机床滚动功能部件精度保持性测量装置制造方法
【专利摘要】机床滚动功能部件精度保持性测量装置，将被测丝杠和导轨安装在其中；其特征在于：其上设置有用于模拟机床实际工作状态下的受力情况并实现机床按照预设要求恒定受力或者按照程序要求受力的模拟装置；本发明所模拟的机床实际工作状态下的受力情况具体为下述几种之一或其组合：沿某一坐标轴方向的受力、绕某一坐标轴方向的扭矩、某一载荷作用下的工作台的倾覆力矩、机床刀具切削时产生的振动；所述模拟装置通过单一施力机构或者一个以上的施力机构的组合模拟机床的实际受力状况并保证机床受力的综合效果。本发明节省了物资支持，降低了噪声、废水污染；且可以避免干扰或者控制干扰实现理想实验环境；测量效率和实际效果明显提高。
【专利说明】机床滚动功能部件精度保持性测量装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及机床滚动功能部件(重点是丝杠和导轨)精度保持性测量方法及其应用【技术领域】，特别提供了一种机床滚动功能部件精度保持性测量装置。
【背景技术】
[0002]现有技术中，机床滚动功能部件(重点是丝杠和导轨)精度保持性测量通常是在实际机床上在加工实践中进行测量的，这存在很多亟待解决的技术问题。比较突出的简介如下:1)机床的实际加工过程必然要求有物料、刀具、切削液以及大量电能的损失；2)机床实际加工过程中必然会有噪声、废水等污染；3)机床实际加工过程中的丝杠和导轨受力通常都是有干扰和变化的，不易形成较为恒定干扰很少甚至无干扰的理想实验环境；4)测量效率和实际效果比较有限。因此，人们期望获得一种技术效果优良的机床滚动功能部件精度保持性测量装置。
【发明内容】
[0003]本发明目的是提供一种技术效果优良的机床丝杠和导轨精度保持性测量装置。本发明能够专用于模拟机床丝杠和导轨受力状况且避免实际机床工作状态下的各种不利于测量的干扰因素影响，是一种实现高效、低成本、数据真实可信的精度保持性测量方案。
[0004]采用的技术方案
机床滚动功能部件精度保持性测量装置，将被测丝杠和导轨安装在其中；其特征在于:其上设置有模拟装置用于模拟机床实际工作状态下的受力情况并实现机床按照预设要求(长时间)恒定受力或者按照程序要求受力；并测试在此受力情况下机床丝杠和导轨的精度保持性指标；——此为基于“精度保持性”测量方法而提出的本技术方案的技术思想总纲。
[0005]所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置所模拟的机床实际工作状态下的受力情况具体为下述几种之一或其组合:沿某一坐标轴方向的受力(主轴方向即Z向或称“垂直于两导轨所在平面的方向”)、绕某一坐标轴方向的扭矩、某一载荷作用下的工作台4的倾覆力矩、机床刀具切削时产生的振动；
所述模拟装置通过单一施力机构或者一个以上的施力机构的组合模拟机床的实际受力状况并保证机床受力的综合效果。
[0006]以上内容对应有参见图1-5的施力情况相关原理图；
机床滚动功能部件精度保持性测量方法的技术效果关键在于可以是机床受力达到理想状态，实现受力过程中无干扰、受力状态恒定；指标可测性好等效果。另外:相对于直接在实际机床上进行丝杠、导轨精度保持性测量而言，本发明所述技术方案可以大大减少刀具、工件材料、切削液等的损耗(基本不再有此方面的损耗)，还可以方便地安装和使用各种检测装置对相关被测量进行测量。其具有测量精度高、测量效率高、能借助于硬件结构和控制装置共同模拟各种机床加工的工况，并实现对应不同工况或者多种工况组合的指标测量。[0007]所述机床滚动功能部件精度保持性测量方法还满足下述要求:所述被测滚动功能部件均为水平或者竖直或者倾斜(符合一般机床的常见布局要求)布置，通过施加力模拟机床受力的控制单兀施力方案是下述几种方案之一或其组合:方案一:第一坐标轴方向即垂直于被测丝杠所驱动的工作台所在平面方向(例如Z向即“第一坐标轴”或“主轴”)受力:使用2-4个施力部件联合作用模拟机床的垂直于被测丝杠所驱动的工作台的方向(例如Z向)受力或/和沿该方向(例如Z向)施加绕与该方向两两垂直的另两个坐标方向(例如X轴或者Y轴方向)作用的倾覆力矩；
方案二:第二坐标轴方向(即垂直于第一坐标轴的平面上且垂直于被测丝杠轴线方向亦即Y向)受力:在安装有丝杠、导轨的工作台上的第二坐标轴方向施加成组的2组作用力以共同模拟机床工作台的第二坐标轴方向受力或者绕第一坐标轴作用的扭矩；其中每一组作用力由两组施力部件构成且二者的施力方向为相对方向；
