專利名稱：加工中心多軸聯動變位加載裝置及靜剛度分布的檢測方法
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，具體涉及一種加工中心多軸聯動變位加載裝置及靜剛度分布的檢測方法。
背景技術：
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 (包括力和力矩)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。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，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、不同加工位置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。如具有 Z軸、Y軸及X軸三個直線運動和C軸、A軸兩個回轉運動的5軸加工中心，通過Z、Y、X、C、 A五軸聯動可以加工各種類型的復雜表面。實際加工時在加工點有三向切削力，工作臺的 載荷是通過工件傳遞過來的，工作臺將會承受六項切削載荷(三個力Fx，Fy, Fz和三個力矩 Mx, My, Mz)；同理主軸也將會承受六項切削載荷。機床靜剛度試驗是采用模擬載荷代替切削加工載荷。國內外現有的加工中心靜剛 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。5軸加工中 心通過Z、Y、X、C、A五軸聯動可以加工各種類型的復雜表面，加工時加工點位置在變化，Z、 Y、X、C、A五軸部件的位置隨之變化，因此主軸一側和工作臺一側的靜剛度都將隨著工件加 工點位置變化而將變化。剛度變化直接影響加工表面的形狀精度，因此需要檢測加工中心 的靜剛度分布。國內外現有的加工中心靜剛度檢測裝置及檢測方法不能對主軸施加六項模擬載 荷，因此主軸一側不能完全模擬切削載荷。工作臺與主軸承受的是載荷與反載荷的關系，故 工作臺一側雖然可以施加六項模擬載荷，但不能完全模擬切削載荷，機床靜剛度試驗是采 用模擬載荷代替切削加工載荷的，在加載點施加三向模擬力，期望加工中心的主軸一側和 工作臺一側都能夠承受完全模擬切削載荷的六項模擬載荷。
發明內容
本發明的目的是提供一種加工中心多軸聯動變位加載裝置，以解決現有的加工中心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及不能完全模擬切 削載荷的問題。本發明的另一個目的是提供利用上述多軸聯動變位加載裝置進行靜剛度分布檢 測的方法。本發明所采用的技術方案為，一種加工中心多軸聯動變位加載裝置，包括受載試 件和模擬加載的施載組件；受載試件上設置有受載面；施載組件包括鋼球、蓋、球座、彎板、 力傳感器和連接件A ；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 位于蓋外部；球座的另一端與彎板的一端固定連接，彎板的另一端與力傳感器的一端固定 連接，力傳感器的另一端與連接件A固定連接。其中，連接件A上還設置有連接件B;連接件A為圓柱形，連接件B由左連接構件 和右連接構件組成；左連接構件和右連接構件分別由水平設置的橫桿和設置在橫桿上且與 橫桿垂直的豎桿組成；左連接構件和右連接構件同時固定在連接件A上，且是以連接件A中 軸線為對稱線的對稱結構。其中，受載試件的受載面為任意形狀。另外，該多軸聯動變位加載裝置用于各種立式加工中心、臥式加工中心或車銑復 合加工中心。本發明所采用的另一個技術方案為，當該變位加載裝置用于車銑復合加工中心檢 測靜剛度分布時，該變位加載裝置的結構是
包括受載試件和模擬加載的施載組件；受載試件上設置有受載面；施載組件包括鋼 球、蓋、球座、彎板、力傳感器和連接件A ；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部；球座的另一端與彎板的一端固定連接，彎板的另一端與力 傳感器的一端固定連接，力傳感器的另一端與連接件A固定連接； 利用上述裝置，進行靜剛度分布檢測的步驟是，
