一种单自由度数控机床加载装置及加载试验方法

摘要

一种单自由度数控机床加载装置，它是由随动加载机构和控制系统两部分组成；随动加载机构机械部分通过与数控机床主轴的接口给机床主轴施加载荷；随动加载机构包括X/Y轴水平加载模块、Z轴竖直加载模块以及扭矩加载模块，三种加载模块可独立使用；控制系统用于实现随动加载机构机械部分的伺服电机控制、载荷计算以及信号处理等功能；一种单自由度数控机床加载试验方法，它有五大步骤：一：确定具体的测试要求及测试方案；二：完成机床主轴的连接工作；三：完成加载模块与机床工作台的安装工作；四：向机床主轴施加载荷并测量载荷大小；五：计算并输出结果。本发明可实现对机床主轴共线的双方向进行加载，有效拓展了数控机床单自由度的加载形式。

主权项

一种单自由度数控机床加载装置，其特征在于：该装置由随动加载机构和控制系统两大部分组成，随动加载机构的机械部分通过与数控机床主轴的机械接口给机床主轴施加载荷，控制系统用于实现对随动加载机构机械部分的运动控制和力伺服控制；所述随动加载机构包括X/Y轴水平加载模块、Z轴竖直加载模块以及扭矩加载模块三部分，三种加载模块分别独立使用，根据加载试验的种类，选用相应的加载模块进行试验；所述X/Y轴水平加载模块包括：主轴加载芯轴、主轴装卡组件、安装支架、直线电机组件和拉压力传感器，直线电机组件中的永磁同步直线电机固定在机床工作台上，直线电机运动平台上连接安装支架；主轴装卡组件通过直线电机组件中的直线导轨与安装支架连接，沿导轨方向相对运动；同时，主轴装卡组件与安装支架之间通过拉压力传感器进行连接；数控机床主轴通过主轴加载芯轴与主轴装卡组件进行刚性连接；该主轴加载芯轴，是回转体多台阶轴结构，数量为1件，用于实现机床主轴和X/Y轴水平加载模块的刚性连接；主轴加载芯轴一端为圆柱面用于同X/Y轴水平加载模块中主轴装卡组件的连接，使其固定于该加载模块中；另一端为莫氏锥度的锥面，与机床主轴中刀柄装卡装置配合连接，实现主轴加载芯轴和机床主轴的有效连接；该加载模块配有不同锥度、不同连接方式的主轴加载芯轴，以用于不同机床的加载实验；该主轴装卡组件，是由装卡机构主体、主轴加载芯轴锁紧机构、滚动轴承、拉压力传感器安装接口和滑块组成；装卡机构主体通过滚动轴承与主轴加载芯轴锁紧机构配合连接，使该锁紧机构实现回转运动，用于实现与主轴加载芯轴的刚性连接；装卡机构主体侧面设计了拉压力传感器安装接口，用于安装拉压力传感器；装卡机构主体底部设计安装了两组平行滑块，用于与安装支架上的直线滑轨进行配合；该装卡机构主体为立方体结构，数量为1件，用于安装主轴加载芯轴锁紧机构、拉压力传感器安装接口和滑块；该主轴加载芯轴锁紧机构为圆盘法兰结构，数量为1件，实现对主轴加载芯轴的锁紧；该拉压力传感器安装接口为圆盘法兰结构，数量为1件，用于安装拉压力传感器；该滑块为精密直线导轨滑块，数量为4件，用于与安装支架上的直线滑轨进行配合，使组件实现直线往复运动；该滚动轴承为圆锥滚子轴承，数量为2件；该安装支架，是由安装基座、拉压力传感器安装接口和直线导轨组成，安装基座固定于直线电机运动平台上，在安装基座的竖直平面上设计安装了拉压力传感器安装接口，在安装基座水平平面上对称安装了直线导轨；安装基座为直角结构，用于安装拉压力传感器和主轴装卡组件，并于与直线电机运动平面实现刚性连接；该拉压力传感器安装接口为圆盘法兰结构，数量为1件，用于安装拉压力传感器；该直线导轨为精密滚珠直线滑轨，数量为2件，用于与主轴装卡组件上的滑块进