一種加工中心三向靜剛度測試系統及測試方法與流程

2023-09-18 07:55:31 1

本發明涉及一種剛度測試系統及測試方法，具體涉及一種靜剛度測試系統及測試方法。

背景技術：

在國防軍工和製造業競爭力等方面，工具機行業有著關鍵性作用，因此，我國政府已經將該行業提升到了戰略性位置。國家重要的振興目標之一就是發展大型、精密、高速數控設備和功能部件。因此，對工具機的精密性的要求越來越高。加工中心是用於加工大型零件的主要工具機之一，在航空、航天等領域具有十分重要的地位。工具機的靜剛度是評價其性能的主要指標之一，會影響加工部件的幾何精度以及表面質量。同時，加工中心作為高速高精度工具機，所受載荷有限，載荷過大會損壞內部的精密零部件。

目前，國內外有很多關於工具機靜剛度的測試裝置及測試方法，但是已有的測試裝置以及測試方法大多都僅針對某個方向的剛度進行測量，更換方向時拆裝過程十分繁瑣，效率低下。一些不帶反饋系統的電控載荷施加裝置容易出現作用力施加過大，損壞工具機內部的精密零部件。傳統的面-面接觸式頂杆會引入摩擦力等作用力，同時由於面-面接觸不穩定性，最終導致作用力偏離所測方向，產生測量誤差。

技術實現要素：

發明目的：本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種加工中心三向靜剛度測試系統，該系統能夠高效的進行工具機三維空間方向的靜剛度測試，並保證作用力方向與所測靜剛度方向一致，具有較高的精度，還提供了該三向靜剛度測試系統的測試方法，方便使用。

技術方案：本發明所述的一種加工中心三向靜剛度測試系統，包括用於施加載荷的假刀、數據採集處理系統，以及分別與數據採集處理系統連接的三向載荷施加裝置和傳感器調節固定裝置，所述數據採集系統包括連接壓力傳感器和電渦流位移傳感器的數據採集裝置以及計算機，所述三向載荷施加裝置包括用於三維空間方向調節的微調平臺，以及設於微調平臺上的頂件，所述傳感器調節固定裝置包括支架，所述支架連接有絲杆升降機，所述電渦流位移傳感器設於絲杆升降機的絲杆上方。

優選的，所述三向載荷施加裝置向下依次通過壓力傳感器、連接件連接於工作檯，所述壓力傳感器包括若干子壓力傳感器。

優選的，所述絲杆升降機的絲杆頂端設有轉動裝置，所述電渦流位移傳感器設於轉動裝置。

優選的，所述傳感器調節固定裝置的支架包括下板和與其連接的側板，所述側板頂端連接於絲杆升降機，所述絲杆升降機包括由絲杆和手輪構成的傳動組件，所述手輪設於套筒外壁並與穿設於套筒的絲杆傳動連接，所述絲杆與套筒接觸面設有相適配的第一導槽和第一導軌，所述轉動裝置包括套管以及與絲杆頂端通過法蘭連接的t形基礎板，所述套管徑向貫穿有鎖定螺栓，所述鎖定螺栓一端連接於t形基礎板的豎板，所述套管側壁設有用於夾持的缺口，所述豎板還設有定位螺釘，所述套管以鎖定螺栓為軸相對於豎板轉動，其外壁位於水位或豎直位置時抵靠於定位螺釘。

優選的，所述微調平臺包括從下到上依次設置的底板、第一動板、第二動板和頂板，所述相鄰兩層板的接觸面設有相適配的導槽和導軌，所述相適配的導槽和導軌之間設有回位彈簧，所述相鄰兩層導槽或導軌正交排布。

優選的，所述相鄰兩層板側壁分別錯位設有凸塊或頂塊，所述凸塊穿設有千分尺，千分尺自由端抵靠於與其相鄰的頂塊。

優選的，所述第一動板和第二動板螺紋連接有用於固定底板、第一動板、第二動板或頂板之間相對位置的鎖緊螺栓。

優選的，所述頂件為長方體凸臺，並經調質處理。

優選的，所述假刀刀頭為球狀，並經調質處理。

一種加工中心三向靜剛度測試系統的測試方法，包括下列步驟：

1)將壓力傳感器、頂件和連接件通過螺釘與工作檯固定，將假刀安裝到工具機主軸上，調節主軸位置，按照要測量的靜剛度方向，將假刀刀頭靠近頂件上凸臺的與測量方向垂直的表面，並留有2～4mm空隙，保證空隙小於千分尺行程，固定主軸位置。

