本发明涉及机械制造技术领域，尤其涉及一种车床进给系统综合性能测试试验装置及方法。
背景技术：
随着科学技术的日益发展，人们对高精密制造技术的研究越发重视，高端产品对高精密技术的需求越来越大。而数控车床作为重要的机械加工设备，其自身的加工精度对于高精密产品来说至关重要。而进给系统作为数控车床的关键组成，在受热和受力时，会产生热变形和力变形，从而影响进给系统的精度，导致刀具切削时刀具和工件的相对位置产生变化，对加工出来的零部件的精度和表面质量产生很大的影响。现如今，人们对高端产品的精度需求愈发苛刻，加工误差的级别已经达到几个微米之内，而且误差补偿技术已较为成熟，研究影响进给系统精度的误差变的格外关键。
在研究影响进给系统的各项误差时，需要采用相关的车床设备对误差进行测量、补偿和验证。在对车床设备做实验时，由于车床设备的专用性和封闭性，其许多内部结构和对应参数信息不公开，限制了条件，导致结果不准确以及实验结论比较片面。大部分车床设备，出于对车床设备精度的保证，往往对许多结构进行加壳或者防尘罩保护，防止外界环境破坏了其内部结构，而这些附加件加大了对其综合性能进行测量的难度，使得许多传感器很难合理的布置，测量所得的结果不准确。车床设备作为一个整体，其内部零部件经过设计计算互相关联，当对其某个零部件进行替换以完成某项实验时，不能全面反映其之间的配合关系，导致替换后出现数据偏差较大的现象，而且由于车床结构复杂，对进给系统某个零部件进行拆卸会非常麻烦。某些破坏性较大的实验，例如可靠性试验，需要对车床设备进行长期的加载和测量，这样对于车床设备，除进给系统以外的许多零部件也会出现磨损或者破坏现象，由此造成了巨大的损失。
在实际的车削加工工程中，车削力测量的难度和成本均较大，无法精确的测量出车削力，在实验过程中，无法研究切削力对进给系统性能的影响。
技术实现要素：
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种车床进给系统综合性能测试实验装置及方法，实现在不同工况下，对应的切削力和转速对车床进给系统综合性能的影响，并对车床进给系统综合性能进行测试和分析。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种车床进给系统综合性能测试实验装置，包括进给单元、随动加载单元、测控系统和底板；
所述进给单元包括安装在底板上的第一电机支撑座，安装在第一电机支撑座上的第一伺服电机，通过第一联轴器与第一伺服电机的转轴连接的扭矩传感器，通过第二联轴器与扭矩传感器连接的第一滚珠丝杠，固定靠近第二联轴器一端的第一滚珠丝杠的第一轴承座，支撑另一端第一滚珠丝杠的第二轴承座，套在第一滚珠丝杠上的第一螺母，固定第一螺母的第一活灵座，固定第一活灵座的第一活灵座垫板，固定第一活灵座垫板的测试工作台，安装在测试工作台上的加载块，安装在底板上且在第一滚珠丝杠两侧平行等距的第一滑动导轨和第二滑动导轨，套在第一滑动导轨上且安装在测试工作台上的第一滑块和第二滑块，套在第二滑动导轨上且安装在测试工作台上的第三滑块和第四滑块；
所述随动加载单元包括安装在底板上的第二电机支撑座，安装在第二电机支撑座上的第二伺服电机，通过第三联轴器与第二伺服电机的转轴连接的第二滚珠丝杠，固定靠近第三联轴器一端的第二滚珠丝杠的第三轴承座，支撑另一端第二滚珠丝杠的第四轴承座，套在第二滚珠丝杠上的第二螺母，固定第二螺母的第二活灵座，固定第二活灵座的第二活灵座垫板，固定第二活灵座垫板的加载工作台，安装在底板上且在第二滚珠丝杠两侧平行等距的第三滑动导轨和第四滑动导轨，套在第三滑动导轨上且安装在加载工作台上的第五滑块和第六滑块，套在第四滑动导轨上且安装在加载工作台上的第七滑块和第八滑块；安装在底板上的向气缸安装板，安装在x向气缸安装板上的x向气缸垫板，安装在x向气缸垫板上的x向加载气缸；安装在加载工作台上的y向加载气缸垫板，安装在y向加载气缸垫板上的y向加载气缸；安装在加载工作台上的z向气缸安装支撑板，安装在z向气缸安装支撑板上的z向加载气缸垫板，安装在z向加载气缸垫板上的z向加载气缸；
