二滚珠丝杠支撑支持端(18)进行支撑，并在所述的第二滚珠丝杠支撑固定端(17)的伸出端通过第二联轴器(19)与第二伺服电机(20)直连；所述的第二伺服电机(20)通过第二电机座(21)固定在所述底板(I)上；在所述的第二滚珠丝杠(16)上连接有法兰型式的第二丝杠螺母(22);在所述的第二丝杠螺母(22)上固接有第二丝杠螺母座(23);在所述的第一滑动导轨(10)上，且与第二丝杠螺母(22)处于同一横向位置处，布置有第三滑块(24);所述的第二丝杠螺母座(23)和第三滑块(24)通过第一连接板(25 )进行连接；在所述的第一连接板(25 )上固定有第一支撑座(26 )，在所述的第一支撑座(26)上安装有第一拉压传感器(27);第一加载弹簧(28)的一端连接在所述的第一支撑座(26)的端部，并和所述的第一拉压传感器(27)相接触，另一端和固定在所述的工作台(14)上的第一连接座(29)连接； 另一个纵向加载装置的结构是布置在所述的第二直线导轨(11)外侧且与其平行的第三滚珠丝杠(30)，通过固定在所述的底板(I)上的第三滚珠丝杠支撑固定端(31)和第三滚珠丝杠支撑支持端(32)进行支撑，并在所述第三滚珠丝杠支撑固定端(31)的伸出端通过第三联轴器(33)与第三伺服电机(34)直连；所述的第三伺服电机(34)通过第三电机座(35 )固定在所述底板(I)上；在所述的第三滚珠丝杠(30 )上套接有法兰型式的第三丝杠螺母(36);在所述的第三丝杠螺母(36)上固接有第三丝杠螺母座(37);在所述的第二滑动导轨(11)上，且与所述的第三丝杠螺母(36)处于同一横向位置处，布置有第四滑块(38);所述的第三丝杠螺母座(37)和所述的第四滑块(38)通过第二连接板(39)进行连接；在所述的第二连接板(39)上固定有第二支撑座(40)，在所述的第二支撑座(40)上安装有第二拉压传感器(41);第二加载弹簧(42)的一端连接在所述的第二支撑座(40)的端部，并和所述的第二拉压传感器(41)相接触，另一端和固定在所述的工作台(14)上的第二连接座(43)连接； 所述的龙门框架的结构是垂直安装在所述的底板(I)上的第一立柱(44)和第二立柱(45)的上端通过横梁(46)进行连接，从而形成一个龙门框架；所述的第一立柱(44)和第二立柱(45)分别安装在所述的工作台(14)的两侧；所述的横梁(46)与工作台(14)的横向平行； 所述的横向加载机构的结构是支撑板(47)固定在所述的第一立柱(44)上；第四伺服电机(48 )通过第四电机座(49 )固定在所述的支撑板(47 )上；所述的第四伺服电机(48 )的转轴与所述的工作台(14)的横向平行；第四滚珠丝杠(50)通过第四联轴器(51)与所述的第四伺服电机(48)直连，并通过固定在所述的支撑板(47)上的第四滚珠丝杠支撑固定端(52)支撑转动；所述的第四滚珠丝杠(50)上连有法兰型式的第四丝杠螺母(53);所述的第 四丝杠螺母(53)上安装有第三压力传感器(54);在所述的第四滚珠丝杠(50)的另一端与第一连接头(55)通过螺纹连接；第一直线轴承(56)安放在所述的第一连接头(55)的另一端所开的孔中；加载头(57)的圆柱端位于所述的第一直线轴承(56)另一端所开的孔中；所述的加载头(57)的另一端为轴线与所述的工作台(14)的侧面短边相平行的圆柱轴，并通过所述的圆柱轴连接有第二直线轴承(58);在所述的加载头(57)和所述第三压力传感器(54)之间装有第三加载弹簧(59);所述的第三加载弹簧(59)将所述的第二直线轴承(58)压紧在工作台(14)的侧面； 所述的垂直加载机构包括横向移动装置和垂直加载装置，其中所述的横向移动装置的结构是布置在横梁(46)—侧的第五滚珠丝杠(60)，通过固定在所述的横梁(46)上的第五滚珠丝杠支撑固定端(61)和第五滚珠丝杠支撑支持端(62)进行支撑转动，并在所述的第五滚珠丝杠支撑固定端(62)的伸出端通过第五联轴器(63)与第五伺服电机(64)直连,第五伺服电机(64)通过第五电机座(65)固定在所述的横梁(46)上；在所述的第五滚珠丝杠(60)上套接有法兰形式的第五丝杠螺母(66)，所述的第五丝杠螺母(66)上固定连接有第五丝杠螺母座(67);在所述的横梁(46)的另一侧布置有第三滑动导轨(68)，在所述的第三滑动导轨(68)上布置有和固定板(69)固定连接的第三滑块(70);所述的第五丝杠螺母座(67)通过横板(71)与所述的固定板(69)相连； 