CN103419088A - 一种数控机床切削力模拟加载装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种数控机床切削力模拟加载装置及方法，装置包括能够同时承受径向力和轴向力的模拟刀装置，模拟刀装置的一端安装有固定装置，固定装置上安装有用于检测模拟刀装置三向作用力大小的检测装置，检测装置还与为模拟刀装置提供三向模拟切削力的动力装置固定连接。将装置连接好后，调整动力装置的压力，在机床工作状态下测量测点的位移量和变形量，即可得到机床的整机刚度以及零部件的刚度。本发明能够在机床主轴正常工作状态下对机床主轴同时施加三向作用力来模拟实际的机床切削力，从而对机床整机刚度及机床各部件刚度组成的刚度链进行测试，并根据测试结果找出刚度链中的薄弱环节进行优化设计，从而提高机床的整机加工精度。

Description

一种数控机床切削力模拟加载装置及方法

技术领域

本发明属于机械装置领域，涉及一种数控机床切削力模拟加载装置及方法。

背景技术

机床整机刚度以及零部件的刚度是影响数控机床加工精度的一个重要影响因素，刚度不足则会导致加工精度降低而达不到加工要求，因此设计一套切削力模拟加载装置来测试机床的整机刚度和部件刚度是十分必要的。目前虽然已经开发了一些相应的加载装置来检测机床主轴的刚度，但是目前大部分加载装置仅能在静态作用下模拟施加一个方向的切削力，或者是在主轴工作的状态下模拟施加一个方向上的切削力。这与实际机床的切削过程有一定的区别，不能十分真实的反应机床的实际切削过程

如果能在机床主轴工作的状态下同时施加三个方向的作用力来模拟实际的切削工艺就可以更加真实的测得机床实际切削过程中主轴的刚度。因而，设计一个能够在机床工作状态下同时施加三个方向切削力来模拟实际加工工艺的加载装置具有很大的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种数控机床切削力模拟加载装置及方法，能够在机床主轴正常工作的状态下同时施加三个方向的作用力来模拟实际的切削加工工艺。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种数控机床切削力模拟加载装置，包括能够同时承受径向力和轴向力的模拟刀装置，模拟刀装置的一端安装有固定装置，固定装置上安装有用于检测模拟刀装置三个方向上的作用力大小的检测装置，检测装置还与为模拟刀装置提供三个方向上的模拟切削力的动力装置固定连接。

所述的模拟刀装置包括安装在机床主轴上的刀柄，刀柄的一端安装有刀柄螺帽，刀柄螺帽上套装有能够同时承受径向力和轴向力的轴承，轴承的内圈利用刀柄螺帽上的法兰盘进行定位从而限定轴承的移动，轴承的外侧安装有固定装置。

所述的轴承为圆锥滚子轴承或角接触球轴承。

所述的轴承与固定装置之间设有轴套，轴套内设有与轴承的外圈尺寸相配合的阶梯孔，阶梯孔的台阶面作用在轴承的外圈上。

所述的模拟刀装置上设有检测其位移的位移传感器。

所述的动力装置固定在支撑架上，支撑架固定在工作台上。

所述的检测装置与用于显示检测数据的计算机相连；检测装置包括三个安装在固定装置上的压力传感器，且压力传感器与固定装置的接触面为平面，其中一个压力传感器位于模拟刀装置的轴向方向并与模拟刀装置同轴，另两个压力传感器位于模拟刀装置的径向方向并相互垂直，且三个压力传感器分别与动力装置固定连接。

所述的动力装置包括三个液压缸或气压缸，且每个液压缸或气压缸分别与一个压力传感器同轴相连。

采用三个液压缸作为动力装置时，三个液压缸分别连接在液压泵站上，且每个液压缸与液压泵站连接的管路上均设有用于显示液压缸压力的压力表。

一种数控机床切削力模拟加载方法，包括以下步骤：

1）将刀柄安装到机床主轴上，然后将刀柄螺帽安装在刀柄上，将轴承安装到刀柄螺帽上，再将轴套安装到轴承的外圈上，使轴套内的台阶面作用在轴承外圈上；

2)将固定装置安装到轴套上，三个压力传感器分别固定在固定装置的上并与固定装置形成面接触，其中一个压力传感器位于刀柄的轴向方向并与刀柄同轴，另两个压力传感器位于刀柄的径向方向并相互垂直；

