專利名稱：數控車床自動變位模擬加載裝置及靜剛度分布檢測方法
技術領域：
本發明屬于在加工作業空間不同位置進行模擬加載條件下的數控機床靜剛度檢 測技術，具體涉及一種數控車床自動變位模擬加載裝置及靜剛度分布檢測方法。
背景技術：
機床剛度是評價機床性能的重要指標，它是影響機床的工作精度和動態特性的重 要因素。在機床加工作業空間，隨著加工點位置的變化使機床構件承載位置及載荷大小(包 括力和矩)發生變化，機床靜剛度發生變化。不同加工位置的靜剛度變化可以用剛度分布 描述。靜剛度的大小及靜剛度分布直接影響加工精度(特別是剛度分布直接影響加工表面 的形狀精度)，同時影響機床的振動特性。機床靜剛度試驗是采用模擬載荷代替切削加工載 荷在設計階段可以用解析的方法預測設計方案的靜剛度及靜剛度分布情況，然后根 據預測結果進行設計方案修改(方案修改的依據除了靜剛度及其分布之外，還有動、熱特性 預測結果)，從而提高剛度及改善剛度分布。數控機床靜剛度檢測試驗的用途之一是為評價機床靜剛度提供數據；另一用途是 考核驗證靜剛度及靜剛度分布預測方法和方案修改方法的正確性，為研究和改進預測及方 案修改方法提供試驗手段。對于多軸聯動數控機床，不同的數控機床，加工表面形成原理不同，其進給系統伺 服軸的運動功能不同，保持各個數控軸嚴格運動關系的聯動軸個數及聯動關系不同；各種 多軸聯動數控機床所承受的載荷性質、運動中載荷的變化規律及各個方向的載荷之間的比 例不同。因此各種多軸聯動數控機床模擬加載裝置及對應的檢測方法不同。臥式數控車床 由主軸部件、刀架、尾座、Z軸及X軸移動部件和床身等部件組成，主軸部件和刀架安裝在床 上，Z軸部件置于床上并相對床上作Z向運動，X軸部件置于Z軸部件上并相對Z軸部件作 X向運動，刀架置于X軸部件上。通過主軸回轉運動C軸、直線運動Z軸及X軸的三軸聯動 可以加工各種類型的回轉表面(端面、柱面、錐面、球面、螺旋面及自由回轉曲面)，數控車床 作為承載對象的末端執行器為主軸、尾座及刀架。主軸及尾座的載荷是通過工件傳遞過來 的，工件加工點承受主切削力Fy、軸向切削力Fz及橫向切削力Fx，Fy將產生工件一側繞Z 軸的切削力矩Mz，Fz將產生工件一側繞Y軸的力矩My。國內外現有的數控車床靜剛度檢測裝置及檢測方法只能檢測一個確定位置的靜 剛度，不能檢測靜剛度分布。由于工件加工點位置變化，主軸承受的載荷發生變化，主軸位 移也將變化，主軸的靜剛度將隨著工件加工點位置變化而將變化。同樣的理由數控車床尾 座的靜剛度也是隨著工件加工點位置變化而將變化的。數控車床的刀架承受的載荷雖然 不發生變化，但由于工件加工點位置變化時乘載刀架的X軸、Z軸的滑臺的位置變化將使床 身、X軸、Z軸的滑臺的位移發生變化，從而影響刀架的靜剛度變化。剛度變化直接影響加工 表面的形狀精度，因此需要檢測數控車床靜剛度分布。國內外現有的數控車床靜剛度檢測裝置及檢測方法不能對工件一側施加繞Z軸的模擬力矩載荷Mz及軸向分力Fz產生的繞Y軸的模擬力矩載荷My，因此不能完全模擬切 削載荷，即不能進行全載荷模擬加載。
發明內容
本發明的目的是提供一種數控車床自動變位模擬加載裝置，以克服現有的數控車 床靜剛度檢測裝置只能檢測一個確定點的靜剛度，不能檢測靜剛度分布的缺點。本發明的另一個目的是提供利用上述自動變位模擬加載裝置檢測靜剛度分布的 方法。本發明所采用的技術方案是，一種數控車床自動變位模擬加載裝置，包括受載試 件和模擬加載的施載組件；施載組件由鋼球、蓋、球座、力傳感器、連接件及夾持件組成；球 座的一端固定連接有蓋，鋼球內置在蓋和球座里且鋼球的一部分位于蓋外；球座的另一端 通過力傳感器與連接件固定連接，連接件與夾持件固定連接；受載試件上設置有受載面，受 載面為其法線與球座軸線一致的平面或曲面。