[发明专利]数控机床主轴单元静刚度测试装置及测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种数控机床的性能测试系统。特别是涉及一种数控机床主轴单元静刚度测试装置及测试方法。

背景技术

数控机床主轴单元的静刚度是指主轴单元在切削力的作用下抵抗变形的能力，通常以主轴前端产生单位位移时，在位移方向上所施加的作用力来表示主轴的静刚度作为评定数控机床整机质量的一项重要指标，也是数控机床主轴设计的重要指标，不仅可以反映主轴单元的抗振性和稳定性等，数控机床主轴的静态性能会影响其动态特性，在恒定载荷及自身重力的作用下的数控机床主轴的静态变形不但会改变零部件的几何精度，降低加工质量，也是预测主轴动态特性、轴承寿命和噪声的基础。

数控机床主轴单元静刚度测试系统主要包括切削力模拟加载装置、加载力检测、主轴受力变形检测、数据采集与处理，主轴静刚度曲线显示等基础理论及实验技术方面的研究工作，目前国内外已有一些学者进行过相关的研究，也有很多关于普通机床及数控机床静刚度的测试方法的研究成果和文献发表，但在这些成果中针对数控机床的整机静刚度已开发的测试方法大多采用液压或者螺旋加载方式，并且只能在单一方向上测量，径向和轴向同时加载并测量的测试系统不多，这些测试装置在一个方向上测试结束后，需要重新安装调试，才能测试另一个方向，这样很显然给实际测试工作带来了不便，有很大的局限性，其他研究成果虽然可同时测三个方向静刚度，但其测试系统大多为液压或者螺旋加载方式，容易产生泄露或者加载力不够，且大量学者的研究仅停留在方案构想或者试验上。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可同时对三个方向进行加载，并同时测量位移和力大小的数控机床主轴单元静刚度测试装置及测试方法。

本发明所采用的技术方案是：一种数控机床主轴单元静刚度测试装置，包括有底座，所述的底座上设置有三组结构相同的用于夹持测试数控机床主轴的检验棒并对所述检验棒施加压力的加载装置，所述的检验棒上设置有电容位移传感器，所述三组加载装置的主体分别位于所述底座内，所述三组加载装置中位于前端用于夹持检验棒的顶杆伸出至所述底座的外部，且三组加载装置的顶杆是分别沿X方向、Y方向和Z方向伸出所述底座，还设置有电连接三组加载装置用于对所述的三组加载装置施加电压的电压放大器和分别与所述的电压放大器、电容位移传感器和三组加载装置电连接的NI数据采集卡，所述的电压放大器连接外部电源。

所述的底座上对应所述伸出底座的三个顶杆分别沿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主体部分的贯通孔。

所述的三组加载装置中的任一组均包括有：沿底座内的贯通孔由后至前依次接触连接的压力传感器、压电陶瓷底座板、压电陶瓷隔套和顶杆，以及设置在所述压电陶瓷隔套内的压电陶瓷和依次套在所述顶杆上的复位弹簧和复位弹簧垫片，其中，所述顶杆的底端与所述的压电陶瓷为接触连接，所述底座上贯通孔的后端口通过螺栓安装有后端盖，所述后端盖上开有用于贯穿电源导线和数据导线的过线孔，所述底座上贯通孔的前端口通过螺栓安装有前端盖，所述顶杆的顶端贯穿所述前端盖的中心伸出至所述底座的外部，所述的压力传感器电连接NI数据采集卡。

所述的顶杆为T型结构，T型结构的水平端面对应所述的压电陶瓷这一面形成有与所述的压电陶瓷数量相等的用于连接和定位压电陶瓷前端的定位沉孔，T型结构的垂直部分贯穿所述前端盖的中心伸出至所述底座的外部，所述的复位弹簧和复位弹簧垫片套在T型结构的垂直部分上。

X方向和Y方向上的加载装置的顶杆上用于夹持检验棒的前端头形成有向内凹进的能够与检验棒紧密吻合的凹槽，Z方向的加载装置的顶杆上用于夹持检验棒的前端头形成有向外凸出的用于顶住检验棒的凸头。

所述的压电陶瓷底座板位于所述压电陶瓷的一侧面上沿圆周等间隔的形成有与所述的压电陶瓷数量相等的能够插入所述压电陶瓷底端的定位槽，所述的压电陶瓷底座板位于所述压力传感器的一侧面开有能够嵌入压力传感器的测头的定位孔。

所述的电容位移传感器在检验棒上设置有三个，是分别设置在检验棒的X方向、Y方向和Z方向上。

还设置有计算机，所述的计算机与所述的NI数据采集卡相连，通过NI数据采集卡获得电容位移传感器采集到的检验棒的位移数据和获得压力传感器采集到的对检验棒施压力的数据，所述的计算机还连接有用于显示检验棒的承载的力-位移的静刚度曲线的显示器。

本发明的数控机床主轴单元静刚度测试装置的测试方法，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：