[发明专利]一种机床三维静刚度加载试验装置及试验方法

摘要

一种机床三维静刚度加载试验装置，该装置由并联加载机构、主轴接口及测力模块、主轴变形位移测量装置、工作台对接平台和控制系统组成，并联加载机构通过工作台对接平台固定于机床工作台上，并且通过主轴接口及测力模块与机床主轴连接，向机床主轴施加载荷，同时，主轴变形位移测量装置也安装在机床工作台上，并且利用其上安装的高精度位移传感器测量机床主轴受力后形变大小，最后得到机床三维静刚度。一种机床三维静刚度加载试验装置的试验方法，它有六大步骤。本发明可以对机床施加三维力静载荷，用于机床三个方向静刚度加载实验。它在机床性能实验技术领域里具有实用价值和广阔的应用前景。

主权项

一种机床三维静刚度加载试验装置，其特征在于：该装置由并联加载机构、主轴接口及测力模块、主轴变形位移测量装置、工作台对接平台和控制系统组成，并联加载机构通过工作台对接平台固定于机床工作台上，并且通过主轴接口及测力模块与机床主轴连接，向机床主轴施加载荷，同时，主轴变形位移测量装置也安装在机床工作台上，并且利用其上安装的高精度位移传感器测量机床主轴受力后形变大小，最后得到机床三维静刚度；所述并联加载机构的整体结构为3－PSS结构，是由三组加载支链组件组成，每组加载支链组件包括定长连杆、移动滑台、传动丝杠、伺服电机、动平台和静平台；并联加载机构的静平台上均布三组伺服电机和传动丝杠，伺服电机为运动执行器，通过传动丝杠驱动移动滑台进行往复直线运动；移动滑台通过其上面对称安装的两个球铰链，与两根材质相同、尺寸相等的定长连杆相连；定长连杆的另一端同样也是通过双排球铰链与动平台连接，通过控制三个移动滑台的位置，调整动平台的位姿，实现空间沿三轴方向的平动，给机床主轴加载；该定长连杆为圆杆状钢材制作，数量是每组加载支链2根，全机共有6根；每根定长连杆两端装有球铰链的球头，各定长连杆两端球头的球心距相等；该移动滑台为对称设计，其安装基板底部装有丝母与传动丝杠连接，两侧有两条平行滑轨，在其安装基板上装有梯形球铰链座安装基座，其上左右对称分布两个球铰链座；它安装于每组加载支链末端，并且通过球铰链座实现移动滑台与定长连杆的球头连接，数量是每组加载支链1件，全机共3件；该传动丝杠是精密滚动丝杠，其一端与伺服电机轴通过联轴器连接，其另一端旋入移动滑台上的丝母，起传递运动的作用，数量是每组加载支链1件，全机共3件；该伺服电机是交流伺服电机，伺服电机为运动执行器，通过电机轴旋转和丝杠螺母的传动，使移动滑台产生直线运动以调节其位置，从而调节动平台的实际位移和姿态，实现动平台沿空间三轴方向的平动，给机床主轴加载；数量是每组加载支链1件，共3件；该动平台为圆形设计，数量为1件，其底面沿圆周方向均布3组精密球铰链座，每组包含球铰链座2个，与一组定长连杆的两个球头连接；动平台上安装有三维力传感器和主轴接口及测力模块；该静平台为轴对称六边形设计，数量为1件，其上均布三组平行的直线导轨，起到给移动滑台的导向作用，同时留有伺服电机和传动丝杠的安装接口，方便将三组加载支链安装于静平台上；所述主轴接口及测力模块，是由加载芯轴、加载芯轴接口装置、三维力传感器和动平台固定装置组成，动平台固定装置通过螺栓连接固定于并联加载机构的动平台上，在动平台固 定装置上安装了三维力传感器以测量向主轴施加的载荷，同时，加载芯轴通过加载芯轴接口装置与三维力传感器进行连接，通过加载芯轴实现与机床主轴的刚性连接；该加载芯轴一端为圆轴另一端带锥度，带锥度端与被测机床的主轴锥孔相配，数量为1件，通过加载芯轴和主轴锥度的配合，实现与机床主轴的刚性连接，起到力的传递作用，实现对主轴的加载；系统配有不同锥度、不同连接方式的加载芯轴，以用于不同机床的加载实验；该加载芯轴接口装置为圆柱体，上下两端设计有安装法兰结构，同时在上端装有加载芯轴接口调节机构，以适应安装不同型号加载芯轴的需要，实现加载芯轴在主轴接口及测力模块中的定位与安装，同时，加载芯轴接口装置的尺寸可调，能满足不同