本發明所采用的另一個技術方案是，利用上述的自動變位模擬加載裝置檢測靜剛 度分布的方法，包括以下操作步驟先將施載組件的夾持件安裝在刀架上，再將受載試件安 裝在主軸的卡盤上并通過頂尖與尾座連接；然后將施載組件移動到預先設置的加載位置， 并保證受載試件的受載面法線與球座的軸線方向一致，再對受載試件的受載面施加模擬載 荷；由安裝在主軸、尾座、刀架上的位移傳感器檢測的位移和施載組件的力傳感器檢測的模 擬載荷求出該加載位置模擬負載下的剛度；再由Z軸及X軸的運動自動變更施載組件加載 位置，依次檢測各個加載位置的剛度，即可得到模擬負載下的剛度分布。其特征在于，受載試件的受載面為平面時，通過調整主軸的C軸使得受載試件的 受載面法線與球座的軸線方向一致，再通過Z軸及X軸的運動帶動刀架將施載組件移動到 預先設置的加載位置，再通過Z軸及X軸運動的微調對受載試件的受載面施加模擬載荷；由 安裝在主軸、尾座、刀架上的位移傳感器檢測的位移和施載組件的力傳感器檢測的模擬載 荷求出該加載位置模擬負載下的剛度；由Z軸及X軸的運動自動變更施載組件加載位置，依 次檢測各個加載位置的剛度，得到模擬負載下的剛度分布。其特征還在于，受載試件的受載面為曲面時，通過Z軸及X軸的運動帶動刀架將施 載組件移動到預先設置的加載位置，同時由C軸運動將受載試件轉到對應的加載位置并保 證受載試件的受載面法線與球座的軸線方向一致，然后通過C軸、Z軸及X軸運動的微調對 受載試件的受載面施加模擬載荷；由安裝在主軸、尾座、刀架上的位移傳感器檢測的位移和 施載組件的力傳感器檢測的模擬載荷求出該加載位置模擬負載下的剛度；然后再由Z軸、X 軸及C軸的聯動運動到新的加載位置，并保證受載試件的受載面法線與球座的軸線方向一 致，再依次檢測各個加載位置的剛度，得到模擬負載下的剛度分布。其中，數控車床主軸電機采用伺服電機，施加模擬載荷時主軸電機處于使能或制 動狀態，以承受扭矩Mz。本發明的有益效果是可以施加模擬全(包括力及矩)載荷；可自動變換加載位置， 能夠檢測機床靜剛度分布；可以通過設計及調整改變施載組件的球座軸線和受載試件的受 載面法線方向(a a z角度)，從而滿足不同車削加工類型模擬載荷比例試驗的要求。
圖1是本發明數控車床自動變位的模擬加載裝置的結構示意圖2是本發明數控車床自動變位模擬加載裝置的施載組件的結構示意圖； 圖3是自動變位模擬加載裝置的工作狀態示意圖；(a為工作狀態俯視示意圖，b為工 作狀態側視示意圖；)
圖中，1.受載試件，2.鋼球，3.蓋，4.球座，5.力傳感器，6.連接件，7.夾持件，8.主軸， 9.卡盤，10.頂尖，11.尾座，12.施載組件，13.刀架，14.受載面，L為球座軸線。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進行詳細說明。如圖1和圖3所示，本發明提供了 一種數控車床自動變位模擬加載裝置，包括受載 試件1和模擬加載的施載組件12 ；如圖2所示，施載組件12由鋼球2、蓋3、球座4、力傳感 器5、連接件6及夾持件7組成；球座4的一端固定連接有蓋3，鋼球2內置在蓋3和球座4 里且鋼球2的一部分位于蓋3外；球座4的另一端通過力傳感器5與連接件6固定連接，連 接件6與夾持件7固定連接；根據模擬載荷比例設計球座4軸線L與X、Z軸成a x和a z傾 角(見圖2)。如圖3a所示，受載試件1的一端安裝在主軸8的卡盤9上，另一端通過頂尖10 與尾座11連接。如圖3b所示，受載試件1上設置有受載面14，受載面14為平面或曲面。