2)根據測量的靜剛度方向，調整套管的位置，利用定位螺釘保證其處於水平或豎直位置，預緊鎖定螺栓，將電渦流位移傳感器放入套管中，擰緊鎖定螺栓，調整傳感器調節固定裝置，並通過手輪調整絲杆位置，進而調節電渦流位移傳感器高度，使得電渦流位移傳感器與測點的距離小於其最大測量距離。

3)將壓力傳感器和電渦流位移傳感器與數據採集系統、計算機通過數據線連接，完成測量準備工作，並記錄此時的壓力傳感器對應方向的讀數f0以及電渦流位移傳感器的讀數l0，作為初始讀數。

4)調節微調平臺各層千分尺，同時觀察壓力傳感器採集得到的對應方向的作用力，當達到合適數值時擰緊鎖緊螺栓，記錄此時對應方向的作用力f1與位移l1，則工具機相應方向的靜剛度為式(1)：

有益效果：本發明的加工中心三向靜剛度測試系統和該系統的測試方法：

1、本發明的靜剛度測試系統採用專用壓力傳感器，能夠同時測量三維空間xyz方向的壓力和扭矩，因此本測試裝置能夠快速高效的測量工具機xyz三個方向的靜剛度，避免傳統測試裝置測量不同方向需要重複拆裝的繁瑣步驟。

2、本發明採用頂件凸臺作用面和假刀刀頭球面的點接觸實現載荷傳遞，保證作用力方向垂直於頂件凸臺的作用面，在保證頂件加工精度的前提下，即可實現作用力方向與所測靜剛度方向一致。

3、本發明採用專用傳感器調節固定裝置，用於裝夾電渦流位移傳感器，不僅採用絲杆升降機，能夠實現豎直方向的調節，而且設有定位螺釘，能夠方便調節並保證電渦流位移傳感器處於水平或者豎直位置，進而保證的測量數據的準確性。

附圖說明

圖1為本發明的測試系統結構示意圖；

圖2為本發明中微調平臺的前視立體圖；

圖3為本發明中微調平臺的後視立體圖；

圖4為本發明中傳感器調節固定裝置的立體圖；

圖5為本發明中t形基礎板的立體圖；

圖6為本發明中套管的立體圖；

圖7為本發明中假刀的立體圖。

具體實施方式

下面對本發明技術方案進行詳細說明，但是本發明的保護範圍不局限於所述實施例。

如圖1至7所示，本發明的一種加工中心三向靜剛度測試系統，包括用於施加載荷的假刀1、數據採集處理系統，以及分別與數據採集處理系統連接的三向載荷施加裝置和傳感器調節固定裝置，數據採集系統包括連接壓力傳感器2和電渦流位移傳感器4的數據採集裝置5以及計算機6，三向載荷施加裝置包括用於三維空間方向調節的微調平臺7，以及設於微調平臺7上的頂件8，傳感器調節固定裝置包括支架，支架連接有絲杆升降機，電渦流位移傳感器4設於絲杆升降機的絲杆10上方，三向載荷施加裝置向下依次通過壓力傳感器2、連接件11連接於工作檯12，壓力傳感器2包括若干子壓力傳感器，假刀1刀頭為球狀，並經調質處理，配合相應分析軟體dynoware能夠同時測量xyz三個方向的作用力及扭矩，測量過程中，每次施加載荷時都能夠讀取六個讀數，分別為xyz三個方向的作用力及扭矩，其中，由於本測試方案的工作原理，扭矩必然存在，但時因為頂件8和假刀1之間是點接觸，所以扭矩的效果不會傳遞到假刀1上，不會對測量結果產生影響；而三個方向的作用力讀數，除測量方向讀數發生明顯變化外，其他兩個方向應該幾乎不發生變化，如果發生變化，說明作用力方向與測量方向不一致，則會影響測量結果，因此，本發明中的壓力傳感器2，不僅可以高效測量三個方向的靜剛度，而且能夠檢驗測試過程的正確性，絲杆升降機的絲杆10頂端設有轉動裝置，電渦流位移傳感器4設於轉動裝置，傳感器調節固定裝置的支架包括下板9和與其連接的側板13，下板9底部設有沉孔，通過螺釘與側板13連接，側板13頂端連接於絲杆升降機，絲杆升降機包括由絲杆10和手輪15構成的傳動組件，手輪15設於套筒16外壁並傳動連接於穿設套筒16的絲杆10，絲杆10與套筒16分別設有相適配的第一導槽17和第一導軌18，從而可以防止轉動手輪15的時候絲杆10也發生轉動，僅產生軸向移動，保證絲杆升降機的正常工作，轉動裝置包括套管20以及與絲杆10頂端通過法蘭21連接的t形基礎板22，套管20徑向貫穿有鎖定螺栓24，鎖定螺栓24一端連接於t形基礎板22的豎板，使得套管20繞鎖定螺栓24相對於豎板轉動連接，套管20側壁設有用於夾持的缺口23，能夠實現在擰緊鎖定螺栓24的同時縮小套管20，從而固定電渦流位移傳感器4，豎板還設有定位螺釘25，套管20以鎖定螺栓24為軸相對於豎板轉動時，其外壁位於水位或豎直位置時抵靠於定位螺釘25，定位螺釘25為內六角螺釘，螺頭為圓柱形，起到定位作用，微調平臺7包括從下到上依次設置的底板26、第一動板27、第二動板28和頂板29，相鄰兩層板的接觸面設有相適配的導槽和導軌，底板26設有兩個平行的第二導軌30，第一動板27設有兩個適配於第二導軌30的第二導槽31，第一動板27另一面設有兩個平行的第三導槽32，第二動板28設有兩個適配於第三導槽32的第三導軌33，第二動板28另一面設有兩個平行的第四導槽19，頂板29設有兩個適配於第四導槽19的第四導軌14，相適配的導槽和導軌之間設有回位彈簧，保證沿導軌方向在不受外力時保持初始狀態，相鄰兩層導槽或導軌正交排布，相鄰兩層板側壁分別錯位設有凸塊或頂塊，凸塊穿設有千分尺3，千分尺3自由端抵靠於與其相鄰的頂塊，第一動板27和第二動板28螺紋連接有用於固定底板26、第一動板27、第二動板28或頂板29之間相對位置的鎖緊螺栓，每個鎖緊螺栓的內表面與其接觸的各層板側面接觸，底板26與第一動板27之間通過第一鎖緊螺栓34鎖定，第一動板27、第二動板28之間通過第二鎖緊螺栓35鎖定，第二動板28、頂板29之間通過第三鎖緊螺栓36鎖定，在工作的過程中，首先調節相應方向的千分尺3，由於千分尺3導程較小，因此可以避免因調節過度損壞工具機零部件的情況，當壓力讀數達到合適數值時，擰緊鎖緊螺栓將微調平臺7鎖死，達到穩定狀態讀取相應讀數，頂件8為長方體凸臺，並經調質處理，保證具有較高硬度，長方體凸臺五個表面與底面之間具有較高的垂直度或平行度要求，從而保證作用力方向與微調平臺7的移動方向一致。

