[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种机床末端静刚度的测试装置及测试方法，特别涉及一种用于精密/安全的多轴加工工艺系统末端三维静刚度的测试装置及测试方法，属于机床性能测试技术领域。

背景技术

多轴数控机床正日益广泛地应用于机械制造尤其是高精度加工领域。多轴数控机床一般是由多个平动轴、转动关节、刀具-主轴等构成的加工工艺系统，该工艺系统末端静刚度值的大小受到构成该系统的各个部分的刚度性能的影响，加上机床几何精度等的影响，往往很难计算或模拟得出精确结果。作为机机床末床性能表征的重要参数，机床末端的静刚度的精确测量尤为重要。

发明专利申请：“一种机床三维静刚度加载试验装置及试验方法”，公布日：2013.01.02，公告号：CN102853978A，公开了一种机床三维静刚度加载试验装置，该装置由并联加载机构、主轴接口及测力模块、主轴变形位移测量装置、工作台对接平台和控制系统组成，并联加载机构通过工作台对接平台固定于机床工作台上，并且通过主轴接口及测力模块与机床主轴连接，向机床主轴施加载荷，同时，主轴变形位移测量装置也安装在机床工作台上，并且利用其上安装的高精度位移传感器测量机床主轴受力后形变大小，最后得到机床三维静刚度。但是，上述发明专利申请公开的机床三维静刚度测量装置存在明显的缺陷与不足：

一是采用并联加载机构对机床末端实现三维方向的加载，并联机构为3－PSS结构，包括三组加载支链组件组成，每组加载支链组件包括定长连杆、移动滑台、传动丝杠、伺服电机、动平台和静平台，还包括布置在静平台上的三组伺服电机和传动丝杠，伺服电机为运动执行器，通过传动丝杠驱动移动滑台进行往复直线运动。整个加载装置结构非常复杂，包含三组电机加载及传力装置，成本高昂且操作不便。并且，上述测试装置不适用具有较高精度的多轴数控机床，现有多轴数控机床一般都具有多个回转轴，位于被测刀具端或者工作台端，因而可以通过机床在多个轴上的回转操作配合，达到测量所需方向静刚度的需求，而无需采用如上述发明专利申请所公开的非常复杂的并联加载机构实现三维方向的加载。

二是加载机构与机床末端通过加载芯轴连接，加载芯轴的带锥度端与被测机床的主轴锥孔相配，实现与机床主轴的刚性连接。这种加载机构与机床末端的刚性连接，对于机床末端受力极为不利。机床末端执行部件有时会受到外界干扰（例如工作台振动等）而产生微小的位移和偏离，由于机床末端与加载机构为刚性连接，即使微小和位移和偏离都将导致末端承受荷载突然增大，而诸如数控机床刀具的部件一般能承受的力和变形是很小的，一般在0.01～0.1mm以下，因而陡增的位移或荷载极可能对机床末端产生破坏作用。

三是加载机构通过伺服电机、传动丝杠实现加载，伺服电机的额定加载载荷远小于液压装置，因而不能适用大规格机床静刚度的测量需要；传动丝杠结构占据空间较大，且操作较为复杂。现有技术中也有采用液压装置作为加载机构的，但需要通过丝杠调整液压缸位置，操作复杂且需要较大的操作空间，给结构布置带来不便，并且丝杠结构还增加了传递链，导致测量误差增大。

发明内容

本发明旨在针对现有技术的多轴数控机床末端三维静刚度的测量装置存在的加载机构复杂、施加荷载较小、测量端的刚性连接易损坏末端结构等缺陷与不足，提供一种机床末端三维静刚度的测试装置与测试方法，加载装置为简单的单方向加载结构，配合机床转动实现三维方向的加载，并且施力装置与机床末端的连接为柔性连接，能有效保护机床末端结构，传动装置采用传动效率高、结构可靠的圆柱副结构，加载结构采用额定载荷高的液压装置，整个测试装置结构简单紧凑，便于安装调节，测试装置与测试方法兼具精密性、安全性和通用性的特点。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种机床末端三维静刚度的测试装置，包括动力装置、传力装置、控制装置和位移测量装置，所述动力装置包括液压缸和活塞，所述传力装置包括由导轨、传动轴组成的圆筒直线型导轨副，所述传动轴的固定连接活塞并套接于导轨内，另一端悬于导轨之外，并依次固定连接环状凸台、套接压力传感器和弹簧，所述弹簧末端外侧套接有套筒，所述套筒的远离弹簧的一侧设有内螺纹，所述传力装置还包括连接头，所述连接头的一端设有与套筒的内螺纹相旋合的外螺纹，另一端设有与机床刀具末端的形状相配合的凹形约束面，所述环状凸台的直径大于导轨的内筒直径，所述传动轴与导轨间隙配合、与压力传感器间隙配合、与弹簧过盈配合，所述弹簧的末端与套筒过盈配合。