當受載試件1的受載面14為平面時，利用自動變位模擬加載裝置檢測靜剛度分布 的方法為如圖3a和3b所示，先將施載組件12的夾持件7安裝在刀架13上，再將受載試 件1安裝在主軸8的卡盤9上并通過頂尖10與尾座11連接；調整主軸8的C軸使得受載 試件1的受載平面法線與球座4的軸線方向一致，調整后主軸8的C軸電機制動或保持使能 狀態，使主軸8不動；安裝位移傳感器(位移傳感器可安裝多個，如主軸8、尾座11、刀架13 上)；先通過Z軸及X軸的運動帶動刀架13將施載組件12移動到預先設置的加載位置，然 后通過Z軸及X軸運動的微調對受載試件1的受載面14施加模擬載荷；由安裝在主軸8、 尾座11、刀架13上的位移傳感器檢測的位移和施載組件12的力傳感器5檢測的模擬載荷 求出該加載位置的模擬負載下的剛度；通過Z軸及X軸的運動自動變更施載組件12加載位 置，依次檢測各個加載位置的剛度，即可得到模擬負載下的剛度分布。當受載試件1的受載面為曲面，模擬不同加工類型的受載情況。其檢測靜剛度分 布的方法為先將施載組件12的夾持件7安裝在刀架13上，再將受載試件1安裝在主軸8 的卡盤9上并通過頂尖10與尾座11連接；安裝位移傳感器(位移傳感器可安裝多個，如主 軸8、尾座11、刀架13上)；先通過Z軸及X軸運動帶動刀架13將施載組件12移動到預先 設置的加載位置，同時由C軸運動將受載試件1轉到對應的加載位置并保證受載試件1的 受載面14法線與球座4的軸線方向一致；然后通過C軸、Z軸及X軸運動的微調對受載試 件1的受載面14施加模擬載荷；由安裝在主軸8、尾座11、刀架13上的位移傳感器檢測的 位移和施載組件12的力傳感器5檢測的模擬載荷求出該加載位置模擬負載下的剛度；在施 加模擬載荷時主軸8電機處于使能或制動狀態，使主軸8不動，以承受扭矩Mz ；然后再由Z 軸、X軸及C軸的聯動運動到新的加載位置，并保證受載試件1的受載面14法線與球座4的 軸線方向一致，檢測下一個加載位置的剛度；以此類推，依次檢測各個加載位置的剛度，即 可得到模擬負載下的剛度分布。
受載試件1的受載面為曲面，自動變更加載位置時，C軸、Z軸及X軸同時運動，既 將施載組件12移動到預先設置的加載位置又保證受載曲面法線與球座4軸線方向一致，其 余與受載面14為平面時的檢測方法相同。下面以數控車床在模擬負載下主軸8的X向剛度分布檢測為例進行說明，首先通 過Z軸及X軸的運動將施載組件12移動到預先設置的第一個加載位置，由施載組件12的 力傳感器5檢測得模擬載荷F，F通過受載試件1傳遞給主軸8，主軸8將承受三個力和三 個力矩，由X向位移傳感器檢測得與第一個加載位置對應的主軸X向位移Ux，則得主軸8與 模擬負載作用對應的X向剛度Kx為KX=F/UX ；
然后Z軸及X軸的運動自動將施載組件12移動到下一個加載位置(即自動變位)，再由 X向位移傳感器檢測得與該加載位置對應的位移Ux，求出與該加載位置對應的主軸8的X向 剛度Kx。重復上述過程，可求出預先設置的各個加載位置對應的主軸8的X向剛度Kx，即得 到主軸8的X向剛度Kx隨著加載位置變化而變化的分布情況。采用同樣的方法可以檢測得數控車床主軸8的Y向剛度KY和Z向剛度&的分布。 同理可以檢測得數控車床尾座11、刀架13處的剛度分布。本發明提供的一種數控車床自動變換加載位置的全載荷模擬加載裝置及模擬負 載下剛度分布檢測方法，可用于臥式數控車床和臥式車削中心。
權利要求
一種數控車床自動變位模擬加載裝置，其特征在于包括受載試件(1)和模擬加載的施載組件(12)；所述的施載組件(12)由鋼球(2)、蓋(3)、球座(4)、力傳感器(5)、連接件(6)及夾持件(7)組成；球座(4)的一端固定連接有蓋(3)，鋼球(2)內置在蓋(3)和球座(4)里且鋼球(2)的一部分位于蓋(3)外；球座(4)的另一端通過力傳感器(5)與連接件(6)固定連接，連接件(6)與夾持件(7)固定連接；所述的受載試件(1)上設置有受載面(14)，受載面(14)為其法線與球座(4)軸線方向一致的平面或曲面。
