工具機滾動功能部件精度保持性測量裝置用控制系統的製作方法

2023-05-02 23:53:16

工具機滾動功能部件精度保持性測量裝置用控制系統的製作方法
【專利摘要】工具機滾動功能部件精度保持性測量裝置用控制系統，施力部件伺服電機（701）上設置有工業控制計算機內裝8軸PMAC卡，控制系統用於完成加工軌跡的輸入、刀具參數、切削用量的設定，總切削力的計算和時間曲線繪製、總扭矩的計算和時間曲線繪製；X、Y、Z三向切削分力的計算和時間曲線繪製，將X、Y、Z三向切削分力和總扭矩合成後分解到各個伺服軸，計算各伺服軸的分力時間曲線，然後將時間曲線除以施力機構上的彈簧係數K後得到各伺服軸的時間位移曲線；在運行控制程序時，通過時鐘控制項，向控制PMAC軸控卡輸出各伺服軸的位移數值，PMAC卡調用相應的運動控制程序，控制伺服電機走到相應的位移點，完成所需力的施加。
【專利說明】工具機滾動功能部件精度保持性測量裝置用控制系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及的結構設計和應用【技術領域】，特別提供了一種工具機滾動功能部件精度保持性測量裝置用控制系統。
【背景技術】
[0002]現有技術中，工具機絲槓和導軌精度保持性測量通常是在實際工具機上在加工實踐中進行測量的，這存在很多亟待解決的技術問題。比較突出的簡介如下:1)工具機的實際加工過程必然要求有物料、刀具、切削液以及大量電能的損失；2)工具機實際加工過程中必然會有噪聲、廢水等汙染；3)工具機實際加工過程中的絲槓和導軌受力通常都是有幹擾和變化的，不易形成較為恆定幹擾很少甚至無幹擾的理想實驗環境；4)測量效率和實際效果比較有限。
[0003]因此，人們期望獲得一種技術效果優良的工具機絲槓、導軌精度保持性測量裝置及其專用的控制系統。

【發明內容】

[0004]本發明的目的是提供一種技術效果優良的工具機滾動功能部件精度保持性測量裝置用控制系統。
[0005]採用的技術方案:
工具機滾動功能部件精度保持性測量裝置用控制系統，其特徵在於:其基於工具機滾動功能部件精度保持性測量裝置進行工具機滾動功能部件精度保持性測量；
(一)工具機滾動功能部件精度保持性測量裝置構成如下:床身1、被測導軌2、被測絲槓3、工作檯4、絲槓用伺服電機5、絲槓用聯軸器6、施力部件7 ;其中:床身I為臥式結構；被測導軌2為在水平方向相互平行布置的兩條，固定布置在床身I上部；被測絲槓3由其專用的驅動部件驅動；工作檯4布置在被測導軌2上且工作檯4通過被測絲槓3驅動並能在被測導軌2上動作；絲槓用伺服電機5通過絲槓用聯軸器6連接被測絲槓3，被測絲槓3上的螺母固定布置在工作檯4下部；施力部件7用於在沿其主要結構伸展方向的軸向即單軸方向上對外施加作用力；其施力部件沿絲槓軸向運動和對外施力，其使用施力部件伺服電機701作為驅動部件通過控制施力部件伺服電機701的轉角對應換算得到精確的對外施力大小以便精確控制施力大小；
