机床三向动态切削力随动模拟加载装置

摘要

本发明公开了一种机床三向动态切削力随动模拟加载装置，包括机床工作台、主轴芯棒、Y轴滑动副、X轴滑动副、轴承系统、L型底板、力加载系统和随动加载控制电路。Y轴滑动副与机床工作台固定连接，X轴滑动副安装在Y轴滑动副的滑块上，L型底板与X轴滑动副固定连接。主轴芯棒的下端与轴承系统连接，承受切削力的模拟加载。Z轴力加载装置安装在L型底板的拐角处，其输出轴通过拉压力传感器与轴承端盖连接。Y轴和X轴力加载装置分别安装在L型底板的两端部，其输出轴通过拉压力传感器分别与轴承外座的外圆面连接。利用本发明装置，可测量机床在切削加工时的加工误差，为机床受切削力引起变形误差的测量和分析提供了分析平台。

说明书

技术领域

本发明涉及机床模拟加载装置，尤其涉及一种用于研究切削力对机床加工精度影响的机床三向动态切削力模拟加载装置。

背景技术

影响机床误差的因素很多，目前已经得到了比较完善的热误差和几何误差的辨识方法、建模方法以及补偿手段。由于以前很少涉及到高速硬切削和大功率切削以及难加工新型材料，并且研究手段有限，所以普遍认为切削力对机床的精度影响较小，不予考虑。近年来，随着机床加工精度的提高和难加工材料的发展，切削力引起的机床误差越来越受到重视，研究切削力对机床精度的影响变得尤为重要。

切削过程中切削负载会对机床精度产生影响，引起机床热误差变化和机床受力变形，这些变形最终反映为刀具和工件的正确的相对切削位置变化，造成加工误差。早期很多学者认为，完整、真实地模拟切削加工过程是几乎不可能的。因此，工艺问题往往基于准静态或切削加工后的测量数据，或者通过软件仿真来研究。

另外，机床空载运行和切削加工时都有温升和热变形，造成工件加工误差。当机床空载运行时，激光干涉仪的折射镜或者位移传感器的感应头可以安装于机床上，测量出机床热变形。但在切削加工时，主轴旋转、进给机构移动，切削区域还存在切屑和切削液，使得测量装置无法安装，无法测量切削加工时的机床热变形。

目前对于机床的模拟加载，所设计的装置都是将主轴从机床上拆卸下来，单独给主轴部件施加力，所加载的力也都是静态力，还没有对机床整机及对机床进给系统随动模拟加载动态切削力的装置。

发明内容

现有的切削力加载装置不能模拟在不同切削用量下的动态交变的切削力，不能加载在机床整机上，由于存在切屑和切削液，不方便精确地测量受切削负载影响的机床误差，为检测机床热误差和受力变形、分析切削负载对机床热变形和受力变形的影响带了诸多不便。针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种将三向动态切削力随动模拟加载于机床的装置，为研究切削力对机床加工精度的影响提供平台。

本发明的技术方案是提供一种机床三向动态切削力随动模拟加载装置，其设计要点在于：包括机床工作台1、Y轴滑动副2、X轴滑动副3、力加载系统、L型底板7、主轴芯棒9、轴承系统8和随动加载控制电路，所述力加载系统包括Y轴力加载装置4、X轴力加载装置5、Z轴力加载装置6；所述主轴芯棒9的一端装配于轴承系统8内，Z轴力加载装置6安装在L型底板7的拐角处，Z轴力加载装置6的输出轴和轴承系统8的下端面固定连接，Z轴力加载装置6的输出轴的轴心线和轴承系统8的轴心线同轴，Y轴力加载装置4、X轴力加载装置5分别安装在L型底板7的两个端部的上面，Y轴力加载装置4、X轴力加载装置5的输出轴分别和轴承系统8的外圆周面固定连接，L型底板7和X轴滑动副3固定连接并位于X轴滑动副3的上方，Y轴滑动副2和X轴滑动副3固定连接并位于X轴滑动副3的下方，且Y轴滑动副2的滑动方向和X轴滑动副3的滑动方向相垂直，Y轴滑动副2固定在机床工作台1上；Y轴力加载装置4、X轴力加载装置5、Z轴力加载装置6和随动加载控制电路连接。