所述测控系统包括控制柜、气动控制装置、采集装置、采集设备和限位开关。
进一步地，所述控制柜包括控制器、伺服驱动器、继电器，所述控制柜控制第一伺服电机和第二伺服电机。
进一步地，所述气动控制装置包括过滤器，第一电磁换向阀，第一单向阀，第一减压阀，第一溢流阀，第二电磁换向阀，第三电磁换向阀，第二单向阀，第二减压阀，第二溢流阀，第四电磁换向阀，第五电磁换向阀，第三单向阀，第三减压阀，第三溢流阀，第六电磁换向阀，继电器，磁性开关。
进一步地，所述采集装置包括温度传感器，位移传感器，力传感器，扭矩传感器，加速度传感器，声音传感器，光栅尺，编码器。
进一步地，所述限位开关安装在第一滚珠丝杠和第二滚珠丝杠的两端、测试工作台和加载工作台端面，限位开关由控制柜控制。
一种车床进给系统综合性能测试实验方法，利用所述的车床进给系统综合性能测试实验装置，包括步骤：
(1)将采集装置安装在进给单元和随动加载单元上，并接入测控系统；
(2)在测控系统上设置传感器采集参数，并根据上传的力传感器的数据，反馈调节加载气缸的气压压力大小；
(3)在测控系统上设置第一伺服电机和第二伺服电机的转速大小；
(4)开始运行；
(5)测控系统开始对电机进行控制；
(6)测控系统(3)开始测量，对信号进行采集显示及处理；
(7)重复步骤(2)～(6)，完成不同实验要求下的测试。
进一步地，所述步骤(1)具体包括：
(1.1)将温度传感器安装在第一轴承座、第二轴承座、第一螺母、第一滑块、第二滑块、第三滑块、第四滑块、第一伺服电机上；
(1.2)将位移传感器安装在第一滚珠丝杠端面处；
(1.3)将x向力传感器，y向力传感器，z向力传感器安装在加载块的三个面上；
(1.4)将温度传感器、位移传感器和力传感器的信号线接入测控系统的采集设备。
进一步地，所述步骤(1)具体包括：
(1.1)将光栅尺主尺安装在光栅尺主尺安装板上，将光栅尺读数头安装在光栅尺读数头安装板上；
(1.2)将x向力传感器，y向力传感器，z向力传感器安装在加载块的三个面上；
(1.3)将光栅尺、第一伺服电机的编码器和力传感器的信号线接入测控系统的采集设备。
本发明的试验装置可用于研究不同切削力和转速对车床进给系统温升与热变形的影响，可用于研究车床进给系统关键部位的可靠性，可用于研究不同切削力和转速对滚珠丝杠扭矩的影响，可用于研究不同切削力和转速对进给系统动态性能的影响，可用于研究不同切削力和转速对进给系统噪音的影响，可用于研究不同切削力和转速对进给系统爬行现象的影响，可用于研究不同切削力和转速对进给系统加工精度的影响。
有益效果：(1)本发明装置可以在车床进给系统运动过程中，测量得到不同切削力和转速下车床进给系统的性能参数，从而为研究车床进给系统的综合性能提供试验依据，加载单元可以模拟x、y、z三个方向的载荷加载，不需要将车床的机构从车床上拆卸下来，使实验情况更符合实际工况；(2)由于模拟过程不进行实际材料切削，节约成本，并且不存在切屑和切削液的干扰，使得试验结果更加准确；(3)该装置可以解决试验中浪费巨大、破坏性强及实验周期长的问题；(4)该试验装置具有互换性，可针对不同结构和零部件参数进行试验，使得试验更加方便。
附图说明
图1是本发明装置的整体结构示意图；
图2是本发明装置的部分结构俯视图，包括进给单元和随动加载单元；
图3是本发明装置的部分结构示意图，包括进给单元和随动加载单元；
图4是本发明装置的气动控制装置的原理图；
图5是本发明装置的电磁阀控制模式一；
图6是本发明装置的电磁阀控制模式二。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，本发明所述的车床进给系统综合性能测试试验装置，包括进给单元1、随动加载单元2、测控系统3和底板4。为了表述方便，建立如图1中所示的x-y-z直角坐标系。
