[發(fā)明專利]一種機床三維靜剛度加載試驗裝置及試驗方法

有效

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• 申請日: 2012-09-11
• 公開（公告）號: CN102853978A
• 公開（公告）日: 2013-01-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳五一;郭江真
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G01M5/00
• 分類號: G01M5/00
• 代理公司: 北京慧泉知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種機床三維靜剛度加載試驗裝置，其特征在于：該裝置由并聯(lián)加載機構(gòu)、主軸接口及測力模塊、主軸變形位移測量裝置、工作臺對接平臺和控制系統(tǒng)組成，并聯(lián)加載機構(gòu)通過工作臺對接平臺固定于機床工作臺上，并且通過主軸接口及測力模塊與機床主軸連接，向機床主軸施加載荷，同時，主軸變形位移測量裝置也安裝在機床工作臺上，并且利用其上安裝的高精度位移傳感器測量機床主軸受力后形變大小，最后得到機床三維靜剛度；

所述并聯(lián)加載機構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)為3－PSS結(jié)構(gòu)，是由三組加載支鏈組件組成，每組加載支鏈組件包括定長連桿、移動滑臺、傳動絲杠、伺服電機、動平臺和靜平臺；并聯(lián)加載機構(gòu)的靜平臺上均布三組伺服電機和傳動絲杠，伺服電機為運動執(zhí)行器，通過傳動絲杠驅(qū)動移動滑臺進行往復(fù)直線運動；移動滑臺通過其上面對稱安裝的兩個球鉸鏈，與兩根材質(zhì)相同、尺寸相等的定長連桿相連；定長連桿的另一端同樣也是通過雙排球鉸鏈與動平臺連接，通過控制三個移動滑臺的位置，調(diào)整動平臺的位姿，實現(xiàn)空間沿三軸方向的平動，給機床主軸加載；該定長連桿為圓桿狀鋼材制作，數(shù)量是每組加載支鏈2根，全機共有6根；每根定長連桿兩端裝有球鉸鏈的球頭，各定長連桿兩端球頭的球心距相等；該移動滑臺為對稱設(shè)計，其安裝基板底部裝有絲母與傳動絲杠連接，兩側(cè)有兩條平行滑軌，在其安裝基板上裝有梯形球鉸鏈座安裝基座，其上左右對稱分布兩個球鉸鏈座；它安裝于每組加載支鏈末端，并且通過球鉸鏈座實現(xiàn)移動滑臺與定長連桿的球頭連接，數(shù)量是每組加載支鏈1件，全機共3件；該傳動絲杠是精密滾動絲杠，其一端與伺服電機軸通過聯(lián)軸器連接，其另一端旋入移動滑臺上的絲母，起傳遞運動的作用，數(shù)量是每組加載支鏈1件，全機共3件；該伺服電機是交流伺服電機，伺服電機為運動執(zhí)行器，通過電機軸旋轉(zhuǎn)和絲杠螺母的傳動，使移動滑臺產(chǎn)生直線運動以調(diào)節(jié)其位置，從而調(diào)節(jié)動平臺的實際位移和姿態(tài)，實現(xiàn)動平臺沿空間三軸方向的平動，給機床主軸加載；數(shù)量是每組加載支鏈1件，共3件；該動平臺為圓形設(shè)計，數(shù)量為1件，其底面沿圓周方向均布3組精密球鉸鏈座，每組包含球鉸鏈座2個，與一組定長連桿的兩個球頭連接；動平臺上安裝有三維力傳感器和主軸接口及測力模塊；該靜平臺為軸對稱六邊形設(shè)計，數(shù)量為1件，其上均布三組平行的直線導(dǎo)軌，起到給移動滑臺的導(dǎo)向作用，同時留有伺服電機和傳動絲杠的安裝接口，方便將三組加載支鏈安裝于靜平臺上；