行配合，使主轴装卡组件实现相对于安装支架的直线往复运动；该直线电机组件，包括永磁同步直线电机、位移传感器和直线导轨，直线导轨安装于永磁同步直线电机静子两侧，且两者方向平行，永磁同步直线电机动子实现往复直线滑移；位移传感器安装在直线电机动子上，实现对直线电机运动平台位置的实时反馈，直线电机组件为X/Y轴水平加载模块提供动力；该拉压力传感器，是高精度的拉压力传感器，数量为1件，实时反馈X/Y轴水平加载模块对机床主轴所施加的载荷情况，实时观测加载试验的进程，为机床可靠性的测量提供重要的主轴所受载荷数据；所述Z轴竖直加载模块包括：主轴加载芯轴、主轴装卡组件、直线电机组件、导轨支架、 拉压力传感器、传感器安装支架和模块安装基座；模块安装基座固定在机床工作台上，直线电机组件竖直安装于模块安装基座上，与之对称位置安装了导轨支架；传感器安装支架两侧分别与直线电机组件和导轨支架连接；主轴装卡组件通过直线导轨与传感器安装支架进行连接，实现竖直滑动，同时，拉压力传感器安装于传感器安装支架底部中心，两端分别连接了主轴装卡组件和传感器安装支架；主轴装卡组件通过主轴加载芯轴与数控机床主轴进行连接；该主轴加载芯轴，是回转体多台阶轴结构，数量为1件，用于实现机床主轴和Z轴竖直加载模块的刚性连接；主轴加载芯轴一端为圆柱面用于同Z轴竖直加载模块中主轴装卡组件的连接，使其固定于该加载模块中；另一端为莫氏锥度的锥面，与机床主轴中刀柄装卡装置配合连接，实现主轴加载芯轴和机床主轴的有效连接；该加载模块配有不同锥度、不同连接方式的主轴加载芯轴，以用于不同机床的加载实验；该主轴装卡组件，是由装卡机构主体、主轴加载芯轴锁紧机构、滚动轴承、拉压力传感器安装接口和滑块组成；装卡机构主体通过滚动轴承与主轴加载芯轴锁紧机构配合连接，使锁紧机构实现回转运动，用于实现与主轴加载芯轴的刚性连接；装卡机构主体底部设计了拉压力传感器安装接口，用于安装拉压力传感器；装卡机构主体两侧各对称安装了两组平行滑块，用于与传感器安装支架上的直线滑轨进行配合；该装卡机构主体为立方体结构，数量为1件，用于安装主轴加载芯轴锁紧机构、拉压力传感器安装接口和滑块；该主轴加载芯轴锁紧机构为圆盘法兰结构，数量为1件，实现对主轴加载芯轴的锁紧；该传感器安装接口为圆盘法兰结构，数量为1件，用于安装拉压力传感器；该滑块为精密直线导轨滑块，数量为8件，用于与传感器安装支架上的直线滑轨进行配合，使组件实现直线往复运动；该滚动轴承为圆锥滚子轴承，数量为2件；该直线电机组件，包括永磁同步直线电机、位移传感器、直线导轨和竖直支架，永磁同步直线电机安装在竖直支架上，直线导轨安装于永磁同步直线电机静子两侧，且两者方向平行，永磁同步直线电机动子实现往复直线滑移；位移传感器安装在直线电机动子上，实现对直线电机运动平台位置的实时反馈，直线电机组件为Z轴竖直加载模块提供动力；该竖直支架为矩形钢板制作，底部对称布置了三角加强筋结构；该导轨支架，由导轨安装基座和直线导轨组成，直线导轨对称安装于导轨安装基座两侧；该导轨安装基座为矩形钢板制作，底部对称布置了三角加强筋结构；该拉压力传感器，是高精度的拉压力传感器，数量为1件，实时反馈Z轴竖直加载模块对机床主轴所施加的载荷情况，实时观测加载试验的进程，为机床可靠性的测量提供重要的主轴所受载荷数据；该传感器安装支架，是由安装基座、拉压力传感器安装接口、直线导轨和滑块组成，安装基座一侧固定于直线电机运动平台上，另一侧通过滑块与导轨支架上的直线导轨进行连接；在安装基座的底面上