先將施載組件的連接件A與刀柄固定連接，刀柄拉緊在主軸的錐孔內；再將受載試件 安裝在工作臺上；在主軸、主軸殼體及工作臺上分別安裝位移傳感器；然后通過多軸聯動 運動將施載組件和受載試件運動到預先設置的第1個加載位置，并使受載試件的受載面在 受載點處的法線與球座軸線L方向一致；通過多軸聯動運動的微調，施載組件對受載試件 受載面上的受載點施加模擬載荷；由位移傳感器檢測的位移和施載組件的力傳感器檢測的 模擬載荷可求出該加載位置在模擬負載下的剛度；然后再通過多軸聯動運動將施載組件和 受載試件運動到下一個加載位置，并使受載試件的受載面在受載點處的法線與球座軸線L 方向一致，即通過多軸聯動變更加載位置，再檢測下一個加載位置的剛度；重復上述過程， 依次檢測各個加載位置的剛度，即得到模擬負載下的剛度分布。本發明所采用的還有一個技術方案為，當該變位加載裝置用于立式加工中心、臥 式加工中心檢測靜剛度分布時，該變位加載裝置的結構是
包括受載試件和模擬加載的施載組件；受載試件上設置有受載面；所述施載組件包括 鋼球、蓋、球座、彎板、力傳感器和連接件A ；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部；球座的另一端與彎板的一端固定連接，彎板的另一端與 力傳感器的一端固定連接，力傳感器的另一端與連接件A固定連接；連接件A上還設置有連 接件B ；連接件A為圓柱形，連接件B由左連接構件和右連接構件組成；左連接構件和右連接構件分別由水平設置的橫桿和設置在橫桿上且與橫桿垂直的豎桿組成；左連接構件和右 連接構件同時固定在連接件A上，且是以連接件A中軸線為對稱線的對稱結構； 利用上述裝置，進行靜剛度分布檢測的步驟是，
先將施載組件的連接件A與刀柄固定連接，刀柄拉緊在主軸的錐孔內，設置在連接件A 上的連接件B通過豎桿與主軸殼體連接；再將受載試件安裝在工作臺上；在主軸、主軸殼體 及工作臺上分別安裝位移傳感器；然后通過多軸聯動運動將施載組件和受載試件運動到預 先設置的第1個加載位置，并使受載試件的受載面在受載點處的法線與球座軸線L方向一 致；通過多軸聯動運動的微調，施載組件對受載試件受載面上的受載點施加模擬載荷；由 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可求出該加載位置在模擬 負載下的剛度；然后再通過多軸聯動運動將施載組件和受載試件運動到下一個加載位置， 并使受載試件的受載面在受載點處的法線與球座軸線L方向一致，即通過多軸聯動變更加 載位置，檢測下一個加載位置的剛度；重復上述過程，依次檢測各個加載位置的剛度，即得 到模擬負載下的剛度分布。本發明的有益效果是可以施加模擬全(包括力及力矩)載荷；可通過多軸聯動運 動變換加載位置，能夠檢測加工中心的靜剛度分布；可以通過設計及調整改變施載組件的 球座軸線方向，可以設計各種受載試件的加工表面形狀，從而滿足不同模擬載荷比例和不 同聯動軸數(可3軸 5軸聯動)的試驗要求。
圖1為典型的5軸聯動加工中心的運動功能示意圖2是本發明多軸聯動變位全載荷模擬加載裝置組成及安裝連接示意圖； 圖3是本發明多軸聯動變位全載荷模擬加載裝置的施載組件結構示意圖； 圖4是本發明實施例1多軸聯動變位全載荷模擬加載裝置結構示意圖； 圖5是本發明實施例2多軸聯動變位全載荷模擬加載裝置結構示意圖。圖中，1.受載試件，2.施載組件，3.工作臺，4.刀柄，5.主軸，6.主軸殼體，2_1. 鋼球，2-2.蓋，2-3.球座，2-4.彎板，2-5.力傳感器，2-6.連接件A，2-7.連接件B，2-7-1. 橫桿，2-7-2.豎桿，7.主軸部件，8. A軸部件，9. Z軸部件，10. X軸部件，11.立柱橫梁部件， 12. C軸部件，13. Y軸部件、14.