机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统的制作方法
【专利摘要】机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统，施力部件伺服电机（701）上设置有工业控制计算机内装8轴PMAC卡，控制系统用于完成加工轨迹的输入、刀具参数、切削用量的设定，总切削力的计算和时间曲线绘制、总扭矩的计算和时间曲线绘制；X、Y、Z三向切削分力的计算和时间曲线绘制，将X、Y、Z三向切削分力和总扭矩合成后分解到各个伺服轴，计算各伺服轴的分力时间曲线，然后将时间曲线除以施力机构上的弹簧系数K后得到各伺服轴的时间位移曲线；在运行控制程序时，通过时钟控件，向控制PMAC轴控卡输出各伺服轴的位移数值，PMAC卡调用相应的运动控制程序，控制伺服电机走到相应的位移点，完成所需力的施加。
【专利说明】机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及的结构设计和应用【技术领域】，特别提供了一种机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统。
【背景技术】
[0002]现有技术中，机床丝杠和导轨精度保持性测量通常是在实际机床上在加工实践中进行测量的，这存在很多亟待解决的技术问题。比较突出的简介如下:1)机床的实际加工过程必然要求有物料、刀具、切削液以及大量电能的损失；2)机床实际加工过程中必然会有噪声、废水等污染；3)机床实际加工过程中的丝杠和导轨受力通常都是有干扰和变化的，不易形成较为恒定干扰很少甚至无干扰的理想实验环境；4)测量效率和实际效果比较有限。
[0003]因此，人们期望获得一种技术效果优良的机床丝杠、导轨精度保持性测量装置及其专用的控制系统。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种技术效果优良的机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统。
[0005]采用的技术方案:
机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统，其特征在于:其基于机床滚动功能部件精度保持性测量装置进行机床滚动功能部件精度保持性测量；
(一)机床滚动功能部件精度保持性测量装置构成如下:床身1、被测导轨2、被测丝杠3、工作台4、丝杠用伺服电机5、丝杠用联轴器6、施力部件7 ;其中:床身I为卧式结构；被测导轨2为在水平方向相互平行布置的两条，固定布置在床身I上部；被测丝杠3由其专用的驱动部件驱动；工作台4布置在被测导轨2上且工作台4通过被测丝杠3驱动并能在被测导轨2上动作；丝杠用伺服电机5通过丝杠用联轴器6连接被测丝杠3，被测丝杠3上的螺母固定布置在工作台4下部；施力部件7用于在沿其主要结构伸展方向的轴向即单轴方向上对外施加作用力；其施力部件沿丝杠轴向运动和对外施力，其使用施力部件伺服电机701作为驱动部件通过控制施力部件伺服电机701的转角对应换算得到精确的对外施力大小以便精确控制施力大小；
施力部件7的具体结构是:施力部件电机701、施力部件用联轴器702、施力用丝杠703、单轴滑台704、施力弹性组件705、施力部件支架707、施力部件用螺母708、施力杆709、施力头710 ;其中:施力部件电机701、施力用丝杠703都固定布置在施力部件支架707上，单轴滑台704与施力部件支架707上相互接触且能相对滑动；施力部件电机701通过施力部件用联轴器702连接着施力用丝杠703，固定在单轴滑台704下部的施力部件用螺母708与施力用丝杠703配对且能够带动单轴滑台704和施力用丝杠703沿与施力用丝杠703平行的方向运动；施力杆709的后半部分固定在单轴滑台704上且其轴线方向与施力用丝杠703平行，施力杆709伸出到单轴滑台704外部的那一端的端部为施力头710 ;在伸出到单轴滑台704外部的施力杆709处套装有施力弹性组件705 ;在所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置中，施力部件7具体的施力方式是:使用施力部件电机701通过施力部件用联轴器702连接施力用丝杠703，并进而带动由施力用丝杠703驱动的施力部件用螺母708 ;施力部件用螺母708进而带动与其固定连接的单轴滑台704并使其沿施力用丝杠703的轴向滑动，在运动过程中通过控制施力部件电机701的转角对应精确控制对外施力的大小;