所述主軸接口及測力模塊，是由加載芯軸、加載芯軸接口裝置、三維力傳感器和動平臺固定裝置組成，動平臺固定裝置通過螺栓連接固定于并聯(lián)加載機構(gòu)的動平臺上，在動平臺固定裝置上安裝了三維力傳感器以測量向主軸施加的載荷，同時，加載芯軸通過加載芯軸接口裝置與三維力傳感器進行連接，通過加載芯軸實現(xiàn)與機床主軸的剛性連接；該加載芯軸一端為圓軸另一端帶錐度，帶錐度端與被測機床的主軸錐孔相配，數(shù)量為1件，通過加載芯軸和主軸錐度的配合，實現(xiàn)與機床主軸的剛性連接，起到力的傳遞作用，實現(xiàn)對主軸的加載；系統(tǒng)配有不同錐度、不同連接方式的加載芯軸，以用于不同機床的加載實驗；該加載芯軸接口裝置為圓柱體，上下兩端設(shè)計有安裝法蘭結(jié)構(gòu)，同時在上端裝有加載芯軸接口調(diào)節(jié)機構(gòu)，以適應(yīng)安裝不同型號加載芯軸的需要，實現(xiàn)加載芯軸在主軸接口及測力模塊中的定位與安裝，同時，加載芯軸接口裝置的尺寸可調(diào)，能滿足不同加載芯軸安裝的需要，數(shù)量為1件；該三維力傳感器是高精度的三維力傳感器，數(shù)量為1件，實時反饋加載裝置對機床主軸所施加的載荷情況，實時觀測加載試驗的進程，為機床三維靜剛度的測量提供重要的主軸所受載荷數(shù)據(jù)；該動平臺固定裝置為圓柱體，上下兩端設(shè)計有安裝法蘭結(jié)構(gòu)，同時在上端裝有三維力傳感器安裝接口；它保持三維力傳感器與動平臺的剛性連接，以保持施加載荷的準(zhǔn)確性和平穩(wěn)性，數(shù)量為1件；

所述主軸變形位移測量裝置，是由位移傳感器和位移傳感器安裝支架組成，三件位移傳感器通過螺栓連接固定于傳感器安裝支架上，并且沿機床三維空間坐標(biāo)系X、Y、Z軸方向排布，夾角互為90°，用于測量主軸在受到載荷時的空間三維方向的形變位移，傳感器安裝支架安裝于機床工作臺上；該位移傳感器的精度達微米級，準(zhǔn)確的測量機床主軸在承受載荷的條件下所發(fā)生的形變，提高測量的準(zhǔn)確性；該傳感器安裝支架為可調(diào)式設(shè)計，為Y形狀的外伸懸臂梁結(jié)構(gòu)，并且在頂端設(shè)計了沿三個方向的安裝平面，以安裝固定位移傳感器，數(shù)量為1件，它根據(jù)需要調(diào)整其上固定的位移傳感器的安裝位置和方向，該傳感器安裝支架獨立安裝于機床工作臺上，避免加載裝置在給機床主軸加載的過程中自身所發(fā)生形變的影響，使測量結(jié)果更準(zhǔn)確；

所述工作臺對接平臺，是由可調(diào)整對接平臺和靜平臺固定裝置組成，并聯(lián)加載機構(gòu)通過可調(diào)整對接平臺與機床工作臺配合連接，并且通過靜平臺固定裝置使并聯(lián)加載機構(gòu)與機床工作臺之間實現(xiàn)固連；該可調(diào)整對接平臺是其上開有兩個螺釘固定槽的矩形板料；它使并聯(lián)加載機構(gòu)靜平臺與機床工作臺之間通過鍵槽配合實現(xiàn)連接，以保持并聯(lián)加載機構(gòu)裝置施加載荷的準(zhǔn)確性和平穩(wěn)性，并且該裝置能調(diào)整和更換，以滿足對不同工作臺的對接需要，數(shù)量為3件；該靜平臺固定裝置是安裝于可調(diào)整對接平臺之上的其上包含緊固螺釘安裝孔的矩形壓塊裝置，它實現(xiàn)并保持并聯(lián)加載機構(gòu)與工作臺的剛性連接，以保持施加載荷的準(zhǔn)確性和平穩(wěn)性，數(shù)量為3件；

