[发明专利]一种机床末端三维静刚度的测试装置及测试方法

权利要求书

1.一种机床末端三维静刚度的测试装置，包括动力装置（1）、传力装置（2）、控制装置（3）和位移测量装置（4），其特征在于：所述动力装置（1）包括液压缸（12）和活塞（13），所述传力装置（2）包括由导轨（21）、传动轴（22）组成的圆筒直线型导轨副，所述传动轴（22）的一端与活塞（13）固定连接并套接于导轨（21）内，另一端悬于导轨（21）之外，并依次固定连接环状凸台（27）、套接压力传感器（23）和弹簧（24），所述弹簧（24）末端外侧套接有套筒（25），所述套筒（25）的远离弹簧（24）的一侧设有内螺纹，所述传力装置（2）还包括连接头（26），所述连接头（26）的一端设有与套筒（25）的内螺纹相旋合的外螺纹，另一端设有与机床刀具末端（6）的形状相配合的凹形约束面，所述环状凸台（27）的直径大于导轨（21）的内筒直径，所述传动轴（22）与导轨（21）间隙配合、与压力传感器（23）间隙配合、与弹簧（24）过盈配合，所述弹簧（24）的末端与套筒（25）过盈配合。

2.根据权利要求1所述的一种机床末端三维静刚度的测试装置，其特征在于：所述连接头（26）的凹形约束面为半圆柱面，所述半圆柱面的母线垂直于连接头（26）的纵轴线，所述半圆柱面的中部被截出一个垂直于连接头（26）的纵轴线的圆形平面。

3.根据权利要求1所述的一种机床末端三维静刚度的测试装置，其特征在于：所述测试装置还包括L型的底座（5），所述液压缸（12）和导轨（21）分别与底座（5）用螺栓固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种机床末端三维静刚度的测试装置，其特征在于：所述底座（5）的底部设置有回转装置，所述回转装置可使底座（5）在水平、竖直平面上做360度全回转。

5.根据权利要求1所述的一种机床末端三维静刚度的测试装置，其特征在于：所述动力装置（1）还包括电磁阀（11），所述控制装置（3）的输出端与电磁阀（11）相连接，所述电磁阀（11）与液压缸（12）相连。

6.根据权利要求1所述的一种机床末端三维静刚度的测试装置，其特征在于：所述位移测量装置（4）为激光位移传感器。

7.根据权利要求1所述的一种机床末端三维静刚度的测试装置，其特征在于：所述传动轴（22）与活塞（13）连接的一端至环状凸台（27）的长度，大于导轨（21）的长度与弹簧（24）的最大压缩变形长度δL之和。

8.根据权利要求1所述的一种机床末端三维静刚度的测试装置，其特征在于：所述压力传感器（23）的厚度l₈、传动轴（22）悬于导轨（21）之外的一端到环状凸台（27）的长度l_7r、弹簧（24）的自由长度l₉、弹簧（24）最大压缩变形长度δL和套筒（25）的长度l₁₀之间满足如下关系：

l₉-l_7r+l₈＝δL

l₉-l₁₀＞δL

9.一种用于权利要求1所述的机床末端三维静刚度的测试装置的控制系统，其特征在于：所述控制系统包括施力控制系统、位移采集控制系统、静刚度计算控制系统；

所述施力控制系统包括启动、预紧、卸载、停止动作的按钮，分别用于向动力装置（1）发出开始加载、加载至预紧荷载值、卸载、停止加载的控制信号，所述施力控制系统还包括用于输入设定加载值的输入框和发送设定加载值的发送按钮，以及显示实际加载值的显示框，所述施力控制系统还包括用于保存加载力值的保存力值按钮；

所述位移采集控制系统包括开始采集、暂停采集、结束采集的按钮，分别用于向位移测量装置（4）发出对应的控制信号，所述位移采集控制系统还包括用于显示实际位移值的显示框，所述位移采集控制系统还包括清零、保存位移值、位移处理的按钮，所述清零按钮用于清除当前位移值，所述保存位移值按钮用于保存当前位移值，所述位移处理按钮用于按照预设程序对采集的一组位移数据进行计算得到最终的位移值；

所述静刚度计算控制系统包括静刚度计算、保存静刚度的按钮，分别用于计算、保存静刚度值，所述静刚度计算控制系统还包括用于显示静刚度的显示框。

10.一种根据权利要求1所述的机床末端三维静刚度的测试装置的测试方法，其特征在于包括以下步骤：

1）将机床末端三维静刚度测试装置固定于机床的工作台上，并使测试装置的轴向方向与机床X轴相平行；

2）将机床沿X、Y、Z三个平动轴平移，使得机床刀具末端（6）正好置于连接头（26）的凹形配合面内；

3）安装激光位移传感器，调整激光位移传感器的位置使激光射程在量程范围内，调整光源方向使激光光斑落在机床刀具末端（6）上；

4）控制装置（3）向动力装置（1）发出启动信号，动力装置（1）和传力装置（3）开始向机床末端施加预紧力，压力传感器（23）实时地反馈压力值，当压力传感器（23）反馈的压力值达到预紧荷载值时，控制系统（3）向液压动力系统（1）发出结束施力的控制信号，结束预紧过程；

5）控制装置（3）清除预紧过程形成的位移值；

6）控制装置（3）输入一个加载值并向动力装置（1）发出向机床刀具末端（6）施加该加载值的控制信号，动力装置（1）开始施力，当压力传感器（23）检测到的压力值达到加载值时，控制装置（3）向动力装置（1）发出停止施力的控制信号，动力装置（1）停止施力；

7）控制装置（3）采集位移值并按预设程序计算得到最终位移值；

8）控制装置（3）保存测得力和位移数据，完成第一组数据的测试和记录；

9）控制装置（3）清除上一次加载过程形成的位移值，输入下一个加载值，重复步骤（6）-（8），完成下一组数据的测试和记录，

10）重复步骤9），直到依次完成所需的各组数据的测试和记录；

11）控制装置（3）按照预设程序计算并保存机床末端的X方向的静刚度值；

12）控制装置（3）发出卸载指令，使动力装置（1）和传力装置（2）恢复到初试位置，然后将机床工作台绕Z轴水平旋转90度，使测试装置的轴向方向与机床Y轴平行；

13）重复步骤2）--11），得到机床末端的Y方向的静刚度值；

14）控制装置（3）发出卸载指令，使动力装置（1）和传力装置（2）恢复到初试位置，然后将机床工作台绕X轴竖直旋转90度，使测试装置的轴向方向与机床Z轴平行，再将金属薄片（7）固定连接在机床刀具末端（6）上；

15）将机床沿X、Y、Z三个平动轴平移，使得机床刀具末端（6）末端部分正好置于连接头（26）的凹形配合面内；

16）调整激光位移传感器的位置使激光射程在量程范围内，调整光源方向使激光光斑落在金属薄片（7）上；

17）重复步骤4）-11），得到机床末端的Z方向的静刚度值。