安装了拉压力传感器安装接口，在安装基座内部平面两侧对称安装了直线导轨；安装基座为立方体框架结构，用于安装拉压力传感器和主轴装卡组件，并于直线电机运动平台实现刚性连接；该传感器安装接口为圆盘法兰结构，数量为1件，用于安装拉压力传感器；该直线导轨为精密滚珠直线滑轨，数量为4件，用于与主轴装卡组件上的滑块进行配合，使主轴装卡组件实现相对于传感器安装支架的直线往复运动；该模块安装基座，为矩形钢板结构，数量为1件，上面留有直线电机组件和导轨支架的安装接口，同时和机床工作台进行刚性连接；所述扭矩加载模块包括：主轴加载芯轴、主轴装卡组件、力矩电机组件和模块安装基座；模块安装基座固定在机床工作台上，力矩电机组件竖直安装于模块安装基座上，主轴装卡组件竖直安装在模块安装基座上，并与力矩电机轴线共线；主轴装卡组件通过主轴加载芯轴与数控机床主轴进行连接；该主轴加载芯轴，是回转体多台阶轴结构，数量为1件，用于实现机床主轴和X/Y轴水 平加载模块的刚性连接；主轴加载芯轴一端为圆柱面用于同X/Y轴水平加载模块中主轴装卡组件的连接，使其固定于该加载模块中；另一端为莫氏锥度的锥面，与机床主轴中刀柄装卡装置配合连接，实现主轴加载芯轴和机床主轴的有效连接；该加载模块配有不同锥度、不同连接方式的主轴加载芯轴，以用于不同机床的加载实验；该主轴装卡组件，是由装卡机构主体、主轴加载芯轴锁紧机构和滚动轴承组成；装卡机构主体通过滚动轴承与主轴加载芯轴锁紧机构配合连接，使锁紧机构实现回转运动，装卡机构主体与模块安装基座刚性连接，同时，主轴加载芯轴锁紧机构轴线与力矩电机轴线共线；该装卡机构主体为立方体结构，数量为1件，用于安装主轴加载芯轴锁紧机构；该主轴加载芯轴锁紧机构为圆盘法兰结构，数量为1件，实现对主轴加载芯轴的锁紧，同时相对于装卡机构主体进行回转运动；该滚动轴承为圆锥滚子轴承，数量为2件；该力矩电机组件，由力矩电机、电机安装法兰和联轴器组成，力矩电机通过电机安装法兰与模块安装基座实现刚性连接，在力矩电机输出轴安装联轴器，与主轴加载芯轴锁紧机构进行连接；该力矩电机为交流力矩电机，数量为1件；电机安装法兰为矩形平板结构，数量为1件；联轴器为半柔性联轴器，数量为1件；该模块安装基座，为立方体框架结构，数量为1件，其上留有力矩电机组件和主轴装卡组件接口，用于进行刚性连接，模块安装基座底部与机床工作台刚性连接；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、拉压力传感器放大器、控制系统软件、微计算机、液晶显示器和监控摄像头组成；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1件，实现对直线电机和力矩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，同时对直线电机和力矩电机进行协调控制，从而实现控制直线电机运动平台位姿、移动速度和加载载荷，以及力矩电机的输出载荷；通过控制卡的信号采集接口，实现对拉压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1件；该拉压力传感器放大器，数量为1件，实现对位移传感器和拉压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；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。