2.利用權利要求1所述的自動變位模擬加載裝置檢測靜剛度分布的方法，其特征在 于，包括以下操作步驟先將施載組件(12)的夾持件(7)安裝在刀架(13)上，再將受載試件 (1)安裝在主軸(8)的卡盤(9)上并通過頂尖(10)與尾座(11)連接；然后將施載組件(12) 移動到預先設置的加載位置，并保證受載試件(1)的受載面(14)法線與球座(4)的軸線方 向一致，再對受載試件(1)的受載面(14)施加模擬載荷；由安裝在主軸(8)、尾座(11)、刀架 (13)上的位移傳感器檢測的位移和施載組件(12)的力傳感器(5)檢測的模擬載荷求出該 加載位置模擬負載下的剛度；再由Z軸及X軸的運動自動變更施載組件(12)加載位置，依 次檢測各個加載位置的剛度，即可得到模擬負載下的剛度分布。
3.根據權利要求2所述檢測靜剛度分布的方法，其特征在于所述受載試件(1)的受 載面(14)為平面時，通過調整主軸(8)的C軸使得受載試件(1)的受載面(14)法線與球座 (4)的軸線方向一致，再通過Z軸及X軸的運動帶動刀架(13)將施載組件(12)移動到預先 設置的加載位置，再通過Z軸及X軸運動的微調對受載試件(1)的受載面(14)施加模擬載 荷；由安裝在主軸(8)、尾座(11)、刀架(13)上的位移傳感器檢測的位移和施載組件(12)的 力傳感器(5)檢測的模擬載荷求出該加載位置模擬負載下的剛度；由Z軸及X軸的運動自 動變更施載組件(12)加載位置，依次檢測各個加載位置的剛度，得到模擬負載下的剛度分 布。
4.根據權利要求2所述靜剛度分布檢測的方法，其特征在于所述受載試件(1)的受載 面(14)為曲面時，通過Z軸及X軸的運動帶動刀架(13)將施載組件(12)移動到預先設置 的加載位置，同時由C軸運動將受載試件(1)轉到對應的加載位置并保證受載試件(1)的受 載面(14)法線與球座(4)的軸線方向一致，然后通過C軸、Z軸及X軸運動的微調對受載試 件(1)的受載面(14)施加模擬載荷；由安裝在主軸(8)、尾座(11)、刀架(13)上的位移傳感 器檢測的位移和施載組件(12)的力傳感器(5)檢測的模擬載荷求出該加載位置模擬負載 下的剛度；然后再由Z軸、X軸及C軸的聯動運動到新的加載位置，并保證受載試件(1)的 受載面(14)法線與球座(4)的軸線方向一致，再依次檢測各個加載位置的剛度，得到模擬 負載下的剛度分布。
5.根據權利要求2、3或4所述的靜剛度分布檢測的方法，其特征在于數控車床主軸 (8)電機采用伺服電機，施加模擬載荷時主軸(8)電機處于使能或制動狀態，以承受扭矩 Mz0
全文摘要
本發明公開了一種數控車床自動變位模擬加載裝置包括受載試件和施載組件，施載組件由鋼球、蓋、球座、力傳感器、連接件及夾持件組成，受載試件一端安裝在主軸的卡盤上，另一端通過頂尖與尾座連接。球座的軸線傾角為αx和αz，調整主軸的C軸使得受載試件的受載平面的法線與球座的軸線方向一致；其靜剛度分布檢測方法為通過Z軸及X軸的運動將施載組件移動到預先設置的加載位置；通過Z軸及X軸運動的微調施加模擬載荷；由安裝在主軸、尾座、刀架上的位移傳感器檢測的位移和施載組件的力傳感器檢測的模擬載荷求出該加載位置的模擬負載下的剛度，通過Z軸及X軸的運動自動變更加載位置，依次檢測各個加載位置的剛度，得到模擬負載下剛度分布。
文檔編號G01M5/00GK101852671SQ20101020924
公開日2010年10月6日 申請日期2010年6月25日 優先權日2010年6月25日
發明者惠燁, 楊新剛, 趙銳, 黃玉美 申請人:西安理工大學