施力部件7的具體結構是:施力部件電機701、施力部件用聯軸器702、施力用絲槓703、單軸滑臺704、施力彈性組件705、施力部件支架707、施力部件用螺母708、施力杆709、施力頭710 ;其中:施力部件電機701、施力用絲槓703都固定布置在施力部件支架707上，單軸滑臺704與施力部件支架707上相互接觸且能相對滑動；施力部件電機701通過施力部件用聯軸器702連接著施力用絲槓703，固定在單軸滑臺704下部的施力部件用螺母708與施力用絲槓703配對且能夠帶動單軸滑臺704和施力用絲槓703沿與施力用絲槓703平行的方向運動；施力杆709的後半部分固定在單軸滑臺704上且其軸線方向與施力用絲槓703平行，施力杆709伸出到單軸滑臺704外部的那一端的端部為施力頭710 ;在伸出到單軸滑臺704外部的施力杆709處套裝有施力彈性組件705 ;在所述工具機滾動功能部件精度保持性測量裝置中，施力部件7具體的施力方式是:使用施力部件電機701通過施力部件用聯軸器702連接施力用絲槓703，並進而帶動由施力用絲槓703驅動的施力部件用螺母708 ;施力部件用螺母708進而帶動與其固定連接的單軸滑臺704並使其沿施力用絲槓703的軸向滑動，在運動過程中通過控制施力部件電機701的轉角對應精確控制對外施力的大小;
所述施力頭710處還固定設置有能繞其自身軸線方向旋轉的滾輪，施力頭710藉助於滾輪與受力構件接觸；所述施力彈性組件705具體為壓力彈簧，其預壓縮變形後為自其自由長度的92% ;所述施力部件7中還設置有防扭結構706，其具體是固定在施力杆709上使其不能實現周向旋轉的限位結構即限制施力杆709 ;所述施力頭710處還固定設置有能繞其自身軸線方向旋轉的滾輪711，施力頭710藉助於滾輪711與模擬受力構件即工作檯相接觸；
(二)在將被測滾動功能部件安裝在工具機滾動功能部件精度保持性測量裝置中後，通過模擬裝置模擬工具機實際工作狀態下的受力情況並實現工具機按照預設要求恆定受力或者按照程序要求受力；並測試在此受力情況下工具機滾動功能部件的精度保持性指標；所述工具機實際工作狀態下的受力情況具體為下述幾種之一或其組合:沿某一坐標軸方向的受力、繞某一坐標軸方向的扭矩、某一載荷作用下的工作檯的傾覆力矩；所述模擬裝置通過單一施力機構或者一個以上的施力機構的組合模擬工具機的實際受力狀況並保證工具機受力的綜合效果；
所述被測滾動功能部件均為水平或者豎直或者傾斜(符合一般工具機的常見布局要求)布置，通過施加力模擬工具機受力的控制單元施力方案是下述幾種方案之一或其組合:方案一:第一坐標軸方向即垂直於被測絲槓所驅動的工作檯所在平面方向受力:使用2-4個施力部件聯合作用模擬工具機的第一坐標軸方向(即Z向)受力或/和沿第一坐標軸方向(即Z向)施加繞與該方向兩兩垂直的另兩個坐標方向(X軸或者Y軸方向)作用的傾覆力矩；方案二:第二坐標軸方向受力:在安裝有被測的滾動功能部件(絲槓、導軌)的工作檯上的第二坐標軸方向施加成組的2組作用力以共同模擬工具機工作檯的第二坐標軸方向受力或者繞第一坐標軸作用的扭矩；其中每一組作用力由兩組施力部件構成且二者的施力方向為相對方向；方案三:第三坐標軸方向即被測絲槓軸線方向受力:使用伺服電機恆扭矩驅動或者變扭矩驅動模擬絲槓受力；
(三)所述工具機滾動功能部件精度保持性測量裝置用控制系統中，施力部件7中的施力部件伺服電機701上設置有工業控制計算機內裝多軸PMAC卡，PMAC卡安裝在工業控制計算機內，外部與接口板相連，接口板通過伺服驅動器和絲槓用伺服電機5相連；對應地控制系統用於完成加工軌跡的輸入、刀具參數、切削用量的設定，總切削力的計算和時間曲線繪製、總扭矩的計算和時間曲線繪製；X、Y、Z三向切削分力的計算和時間曲線繪製，將X、Y、Z三向切削分力和總扭矩合成後分解到各個伺服軸，計算各伺服軸的分力時間曲線，然後將時間曲線除以施力機構上的彈簧係數K後得到各伺服軸的時間位移曲線；在運行控制程序時，通過時鐘控制項向控制PMAC軸控卡輸出各伺服軸的位移數值，PMAC卡調用相應的運動控制程序，控制伺服電機走到相應的位移點，完成所需力的施加；