加载芯轴安装的需要，数量为1件；该三维力传感器是高精度的三维力传感器，数量为1件，实时反馈加载装置对机床主轴所施加的载荷情况，实时观测加载试验的进程，为机床三维静刚度的测量提供重要的主轴所受载荷数据；该动平台固定装置为圆柱体，上下两端设计有安装法兰结构，同时在上端装有三维力传感器安装接口；它保持三维力传感器与动平台的刚性连接，以保持施加载荷的准确性和平稳性，数量为1件；所述主轴变形位移测量装置，是由位移传感器和位移传感器安装支架组成，三件位移传感器通过螺栓连接固定于传感器安装支架上，并且沿机床三维空间坐标系X、Y、Z轴方向排布，夹角互为90°，用于测量主轴在受到载荷时的空间三维方向的形变位移，传感器安装支架安装于机床工作台上；该位移传感器的精度达微米级，准确的测量机床主轴在承受载荷的条件下所发生的形变，提高测量的准确性；该传感器安装支架为可调式设计，为Y形状的外伸悬臂梁结构，并且在顶端设计了沿三个方向的安装平面，以安装固定位移传感器，数量为1件，它根据需要调整其上固定的位移传感器的安装位置和方向，该传感器安装支架独立安装于机床工作台上，避免加载装置在给机床主轴加载的过程中自身所发生形变的影响，使测量结果更准确；所述工作台对接平台，是由可调整对接平台和静平台固定装置组成，并联加载机构通过可调整对接平台与机床工作台配合连接，并且通过静平台固定装置使并联加载机构与机床工作台之间实现固连；该可调整对接平台是其上开有两个螺钉固定槽的矩形板料；它使并联加载机构静平台与机床工作台之间通过键槽配合实现连接，以保持并联加载机构装置施加载荷的准确性和平稳性，并且该装置能调整和更换，以满足对不同工作台的对接需要，数量为3件；该静平台固定装置是安装于可调整对接平台之上的其上包含紧固螺钉安装孔的矩形压块装置，它实现并保持并联加载机构与工作台的刚性连接，以保持施加载荷的准确性和平稳性，数量为3件；所述控制系统，是由电机伺服驱动器、运动控制卡、传感器接收器和放大器、控制系统软件、微计算机、液晶显示器和监控摄像头以及安全保障系统组成，微计算机与运动控制卡、液晶显示器和监控摄像头实现电气连接，同时，运动控制卡与电机伺服驱动器、传感器接收器和放大器实现电气连接；控制系统软件以及安全保障系统安装于微计算机的操作系统内；该电机伺服驱动器采用交流伺服驱动器，数量为3件，实现对伺服电机自身性能的整定，测试伺服控制系统反馈设置情况，设定伺服电机的具体工作模式以及实现对伺服的电机的开环和闭环控制；该运动控制卡采用多轴运动控制卡，数量为1件，实现同时对三套伺服电机进行协调控制，从而实现控制加载机构动平台位姿、移动速度和加载载荷；同时，通过运动控制卡的编程与自定义伺服算法，对伺服电机进行位置、速度以及力的精确控制，从而控制单向加载支链的位置、移动速度以及加载载荷；通过运动控制卡的信号采集接口，实现对三维力传感器和位移传感器采集信号的处理，实现对加载装置的精确控制；该传感器接收器和放大器分别采用位移传感器放大器，数量为3件；三维力传感器放大器，数量为1件，实现对位移传感器和三维力传感器高精度的数据的读取和数模转换处理；该控制系统软件包括虚拟坐标系和实坐标系的转换模块、软件编程界面、实时显示界面，数量为1套；实现输入指定载荷、观察传感器数值、计算和显示载荷分布、位移分布、工作空间、刚度计算和图表绘制功能；该微计算机采用工业控制计算机，数量为1件，实现对传感器接受数据的处理，对操作人员所发出指令的处理和执行，以及对测量数据的计算和绘图，得到最终所需的机床三维静刚度的试验数据，并且绘制相应曲线和图表；该液晶显示器和监控摄像头数量均为1件，实现操作人员对加载试验装置各个环节的实时监控、显示控制系统的操作界面和显示试验中所需的输入输出数据；该安全保障系统通过对加载装置各传感器的监控和观测，在加载试验过程中，如果传感器反馈数据出现异常，该系统则会发出警示信号，如果反馈数据已经达到系统设定的安全临界值，该系统则会使加载装置断电，防止意外事故的发生，数量为1套。