[发明专利]机床滚动功能部件精度保持性测量方法

权利要求书

1.机床滚动功能部件精度保持性测量方法，其特征在于：将被测的滚动功能部件安装在机床滚动功能部件精度保持性测量装置中，通过模拟装置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；并测试在此受力情况下机床滚动功能部件的精度保持性指标； 

所述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；

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方法，其特征在于：

所述被测滚动功能部件中，丝杠、导轨均为水平或者竖直或者倾斜布置，通过施加力模拟机床受力的控制单元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作用的倾覆力矩；方案二：第二坐标轴方向受力：在安装有被测的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滚动功能部件轴线方向受力：使用伺服电机恒扭矩驱动或者变扭矩驱动模拟丝杠受力；

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；

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。

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方法，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F₁、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F_c、F_f、F_fN由上述的F₁、F₂、F₃、F₄、F₅、F₆六个作用力的组合进行等效模拟，；

建立直角坐标系XYZ，P（x,y）点是铣刀铣削时产生三个方向的力分别是F_c、F_f、F_fN，因刀具半径所产生扭矩M及X、Y、Z方向的进给力F_x进、F_y进、F_z进, 我们可以认为，工作台在加工过程中，X方向受力为F_x=F_c+F_x进，Y方向受力为F_y=F_f+F_y进，Z方向受力为F_z=F_fN+F_z进, 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为F₁、F₂、F₃、F₄、F₅、F₆；

首先在X-Y平面内建立坐标系，X、Y方向的力为F_x、F_y作用效果应该与F₁、F₂、F₃、F₄所作用效果相同，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F_f、F_e对平台中心所产生扭矩的力F₁₂；对应有下述数学模型：

把F₁分为两部分力，   即                                                  

    得    

根据Y方向上的力等效，得     或 

算法一：

为了等效M而施加的力F₁₁和F₄，由于其对工作台中心力臂不相等，就必然在工作台中心产生一个扭矩，    得 ；其中：a为Y向力对于刀具中心的力臂；x、y为切削点坐标；

①当x≥a，y≥0时 

            解得： 

                     

算法二：

当x≥a，y≥0时 

解得：  

    y＜0时 

解得：  

②当0≤x＜a，y≥0时 

            解得：    

         y＜0时 

解得：    

③当-a≤x＜0，y≥0时 

解得：    

y＜0时 

解得：    

④当x≤-a，y≥0时 

解得：    

y＜0时 

解得：    

综上所述，无论x，y正负与否，结果都是同一公式：

即： ；   ；  

同理，若铣刀向相反方向运动

即： ；    ；

在Y-Z平面建立直角坐标系，铣削在Y、Z方向的力为F_e、F_fN作用效果应该与F₅、F₆所作用效果相同；根据力在Z方向的大小相等和各力对平台中心点力矩的大小相等来计算出应施加的力与工作台受力之间的关系；相关数学模型如下：

 

当y≥0时  

解得： 

当y＜0时  

解得： 

综上所述，  ；y有正负号；

模拟铣削加工过程中，铣削路径是曲线运动，铣削过程进给方向沿任意方向；在平面360°内建立X-Y的直角坐标系，P为铣刀中心点，α是进给方向与X轴的夹角，0≤α＜90°；?为进给方向与X轴正向的夹角，-180°≤?≤180°；则有：

当0≤?＜90°时  α=?   

       

     解得：

当90≤?≤180°时  -sinθ

                              cosθ

                                   

即

结果同①；

当-180≤?＜90°时     sinθ

                                 cosθ

即

结果同①；

当-90≤?＜0°时    sinθ

                        cosθ

即

结果同①；

当为同一种进给方向在不同象限建立X-Y直角坐标系时，有：

②③④化简后相同，因此同一进给角度在任何位置都是同一公式：

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；

在上述模拟受力环境下测量机床丝杠、导轨精度保持性。