其中:銑削力的計算與加工軌跡、刀具參數、切削用量密切相關；具體內容說明如下:在控制軟體中，先輸入加工軌跡；即輸入起點坐標和終點坐標，設置曲線半徑；對於圓、圓
弧曲線半徑即為半徑，對於直線來說對應的曲線半徑為O ;設定加工方向；設定刀具參數:
刀具半徑、刀具齒數、刀具角度；選擇切削用量數值:轉速、進給、切削深度、切削寬度；選擇
切削材料；並按照以下公式進行切削力、扭矩的計算:
【權利要求】
1.工具機滾動功能部件精度保持性測量裝置用控制系統，其特徵在於:其基於工具機滾動功能部件精度保持性測量裝置進行工具機滾動功能部件精度保持性測量； (一)工具機滾動功能部件精度保持性測量裝置構成如下:床身(I)、被測導軌(2)、被測絲槓(3)、工作檯(4)、絲槓用伺服電機(5)、絲槓用聯軸器(6)、施力部件(7);其中:床身(I)為臥式結構；被測導軌(2)為在水平方向相互平行布置的兩條，固定布置在床身(I)上部；被測絲槓(3)由其專用的驅動部件驅動；工作檯(4)布置在被測導軌(2)上，且工作檯(4)通過被測絲槓(3)驅動並能在被測導軌(2)上動作；絲槓用伺服電機(5)通過絲槓用聯軸器(6)連接被測絲槓(3)，被測絲槓(3)上的螺母固定布置在工作檯(4)下部；施力部件(7)用於在沿其主要結構伸展方向的軸向即單軸方向上對外施加作用力；其施力部件沿絲槓軸向運動和對外施力，其使用施力部件伺服電機(701)作為驅動部件通過控制施力部件伺服電機(701)的轉角對應換算得到精確的對外施力大小以便精確控制施力大小； 施力部件(7)的具體結構是:施力部件電機(701)、施力部件用聯軸器(702)、施力用絲槓(703)、單軸滑臺(704)、施力彈性組件(705)、施力部件支架(707)、施力部件用螺母(708)、施力杆(709)、施力頭(710);其中:施力部件電機(701)、施力用絲槓(703)都固定布置在施力部件支架(707)上，單軸滑臺(704)與施力部件支架(707)上相互接觸且能相對滑動；施力部件電機(701)通過施力部件用聯軸器(702)連接著施力用絲槓(703)，固定在單軸滑臺(704)下部的施力部件用螺母(708)與施力用絲槓(703)配對且能夠帶動單軸滑臺(704)和施力用絲槓(703)沿與施力用絲槓(703)平行的方向運動；施力杆(709)的後半部分固定在單軸滑臺(704)上且其軸線方向與施力用絲槓(703 )平行，施力杆(709 )伸出到單軸滑臺(704)外部的那一端的端部為施力頭(710);在伸出到單軸滑臺(704)外部的施力杆(709)處套裝有施力彈性組件(705);在所述工具機滾動功能部件精度保持性測量裝置中，施力部件(7)具體的施力方式是:使用施力部件電機(701)通過施力部件用聯軸器(702)連接施力用絲槓(703)，並進而帶動由施力用絲槓(703)驅動的施力部件用螺母(708);施力部件用螺母(708)進而帶動與其固定連接的單軸滑臺(704)並使其沿施力用絲槓(703)的軸向滑動，在運動過程中通過控制施力部件電機(701)的轉角對應精確控制對外施力的大小; 