如图2和图3所示，进给单元1中，测试工作台120的位置通过第一伺服电机101进行控制，将测试工作台120的位置距离转化成第一伺服电机101的位置控制指令，通过位置控制指令驱动第一伺服电机101的转轴旋转，通过第一联轴器103和第二联轴器105带动扭矩传感器104和第一滚珠丝杠107的旋转，第一滚珠丝杠107的旋转运动转化为第一螺母112的轴向运动，通过固定在第一螺母112上的第一活灵座113带动测试工作台120沿着第一滚珠丝杠107的轴向移动，通过第一伺服电机101的位置反馈和速度反馈实现电机的半闭环控制。
随动加载单元2中，加载工作台220的位置通过第二伺服电机201进行控制，将第一伺服电机101的位置指令同步传输给第二伺服电机201，驱动第二伺服电机201的转轴旋转，通过第三联轴器203带动第二滚珠丝杠205的旋转，第二滚珠丝杠205的旋转运动转化为第二螺母210的轴向运动，通过固定在第二螺母210上的第二活灵座211带动加载工作台220，实现加载工作台220和测试工作台120平行同步运动。对于x向加载，x向加载气缸222通过x向气缸垫板安装在x向气缸安装板215上，而x向气缸安装板215安装在底板4上，x向加载气缸222的推杆给加载块119施加x向的载荷；对于y向加载，y向加载气缸217通过y向加载气缸垫板219安装在加载工作台220上，y向加载气缸217的推杆给加载块119施加y向的载荷；对于z向加载，z向加载气缸221通过z向加载气缸垫板安装在z向气缸安装支撑板216上，而z向气缸安装支撑板216安装在加载工作台220上，z向加载气缸221的推杆给加载块119施加z向的载荷。
如图1所示，测控系统3包括控制柜301、气动控制装置302、采集装置、采集设备303和限位开关。控制柜301包括控制器、伺服驱动器、继电器，控制柜控制第一伺服电机和第二伺服电机。控制器采用stm32或者dsp作为微控制器，利用控制器输出控制信号，控制信号传输给伺服驱动器，伺服驱动器输出位置控制指令给第一伺服电机101和第二伺服电机201，从而通过控制第一伺服电机101和第二伺服电机201驱动加载工作台220和测试工作台120。为了防止试验装置的测试工作台120和加载工作台220在运行过程中出现换向失败和运行不同步而导致试验装置的部件损坏，在第一滚珠丝杠107和第二滚珠丝杠205的两端安装限位开关，在测试工作台120和加载工作台220端面安装限位开关，限位开关由控制柜301控制。
如图4所示，气动控制装置302包括过滤器306，第一电磁换向阀307，第一单向阀308，第一减压阀309，第一溢流阀310，第二电磁换向阀311，第三电磁换向阀312，第二单向阀313，第二减压阀314，第二溢流阀315，第四电磁换向阀316，第五电磁换向阀317，第三单向阀318，第三减压阀319，第三溢流阀320，第六电磁换向阀321，继电器，磁性开关。加载载荷的大小是通过气动控制装置302调控x向加载气缸222、y向加载气缸217和z向加载气缸221的进出气压力实现的，电磁换向阀控制进出气口的通断，单向阀防止气体回流，减压阀调控气体的压力，溢流阀稳定进气口气压的稳定，继电器和磁性开关控制电磁换向阀的通断，进气时，以第一个支路为例，打开第一电磁换向阀307和第二电磁换向阀311，气源的气体通过过滤器306、第一单向阀308和第一减压阀309到达气缸的无杆腔。由于被加载的测试工作台120在往复运动，所以气缸的工作腔容积在不断变化，导致工作压力不稳定，因此在工作腔的入口处添加第一溢流阀310。当工作腔里的气压大于设定值时，第一溢流阀310打开排出多余的气体，使工作腔的气压稳定在设定值，实现稳定的恒力加载。
气缸活塞的往复运动，是通过控制电磁阀的通断来实现的，而对电磁阀的控制是通过继电器和磁性开关组成的控制电路实现的。在设计控制电磁阀的电路时，根据切削需求，设计了两种模式，一种是进给时加载、回程时空载，一种是进给与回程都加载，两种模式的电路如图5和6所示。图中，km1、km2为继电器；ka、kb为磁性开关。