方案三:第三坐标轴方向即被测丝杠轴线方向(即X向)受力:使用伺服电机恒扭矩驱动或者变扭矩驱动模拟丝杠受力。
[0008]所述机床滚动功能部件精度保持性测量中所使用的驱动部件具体是以下几种之一或其组合:伺服电机、气动装置、液压施力装置、恒转矩电机、借助于电磁力工作的装置、借助于摩擦力模拟刀具切削受力工作的装置；
模拟机床实际工作状态下的受力情况的模拟装置中，施力部件7具体的施力方式是:使用原动机通过联轴器连接丝杠，并进而带动由丝杠驱动的固定在螺母上的单轴滑台沿丝杠轴向滑动，通过控制伺服电机的转角对应换算得到精确的对外施力大小以便精确控制施力大小。
[0009]模拟机床实际工作状态下的受力情况的模拟装置为立式铣床加工受力模拟装置，其使用下述7套或者9套施力机构的组合,具体要求是:
其一:第一坐标轴方向(例如Z向)受力:使用2个或者4个施力部件单一作用或者联合作用于机床工作台以模拟机床的第一坐标轴方向(例如Z向)受力；其二:第二坐标轴方向(即Y向)受力:在安装有丝杠、导轨的工作台上的Y向施加成组的2组作用力共4组施力部件共同模拟机床工作台的第二坐标轴方向(例如Y向)受力或者绕第一坐标轴(例如Z轴)在第二坐标轴和第三坐标轴所组成的平面(例如XOY平面)内作用的扭矩；每一组作用力由两组施力部件构成且二者的施力方向为相对方向；其三:第三坐标轴方向(例如X向)受力:使用伺服电机恒扭矩驱动或者变扭矩驱动模拟丝杠受力；
机床滚动功能部件精度保持性测量装置在双水平导轨三坐标铣床中应用的具体要求是:首先以铣削平台下方布置的共面的4个滚动直线导轨滑块的中心点为原点建立直角坐标系，水平面为XOY平面；
然后在被测丝杠所驱动的工作台所在平面方向(例如Z向即“第一坐标轴”或“主轴方向”)使用2个施力部件分别施加作用力F5、F6联合作用于铣削平台以模拟机床的Z向受力或/和沿Z向施加绕X轴或者Y轴作用的倾覆力矩；同时，在第二坐标轴方向(即垂直于第一坐标轴的平面上且垂直于被测丝杠轴线方向亦即Y向)进行受力模拟:在安装有丝杠、导轨的工作台上的第二坐标轴方向施加成组的2组作用力以共同模拟机床工作台的第二坐标轴方向受力或者绕第一坐标轴作用的扭矩；其中F1J3以及F2、F4这两组作用力中每一个作用力都由一个施力部件施加且同一组的二个作用力的施力方向为相对方向；如此，将铣刀铣削时在P (x,y)点产生的三个两两相互垂直的作用力即Fe、Ff、FfN由上述的F1、F2、F3、F4, F5,F6六个作用力的组合进行等效模拟，参见附图1 ;
如图1所示建立直角坐标系(X轴、Y轴、Z轴)，P (x，y)点是铣刀铣削时产生三个方向的力分别是F。、Ff、Fffl,因刀具半径所产生扭矩M及X、Y、Z方向的进给力Fxa、Fy a、Fza，我们可以认为，工作台在加工过程中，X方向受力为Fx=FZFxa，Y方向受力为Fy=Ff+Fy a，Z方向受力为Fz=Ffl^Fzjs,通过上述受力分析，我们只要可以在工作台上移动的施加上X、Y、Z三个方向所需大小的力及扭矩M，就可以精确模拟真实切削时工作台的受力等效力施加如图1所示为 F1、F2> F3> F4、F5> F6 ；
首先在X-Y平面内建立坐标系如图2所示，X、Y方向的力为Fx、Fy作用效果应该与FpF2、F3、F4K作用效果相同，其中F1包括两部分力，一部分是等效扭矩M所需的力F11,另一部分是等效Ff对平台中心所产生扭矩的力F12 ;参见附图2，对应有下述数学模型:
把F1分为两部分力，即F: = Fil + F22
【权利要求】
1.机床滚动功能部件精度保持性测量装置，将被测丝杠和导轨安装在其中；其特征在于:其上设置有用于模拟机床实际工作状态下的受力情况并实现机床按照预设要求恒定受力或者按照程序要求受力的模拟装置； 所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置所模拟的机床实际工作状态下的受力情况具体为下述几种之一或其组合:沿某一坐标轴方向的受力、绕某一坐标轴方向的扭矩、某一载荷作用下的工作台的倾覆力矩、机床刀具切削时产生的振动； 所述模拟装置通过单一施力机构或者一个以上的施力机构的组合模拟机床的实际受力状况并保证机床受力的综合效果。