床身部件，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。圖1為具有Z軸、Y軸及X軸三個直線運動和C軸、A軸兩個回轉運動的5軸加工 中心，5軸加工中心主要由主軸部件7，A軸部件8，Z軸部件9、X軸部件10、立柱橫梁部件 11、C軸部件12、Y軸部件13、床身部件14及工作臺3等組成，η為主軸回轉運動，是切削運 動，不參與聯動，作為承載對象的末端執行器為主軸5和工作臺3，主軸部件7包括刀柄4， 主軸5，主軸殼體6 (如圖2)，刀柄4 一側完成Α、Ζ、Χ軸運動，工件安裝在工作臺3上，工件 一側完成Y、C軸運動。如圖2所示，本發明提供了一種加工中心多軸聯動變位加載裝置，包括受載試件1 和模擬加載的施載組件2 ；受載試件1上設置有受載面，受載面可設計成任意形狀；如圖5所示，施載組件2包括鋼球2-1、蓋2-2、球座2-3、彎板2-4、力傳感器2_5和連接件A 2-6 ； 球座2-3的一端固定連接有蓋2-2，鋼球2-1內置在蓋2-2和球座2_3里，且鋼球2_1的一 部分位于蓋2-2外；球座2-3的另一端與彎板2-4的一端固定連接，彎板2-4的另一端與 力傳感器2-5的一端固定連接，力傳感器2-5的另一端與連接件A2-6固定連接。當將本發 明模擬加載裝置用于車銑復合加工中心時，將連接件A2-6與刀柄4固定連接，刀柄4拉緊 在主軸5的錐孔內，將受載試件1安裝在工作臺3上，即可對加工中心的靜剛度分布進行檢 測。當將本發明模擬加載裝置用于各種立式加工中心和臥式加工中心時，在圖5所示變位 加載裝置的基礎上，在連接件A2-6上再設置連接件B2-7，如圖3和4所示連接件A2-6的 形狀為圓柱形，連接件B2-7由左連接構件和右連接構件組成；左連接構件和右連接構件分 別由水平設置的橫桿2-7-1和設置在橫桿2-7-1上且與橫桿2-7-1垂直的豎桿2_7_2組 成；左連接構件和右連接構件通過橫桿2-7-1固定在連接件A2-6上，且是以連接件A2-6中 軸線為對稱線的對稱結構。將連接件A2-6與刀柄4固定連接，刀柄4拉緊在主軸5的錐孔 內，設置在連接件A2-6上的連接件B2-7與通過豎桿2-7-2與主軸殼體6連接，將受載試件 1安裝在工作臺3上，即可對加工中心的靜剛度分布進行檢測。如圖3、4和5，根據模擬載荷比例設計球座2-3的軸線L與Y、Z軸成％和％傾 角，鋼球2-1與受載試件1的受載面為點接觸，在點接觸處的模擬載荷可分解為三個分力 Fx, Fy, Fz，傾角α y和α z不同時則Fx，Fy, Fz之間的比例不同，Fx，Fy, Fz等效到工作臺和 主軸處的力矩Mx，My，Mz也不同。實施例1
將本發明變位加載裝置用于5軸聯動立式加工中心或臥式加工中心，其檢測加工中心 靜剛度分布的方法為如圖2和圖4所示，先將施載組件2的連接件A2-6與刀柄4固定連 接，刀柄4拉緊在主軸5的錐孔內，設置在連接件A2-6上的連接件B2-7通過豎桿2_7_2與 主軸殼體6連接；將受載試件1安裝在工作臺3上；安裝位移傳感器，位移傳感器可安裝多 個，如安裝在主軸5、主軸殼體6及工作臺3上；然后通過Z、Y、X、C、A五軸聯動運動將施載 組件2和受載試件1運動到預先設置的第1個加載位置，并使受載試件1的受載面在受載 點處的法線與球座軸線L方向一致；通過Z、Y、X、C、A軸運動的微調，施載組件2對受載試 件1受載面上的受載點施加模擬載荷；由位移傳感器檢測的位移和施載組件2的力傳感器 2-5檢測的模擬載荷可求出該加載位置的模擬負載下的剛度；然后再通過Z、Y、X、C、A五軸 聯動運動將施載組件2和受載試件1運動到下一個加載位置，并使受載試件1的受載面在 受載點處的法線與球座2-3軸線L方向一致，即通過五軸聯動變更加載位置，檢測下一個加 載位置的剛度；依次重復上述過程，即可得到模擬負載下的剛度分布。實施例2