本发明，还有如下进一步改进的技术方案。                                      

进一步地，所述Y轴滑动副2包括固定在机床工作台1上的Y轴导轨21和设置在Y轴导轨上并和Y轴导轨配合的Y轴滑块22，用于驱动Y轴滑块22滑动的Y轴丝杠副的一端和Y轴伺服电机23连接，Y轴伺服电机23经Y轴伺服驱动器和随动加载控制电路电连接；所述X轴滑动副3包括固定在Y轴滑块22上的X轴导轨31和设置在X轴导轨上并和X轴导轨配合的X轴滑块32，用于驱动X轴滑块32滑动的X轴丝杠副的一端和X轴伺服电机33连接，X轴伺服电机33经X轴伺服驱动器和随动加载控制电路电连接。

进一步地，所述轴承系统8包括轴承外座81、轴承端盖82、轴承10和轴承内座83，轴承10装配于轴承外座81内和主轴芯棒9下端外，轴承内座83和主轴芯棒9下端通过螺栓连接，轴承内圈101通过主轴芯棒9下端的台阶面和轴承内座83固定夹紧，轴承端盖82通过螺栓固定在轴承外座81的下端面，轴承外圈102由轴承外座81的内侧面台阶和轴承端盖82固定夹紧。

进一步地，所述轴承10为双列圆锥滚子轴承。

进一步地，所述力加载系统的Y轴力加载装置4、X轴力加载装置5、Z轴力加载装置6的构成及连接方式相同，均包括电动式激振器401、第一连杆402、拉压力传感器403和第二连杆404，所述电动式激振器401、第一连杆402、拉压力传感器403和第二连杆404的一端顺次连接。

进一步地，所述随动加载控制电路包括微处理器，微处理器的用于输入机床Y轴、机床X轴位移信号的输入端分别和机床的机床Y轴位移光栅尺、机床X轴位移光栅尺电连接，微处理器的用于输出Y轴滑动副2位移控制信号的输出端和Y轴伺服驱动器电连接，Y轴伺服驱动器和Y轴伺服电机23电连接；微处理器的用于输出X轴滑动副3位移控制信号的输出端和X轴伺服驱动器电连接，X轴伺服驱动器和X轴伺服电机33电连接；微处理器的第三输出端、Y轴DA转换模块、Y轴功率放大电路、Y轴力加载装置4的Y轴电动式激振器依次电连接，微处理器的第四输出端、X轴DA转换模块、X轴功率放大电路、X轴力加载装置4的X轴电动式激振器依次电连接，微处理器的第五输出端、Z轴DA转换模块、Z轴功率放大电路、Z轴力加载装置4的Z轴电动式激振器依次电连接。

进一步地，所述微处理器为DSP处理器或FPGA。

进一步地，Z轴力加载装置6的输出轴的轴心线和轴承系统8的轴心线同轴，轴承系统8的轴心线垂直于由Y轴力加载装置4和X轴力加载装置5的输出轴轴心线所确定的平面。

进一步地，Y轴力加载装置4的Y轴电动式激振器、X轴力加载装置5的X轴电动式激振器通过电动式激振器支座50和L型底板7固定连接，Z轴力加载装置6的Z轴电动式激振器直接安装在L型底板7的拐角处。

有益效果

以电动式激振器作为动力源，对随机床主轴旋转的芯棒在三个方向上同步施加动态力，以模拟机床主轴转动时承受的切削力。

根据机床位置检测，反馈控制X轴滑动副和Y轴滑台副的移动，电动式激振器和机床主轴同步移动，使得X轴和Y轴的施力连杆和在XOY平面做进给运动的主轴芯棒保持同步，微处理器将机床的切削力信号经过功率放大电路输入到电动式激振器中，电动式激振器工作输出力以模拟在机床进给运动时的切削力。

由于没有实际切削，不伴随切屑和切削液，可方便测量出在模拟切削加工条件下、整个进给运动过程中的机床受力变形，将该误差补偿值反馈给控制系统，可以减小机床的受力变形，提高机床的加工精度。

通过电动式激振器的动力源把模拟的动态切削力直接加载到机床主轴上，不需要拆下机床主轴，不是对主轴部件单独进行加载，可研究受动态切削力对机床整机加工误差的影响。

附图说明

图1  本发明的立体图示意图。

图2  图1的俯视示意图。

图3  图1的A-A方向剖视示意图。

图4  图3中的轴承系统的放大示意图。

图5  本发明的随动加载控制电路的原理框图。

图中，1-机床工作台，2-Y轴滑动副，21-Y轴导轨，22-Y轴滑块，23-Y轴伺服电机， 3-X轴滑动副，31-X轴导轨，32-X轴滑块，33-X轴伺服电机，4-Y轴力加载装置，5-X轴力加载装置，6-Z轴力加载装置，7-L型底板，8-轴承系统，81-轴承外座，82-轴承端盖，83-轴承内座，9-主轴芯棒，10-轴承，101-轴承内圈，102-轴承外圈，401-电动式激振器，402-第一连杆，403-拉压力传感器，404-第二连杆，50-电动式激振器支座。