电磁阀1～3分别为控制x向加载气缸、y向加载气缸、z向加载气缸进气，电磁阀4～6分别为控制x向加载气缸、y向加载气缸、z向加载气缸出气。
模式一电路图中，按下启动开关，km2通电，km2常开开关闭合，与启动开关并联的km2与启动开关形成自锁，所有电磁阀通电，气缸进行加载，同时电机方向信号接收到24v电压，电机正转；当活塞前进经过kb时，kb闭合，km1线圈通电，km1常闭开关打开，km2线圈断电，km2常开开关打开，所有的阀断电，气缸无加载力，同时电机方向信号接收到0v电压，电机反转；当活塞后退经过ka时，km2线圈通电，重复加载动作。
模式二的电路图中，由于y向和z向加载气缸活塞杆一直处于静止加载状态，因此电磁阀2、3、5、6的线圈一直保持通电状态即可实现进程和回程一直加载；而x向的活塞杆一直处于运动状态，所以进程时电磁阀1和2通电，原理同模式一，回程时阀1断电，阀2保持通电状态，此时，气缸无杆侧空气被压缩，通过添加溢流阀控制和稳定其内部的气压。
如图3所示，采集装置包括温度传感器，位移传感器，x向力传感器223，y向力传感器218，z向力传感器224，扭矩传感器104，加速度传感器，声音传感器，光栅尺主尺304，光栅尺读数头305，编码器。
本发明中涉及多个采集装置，具体使用哪几个采集装置需要根据研究需求进行选择性使用，例如可以选用温度传感器、位移传感器、加速度传感器、声音传感器、编码器等，这里重点描述直接影响进给系统试验装置的机构，采集装置对试验装置的结构影响不是决定性的。x向力传感器223、y向力传感器218、z向力传感器224，安装在加载块119上，用于加载气缸作用力大小的反馈，方便对加载力的调控；扭矩传感器104通过第一联轴器103和第二联轴器105固定在第一伺服电机101和第一滚珠丝杠107，用于测量第一滚珠丝杠107的扭矩大小；光栅尺主尺304通过光栅尺主尺安装板118安装在测试工作台120上，光栅尺读数头305通过光栅尺读数头安装板114安装在底板4上，光栅尺主尺304和光栅尺读数头305配套使用，用于测量测试工作台120的移动距离。
本发明的车床进给系统综合性能测试实验方法的实现过程如下：
(1)将温度传感器安装在第一轴承座106、第二轴承座117、第一螺母112、第一滑块111、第二滑块115、第三滑块110、第四滑块116、第一伺服电机101上；
(2)利用磁力座夹持位移传感器安装在第一滚珠丝杠107端面处；
(3)将x向力传感器223，y向力传感器218，z向力传感器224安装在加载块119的三个面上；
(4)将温度传感器、位移传感器和力传感器的信号线接入测控系统3的采集设备303；
(5)在测控系统3的上位机控制界面设置传感器采集参数，包括设置数据保存目录、设置采集设备303采样率，并且根据上传上来的力传感器的数据，反馈调节x向加载气缸222、y向加载气缸217、z向加载气缸221的气压压力大小；
(6)在测控系统3的上位机控制界面设置第一伺服电机101和第二伺服电机201的转速大小；
(7)点击控制柜301的开始运行按钮；
(8)点击测控系统3的上位机控制界面开始运行按钮对电机进行控制；
(9)点击测控系统3的上位机控制界面开始测量按钮，对温度传感器和位移传感器的信号进行采集并显示。
(10)重复前述步骤，完成不同实验要求下的测试。
本发明的试验装置可用于研究不同切削力和转速对车床进给系统温升与热变形的影响，可用于研究车床进给系统关键部位的可靠性，可用于研究不同切削力和转速对滚珠丝杠扭矩的影响，可用于研究不同切削力和转速对进给系统动态性能的影响，可用于研究不同切削力和转速对进给系统噪音的影响，可用于研究不同切削力和转速对进给系统爬行现象的影响，可用于研究不同切削力和转速对进给系统加工精度的影响。