2.按照权利要求1所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置，其特征在于:所述被测滚动功能部件均为水平或者竖直或者倾斜布置，模拟装置模拟机床受力的施力方案是下述几种方案之一或其组合: 方案一:第一坐标轴方向即垂直于被测丝杠所驱动的工作台所在平面方向受力:使用2-4个施力部件联合作用模拟机床的的垂直于被测丝杠所驱动的工作台的方向受力或/和沿该方向施加绕与该方向两两垂直的另两个坐标方向的倾覆力矩； 方案二:第二坐标轴方向受力:在安装有滚动功能部件的工作台上的第二坐标轴方向施加成组的2组作用力以共同模拟机床工作台的第二坐标轴方向受力或者绕第一坐标轴作用的扭矩；其中每一组作用力由两组施力部件构成且二者的施力方向为相对方向； 方案三:第三坐标轴方向即被测丝杠轴线方向受力:使用伺服电机恒扭矩驱动或者变扭矩驱动模拟丝杠受力。
3.按照权利要求2所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置，其特征在于: 所述机床滚动功能部件精度保持性测量中所使用的驱动部件具体是以下几种之一或其组合:伺服电机、气动装置、液压施力装置、恒转矩电机、借助于电磁力工作的装置、借助于摩擦力模拟刀具切削受力工作的装置； 模拟机床实际工作状态下的受力情况的模拟装置中，施力部件(7)具体的施力方式是:使用原动机通过联轴器连接丝杠，并进而带动由丝杠驱动的固定在螺母上的单轴滑台沿丝杠轴向滑动，通过控制伺服电机的转角对应换算得到精确的对外施力大小以便精确控制施力大小。
4.按照权利要求3所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置，其特征在于:模拟机床实际工作状态下的受力情况的模拟装置为立式铣床加工受力模拟装置，其使用下述7套或者9套施力机构的组合,具体要求是: 其一:第一坐标轴方向:使用2个或者4个施力部件单一作用或者联合作用于机床工作台以模拟机床的第一坐标轴方向受力； 其二:第二坐标轴方向:在安装有丝杠、导轨的工作台上的第二坐标轴方向施加成组的2组作用力共4组施力部件共同模拟机床工作台的第二坐标轴方向受力或者绕第一坐标轴在第二坐标轴和第三坐标轴所组成的平面内作用的扭矩；每一组作用力由两组施力部件构成且二者的施力方向为相对方向； 其三:第三坐 标轴方向:使用伺服电机恒扭矩驱动或者变扭矩驱动模拟丝杠受力。
5.按照权利要求4所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置，其特征在于:所述机床滚动功能部件精度保持性测量方法在双水平导轨三坐标铣床中应用的具体要求是:首先以铣削平台下方布置的共面的4个滚动直线导轨滑块的中心点为原点建立直角坐标系，水平面为XOY平面； 然后在被测丝杠所驱动的工作台所在平面方向使用2个施力部件分别施加作用力F5、F6联合作用于铣削平台以模拟机床的Z向受力或/和沿Z向施加绕X轴或者Y轴作用的倾覆力矩；同时，在第二坐标轴方向进行受力模拟:在安装有丝杠、导轨的工作台上的第二坐标轴方向施加成组的2组作用力以共同模拟机床工作台的第二坐标轴方向受力或者绕第一坐标轴作用的扭矩；其中=Fp F3以及F2、F4这两组作用力中每一个作用力都由一个施力部件施加且同一组的二个作用力的施力方向为相对方向；如此，将铣刀铣削时在P (x，y)点产生的三个两两相互垂直的作用力即Fe、Ff、FfN由上述的？”^^^、^、^六个作用力的组合进行等效模拟，； 另外，还在第三坐标轴方向即被测丝杠轴线方向使用伺服电机恒扭矩驱动或者变扭矩驱动模拟丝杠受力； 同时还使用振动发生器和角度/位置调节装置的组合作用于工作台模拟刀具切削时的机床丝杠和导轨的振动受力。
6.按照权利要求2所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置，其特征在于:所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置的构成如下:床身(I)、被测导轨(2)、被测丝杠(3)、工作台(4)、丝杠用伺服电机(5)、丝杠用联轴器(6)、施力部件(7);其中:床身(I)为卧式结构；被测导轨(2)为在水平方向相互平行布置的两条，固定布置在床身(I)上部；被测丝杠 (3)由其专用的驱动部件驱动；工作台(4)布置在被测导轨(2)上且工作台(4)通过被测丝杠(3)驱动并能在被测导轨(2)上动作； 丝杠用伺服电机(5)通过丝杠用联轴器(6)连接被测丝杠(3)，被测丝杠(3)上的螺母固定布置在工作台(4)下部； 施力部件(7)用于在沿其主要结构伸展方向的轴向即单轴方向上对外施加作用力；其施力部件沿丝杠轴向运动和对外施力，其使用施力部件伺服电机(701)作为驱动部件通过控制施力部件伺服电机(701)的转角对应换算得到精确的对外施力大小以便精确控制施力大小。