所述控制系統(tǒng)，是由電機伺服驅(qū)動器、運動控制卡、傳感器接收器和放大器、控制系統(tǒng)軟件、微計算機、液晶顯示器和監(jiān)控攝像頭以及安全保障系統(tǒng)組成，微計算機與運動控制卡、液晶顯示器和監(jiān)控攝像頭實現(xiàn)電氣連接，同時，運動控制卡與電機伺服驅(qū)動器、傳感器接收器和放大器實現(xiàn)電氣連接；控制系統(tǒng)軟件以及安全保障系統(tǒng)安裝于微計算機的操作系統(tǒng)內(nèi)；該電機伺服驅(qū)動器采用交流伺服驅(qū)動器，數(shù)量為3件，實現(xiàn)對伺服電機自身性能的整定，測試伺服控制系統(tǒng)反饋設(shè)置情況，設(shè)定伺服電機的具體工作模式以及實現(xiàn)對伺服的電機的開環(huán)和閉環(huán)控制；該運動控制卡采用多軸運動控制卡，數(shù)量為1件，實現(xiàn)同時對三套伺服電機進行協(xié)調(diào)控制，從而實現(xiàn)控制加載機構(gòu)動平臺位姿、移動速度和加載載荷；同時，通過運動控制卡的編程與自定義伺服算法，對伺服電機進行位置、速度以及力的精確控制，從而控制單向加載支鏈的位置、移動速度以及加載載荷；通過運動控制卡的信號采集接口，實現(xiàn)對三維力傳感器和位移傳感器采集信號的處理，實現(xiàn)對加載裝置的精確控制；該傳感器接收器和放大器分別采用位移傳感器放大器，數(shù)量為3件；三維力傳感器放大器，數(shù)量為1件，實現(xiàn)對位移傳感器和三維力傳感器高精度的數(shù)據(jù)的讀取和數(shù)模轉(zhuǎn)換處理；該控制系統(tǒng)軟件包括虛擬坐標(biāo)系和實坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換模塊、軟件編程界面、實時顯示界面，數(shù)量為1套；實現(xiàn)輸入指定載荷、觀察傳感器數(shù)值、計算和顯示載荷分布、位移分布、工作空間、剛度計算和圖表繪制功能；該微計算機采用工業(yè)控制計算機，數(shù)量為1件，實現(xiàn)對傳感器接受數(shù)據(jù)的處理，對操作人員所發(fā)出指令的處理和執(zhí)行，以及對測量數(shù)據(jù)的計算和繪圖，得到最終所需的機床三維靜剛度的試驗數(shù)據(jù)，并且繪制相應(yīng)曲線和圖表；該液晶顯示器和監(jiān)控攝像頭數(shù)量均為1件，實現(xiàn)操作人員對加載試驗裝置各個環(huán)節(jié)的實時監(jiān)控、顯示控制系統(tǒng)的操作界面和顯示試驗中所需的輸入輸出數(shù)據(jù)；該安全保障系統(tǒng)通過對加載裝置各傳感器的監(jiān)控和觀測，在加載試驗過程中，如果傳感器反饋數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，該系統(tǒng)則會發(fā)出警示信號，如果反饋數(shù)據(jù)已經(jīng)達到系統(tǒng)設(shè)定的安全臨界值，該系統(tǒng)則會使加載裝置斷電，防止意外事故的發(fā)生，數(shù)量為1套。

2.一種機床三維靜剛度加載試驗裝置的試驗方法，其特征在于：該方法具體步驟如下：

步驟一：確定機床種類、主軸位姿及尺寸、工作臺種類及尺寸以及具體的測試要求，據(jù)此再確定測試方案；包括：加載方式、載荷分布、加載持續(xù)時間、加載速度及加速度設(shè)置和結(jié)果輸出形式；

步驟二：調(diào)節(jié)和更換靜力加載裝置的主軸接口模塊，挑選合適的加載芯軸，以適應(yīng)當(dāng)前所測試機床主軸的需要，使其與主軸固連，完成機床主軸的連接工作；

步驟三：調(diào)節(jié)工作臺對接平臺，以適應(yīng)當(dāng)前所測試機床工作臺的需要，使其與機床工作臺相連，完成與機床工作臺的安裝工作；

步驟四：根據(jù)機床主軸坐標(biāo)系安裝位移傳感器，利用獨立安裝于工作臺的位移傳感器支架，將位移傳感器固定于機床主軸周圍，方向與機床空間三維坐標(biāo)系中X、Y、Z軸相同；

步驟五：向機床主軸施加載荷并且測量主軸形變，初始化控制系統(tǒng)和各傳感器，輸入給機床主軸所施加的載荷大小和方向；在加載過程中，控制系統(tǒng)會實時監(jiān)控裝置為主軸施加載荷的狀況，三維力傳感器的數(shù)值會在顯示器上實時顯示，在加載過程開始的同時，主軸變形位移測量裝置中的位移傳感器開始同步測量機床主軸由負(fù)載所引起的形變大小，并把數(shù)據(jù)傳回控制系統(tǒng)中；

步驟六：計算并輸出結(jié)果，控制系統(tǒng)會根據(jù)施加載荷的大小和所測位移的數(shù)據(jù)，計算出機床空間三維靜剛度的值，并且會按照預(yù)設(shè)的輸出形式，自動輸出數(shù)值和繪制相應(yīng)圖表。