所述施力头710处还固定设置有能绕其自身轴线方向旋转的滚轮，施力头710借助于滚轮与受力构件接触；所述施力弹性组件705具体为压力弹簧，其预压缩变形后为自其自由长度的92% ;所述施力部件7中还设置有防扭结构706，其具体是固定在施力杆709上使其不能实现周向旋转的限位结构即限制施力杆709 ;所述施力头710处还固定设置有能绕其自身轴线方向旋转的滚轮711，施力头710借助于滚轮711与模拟受力构件即工作台相接触；
(二)在将被测滚动功能部件安装在机床滚动功能部件精度保持性测量装置中后，通过模拟装置模拟机床实际工作状态下的受力情况并实现机床按照预设要求恒定受力或者按照程序要求受力；并测试在此受力情况下机床滚动功能部件的精度保持性指标；所述机床实际工作状态下的受力情况具体为下述几种之一或其组合:沿某一坐标轴方向的受力、绕某一坐标轴方向的扭矩、某一载荷作用下的工作台的倾覆力矩；所述模拟装置通过单一施力机构或者一个以上的施力机构的组合模拟机床的实际受力状况并保证机床受力的综合效果；
所述被测滚动功能部件均为水平或者竖直或者倾斜(符合一般机床的常见布局要求)布置，通过施加力模拟机床受力的控制单元施力方案是下述几种方案之一或其组合:方案一:第一坐标轴方向即垂直于被测丝杠所驱动的工作台所在平面方向受力:使用2-4个施力部件联合作用模拟机床的第一坐标轴方向(即Z向)受力或/和沿第一坐标轴方向(即Z向)施加绕与该方向两两垂直的另两个坐标方向(X轴或者Y轴方向)作用的倾覆力矩；方案二:第二坐标轴方向受力:在安装有被测的滚动功能部件(丝杠、导轨)的工作台上的第二坐标轴方向施加成组的2组作用力以共同模拟机床工作台的第二坐标轴方向受力或者绕第一坐标轴作用的扭矩；其中每一组作用力由两组施力部件构成且二者的施力方向为相对方向；方案三:第三坐标轴方向即被测丝杠轴线方向受力:使用伺服电机恒扭矩驱动或者变扭矩驱动模拟丝杠受力；
(三)所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统中，施力部件7中的施力部件伺服电机701上设置有工业控制计算机内装多轴PMAC卡，PMAC卡安装在工业控制计算机内，外部与接口板相连，接口板通过伺服驱动器和丝杠用伺服电机5相连；对应地控制系统用于完成加工轨迹的输入、刀具参数、切削用量的设定，总切削力的计算和时间曲线绘制、总扭矩的计算和时间曲线绘制；X、Y、Z三向切削分力的计算和时间曲线绘制，将X、Y、Z三向切削分力和总扭矩合成后分解到各个伺服轴，计算各伺服轴的分力时间曲线，然后将时间曲线除以施力机构上的弹簧系数K后得到各伺服轴的时间位移曲线；在运行控制程序时，通过时钟控件向控制PMAC轴控卡输出各伺服轴的位移数值，PMAC卡调用相应的运动控制程序，控制伺服电机走到相应的位移点，完成所需力的施加；
其中:铣削力的计算与加工轨迹、刀具参数、切削用量密切相关；具体内容说明如下:在控制软件中，先输入加工轨迹；即输入起点坐标和终点坐标，设置曲线半径；对于圆、圆
弧曲线半径即为半径，对于直线来说对应的曲线半径为O ;设定加工方向；设定刀具参数:
刀具半径、刀具齿数、刀具角度；选择切削用量数值:转速、进给、切削深度、切削宽度；选择
切削材料；并按照以下公式进行切削力、扭矩的计算:
【权利要求】
1.机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统，其特征在于:其基于机床滚动功能部件精度保持性测量装置进行机床滚动功能部件精度保持性测量； (一)机床滚动功能部件精度保持性测量装置构成如下:床身(I)、被测导轨(2)、被测丝杠(3)、工作台(4)、丝杠用伺服电机(5)、丝杠用联轴器(6)、施力部件(7);其中:床身(I)为卧式结构；被测导轨(2)为在水平方向相互平行布置的两条，固定布置在床身(I)上部；被测丝杠(3)由其专用的驱动部件驱动；工作台(4)布置在被测导轨(2)上，且工作台(4)通过被测丝杠(3)驱动并能在被测导轨(2)上动作；丝杠用伺服电机(5)通过丝杠用联轴器(6)连接被测丝杠(3)，被测丝杠(3)上的螺母固定布置在工作台(4)下部；施力部件(7)用于在沿其主要结构伸展方向的轴向即单轴方向上对外施加作用力；其施力部件沿丝杠轴向运动和对外施力，其使用施力部件伺服电机(701)作为驱动部件通过控制施力部件伺服电机(701)的转角对应换算得到精确的对外施力大小以便精确控制施力大小； 