所述的垂直加载装置的结构是第六伺服电机(72)通过第六电机座(73)固定在所述的固定板(69)上，且其转轴与工作台(14)垂直；第六滚珠丝杠(74)通过第六联轴器(75)和所述的第六伺服电机(72)直连，并通过固定在固定板(69)上的第六滚珠丝杠支撑固定端(76)进行支撑转动；所述的第六滚珠丝杠(74)上套接有法兰形式的第六丝杠螺母(77);所述的第六丝杠螺母(77)上安装有第四压力传感器(78);所述的第六滚珠丝杠(74)的另一端和第二连接头(79 )通过螺纹连接；第三直线轴承(80 )安放在所述的第二连接头(79 )另一侧所开的孔中，用于引导球窝(81)的圆柱端在其中上下滑动；所述的球窝(81)的另一端为空心的半球形，用于容纳加载球(82);在所述的球窝(81)和第四压力传感器(78)之间安装有第四加载弹簧(83)； 所述的摩擦加载机构包括两个结构相同的固定在所述的底板(I)上的摩擦加载装置，这两个摩擦加载装置分别安放在所述工作台(14)的左右两侧；其中位于工作台(14)左侧的摩擦加载装置的结构是位于所述的工作台(14)左侧的第一底座(84)固定在所述的底板(I)上，第一施力扳手(85)的螺纹杆旋入所述的第一底座(84)后端的螺纹孔中；第一单向推力球轴承(86)的轴圈套接在所述的第一施力扳手(85)螺纹杆的前部轴上，座圈安放在第一圆柱挡块(87)的安装孔内；第五加载弹簧(88)的一端紧靠在所述的第一圆柱挡块(87)的端面上，另一端紧靠在第一滑动块(89)的一个端面上；所述的第一滑动块(89)和所述的第五加载弹簧(88)相接触的一端为圆柱形，该圆柱形端置于所述的第一底座(84)前端的孔中；在所述的第一滑动块(89)的另一端固定有第一摩擦片(90)； 位于所述的工作台(14)右侧的摩擦加载装置的结构是位于所述的工作台(14)右侧的第二底座(91)固定在所述的底板(I)上，第二施力扳手(92)的螺纹杆旋入所述的第二底座(91)的后端的螺纹孔中；第二单向推力球轴承(93)的轴圈套接在所述的第二施力扳手(92)螺纹杆的前部轴上，座圈安放在第二圆柱挡块(94)的安装孔内；第六加载弹簧(95)的一端紧靠在所述的第二圆柱挡块(94)的端面上，另一端紧靠在第二滑动块(96)的一个端面上；所述的第二滑动块(96)和所述的第六加载弹簧(95)相接触的一端为圆柱形，该圆柱形端置于所述的第二底座(91)前端的孔中；在所述的第二滑动块(96)的另一端固定有第二摩擦片(97)； 所述的惯量匹配机构的结构是在所述的第一滚珠丝杠(4)上、位于第一滚珠丝杠支撑支持端(7外)的伸出端上，从内向外依次套接有第一轴套(98)、配重块(99)、第二轴套(100)和螺母(101)。
2.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，所述的装置还包括光栅尺、激光干涉仪、扭矩传感器、加速度传感器中的一种或多种。
全文摘要
本发明公开了一种直线进给系统动态特性综合测试实验装置，属于机械制造技术领域。本发明的装置包括单自由度伺服进给机构，纵向加载机构，龙门框架，横向加载机构，垂直加载机构，摩擦加载机构和惯量匹配机构。单自由度伺服进给机构控制工作台的位置；纵向加载机构控制纵向加载力的大小和方向；横向加载机构控制横向加载力的大小；垂直加载机构控制控制垂直加载力的大小；摩擦加载机构控制摩擦载荷的施加；惯量匹配机构可对惯量匹配特性进行研究。本发明的装置结构合理、紧凑，维护方便，适用范围广泛，可模拟在工作台任意位置的纵向载荷、横向载荷、垂直载荷、扭矩以及复合载荷，并对加载力的大小进行精确的控制。
文档编号G01M13/02GK102928220SQ201210404440
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月22日 优先权日2012年10月22日
发明者王立平, 李铁民, 姜峣, 吴军, 关立文, 王妍智 申请人:清华大学