具体实施方式

为了阐明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的介绍。

为了表述方便，建立如图1中所示的X-Y-Z直角坐标系，图中的X轴滑动副3的滑动方向为X轴、Y轴滑动副2的滑动方向为Y轴、主轴芯棒9的轴心线方向为Z轴建立直角坐标系，所建立的直角坐标系与机床的坐标系相对应一致，即X轴滑动副3的滑动方向与机床主轴的X轴一致，Y轴滑动副2的滑动方向与机床主轴的Y轴一致，主轴芯棒9的轴心线方向与机床主轴的Z轴一致。

如图1-图4所述，本发明的一种机床三向动态切削力的随动模拟加载装置，包括机床工作台1、Y轴滑动副2、X轴滑动副3、力加载系统、L型底板7、主轴芯棒9、轴承系统8和随动加载控制电路。

所述力加载系统包括Y轴力加载装置4、X轴力加载装置5、Z轴力加载装置6。

所述主轴芯棒9的下端加工有台阶，台阶处较细的部分装配于轴承系统8内，Z轴力加载装置6设置在L型底板7的直角拐角处，Z轴力加载装置6的输出轴和轴承系统8的下端面固定连接，Z轴力加载装置6的输出轴的轴心线和轴承系统8的轴心线同轴，轴承系统8的轴心线垂直于由Y轴力加载装置4和X轴力加载装置5的输出轴轴心线所确定的平面。

所述Y轴力加载装置4、X轴力加载装置5分别固定设置在L型底板7的两个端部，Y轴力加载装置4、X轴力加载装置5的输出轴分别和轴承系统8的外圆周面固定连接，L型底板7和X轴滑动副3固定连接并位于X轴滑动副3的上方，X轴滑动副3的滑动方向与机床主轴的X轴移动方向一致，实现力加载系统跟随主轴芯棒9沿着X轴方向移动，Y轴滑动副2和X轴滑动副3固定连接并位于X轴滑动副3的下方，且Y轴滑动副2的滑动方向和X轴滑动副3的滑动方向相垂直，Y轴滑动副2的滑动方向与机床主轴的Y轴移动方向一致，实现力加载系统跟随主轴芯棒9沿着Y轴方向移动，从而使力加载系统跟随主轴芯棒9在机床工作台1的X-Y平面内移动。Y轴滑动副2固定在机床工作台1上。Y轴力加载装置4、X轴力加载装置5、Z轴力加载装置6和随动加载控制电路连接。

所述Y轴滑动副2包括固定在机床工作台1上的Y轴导轨21和设置在Y轴导轨上并和Y轴导轨配合的Y轴滑块22，用于驱动Y轴滑块22滑动的Y轴丝杠副的一端和Y轴伺服电机23连接，Y轴伺服电机23经Y轴伺服驱动器和随动加载控制电路电连接。所述X轴滑动副3包括固定在Y轴滑块22上的X轴导轨31和设置在X轴导轨上并和X轴导轨配合的X轴滑块32，用于驱动X轴滑块32滑动的X轴丝杠副的一端和X轴伺服电机33连接，X轴伺服电机33经X轴伺服驱动器和随动加载控制电路电连接。

所述Y轴力加载装置4的Y轴电动式激振器、X轴力加载装置5的X轴电动式激振器分别固定在两个电动式激振器支座50上，Z轴力加载装置6的Z轴电动式激振器直接安装在L型底板7的拐角处，前述两个电动式激振器支座50分别固定在L型底板7的处于X轴的一端部和处于Y轴的另一端部。

所述轴承系统8包括轴承外座81、轴承端盖82、轴承10和轴承内座83，轴承内座83和主轴芯棒9下端的端面通过螺栓连接，轴承10的轴承内圈101由主轴芯棒9外侧面上的台阶和轴承内座83夹紧固定；轴承10装配于轴承外座81内和主轴芯棒9下端外，轴承端盖82通过螺栓固定在轴承外座81的下端面，轴承外圈102由轴承外座81的内侧面上的台阶和轴承端盖82固定夹紧。轴承10为双列圆锥滚子轴承。

