载荷力方向自平衡的加载装置及力方向自控的数控刀架静刚度测试平台的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种机械结构部件的静载荷加载装置及刚度的测试系统，具体涉及一 种载荷力方向自平衡的加载装置及力方向自控的数控刀架静刚度测试平台，属于机床功能 部件基本性能参数测试技术领域。
【背景技术】
[0002] 数控刀架是数控车床及车铣复合加工中心的核心功能部件之一，可以实现车、镗、 铣、钻等加工工艺中的刀具安装、夹持、换刀。刀架的切削载荷抵抗性能，即静刚度，在很大 程度上影响和决定了数控机床的加工精度、精度保持能力以及机床、刀架刚度的匹配特性。 刀架直接承受切削载荷，其静刚度对于加工精度和零件尺寸误差的控制具有至关重要的作 用。刀架的静刚度A可以反应刀架的抗切削载荷性能的强弱以及外载荷所引起的局部变 形量的大小，其值为定义为载荷力/Y如和刀架测点变形的比值，即k=F/ZZ .但是， 传统的刀架静刚度的测试过程中，还存在不少的问题和不足，并没有考虑到加载力的传递 方向准确而不发生偏移，是否垂直于刀杆加载面，加载力是否集中，位置是否准确等技术要 求。精确的刀架静刚度测试，不能直接使用液压或者螺旋千斤顶对刀架进行静态加载，这样 载荷力的大小、方向和位置容易发生偏移而影响到测试结果的准确性。
[0003] 经检索，中国专利文献CN203629814U公开了一种立式刀架加力测试实验台，包括 工作台，工作台上设有用于固定刀架的刀架垫板、垂直加力测试机构及水平加力测试机构， 所述工作台上分别设有横向安装槽和纵向安装槽，所述垂直加力测试机构及水平加力测试 机构分别可滑动的安装在所述横向安装槽和纵向安装槽上。CN102706543A公开了一种动力 刀架综合性能测试方法，以Iabview为手段进行数据采集及处理的检测的方法。采用温度 传感器、温度变送器、振动传感器、光栅微位移传感器、编码器、通用计数卡和工控机测量， 用一系列的传感器获取刀架工作过程中温度、振动、Y轴的微位移以及刀盘换刀每一时刻的 角速度值，并将这些值转化为电信号，通过一系列传送手段送到工控机，工控机通过软件将 这些数据绘制成曲线图或者生成数据表格。这些文献中均未解决加载时可能发生的载荷力 偏移问题，也无法克服克服载荷力加载过程中机床其他功能部件变形而引起的刀架静刚度 测试误差。
【发明内容】
[0004] 发明目的：为了解决目前刀架静刚度测试过程不够规范，力加载点位置难以控制， 力加载方向容易发生偏移的技术问题。本发明提供一种数控刀架的静刚度测试方案和装 置，可以实现切向载荷的单向、直线、点加载。通过数控刀架的测点的变形以及载荷的大小， 可以准确拟合出位移-载荷曲线，总结并评价刀架的静刚度。
[0005] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种载荷力方向自平衡的加载装置， 包括测试台架、通过球副依次连接的千斤顶、力传感器和独立加载块，所述千斤顶固定安装 在测试台架上，所述独立加载块的顶端为半球形，所述加载装置的载荷始终垂直于被加载 平面。
[0006] 具体地，所述直线加载机构还包括千斤顶连接帽、力传感器下连接块和力传感器 上连接块，所述千斤顶连接帽固定安装在千斤顶的顶端，所述千斤顶连接帽和力传感器上 连接块顶部均具有球冠凸，所述力传感器下连接块和独立加载块的底部均具有与所述球冠 凸相匹配的球冠凹。
[0007] 本发明同时提出一种力方向自控的数控刀架静刚度测试平台，包括加载装置和位 移测试装置，所述加载装置固定在测试台架上，是主要由千斤顶和力传感器通过球副连接 而成的直线加载机构；所述位移测试装置与地面相对固定，被测数控刀架通过刚性固定底 盘固定在测试台架上，所述数控刀架上固定安装有刀盘承载板和刀杆，所述刀盘承载板上 具有测试点，所述刀杆上具有力加载点，所述力加载点和测试点位于同一垂直于地面的直 线上。
[0008] 具体地，所述加载装置还包括千斤顶连接帽、力传感器下连接块、力传感器上连接 块和独立加载块，所述千斤顶连接帽固定安装在千斤顶的顶端，所述千斤顶连接帽顶部为 第一球冠凸，力传感器上连接块顶部为第二球冠凸，独立加载块顶部为第三球冠凸；所述力 传感器下连接板底部为第一球冠凹，第一球冠凹半径大于第一球冠凸半径；所述加载块底 部为第二球冠凹，第二球冠凹半径大于第二球冠凸的半径。
[0009] 具体地，所述第一、第二球冠凸与第一、第二球冠凹通过点接触滑配，球冠凸在球 冠凸内的滚动使力传感器具有左右摆动的自由度，第三球冠凸直接作用于刀杆加载点。
[0010] 具体地，所述力传感器是S型力传感器，所述力传感器的上、下部均具有螺孔，所 述力传感器下连接块的顶部和上连接块的底部均具有与所述螺孔配合的螺杆包括测试台 架、通过球副依次连接的千斤顶、力传感器和独立加载块，所述千斤顶固定安装在测试台架 上，所述独立加载块的顶端为半球形，所述直线加载机构的载荷始终垂直于被加载平面。
[0011] 使用时，上述力方向自控的数控刀架静刚度测试平台的测试方法包括以下步骤：
[0012] 1)测试准备
[0013] 首先，数控刀架通过底座螺栓固定安装于刚性较大的刀架固定底盘上，刀架固定 底盘通过夹具固定于测试台架，刀盘承载板固定于刀架侧面，千斤顶固定放置于测试台架 上，并套上千斤顶连接帽，上、下连接块通过螺纹连接分别套在S型力传感的两端，上部顶 住独立加载块，下部顶住千斤顶；独立加载块顶部第三球冠凸作用于刀杆加载点；
[0014] 2)信号采集测量
[0015] 通过力传感器采集加载装置产生的载荷值大小，电涡流传感器同步采集刀盘承载 板测点的位移量，力信号和位移信号同步采集，实时对刀架的静刚度曲线进行评测和分析， 传感器和位移传感器通过数据采集卡与计算机连接；
[0016] 3)测试