[发明专利]一种模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于机械装置领域，具体涉及一种模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置及方法。

背景技术

机床刚度是机床性能的一个重要指标，是影响机床加工精度的一个重要因素。机床刚度是指机床在切削力作用下机床整机以及各部件抵抗变形的能力。由机床刚度定义可知测量机床刚度需要测量机床切削力的大小以及在切削力作用下机床各部件的变形量。目前机床刚度测量试验的对象大都为机床主轴末端，对机床各主要部件刚度的测量试验较少。在传统的机床整机设计过程中，大都是凭借经验来设计机床各部件，具有一定的盲目性，往往造成机床部件刚度不足或者冗余。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置及方法，能够对机床整机以及各部件进行刚度测量试验，从而发现机床各部件刚度的薄弱环节。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置，包括设置在机床的工作台上的切削工艺模拟设备，与切削工艺模拟设备相连的切削力校核设备，以及用于检测机床整机以及各部件测点位移的位移检测设备；且切削力校核设备和位移检测设备分别与用于处理和显示数据的电脑终端相连；其中切削工艺模拟设备包括用于模拟机床的真实机床刀具的模拟刀头，以及用于向模拟刀头上提供三个方向模拟切削力的压力加载设备；切削力校核设备包括用于校核压力加载设备向模拟刀头上加载的模拟切削力大小的压力传感器；位移检测设备包括用于检测机床各部件位移的位移传感器。

所述的切削工艺模拟设备还包括安装在机床主轴上的刀柄，刀柄上安装有刀柄螺帽，模拟刀头安装在刀柄中，并利用刀柄螺帽进行固定夹紧；模拟刀头的刀尖处套装有能够同时承受径向力和轴向力的圆锥滚子轴承，圆锥滚子轴承的内圈利用模拟刀头的轴肩进行定位从而限制其的移动，圆锥滚子轴承的外部安装有套筒，套筒设有与圆锥滚子轴承的外圈尺寸相配合的阶梯孔，阶梯孔的台阶面作用在圆锥滚子轴承的外圈上，套筒的外部设有切削力校核设备，切削力校核设备的外侧设有压力加载设备。

所述的切削力校核设备还包括设置在套筒外部的三个转接头，其中一个转接头位于模拟刀头的轴向方向并与模拟刀头同轴，另两个转接头位于模拟刀头的径向方向并相互垂直，且每个转接头均与一个压力传感器同轴固定，压力传感器与转接头的接触面为平面，三个压力传感器分别与测力变送器相连，测力变送器与电脑终端相连；压力传感器的外侧设有压力加载设备。

所述的压力加载设备包括三个液压缸，每个液压缸分别设置在一个压力传感器的外侧，并与压力传感器同轴相连，且每个液压缸分别固定在一个液压缸支撑件上，液压缸支撑件固定在工作台上；液压泵通过分流阀分别与三个液压缸相连，且每个分流阀与液压泵连接的管路上均设有节流阀和压力表，用于调节和检测液压缸输出的压力大小。

所述的位移检测设备还包括用于固定位移传感器的传感器支架，传感器支架设置在选取的机床各部件测点处，位移传感器依次通过信号放大器和数据处理设备与电脑终端相连。

一种模拟真实切削工况的机床静刚度测试方法，包括以下步骤：

1）安装模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置，包括安装切削工艺模拟设备、切削力校核设备和位移检测设备；

2）按照切削力经验公式，由数控机床切削工况的具体参数，计算出机床三个方向上的受力情况，即主切削力F_z、切深抗力F_y和进给抗力F_x的大小；

3）通过三个液压缸分别向模拟刀头施加三个方向的力来模拟数控机床切削工况，并通过切削力校核设备校核，使施加的三个方向的力分别与计算出的进给抗力F_x、切深抗力F_y和主切削力F_z的大小相同；

4）通过位移检测设备测得机床各部件测点处的位移；

5）根据刚度计算公式，由测得的位移数据计算出机床各部件的刚度和整机刚度。

机床各部件测点的选取标准为：

a）将机床各部件滑块导轨连接处选取为机床各部件测点；

b）将机床各部件在力的作用下的最大变形区域选取为机床各部件测点；

c）在机床各部件上选取测点时，机床各部件上的测点应对称分布；

d）机床各部件会由于力的不均匀分布导致产生倾角，选取的机床各部件测点应能反映出机床各部件产生的倾角。

所述的步骤2）中使用的切削力经验公式为：