施力部件(7)的具体结构是:施力部件电机(701)、施力部件用联轴器(702)、施力用丝杠(703)、单轴滑台(704)、施力弹性组件(705)、施力部件支架(707)、施力部件用螺母(708)、施力杆(709)、施力头(710);其中:施力部件电机(701)、施力用丝杠(703)都固定布置在施力部件支架(707)上，单轴滑台(704)与施力部件支架(707)上相互接触且能相对滑动；施力部件电机(701)通过施力部件用联轴器(702)连接着施力用丝杠(703)，固定在单轴滑台(704)下部的施力部件用螺母(708)与施力用丝杠(703)配对且能够带动单轴滑台(704)和施力用丝杠(703)沿与施力用丝杠(703)平行的方向运动；施力杆(709)的后半部分固定在单轴滑台(704)上且其轴线方向与施力用丝杠(703 )平行，施力杆(709 )伸出到单轴滑台(704)外部的那一端的端部为施力头(710);在伸出到单轴滑台(704)外部的施力杆(709)处套装有施力弹性组件(705);在所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置中，施力部件(7)具体的施力方式是:使用施力部件电机(701)通过施力部件用联轴器(702)连接施力用丝杠(703)，并进而带动由施力用丝杠(703)驱动的施力部件用螺母(708);施力部件用螺母(708)进而带动与其固定连接的单轴滑台(704)并使其沿施力用丝杠(703)的轴向滑动，在运动过程中通过控制施力部件电机(701)的转角对应精确控制对外施力的大小; 所述施力头(710)处还固定设置有能绕其自身轴线方向旋转的滚轮，施力头(710)借助于滚轮与受力构件接触；所述施力弹性组件(705)具体为压力弹簧，其预压缩变形后为自其自由长度的92%;所述施力部件(7)中还设置有防扭结构(706)，其具体是固定在施力杆(709)上使其不能实现周向旋转的限位结构即限制施力杆(709);所述施力头(710)处还固定设置有能绕其自身轴线方向旋转的滚轮(711)，施力头(710)借助于滚轮(711)与模拟受力构件即工作台相接触； (二)在将被测滚动功能部件安装在机床滚动功能部件精度保持性测量装置中后，通过模拟装置模拟机床实际工作状态下的受力情况并实现机床按照预设要求恒定受力或者按照程序要求受力；并测试在此受力情况下机床滚动功能部件的精度保持性指标；所述机床实际工作状态下的受力情况具体为下述几种之一或其组合:沿某一坐标轴方向的受力、绕某一坐标轴方向的扭矩、某一载荷作用下的工作台的倾覆力矩；所述模拟装置通过单一施力机构或者一个以上的施力机构的组合模拟机床的实际受力状况并保证机床受力的综合效果；所述被测滚动功能部件均为水平或者竖直或者倾斜布置，通过施加力模拟机床受力的控制单兀施力方案是下述几种方案之一或其组合:方案一:第一坐标轴方向即垂直于被测丝杠所驱动的工作台所在平面方向受力:使用2-4个施力部件联合作用模拟机床的第一坐标轴方向受力或/和沿第一坐标轴方向施加绕与该方向两两垂直的另两个坐标方向作用的倾覆力矩；方案二:第二坐标轴方向受力:在安装有被测的滚动功能部件的工作台上的第二坐标轴方向施加成组的2组作用力以共同模拟机床工作台的第二坐标轴方向受力或者绕第一坐标轴作用的扭矩；其中每一组作用力由两组施力部件构成且二者的施力方向为相对方向；方案三:第三坐标轴方向即被测丝杠轴线方向受力:使用伺服电机恒扭矩驱动或者变扭矩驱动模拟丝杠受力； (三)所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统中，施力部件(7)中的施力部件伺服电机(701)上设置有工业控制计算机内装多轴PMAC卡，PMAC卡安装在工业控制计算机内，外部与接口板相连，接口板通过伺服驱动器和丝杠用伺服电机(5)相连；对应地控制系统用于完成加工轨迹的输入、刀具参数、切削用量的设定，总切削力的计算和时间曲线绘制、总扭矩的计算和时间曲线绘制；X、Y、Z三向切削分力的计算和时间曲线绘制，将X、Υ、Ζ三向切削分力和总扭矩合成后分解到各个伺服轴，计算各伺服轴的分力时间曲线，然后将时间曲线除以施力机构上的弹簧系数K后得到各伺服轴的时间位移曲线；在运行控制程序时，通过时钟控件向控制PMAC轴控卡输出各伺服轴的位移数值，PMAC卡调用相应的运动控制程序，控制伺服电机走到相应的位移点，完成所需力的施加； 