所述施力頭(710)處還固定設置有能繞其自身軸線方向旋轉的滾輪，施力頭(710)藉助於滾輪與受力構件接觸；所述施力彈性組件(705)具體為壓力彈簧，其預壓縮變形後為自其自由長度的92%;所述施力部件(7)中還設置有防扭結構(706)，其具體是固定在施力杆(709)上使其不能實現周向旋轉的限位結構即限制施力杆(709);所述施力頭(710)處還固定設置有能繞其自身軸線方向旋轉的滾輪(711)，施力頭(710)藉助於滾輪(711)與模擬受力構件即工作檯相接觸； (二)在將被測滾動功能部件安裝在工具機滾動功能部件精度保持性測量裝置中後，通過模擬裝置模擬工具機實際工作狀態下的受力情況並實現工具機按照預設要求恆定受力或者按照程序要求受力；並測試在此受力情況下工具機滾動功能部件的精度保持性指標；所述工具機實際工作狀態下的受力情況具體為下述幾種之一或其組合:沿某一坐標軸方向的受力、繞某一坐標軸方向的扭矩、某一載荷作用下的工作檯的傾覆力矩；所述模擬裝置通過單一施力機構或者一個以上的施力機構的組合模擬工具機的實際受力狀況並保證工具機受力的綜合效果；所述被測滾動功能部件均為水平或者豎直或者傾斜布置，通過施加力模擬工具機受力的控制單兀施力方案是下述幾種方案之一或其組合:方案一:第一坐標軸方向即垂直於被測絲槓所驅動的工作檯所在平面方向受力:使用2-4個施力部件聯合作用模擬工具機的第一坐標軸方向受力或/和沿第一坐標軸方向施加繞與該方向兩兩垂直的另兩個坐標方向作用的傾覆力矩；方案二:第二坐標軸方向受力:在安裝有被測的滾動功能部件的工作檯上的第二坐標軸方向施加成組的2組作用力以共同模擬工具機工作檯的第二坐標軸方向受力或者繞第一坐標軸作用的扭矩；其中每一組作用力由兩組施力部件構成且二者的施力方向為相對方向；方案三:第三坐標軸方向即被測絲槓軸線方向受力:使用伺服電機恆扭矩驅動或者變扭矩驅動模擬絲槓受力； (三)所述工具機滾動功能部件精度保持性測量裝置用控制系統中，施力部件(7)中的施力部件伺服電機(701)上設置有工業控制計算機內裝多軸PMAC卡，PMAC卡安裝在工業控制計算機內，外部與接口板相連，接口板通過伺服驅動器和絲槓用伺服電機(5)相連；對應地控制系統用於完成加工軌跡的輸入、刀具參數、切削用量的設定，總切削力的計算和時間曲線繪製、總扭矩的計算和時間曲線繪製；X、Y、Z三向切削分力的計算和時間曲線繪製，將X、Υ、Ζ三向切削分力和總扭矩合成後分解到各個伺服軸，計算各伺服軸的分力時間曲線，然後將時間曲線除以施力機構上的彈簧係數K後得到各伺服軸的時間位移曲線；在運行控制程序時，通過時鐘控制項向控制PMAC軸控卡輸出各伺服軸的位移數值，PMAC卡調用相應的運動控制程序，控制伺服電機走到相應的位移點，完成所需力的施加； 其中:銑削力的計算與加工軌跡、刀具參數、切削用量密切相關；具體內容說明如下:在控制軟體中，先輸入加工軌跡；即輸入起點坐標和終點坐標，設置曲線半徑；對於圓、圓弧曲線半徑即為半徑，對於直線來說對應的曲線半徑為O ;設定加工方向；設定刀具參數:刀具半徑、刀具齒數、刀具角度；選擇切削用量數值:轉速、進給、切削深度、切削寬度；選擇切削材料；並按照以下公式進行切削力、扭矩的計算:

2.按照權利要求1所述工具機滾動功能部件精度保持性測量裝置用控制系統，其特徵在於:其滿足下述要求:1)所述總扭矩時間曲線按照下述公式計算得到:
3.按照權利要求1所述工具機滾動功能部件精度保持性測量裝置用控制系統，其特徵在於:其所使用的工具機滾動功能部件精度保持性測量裝置中還設置有下述結構:被測絲槓用螺母(8)、螺母安裝座(9)、施力部件安裝座(10)、外部框架(11)、滑鞍(12)、滑塊(13);其中:被測絲槓用螺母(8)通過螺母安裝座(9)固定布置在工作檯(4)下部用於驅動工作檯(4)在被測導軌(2)上運動；施力部件安裝座(10)用於將至少一個施力部件(7)安裝布置在工作檯(4)周邊以便於對工作檯(4)施加用於模擬工作檯實際受力情況的作用力；滑鞍(12)固定布置在用於支持工作檯(4)的支撐導軌下方，包括滑鞍(12)及其所支撐的工作檯(4)在內的所有組件都作為一個整體由被測導軌(2)支撐；每根被測導軌(2)上至少設置有2個滑塊(13)，滑塊(13)固定布置在被測導軌(2)所支撐的部件上；外部框架(11)是整個設備的外框支架； 所述工具機滾動功能部件精度保持性測量裝置用控制系統基於上述的結構設計作為技術應用基礎；並用於完成某型立式加工中心下層工作檯所安裝的導軌、絲槓的精度保持性研究；控制系統應用時的具體要求如下: 首先對刀具加工時下層工作檯受力進行分析，在切削加工時，上層工作檯所授的切削力和進給力通過四個滑塊(13)和被側絲槓用螺母(8)傳遞給下層的滑鞍(12);其中四個滑塊(13)只承受Y向和Z向力，被側絲槓用螺母(8)只承受X向力； 要求在滑鞍上四個滑塊(13)位置和被側絲槓用螺母(8)作用線上位置施加相應的作用力，就能夠將上層工作檯所受的力作用到滑鞍(12)上，通過滑鞍(12)傳遞給下層的被側導軌(2)和被測絲槓(3)，從而將切削力施加到需要測試的滾動功能部件上。
4.按照權利要求1所述工具機滾動功能部件精度保持性測量裝置用控制系統，其特徵在於:其滿足下述要求:所述工具機滾動功能部件精度保持性測量裝置中包含有下述組成部分:床身(1)，滑 鞍(12)、外部框架(11)和用於在某個方向對外施加作用力的施力部件(7);其中:施力部件(7)具體在水平或者垂直方向用作對外施加作用力的部件即X、Y、Z向施力機構；施力部件(7)具體通過安裝座固定布置在整個工具機絲槓、導軌精度保持性測量裝置上； 在X、Z方向上對外施加作用力的施力部件(7)共同構成X、Z向組合施力機構，並對滑鞍(12)完成Χ、Ζ方向力的施加；四組Χ、Ζ向組合施力機構在水平面上有四個施力點，四個點互相配合完成X方向力的施加和Z軸方向扭矩的合成；垂直面上有四個施力點，四個點互相配合完成X方向力的施加和Y軸方向和X軸方向扭矩的合成； 在Y方向上對外施加作用力的施力部件(7)，施力部件(7)的具體結構是:施力部件電機(701)、施力部件用聯軸器(702)、施力用絲槓(703)、單軸滑臺(704)、施力彈性組件(705)、施力部件支架(707)、施力部件用螺母(708)、施力杆(709)、施力頭(710);其中:施力部件電機(701 )、施力用絲槓(703 )都固定布置在施力部件支架(707 )上，單軸滑臺(704 )與施力部件支架(707)上相互接觸且能相對滑動；施力部件電機(701)通過施力部件用聯軸器(702 )連接著施力用絲槓(703 )，固定在單軸滑臺(704)下部的施力部件用螺母(708 )與施力用絲槓(703)配對且能夠帶動單軸滑臺(704)和施力用絲槓(703)沿與施力用絲槓(703)平行的方向運動；施力杆(709)的後半部分固定在單軸滑臺(704)上且其軸線方向與施力用絲槓(703)平行，施力杆(709)伸出到單軸滑臺(704)外部的那一端的端部為施力頭(710);在伸出到單軸滑臺(704)外部的施力杆(709)處套裝有施力彈性組件(705);在所述工具機絲槓、導軌精度保持性測量裝置中，施力部件(7)具體的施力方式是:使用施力部件電機(701)通過施力部件用聯軸器(702)連接施力用絲槓(703)，並進而帶動由施力用絲槓(703)驅動的施力部件用螺母(708);施力部件用螺母(708)進而帶動與其固定連接的單軸滑臺(704)並使其沿施力用絲槓(703)的軸向滑動，在運動過程中通過控制施力部件電機(701)的轉角對應精確控制對外施力的大小； 