所述Y轴力加载装置4、X轴力加载装置5、Z轴力加载装置6的结构构造相同，如图2和图4所示，均包括电动式激振器401、第一连杆402、拉压力传感器403和第二连杆404，所述电动式激振器401、第一连杆402、拉压力传感器403和第二连杆404的一端顺次连接。如图4所示，Y轴力加载装置4的第二连杆的另一端和轴承系统8的轴承外座81外圆周面固定连接，X轴力加载装置5的第二连杆的另一端和轴承系统8的轴承外座81的外圆周面固定连接，Z轴力加载装置6的第二连杆的另一端和轴承系统8的轴承端盖82下端面固定连接。

其中，如图5所示，所述随动加载控制电路包括微处理器，微处理器的用于输入机床Y轴、机床X轴位移信号的输入端分别和机床的机床Y轴位移光栅尺、机床X轴位移光栅尺电连接，微处理器的用于输出Y轴滑动副2位移控制信号的输出端和Y轴伺服驱动器电连接，Y轴伺服驱动器和Y轴伺服电机23电连接；微处理器的用于输出X轴滑动副3位移控制信号的输出端和X轴伺服驱动器电连接，X轴伺服驱动器和X轴伺服电机33电连接；微处理器的第三输出端、Y轴DA转换模块、Y轴功率放大电路、Y轴力加载装置4的Y轴电动式激振器依次电连接，微处理器的第四输出端、X轴DA转换模块、X轴功率放大电路、X轴力加载装置4的X轴电动式激振器依次电连接，微处理器的第五输出端、Z轴DA转换模块、Z轴功率放大电路、Z轴力加载装置4的Z轴电动式激振器依次电连接。所述微处理器为DSP处理器，也可以采用FPGA。

本发明在应用时，调整机床主轴的位置，使Y轴力加载装置4、X轴力加载装置5和Z轴力加载装置6的输出轴的轴心线相交于一点，将主轴芯棒9下端和轴承系统8装配连接，主轴芯棒9上端和机床主轴固定连接。

开启机床，启动主轴，使主轴芯棒在机床主轴的带动下旋转，开启加工功能，使机床主轴在X、Y平面内运动，模拟机床加工过程。机床的X轴位移光栅尺、Y轴位移光栅尺的光栅尺信号分别传递给微处理器的两输入端，微处理器对接收的信号进行分析，产生相对于机床主轴X、Y轴近似同步的脉冲信号，脉冲信号分别传输到机床三向动态切削力随动模拟加载装置的Y轴伺服驱动器和X轴伺服驱动器，Y轴伺服驱动器和X轴伺服驱动器分别驱动Y轴伺服电机和X轴伺服电机，使力加载系统跟随主轴芯棒9沿着X轴、Y轴方向同步运动。同时微处理器根据分析产生X、Y、Z轴的三个方向上的切削力模型的三个波型信号，三个波型信号分别经三个DA转换模块、三个功率放大电路，把放大后的波型信号传送给Y轴力加载装置4的Y轴电动式激振器、X轴力加载装置5的X轴电动式激振器和Z轴力加载装置6的Z轴电动式激振器，由三个电动式激振器来模拟产生作用到主轴芯棒上的三个方向上的切削力。

模拟加工运行后，可以通过测量主轴芯棒的各个点的位置可以计算出机床在实际加工过程中的加工误差；本发明能在机床高速加工工作状态下，通过跟随主轴的运动同时在三个方向上施加作用力来模拟实际的切削力，通过测量不同加工位置主轴芯棒的位置，可计算出相应的加工误差，将该误差补偿值反馈给控制系统，可以减小机床的受力变形，提高机床的加工精度。

相对于现有技术，本发明具有如下技术进步性。

以电动式激振器作为动力源，对随机床主轴旋转的芯棒在三个方向上同步施加动态力，以模拟机床主轴转动时承受的切削力。

根据机床位置检测，反馈控制X轴滑动副和Y轴滑台副的移动，电动式激振器和机床主轴同步移动，使得X轴和Y轴的施力连杆和在XOY平面做进给运动的主轴芯棒保持同步，微处理器将机床的切削力信号经过功率放大器输入到电动式激振器中，电动式激振器工作输出力以模拟在机床进给运动时的切削力。

由于没有实际切削，不伴随切屑和切削液，可方便测量出在模拟切削加工条件下、整个进给运动过程中的机床受力变形，将该误差补偿值反馈给控制系统，可以减小机床的受力变形，提高机床的加工精度。

通过电动式激振器的动力源把模拟的动态切削力直接加载到机床主轴上，不需要拆下机床主轴，不是对主轴部件单独进行加载，可研究受动态切削力对机床整机加工误差的影响。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。