其中:铣削力的计算与加工轨迹、刀具参数、切削用量密切相关；具体内容说明如下:在控制软件中，先输入加工轨迹；即输入起点坐标和终点坐标，设置曲线半径；对于圆、圆弧曲线半径即为半径，对于直线来说对应的曲线半径为O ;设定加工方向；设定刀具参数:刀具半径、刀具齿数、刀具角度；选择切削用量数值:转速、进给、切削深度、切削宽度；选择切削材料；并按照以下公式进行切削力、扭矩的计算:
2.按照权利要求1所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统，其特征在于:其满足下述要求:1)所述总扭矩时间曲线按照下述公式计算得到:
3.按照权利要求1所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统，其特征在于:其所使用的机床滚动功能部件精度保持性测量装置中还设置有下述结构:被测丝杠用螺母(8)、螺母安装座(9)、施力部件安装座(10)、外部框架(11)、滑鞍(12)、滑块(13);其中:被测丝杠用螺母(8)通过螺母安装座(9)固定布置在工作台(4)下部用于驱动工作台(4)在被测导轨(2)上运动；施力部件安装座(10)用于将至少一个施力部件(7)安装布置在工作台(4)周边以便于对工作台(4)施加用于模拟工作台实际受力情况的作用力；滑鞍(12)固定布置在用于支持工作台(4)的支撑导轨下方，包括滑鞍(12)及其所支撑的工作台(4)在内的所有组件都作为一个整体由被测导轨(2)支撑；每根被测导轨(2)上至少设置有2个滑块(13)，滑块(13)固定布置在被测导轨(2)所支撑的部件上；外部框架(11)是整个设备的外框支架； 所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统基于上述的结构设计作为技术应用基础；并用于完成某型立式加工中心下层工作台所安装的导轨、丝杠的精度保持性研究；控制系统应用时的具体要求如下: 首先对刀具加工时下层工作台受力进行分析，在切削加工时，上层工作台所授的切削力和进给力通过四个滑块(13)和被侧丝杠用螺母(8)传递给下层的滑鞍(12);其中四个滑块(13)只承受Y向和Z向力，被侧丝杠用螺母(8)只承受X向力； 要求在滑鞍上四个滑块(13)位置和被侧丝杠用螺母(8)作用线上位置施加相应的作用力，就能够将上层工作台所受的力作用到滑鞍(12)上，通过滑鞍(12)传递给下层的被侧导轨(2)和被测丝杠(3)，从而将切削力施加到需要测试的滚动功能部件上。
4.按照权利要求1所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统，其特征在于:其满足下述要求:所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置中包含有下述组成部分:床身(1)，滑 鞍(12)、外部框架(11)和用于在某个方向对外施加作用力的施力部件(7);其中:施力部件(7)具体在水平或者垂直方向用作对外施加作用力的部件即X、Y、Z向施力机构；施力部件(7)具体通过安装座固定布置在整个机床丝杠、导轨精度保持性测量装置上； 在X、Z方向上对外施加作用力的施力部件(7)共同构成X、Z向组合施力机构，并对滑鞍(12)完成Χ、Ζ方向力的施加；四组Χ、Ζ向组合施力机构在水平面上有四个施力点，四个点互相配合完成X方向力的施加和Z轴方向扭矩的合成；垂直面上有四个施力点，四个点互相配合完成X方向力的施加和Y轴方向和X轴方向扭矩的合成； 在Y方向上对外施加作用力的施力部件(7)，施力部件(7)的具体结构是:施力部件电机(701)、施力部件用联轴器(702)、施力用丝杠(703)、单轴滑台(704)、施力弹性组件(705)、施力部件支架(707)、施力部件用螺母(708)、施力杆(709)、施力头(710);其中:施力部件电机(701 )、施力用丝杠(703 )都固定布置在施力部件支架(707 )上，单轴滑台(704 )与施力部件支架(707)上相互接触且能相对滑动；施力部件电机(701)通过施力部件用联轴器(702 )连接着施力用丝杠(703 )，固定在单轴滑台(704)下部的施力部件用螺母(708 )与施力用丝杠(703)配对且能够带动单轴滑台(704)和施力用丝杠(703)沿与施力用丝杠(703)平行的方向运动；施力杆(709)的后半部分固定在单轴滑台(704)上且其轴线方向与施力用丝杠(703)平行，施力杆(709)伸出到单轴滑台(704)外部的那一端的端部为施力头(710);在伸出到单轴滑台(704)外部的施力杆(709)处套装有施力弹性组件(705);在所述机床丝杠、导轨精度保持性测量装置中，施力部件(7)具体的施力方式是:使用施力部件电机(701)通过施力部件用联轴器(702)连接施力用丝杠(703)，并进而带动由施力用丝杠(703)驱动的施力部件用螺母(708);施力部件用螺母(708)进而带动与其固定连接的单轴滑台(704)并使其沿施力用丝杠(703)的轴向滑动，在运动过程中通过控制施力部件电机(701)的转角对应精确控制对外施力的大小； 施力部件(7)采用伺服电机横扭矩驱动原理，通过施力用丝杠(703)、施力部件用螺母(708)将力施加到工作台(4)上；施力部件电机(701)通过施力部件用联轴器(702)驱动施力用丝杠(703)推动施力部件用螺母(708)将力传递到推动施力部件用螺母(708)的安装座，并进一步将力传递到工作台(4)上，产生一个Y方向的力，通过调整施力部件电机(701)的扭矩大小来控制力的大小； 综上所述，X、Z方向组合施力机构，用于对工作台(4)施加X轴、Z轴方向受力和所需的扭矩M ；Y向施力机构用于对工作台施加Y轴方向受力；通过控制系统驱动施力部件电机(701)，调整各个力的大小，能够实时模拟机床各种不同的加工状态的受力情况，使测试的导轨、丝杠的受力与真实加工时不同状态的受力一致，达到测试目的； 所述机床滚动功能部件精度保持性测量装置用控制系统中，施力部件(7)中的施力部件伺服电机(701)上设置有工业控制计算机内装12轴PMAC卡，PMAC卡安装在工业控制计算机内，外部与接口板相连，接口板通过伺服驱动器和丝杠用伺服电机(5)相连；对应地控制系统用于完成加工轨迹的输入、刀具参数、切削用量的设定，总切削力的计算和时间曲线绘制、总扭矩的计算和时间曲线绘制；Χ、y、Ζ三向切削分力的计算和时间曲线绘制，将Χ、Υ、Z三向切削分力和总扭矩合成后分解到各个伺服轴，计算各伺服轴的分力时间曲线，然后将时间曲线除以施力机构上的弹簧系数K后得到各伺服轴的时间位移曲线；在运行控制程序时，通过时钟控件向控制PMAC轴控卡输出各伺服轴的位移数值，PMAC卡调用相应的运动控制程序，控制伺服电机走到相应的位移点，完成所需力的施加； 控制系统要求完成下述工作:加工轨迹的输入、刀具参数、切削用量的设定，总切削力的计算和时间曲线绘制、总扭矩的计算和时间曲线绘制；Χ、Y、Z三向切削分力的计算和时间曲线绘制；将乂、Y、Z三向切削分力和总扭矩合成后分解到各个伺服轴，计算各伺服轴的分力时间曲线，时间曲线除以施力机构上的弹簧系数K后得到各伺服轴的时间位移曲线；具体控制实施过程中，通过时钟控件每0.1秒向控制PMAC轴控卡输出各伺服轴的位移数值，PMAC卡调用相应的运动控制程序，控制伺服电机走到相应的位移点，完成所需力的施加； 铣削力的计算与加工轨迹、刀具参数、切削用量密切相关，在控制软件中，先输入加工轨迹；输入起点坐标和终点坐标，设置曲线半径，对于圆、圆弧曲线半径即为半径，对于直线来说，曲线半径为O ;设定加工方向，以NC代码规则进行设定:G02为顺时针方向走刀，G03为逆时针方向走刀；设定刀具参数:刀具半径、刀具齿数、刀具角度；选择切削用量数值:转速、进给、切削深度、切削宽度；选择切削材料如:结构钢、高温合金、铸铁、可锻铸铁等；按照以下公式进行切削力、扭矩的计算。
【文档编号】G01M13/00GK103900805SQ201410081370
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月7日 优先权日:2014年3月7日
【发明者】王军, 张玉璞, 舒启林, 鑫龙 申请人:沈阳理工大学