7.按照权利要求6所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置，其特征在于:施力部件(7)的具体结构是:施力部件电机(701)、施力部件用联轴器(702)、施力用丝杠(703)、单轴滑台(704)、施力弹性组件(705)、施力部件支架(707)、施力部件用螺母(708)、施力杆(709)、施力头(710);其中:施力部件电机(701)、施力用丝杠(703)都固定布置在施力部件支架(707)上，单轴滑台(704)与施力部件支架(707)上相互接触且能相对滑动；施力部件电机(701)通过施力部件用联轴器(702)连接着施力用丝杠(703)，固定在单轴滑台(704)下部的施力部件用螺母(708)与施力用丝杠(703)配对且能够带动单轴滑台(704)和施力用丝杠(703)沿与施力用丝杠(703)平行的方向运动； 施力杆(709)的后半部分固定在单轴滑台(704)上且其轴线方向与施力用丝杠(703)平行，施力杆(709)伸出到单轴滑台(704)外部的那一端的端部为施力头(710);在伸出到单轴滑台(704)外部的施力杆(709)处套装有施力弹性组件(705)； 在所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置中，施力部件(7)具体的施力方式是:使用施力部件电机(701)通过施力部件用联轴器(702 )连接施力用丝杠(703 )，并进而带动由施力用丝杠(703)驱动的施力部件用螺母(708)； 施力部件用螺母(708)进而带动与其固定连接的单轴滑台(704)并使其沿施力用丝杠(703)的轴向滑动，在运动过程中通过控制施力部件电机(701)的转角对应精确控制对外施力的大小。
8.按照权利要求7所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置，其特征在于:所述施力头(710)处还固定设置有能绕其自身轴线方向旋转的滚轮，施力头(710)借助于滚轮与受力构件接触； 所述施力弹性组件(705)具体为压力弹簧，其预压缩变形后为自其自由长度的92% ；所述施力部件(7 )中还设置有防扭结构(706)，其具体是固定在施力杆(709)上使其不能实现周向旋转的限位结构即限制施力杆(709 ); 所述施力头(710)处还固定设置有能绕其自身轴线方向旋转的滚轮(711)，施力头(710)借助于滚轮(711)与模拟受力构件即工作台相接触。
9.按照权利要求7或8所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置，其特征在于:所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置还满足下述要求: 其还设置有下述结构:被测丝杠用螺母(8)、螺母安装座(9)、施力部件安装座(10)、外部框架(11)、滑鞍(12)、滑块(13);其中:被测丝杠用螺母(8)通过螺母安装座(9)固定布置在工作台(4)下部用于驱动工作台(4)在被测导轨(2)上运动； 施力部件安装座(10)用于将至少一个施力部件(7)安装布置在工作台(4)周边以便于对工作台(4)施加用于模拟工作台实际受力情况的作用力； 滑鞍(12)固定布置在用于支持工作台(4)的支撑导轨下方，包括滑鞍(12)及其所支撑的工作台(4)在内的所有组件都作为一个整体由被测导轨(2)支撑； 每根被测导轨(2)上至少设置有2个滑块(13)，滑块(13)固定布置在被测导轨(2)所支撑的部件上；外部框架(11)是整个设备的外框支架。
【文档编号】G01M13/00GK103983437SQ201410082949
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年3月7日 优先权日:2014年3月7日
【发明者】鑫龙, 舒启林, 王军, 张玉璞 申请人:沈阳理工大学