將本發明變位加載裝置用于5軸聯動車銑復合加工中心，同實施例1唯一不同的是，可 利用主軸車削時的定位功能，因此不需要連接件B2-7，其多軸聯動變位全載荷模擬加載裝 置如圖5所示，只需要將施載組件2的連接件A2-6與刀柄4固定連接，刀柄4拉緊在主軸 5的錐孔內，將受載試件1安裝在工作臺3上即可，其檢測加工中心靜剛度分布的方法與實 施例1相同，也是通過Z、Y、X、C、A五軸聯動變更加載位置，在此不做贅述。實施例3
將本發明變位加載裝置用于x、Y、z、c四軸聯動加工中心(如圖1所示的加工中心中無A軸)，施載組件2與加工中心的連接同實施例1，不同的是通過X、Y、Z、C四軸聯動變更加 載位置。受載試件1的受載面形狀可以設計得簡單些。 其中，回轉軸軸線平行于X軸的回轉軸稱為A軸；回轉軸軸線平行于Y軸的回轉軸 稱為B軸；回轉軸軸線平行于Z軸的回轉軸稱為C軸。
權利要求
一種加工中心多軸聯動變位加載裝置，其特征在于包括受載試件(1)和模擬加載的施載組件(2)；所述受載試件(1)上設置有受載面；所述施載組件(2)包括鋼球(2 1)、蓋(2 2)、球座(2 3)、彎板(2 4)、力傳感器(2 5)和連接件A(2 6)；球座(2 3)的一端固定連接有蓋(2 2)，鋼球(2 1)內置在蓋(2 2)和球座(2 3)里，且鋼球(2 1)的一部分位于蓋(2 2)外部；球座(2 3)的另一端與彎板(2 4)的一端固定連接，彎板(2 4)的另一端與力傳感器(2 5)的一端固定連接，力傳感器(2 5)的另一端與連接件A(2 6)固定連接。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于所述連接件A(2-6)上還設置有連接件 B (2-7)；連接件A (2-6)為圓柱形，連接件B (2-7)由左連接構件和右連接構件組成；左 連接構件和右連接構件分別由水平設置的橫桿(2-7-1)和設置在橫桿(2-7-1)上且與橫桿 (2-7-1)垂直的豎桿(2-7-2)組成；左連接構件和右連接構件同時固定在連接件A (2-6) 上，且是以連接件A (2-6)中軸線為對稱線的對稱結構。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于所述受載試件(1)的受載面為任意形狀。
4.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于該多軸聯動變位加載裝置用于車銑復合 加工中心。
5.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于該多軸聯動變位加載裝置用于各種立式 加工中心、臥式加工中心。
6.利用權利要求1所述的多軸聯動變位加載裝置進行靜剛度分布的檢測方法，其特征 在于當該變位加載裝置用于車銑復合加工中心檢測靜剛度分布時，該變位加載裝置的結 構是包括受載試件(1)和模擬加載的施載組件(2)；所述受載試件(1)上設置有受載面；所 述施載組件(2)包括鋼球(2-1)、蓋(2-2)、球座(2-3)、彎板(2-4)、力傳感器(2-5)和連接 件A (2-6 )；球座(2-3 )的一端固定連接有蓋(2-2 )，鋼球(2-1)內置在蓋(2-2 )和球座(2-3 ) 里，且鋼球(2-1)的一部分位于蓋(2-2)外部；球座(2-3)的另一端與彎板(2-4)的一端固 定連接，彎板(2-4)的另一端與力傳感器(2-5)的一端固定連接，力傳感器(2-5)的另一端 與連接件A (2-6)固定連接；利用上述裝置，進行靜剛度分布檢測的步驟是，先將施載組件(2)的連接件A (2-6)與刀柄(4)固定連接，刀柄(4)拉緊在主軸(5)的 錐孔內；再將受載試件(1)安裝在工作臺(3)上；在主軸(5)、主軸殼體(6)及工作臺(3)上 分別安裝位移傳感器；然后通過多軸聯動運動將施載組件(2)和受載試件(1)運動到預先 設置的第1個加載位置，并使受載試件(1)的受載面在受載點處的法線與球座(2-3)軸線L 方向一致；通過多軸聯動運動的微調，施載組件(2)對受載試件(1)受載面上的受載點施加 模擬載荷；由位移傳感器檢測的位移和施載組件(2)的力傳感器(2-5)檢測的模擬載荷可 求出該加載位置在模擬負載下的剛度；然后再通過多軸聯動運動將施載組件(2)和受載試 件(1)運動到下一個加載位置，并使受載試件(1)的受載面在受載點處的法線與球座(2-3) 軸線L方向一致，即通過多軸聯動變更加載位置，再檢測下一個加載位置的剛度；重復上述 過程，依次檢測各個加載位置的剛度，即得到模擬負載下的剛度分布。
