[发明专利]数控机床主轴单元静刚度测试装置及测试方法

权利要求书

1.一种数控机床主轴单元静刚度测试装置，包括有底座（1），其特征在于，所述的底座（1）上设置有三组结构相同的用于夹持测试数控机床主轴（3）的检验棒（2）并对所述检验棒（2）施加压力的加载装置（4），所述的检验棒（2）上设置有电容位移传感器（7），所述三组加载装置（4）的主体分别位于所述底座（1）内，所述三组加载装置（4）中位于前端用于夹持检验棒（2）的顶杆（41）伸出至所述底座（1）的外部，且三组加载装置（4）的顶杆（41）是分别沿X方向、Y方向和Z方向伸出所述底座（1），还设置有电连接三组加载装置（4）用于对所述的三组加载装置（4）施加电压的电压放大器（5）和分别与所述的电压放大器（5）、电容位移传感器（7）和三组加载装置（4）电连接的NI数据采集卡（6），所述的电压放大器（5）连接外部电源。

2.根据权利要求1所述的数控机床主轴单元静刚度测试装置，其特征在于，所述的底座（1）上对应所述伸出底座（1）的三个顶杆（41）分别沿X方向、Y方向和Z方向开有三个用于分别安装三组结构相同的加载装置（4）主体部分的贯通孔（11）。

3.根据权利要求1或2所述的数控机床主轴单元静刚度测试装置，其特征在于，所述的三组加载装置（4）中的任一组均包括有：沿底座（1）内的贯通孔（11）由后至前依次接触连接的压力传感器（46）、压电陶瓷底座板（45）、压电陶瓷隔套（43）和顶杆（41），以及设置在所述压电陶瓷隔套（43）内的压电陶瓷（44）和依次套在所述顶杆（41）上的复位弹簧（42）和复位弹簧垫片（49），其中，所述顶杆（41）的底端与所述的压电陶瓷（44）为接触连接，所述底座（1）上贯通孔（11）的后端口通过螺栓安装有后端盖（47），所述后端盖（47）上开有用于贯穿电源导线和数据导线的过线孔（50），所述底座（1）上贯通孔（11）的前端口通过螺栓安装有前端盖（48），所述顶杆（41）的顶端贯穿所述前端盖（48）的中心伸出至所述底座（1）的外部，所述的压力传感器（46）电连接NI数据采集卡（6）。

4.根据权利要求3所述的数控机床主轴单元静刚度测试装置，其特征在于，所述的顶杆（41）为T型结构，T型结构的水平端面对应所述的压电陶瓷（44）这一面形成有与所述的压电陶瓷（44）数量相等的用于连接和定位压电陶瓷（44）前端的定位沉孔，T型结构的垂直部分贯穿所述前端盖（48）的中心伸出至所述底座（1）的外部，所述的复位弹簧（42）和复位弹簧垫片（49）套在T型结构的垂直部分上。

5.根据权利要求3所述的数控机床主轴单元静刚度测试装置，其特征在于，X方向和Y方向上的加载装置（4）的顶杆（41）上用于夹持检验棒（2）的前端头形成有向内凹进的能够与检验棒（2）紧密吻合的凹槽（41a），Z方向的加载装置（4）的顶杆（41）上用于夹持检验棒（2）的前端头形成有向外凸出的用于顶住检验棒（2）的凸头（41b）。

6.根据权利要求3所述的数控机床主轴单元静刚度测试装置，其特征在于，所述的压电陶瓷底座板（45）位于所述压电陶瓷（44）的一侧面上沿圆周等间隔的形成有与所述的压电陶瓷（44）数量相等的能够插入所述压电陶瓷（44）底端的定位槽，所述的压电陶瓷底座板（45）位于所述压力传感器（46）的一侧面开有能够嵌入压力传感器（46）的测头的定位孔。

7.根据权利要求1所述的数控机床主轴单元静刚度测试装置，其特征在于，所述的电容位移传感器（7）在检验棒（2）上设置有三个，是分别设置在检验棒（2）的X方向、Y方向和Z方向上。

8.根据权利要求1所述的数控机床主轴单元静刚度测试装置，其特征在于，还设置有计算机（8），所述的计算机（8）与所述的NI数据采集卡（6）相连，通过NI数据采集卡（6）获得电容位移传感器（7）采集到的检验棒（2）的位移数据和获得压力传感器（46）采集到的对检验棒（2）施压力的数据，所述的计算机（8）还连接有用于显示检验棒（2）的承载的力-位移的静刚度曲线的显示器（9）。

9.一种权利要求1－9任一项所述的数控机床主轴单元静刚度测试装置的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）在计算机上分别设置通过检验棒对数控机床主轴施加在X方向、Y方向和Z方向加载力的加载速度：

2）计算机向NI数据采集卡发出控制信号；

3）NI数据采集卡通过自身的D/A端口控制连接外部电源的电压放大器对加载装置中的压电陶瓷施加电压；

4）压电陶瓷通过顶杆对与被测数控机床主轴相连的检验棒施加加载力，从而使主轴产生变形量；

5）计算机通过NI数据采集卡分别采集三个加载装置中的压力传感器所测到的检验棒上的压力信号F，以及计算机通过NI数据采集卡分别采集设置在检验棒的X方向、Y方向和Z方向上的电容位移传感器测到的检验棒位移信号△X，并存储所述采集到的压力信号F和位移信号△X，所测到的压力信号F中包括有复位弹簧的压力F_T；

6）计算机根据静刚度值公式F_T=K_T·△X首先计算出弹簧的压力F_T，其中K_T为已知的复位弹簧的刚度值，再由公式F_S=F-F_T计算出主轴的压力，并进行曲线拟合，绘制出主轴的力-位移的静刚度曲线，再根据公式进行计算得到主轴的静刚度值；

7）通过显示器显示力-位移的静刚度曲线和对应方向上的静刚度值K_S；

8）在测试过程中，随时判断测试是否完成，如果测试完成，则逐渐减小加载力，主轴变形也逐渐变小，并恢复原始状态，复位弹簧起到复位的作用，使顶杆与压电陶瓷、压电陶瓷与压电陶瓷底座板、压电陶瓷底座板与压力传感器始终保持接触；如果继续测试，则返回步骤2）继续进行。