[发明专利]一种用于便携式加工系统的刚度测试装置及方法

说明书

本发明属于机床性能测试技术领域，提出了一种用于便携式加工系统的刚度测试装置及方法。该装置主要由控制模块、气路调节模块、刚度测试夹具、测量模块四部分组成。测试平台基座有定位功能，前表面设计刻度盘配合转塔实现加工设备主轴径向平面内定角度方向刚度测量。气缸前端压力传感器和位移传感器通过特殊定位结构和可调位置安装座与测试块表面刻度线对中，确测量施载点的形变量。控制模块由PC和PLC构成，集成了压力传感器和位移传感器测量模块，可自动完成稳定施载、数据采集并输出刚度曲线。该装置适应已有夹具和工装，最大程度的模拟实际加工工况，可实现包括加工设备、夹具等连接零部件刚度系统刚度的准确测量。

技术领域

本发明涉及机床性能测试技术领域，尤其涉及一种用于便携式加工系统的刚度测试装置及方法。

背景技术

加工设备的静态刚度是设备抵抗外载荷引起变形、保持加工精度的重要特性之一，高精度加工设备一般都对刚度特性有较高的要求。目前，传统的加工设备如数控车床、加工中心，往往采用较为厚重的结构以获得较大的静态刚度，满足要求。但这些设备一般体型较大且安装工位固定，难以适用于狭小空间的加工任务。为此，国内外正大力发展便携式加工设备，如自动进给钻，其体积小、质量轻等优势明显，既可以适合于传统机器不可达的复杂加工工位，也可以取代传统手工加工，已被广泛应用于航空航天领域。

但是，此类便携式加工设备多采用浮动主轴，要求主轴同时完成旋转和进给运动，静态刚性较弱。并且，为满足狭小空间和轻便易携的要求，设备体积和质量往往很小，无法采用传统厚重的结构制造，进一步降低了设备的静态刚度。此外，便携式加工设备往往需要通过加工模板和专用夹具与被加工区域连接，进而实现自动化加工，导致整个加工系统的静态刚度会随加工区域位置发生改变。可见，便携式加工系统的静态刚度普遍较弱，远低于传统加工设备，对加工质量和精度影响更大，且其静态刚度特性多变，刚度特性极为复杂。因此，对便携式加工设备与工件夹具所组成的加工系统进行静态刚度分析极为重要，已成为目前的研究热点之一。

分析加工设备的刚度特性一般可通过理论计算、仿真分析以及实验测试方法，但由于加工设备往往结构复杂且存在大量连接、间隙或过盈配合等部位，理论计算和仿真分析难以准确表征，因此，采用实验测试是目前准确获得和分析加工设备刚度特性的优选方法之一。当前国内外对于普通机床及多轴加工中心的刚度分析开展了较为充分地研究，并设计了系列化的可用于普通机床及多轴加工中心的刚度分析及测量方法。如波兰PiotrPawelko发表的论文“A new measurement system to determine stiffnessdistribution in machine tool workspace[J].Archives of Civil and MechanicalEngineering,2021,21(2).”中提出了一种固定于机床工作平台的机床准静态刚度测试系统，该系统能够施加大小和方向可控的力，并同时测量产生的位移，进而计算系统刚度，然而此系统的加载和测量装置都相对于床身或地面固定，不适用于便携式加工系统局部加工区域的刚度测量，且其体积大，灵活性较差。电子科技大学的丁杰雄等人发明了“一种五轴机床变刀具姿态下的静刚度测试装置”，申请号为CN201711400972，该装置在正交三轴滑台每个滑动方向上采用双向气缸来进行加载，其可测姿态范围有限，需要提前知道刀具的姿态信息，过程复杂费时，测试效率不高，而且其装置难以直接应用于在空间受限工位运行的加工设备的测量。西安交通大学高羡明等人发明了“一种模拟真实切削工况的机床静刚度测试装置及方法”，专利号为ZL201410105866，该装置采用液压缸施载，测量前需要分别安装三向施载液压缸，手动控制液压缸输出压力，测量过程比较繁琐，且可能会带来环境污染。

综上，目前刚度测试装置和方法多需固定于地面或机床台面，只适用于测量传统加工设备主轴的刚度，难以在位对便携式加工设备与工件夹具所组成的加工系统进行静态刚度分析，且装置体积较大不易安装、便携性差，无法在空间受限工位对便携式加工装备的静态刚度进行准确测量。基于上述原因，迫切需要一种针对便携式加工系统的刚度测试装置和方法，进而指导其结构设计和安装方法，最终提高加工精度。

发明内容