3)将三个液压缸或气压缸分别固定到支撑架上，然后将支撑架放置到机床的工作台上，调整支撑架的位置使得液压缸或气压缸的推杆轴线和压力传感器的轴线在同一条直线上；

4)根据不同的机床类型定制相应的刚度测量系统，在刀柄处放置位移传感器，在机床各零部件处布置位移传感器，以测量所选测点处的变形量；

5)启动液压缸或气压缸，根据工件给定的加工工艺，调整三个不同方向的液压缸或气压缸的压力，在机床工作状态下测量测点的位移量；

6）通过测点的变形量和位移量即可得到机床的整机刚度以及零部件的刚度。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

为了解决现有的加载装置不能在机床工作状态下同时向其施加三向作用力来模拟实际加工工艺的问题，本发明提供了一种数控机床切削力模拟加载装置。本发明中设置了能够同时承受径向力和轴向力的模拟刀装置，模拟刀装置提供了在机床高速工作状态下向其施加三个方向的作用力的可行性，在模拟刀装置的一端通过固定装置安装有用于检测模拟刀装置三个方向上的作用力（三向作用力）大小的检测装置，检测装置还与为模拟刀装置提供三个方向上的模拟切削力的动力装置固定连接，因此本发明能够通过动力装置向模拟刀装置施加三个方向的切削力（作用力），并通过检查装置检测这三个方向上的切削力的大小。所以本发明能够在机床主轴正常的高速工作状态下对机床主轴同时施加三向作用力来模拟实际的切削加工工艺，从而对机床整机刚度以及机床各部件刚度组成的刚度链进行测试，并根据测试结果找出刚度链中的薄弱环节进行优化设计来提高机床的整机加工精度。

进一步的，本发明的模拟刀装置包括安装在机床主轴上的刀柄，安装在刀柄一端的刀柄螺帽，以及套装在刀柄螺帽上的圆锥滚子轴承或角接触球轴承。刀柄螺帽一方面用于将刀柄固定在机床主轴上，另一方面用于套装能够同时承受径向力和轴向力的轴承，轴承的内圈利用刀柄螺帽上的法兰盘进行定位从而限定轴承的移动，安装轴承一方面会使得动力装置不会因直接作用在刀柄上而影响机床的正常运行，另一方面使得刀柄能够同时承受轴向力和径向力，从而能用于机床的三个方向的切削力的施加和测量。

进一步的，本发明在轴承与固定装置之间加装轴套，轴套的尺寸与轴承配套，且轴套内的阶梯孔的台阶面作用在轴承的外圈上，而不影响轴承内圈的转动，这样施加进给力（沿刀柄的轴向方向施加压力）就不会影响机床主轴的转动。

进一步的，本发明通过在三个方向上设置压力传感器，一个压力传感器位于模拟刀装置的轴向方向并与模拟刀装置同轴，另两个压力传感器位于模拟刀装置的径向方向并相互垂直，因此不仅能够准确的测得三个不同方向的切削力，而且由于这三个方向的切削力分别位于空间坐标系的x轴、y轴和z轴方向，还能够方便的得到三个不同方向的切削力的合力，以方便进行后续的数据分析。而且压力传感器与检测装置的接触面为平面，这样使得二者的接触面积大，容易固定，而且使得本发明的测量结果更加准确。

进一步的，本发明中每个压力传感器分别与液压缸或气压缸同轴相连，使得本发明的测量结果更加准确。

本发明提供数控机床切削力模拟加载方法操作简单方便，只需根据机床类型定制相应的刚度测量系统，并根据工件给定的加工工艺，调整液压缸或气压缸的压力，在机床工作状态下测量测点的位移量和变形量，通过测点的变形量和位移量即可得到机床的整机刚度以及零部件的刚度，以达到对数控机床进行切削力模拟加载的目的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的局部剖面图；