一種加工中心三向靜剛度測試系統的測試方法，包括下列步驟：

1)將壓力傳感器2、頂件8和連接件11通過螺釘與工作檯固定，將假刀1安裝到工具機主軸上，調節主軸位置，按照要測量的靜剛度方向，將假刀1刀頭靠近頂件8上凸臺的與測量方向垂直的表面，並留有2～4mm空隙，保證空隙小於千分尺3行程，固定主軸位置。

2)根據測量的靜剛度方向，調整套管20的位置，利用定位螺釘25保證其處於水平或豎直位置，預緊鎖定螺栓24，將電渦流位移傳感器4放入套管20中，擰緊鎖定螺栓24，調整傳感器調節固定裝置，並通過手輪15調整絲杆10位置，進而調節電渦流位移傳感器4高度，使得電渦流位移傳感器4與測點的距離小於其最大測量距離。

3)將壓力傳感器2和電渦流位移傳感器4與數據採集系統、計算機6通過數據線連接，完成測量準備工作，並記錄此時的壓力傳感器2對應方向的讀數f0以及電渦流位移傳感器4的讀數l0，作為初始讀數。

4)調節微調平臺各層千分尺3，同時觀察壓力傳感器2採集得到的對應方向的作用力，當達到合適數值時擰緊鎖緊螺栓，記錄此時對應方向的作用力f1與位移l1，則工具機相應方向的靜剛度為式(1)：

採用專用壓力傳感器2，能夠同時測量三維空間xyz方向的壓力和扭矩，因此本測試裝置能夠快速高效的測量工具機xyz三個方向的靜剛度，避免傳統測試裝置測量不同方向需要重複拆裝的繁瑣步驟，採用頂件凸臺作用面和假刀1刀頭球面的點接觸實現載荷傳遞，保證作用力方向垂直於頂件凸臺的作用面，在保證頂件8加工精度的前提下，即可實現作用力方向與所測靜剛度方向一致，採用絲杆升降機，能夠實現豎直方向的調節，而且設有定位螺釘25，能夠方便調節並保證電渦流位移傳感器4處於水平或者豎直位置，進而保證的測量數據的準確性。

如上所述，儘管參照特定的優選實施例已經表示和表述了本發明，但其不得解釋為對本發明自身的限制。在不脫離所附權利要求定義的本發明的精神和範圍前提下，可對其在形式上和細節上作出各種變化。