施力部件(7)採用伺服電機橫扭矩驅動原理，通過施力用絲槓(703)、施力部件用螺母(708)將力施加到工作檯(4)上；施力部件電機(701)通過施力部件用聯軸器(702)驅動施力用絲槓(703)推動施力部件用螺母(708)將力傳遞到推動施力部件用螺母(708)的安裝座，並進一步將力傳遞到工作檯(4)上，產生一個Y方向的力，通過調整施力部件電機(701)的扭矩大小來控制力的大小； 綜上所述，X、Z方向組合施力機構，用於對工作檯(4)施加X軸、Z軸方向受力和所需的扭矩M ；Y向施力機構用於對工作檯施加Y軸方向受力；通過控制系統驅動施力部件電機(701)，調整各個力的大小，能夠實時模擬工具機各種不同的加工狀態的受力情況，使測試的導軌、絲槓的受力與真實加工時不同狀態的受力一致，達到測試目的； 所述工具機滾動功能部件精度保持性測量裝置用控制系統中，施力部件(7)中的施力部件伺服電機(701)上設置有工業控制計算機內裝12軸PMAC卡，PMAC卡安裝在工業控制計算機內，外部與接口板相連，接口板通過伺服驅動器和絲槓用伺服電機(5)相連；對應地控制系統用於完成加工軌跡的輸入、刀具參數、切削用量的設定，總切削力的計算和時間曲線繪製、總扭矩的計算和時間曲線繪製；Χ、y、Ζ三向切削分力的計算和時間曲線繪製，將Χ、Υ、Z三向切削分力和總扭矩合成後分解到各個伺服軸，計算各伺服軸的分力時間曲線，然後將時間曲線除以施力機構上的彈簧係數K後得到各伺服軸的時間位移曲線；在運行控制程序時，通過時鐘控制項向控制PMAC軸控卡輸出各伺服軸的位移數值，PMAC卡調用相應的運動控制程序，控制伺服電機走到相應的位移點，完成所需力的施加； 控制系統要求完成下述工作:加工軌跡的輸入、刀具參數、切削用量的設定，總切削力的計算和時間曲線繪製、總扭矩的計算和時間曲線繪製；Χ、Y、Z三向切削分力的計算和時間曲線繪製；將乂、Y、Z三向切削分力和總扭矩合成後分解到各個伺服軸，計算各伺服軸的分力時間曲線，時間曲線除以施力機構上的彈簧係數K後得到各伺服軸的時間位移曲線；具體控制實施過程中，通過時鐘控制項每0.1秒向控制PMAC軸控卡輸出各伺服軸的位移數值，PMAC卡調用相應的運動控制程序，控制伺服電機走到相應的位移點，完成所需力的施加； 銑削力的計算與加工軌跡、刀具參數、切削用量密切相關，在控制軟體中，先輸入加工軌跡；輸入起點坐標和終點坐標，設置曲線半徑，對於圓、圓弧曲線半徑即為半徑，對於直線來說，曲線半徑為O ;設定加工方向，以NC代碼規則進行設定:G02為順時針方向走刀，G03為逆時針方向走刀；設定刀具參數:刀具半徑、刀具齒數、刀具角度；選擇切削用量數值:轉速、進給、切削深度、切削寬度；選擇切削材料如:結構鋼、高溫合金、鑄鐵、可鍛鑄鐵等；按照以下公式進行切削力、扭矩的計算。
【文檔編號】G01M13/00GK103900805SQ201410081370
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月7日 優先權日:2014年3月7日
【發明者】王軍, 張玉璞, 舒啟林, 鑫龍 申請人:瀋陽理工大學