其中：101为刀柄、102为刀柄螺帽、103为轴承、104为轴套、105为固定装置、201为动力装置、301为检测装置、401为支撑架、501为工作台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1和图2，本发明的数控机床切削力模拟加载装置包括能够同时承受径向力和轴向力的模拟刀装置，模拟刀装置上设有检测其位移的位移传感器，模拟刀装置包括刀柄101，刀柄的一端安装有刀柄螺帽102，刀柄螺帽102上套装有能够同时承受径向力和轴向力的轴承103（即圆锥滚子轴承或角接触球轴承），轴承103的外侧安装有与轴承103尺寸配套的轴套104，轴套104内设有与轴承103的外圈尺寸相配合的阶梯孔，阶梯孔的台阶面作用在轴承103的外圈上，轴套104外侧套装有固定装置105。固定装置105上安装有用于检测模拟刀装置三个方向上的作用力大小的检测装置301，且固定装置105与检测装置301的接触面为平面。检测装置301与用于显示检测数据的计算机相连；检测装置301包括三个安装在固定装置105上的压力传感器，其中一个压力传感器位于刀柄101的轴向方向并与刀柄101同轴，另两个压力传感器位于刀柄101的径向方向并相互垂直，且三个压力传感器分别与为模拟刀装置提供三个方向上的模拟切削力的动力装置201固定连接。动力装置201固定在支撑架401上，支撑架401固定在工作台501上。动力装置201包括三个液压缸或气压缸，且每个液压缸或气压缸分别与一个压力传感器同轴相连。采用三个液压缸作为动力装置201时，三个液压缸分别连接在液压泵站上，且每个液压缸与液压泵站连接的管路上均设有用于显示液压缸压力的压力表。

本发明中，刀柄101安装在机床主轴上，刀柄101一端安装有刀柄螺帽102，在刀柄螺帽102上安装一个同时可以承受轴向力和径向力的轴承103，这样动力装置201不会因直接作用在刀柄101上而影响机床的正常运行。为了能够模拟施加主轴径向力的施加，在轴承103上安装一个轴套104，轴套104内的台阶面作用在轴承103的外圈上，这样施加进给力时就不会影响机床主轴的转动。固定装置105安装在轴套104上，三个压力传感器分别固定在固定装置105的凸台上，形成面接触。三个液压缸或气压缸分别固定在三个支撑架401上并且分别作用在三个压力传感器上。液压缸不直接作用在刀柄101上，液压缸推杆直接作用在压力传感器上，产生的推力依次传递到固定装置104，轴套104，轴承103的外圈进而传递到刀柄101上。因此实现了在机床高速工作状态下施加模拟切削力的目的。

当使用液压缸作为动力装置时，液压缸通过液压泵站提供压力，通过压力表得到一定的压力值，由于液压缸存在漏油等现象，因此实际施加到机床主轴上的力可能达不到需求值。压力传感器测得压力值通过通用放大器的放大转换功能直接在计算机显示屏上显示所施加在机床主轴上的实际作用力（切削力）的值。

本发明的数控机床切削力模拟加载方法，包括以下步骤：

（1）将刀柄101安装到机床主轴上，然后将刀柄螺帽102安装在刀柄101上，将轴承103安装到刀柄螺帽102上，轴承103的内圈利用刀柄螺帽102上的法兰盘进行定位从而限定轴承103的移动，再将轴套104安装到轴承103的外圈上，轴套104内的台阶面作用在轴承外圈上来承受主轴径向力。

(2)将固定装置105安装到轴套104上，三个压力传感器分别固定在固定装置105的上并与固定装置105形成面接触，其中一个压力传感器位于刀柄101的轴向方向并与刀柄101同轴，另两个压力传感器位于刀柄101的径向方向并相互垂直。

(3)将三个液压缸或气压缸分别固定到支撑架401上，然后将支撑架401放置到机床的工作台501上，调整支撑架401的位置使得液压缸或气压缸的推杆轴线和压力传感器的轴线在同一条直线上。

(4)当使用液压缸时，连接好液压缸和液压泵站等相关零部件；当使用气压缸时，连接好气压缸和气压泵站等相关零部件。

(5)根据不同的机床类型定制相应的刚度测量系统，在刀柄101处放置位移传感器，在机床各零部件处布置位移传感器，以测量所选测点处的变形量。

(6)启动液压泵站或气压泵站，根据工件给定的加工工艺，调整三个不同方向的液压缸或气压泵的压力，在机床工作状态下测量测点的位移量。

（7）通过测点的变形量和位移量即可得到机床的整机刚度以及零部件的刚度，从而找出刚度薄弱环节进行优化设计以提高机床刚度，以达到对数控机床进行切削力模拟加载的目的。

本发明能够在数控机床高速工作状态下模拟施加三向切削力载荷，在机床主轴工作的状态下，通过同时施加三个方向的作用力模拟实际的切削工艺来测试机床的整机刚度以及零部件的刚度，同时找出刚度薄弱环节进行优化设计来提高机床刚度。利用本发明的加载装置和方法，根据不同的机床类型制定相应的测试方案对机床各零部件的刚度进行测试，找出机床刚度链中的薄弱环节对其节进行优化设计，以此来提高机床的整机刚度，这对于提高机床加工精度有着很大的作用。