7.利用權利要求2所述的多軸聯動變位加載裝置進行靜剛度分布的檢測方法，其特征 在于當該變位加載裝置用于立式加工中心、臥式加工中心檢測靜剛度分布時，該變位加載 裝置的結構是包括受載試件(1)和模擬加載的施載組件(2)；所述受載試件(1)上設置有受載面；所 述施載組件(2)包括鋼球(2-1)、蓋(2-2)、球座(2-3)、彎板(2-4)、力傳感器(2-5)和連接 件A (2-6 )；球座(2-3 )的一端固定連接有蓋(2-2 )，鋼球(2-1)內置在蓋(2-2 )和球座(2-3 ) 里，且鋼球(2-1)的一部分位于蓋(2-2)外部；球座(2-3)的另一端與彎板(2-4)的一端固 定連接，彎板(2-4)的另一端與力傳感器(2-5)的一端固定連接，力傳感器(2-5)的另一端 與連接件A (2-6)固定連接；連接件A (2-6)上還設置有連接件B (2_7);連接件A (2-6) 為圓柱形，連接件B (2-7)由左連接構件和右連接構件組成；左連接構件和右連接構件分別 由水平設置的橫桿(2-7-1)和設置在橫桿(2-7-1)上且與橫桿(2-7-1)垂直的豎桿(2-7-2) 組成；左連接構件和右連接構件同時固定在連接件A (2-6)上，且是以連接件A (2-6)中軸 線為對稱線的對稱結構；利用上述裝置，進行靜剛度分布檢測的步驟是，先將施載組件(2)的連接件A (2-6)與刀柄(4)固定連接，刀柄(4)拉緊在主軸(5)的 錐孔內，設置在連接件A (2-6)上的連接件B (2-7)通過豎桿(2-7-2)與主軸殼體(6)連 接；再將受載試件(1)安裝在工作臺(3)上；在主軸(5)、主軸殼體(6)及工作臺(3)上分別 安裝位移傳感器；然后通過多軸聯動運動將施載組件(2)和受載試件(1)運動到預先設置 的第1個加載位置，并使受載試件(1)的受載面在受載點處的法線與球座(2-3)軸線L方 向一致；通過多軸聯動運動的微調，施載組件(2)對受載試件(1)受載面上的受載點施加 模擬載荷；由位移傳感器檢測的位移和施載組件(2)的力傳感器(2-5)檢測的模擬載荷可 求出該加載位置在模擬負載下的剛度；然后再通過多軸聯動運動將施載組件(2)和受載試 件(1)運動到下一個加載位置，并使受載試件(1)的受載面在受載點處的法線與球座(2-3) 軸線L方向一致，即通過多軸聯動變更加載位置，檢測下一個加載位置的剛度；重復上述過 程，依次檢測各個加載位置的剛度，即得到模擬負載下的剛度分布。
全文摘要
本發明公開了一種加工中心多軸聯動變位加載裝置，包括受載試件和施載組件，施載組件由鋼球、蓋、球座、彎板、力傳感器、連接件A及連接件B組成。連接件A與加工中心的刀柄固定連接，刀柄拉緊在主軸的錐孔內，同時連接件A通過連接件B與主軸殼體連接。利用該裝置進行靜剛度分布的檢測方法，通過多軸聯動運動將施載組件和受載試件運動到預先設置加載位置，并使受載試件的受載面在受載點處的法線與球座軸線一致；由安裝在主軸、主軸殼體及工作臺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可求出該加載位置的模擬負載下的剛度；通過多軸聯動變更加載位置，依次重復上述過程，即得到模擬負載下的剛度分布。
文檔編號G01M99/00GK101915679SQ20101024664
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月6日 優先權日2010年8月6日
發明者惠燁, 楊新剛, 趙銳, 黃玉美 申請人:西安理工大學