Claims (10)

1.一种数控机床切削力模拟加载装置，其特征在于：包括能够同时承受径向力和轴向力的模拟刀装置，模拟刀装置的一端安装有固定装置（105），固定装置（105）上安装有用于检测模拟刀装置三个方向上的作用力大小的检测装置（301），检测装置（301）还与为模拟刀装置提供三个方向上的模拟切削力的动力装置（201）固定连接。

2.根据权利要求1所述的数控机床切削力模拟加载装置，其特征在于：所述的模拟刀装置包括安装在机床主轴上的刀柄（101），刀柄的一端安装有刀柄螺帽（102），刀柄螺帽（102）上套装有能够同时承受径向力和轴向力的轴承（103），轴承（103）的内圈利用刀柄螺帽（102）上的法兰盘进行定位从而限定轴承（103）的移动，轴承（103）的外侧安装有固定装置（105）。

3.根据权利要求2所述的数控机床切削力模拟加载装置，其特征在于：所述的轴承（103）为圆锥滚子轴承或角接触球轴承。

4.根据权利要求2或3所述的数控机床切削力模拟加载装置，其特征在于：所述的轴承（103）与固定装置（105）之间设有轴套（104），轴套（104）内设有与轴承（103）的外圈尺寸相配合的阶梯孔，阶梯孔的台阶面作用在轴承（103）的外圈上。

5.根据权利要求1-3中任意一项所述的数控机床切削力模拟加载装置，其特征在于：所述的模拟刀装置上设有检测其位移的位移传感器。

6.根据权利要求1-3中任意一项所述的数控机床切削力模拟加载装置，其特征在于：所述的动力装置（201）固定在支撑架（401）上，支撑架（401）固定在工作台（501）上。

7.根据权利要求1-3中任意一项所述的数控机床切削力模拟加载装置，其特征在于：所述的检测装置（301）与用于显示检测数据的计算机相连；检测装置（301）包括三个安装在固定装置（105）上的压力传感器，且压力传感器与固定装置（105）的接触面为平面，其中一个压力传感器位于模拟刀装置的轴向方向并与模拟刀装置同轴，另两个压力传感器位于模拟刀装置的径向方向并相互垂直，且三个压力传感器分别与动力装置（201）固定连接。

8.根据权利要求7所述的数控机床切削力模拟加载装置，其特征在于：所述的动力装置（201）包括三个液压缸或气压缸，且每个液压缸或气压缸分别与一个压力传感器同轴相连。

9.根据权利要求8所述的数控机床切削力模拟加载装置，其特征在于：采用三个液压缸作为动力装置（201）时，三个液压缸分别连接在液压泵站上，且每个液压缸与液压泵站连接的管路上均设有用于显示液压缸压力的压力表。

10.一种数控机床切削力模拟加载方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将刀柄（101）安装到机床主轴上，然后将刀柄螺帽（102）安装在刀柄（101）上，将轴承（103）安装到刀柄螺帽（102）上，再将轴套（104）安装到轴承（103）的外圈上，使轴套（104）内的台阶面作用在轴承外圈上；

2)将固定装置（105）安装到轴套（104）上，三个压力传感器分别固定在固定装置（105）的上并与固定装置（105）形成面接触，其中一个压力传感器位于刀柄（101）的轴向方向并与刀柄（101）同轴，另两个压力传感器位于刀柄（101）的径向方向并相互垂直；

3)将三个液压缸或气压缸分别固定到支撑架（401）上，然后将支撑架（401）放置到机床的工作台（501）上，调整支撑架（401）的位置使得液压缸或气压缸的推杆轴线和压力传感器的轴线在同一条直线上；

4)根据不同的机床类型定制相应的刚度测量系统，在刀柄（101）处放置位移传感器，在机床各零部件处布置位移传感器，以测量所选测点处的变形量；

5)启动液压缸或气压缸，根据工件给定的加工工艺，调整三个不同方向的液压缸或气压缸的压力，在机床工作状态下测量测点的位移量；

6）通过测点的变形量和位移量即可得到机床的整机刚度以及零部件的刚度。

Images