用于研究振动对机床主轴精密测量影响的装置的制作方法

本发明涉及一种机床精密测试装置，主要涉及一种机床主轴振动位移测量的装置，尤其是涉及一种用于分析振动噪声对机床主轴振动位移测量影响的装置。

背景技术：

机床加工机械零件过程中，主轴产生的振动对产品加工精度以及刀具的磨损和寿命都有较大影响。加工高精度的机械零件，对机床主轴的回转精度、圆度精度、圆柱度精度等都有非常高的要求。主轴回转误差、圆度误差、圆柱度误差等是衡量加工中心和机床精度的重要指标，通常可采用双向法、三点法等对其进行测试评估。通过测量，可以了解机床主轴的工作状态，分析误差产生的原因；另一方面，主轴转动时会产生很大的振动，为精确地采集到主轴的振动位移信号，必须采取一定的隔振措施来保证位移传感器采集到真实有效的数据，进而方便处理和分析数据。现有主要测量和隔振方法如下：

两点法：对主轴振动位移的精确测量，需要至少两个传感器在主轴横截面内相互垂直的两个方向同时采集数据，但是简单的垂直两点法无法将传感器安装的误差分离出来，从而影响测量结果的精确性；

三点法：需要三个传感器同时采集数据，三个传感器要位于同一主轴截面内，且相交于主轴的几何中心。三点法要求测试装置需有较高的加工精度，同时对传感器的装夹、调试要求较高。但是三点法会产生严重的谐波抑制，从而影响实验的准确性；

四点法或其他多点法的优点是，采用四个或更多的传感器采集数据进行误差分离，能够减少谐波抑制。但这也使数据处理变的更加复杂，同时多个传感器带来的安装对心、精确的角度布置、传感器性能之间的差异问题同样会降低误差分离结果的精度；

主动隔振技术：对于机器本身是振源的设备，为了减小它们对周围其它设备的影响，将它们与地基（或支承）隔离开来。这种将振源进行隔离，振源的振动经过减振后再传递出去的隔振称为主动隔振；

被动隔振技术：对于需要隔振的设备，为了减小周围振源对它的影响，需要将它与整个地基（或支承）隔离开来。这种将设备进行隔离，在振源与系统之间加入弹性元件、阻尼元件甚至惯性元件等，防止周围振源传给设备的隔振称为被动隔振。

综上，测量主轴振动位移时，传感器安装精度及隔离振源的振动至关重要。

然而，现有的主轴回转精度测量实验装置，如“用于主轴回转精度测量实验的混合多方法测试装置”（CN105033759A），虽然可以用于各种实验目的主轴回转时径向位移的采集实验，且保证了传感器的定位精度，但并未考虑到主轴转动过程中床体因动力源和传动不平稳所造成的振动对主轴回转精度测试的影响，故无法对比振动与否对机床主轴回转精度测试的影响。虽然，现有隔振平台，如“被动隔振平台”（CN204083050U）也能起到隔振的作用，但无法直接用于机床主轴回转精度的测试：一是因为其结构安装、调节不便，无法适应精密测试；二是因为现有隔振平台不能在保证测试传感器位置不变的条件下对振动进行隔离。为精确测量主轴的振动位移，不仅要保证传感器的安装精度，更要隔离振源的振动。

研究表明，在机床加工零件的过程中，主轴工作时所产生的振动位移是影响加工质量和精度的主要扰动源,因此寻找一种可靠且便捷的传感器夹具隔振平台，准确的测量出主轴的实际振动位移具有重要的现实意义。本发明装置的主要作用就是为测量主轴振动位移提供良好的隔振实验环境。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提出一种加工要求相对较低，调整简单方便的用于研究振动对机床主轴精密测量影响的装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于研究振动对机床主轴精密测量影响的装置，包括床座板、隔振层、测试台面、上离合定位机构、下离合定位机构、横向离合定位机构、定位凸台；所述测试台面通过隔振层叠放在床座板上，所述测试台面上表面中央固定连接有定位凸台，定位凸台用于紧贴放置传感器夹具，传感器夹具上固定有若干个传感器；所述床座板上固定连接有有若干上离合定位机构、下离合定位机构及横向离合定位机构，且上离合定位机构、下离合定位机构及横向离合定位机构中游离的离合销分别位于测试台面上平面、下平面和四周侧面，用于与测试台面接触及定位；压下上述三种离合定位机构的定位拉手后，离合销通过弹簧与测试台面虚接触，实现定位，并通过调节三种离合定位机构中的离合旋钮的锁紧程度，来离合床座板与测试台面的振动传递，用于测试了解机床主轴在空间中回转的真实位移情况以及测试了解刀具相对于工件的相对位移。

所述床座板四周设有若干长圆孔，并通过螺栓和T型螺母与机床工作台紧固连接，床座板的四周还设有若干用于安装固定上、下、横向离合定位机构的螺孔。

所述隔振层为隔震气囊气浮或隔震橡胶等被动式隔振层或为主控频率范围可调的主动式隔振层；隔振层尺寸小于测试台面。

所述测试台面中央位置设有高精度的定位凸台，定位凸台与测试台面固定连接，定位凸台上段为圆柱形，下段为多边形结构，测试台面与定位凸台组合成定位元件，并可与多种传感器夹具定位连接，且传感器夹具可方便拆下更换。

所述传感器夹具为角铁型传感器夹具，用于机床主轴采用两点法进行回转精度的精密测量；或为圆筒型传感器夹具，用于机床主轴采用三点法进行回转精度的精密测量；或为方筒型传感器夹具，用于机床主轴采用四点法进行回转精度的精密测量；或为在不同平面所设传感器安装孔的传感器夹具，用于主轴圆柱度误差的测试实验。

所述若干个上、下、横向离合定位机构均通过螺栓固定安装在床座板上，其分布满足六点定位原理的要求，且所述上、下、横向离合定位机构包括定位拉手、离合销、弹簧和离合旋钮；压下定位拉手，则离合销靠弹簧弹出与测试台面虚接触，松开离合旋钮则游离床座板与测试台面的连接，振动传递被隔振层隔断；锁紧离合旋钮则实现床座板与测试台面之间的过定位，用以提高床座板与测试台面之间的振动耦合刚度；所诉弹簧应采用小胡克系数、高灵敏度弹簧，使得压下定位拉手时，既能保证弹出销子头与测试台面虚接触，又能保证当测试台面朝任意方向产生微小的振动移动时，即可以依靠弹簧弹力可以将工作台快速复位。

所述上离合定位机构含有“Z”型基座、圆柱形离合销、定位拉手、离合旋钮及弹簧；所述“Z”型座下端设有圆孔，通过螺栓与床座板的螺孔固定相连；所述“Z”型座下端设有螺孔与床座板固定相连；“Z”型座上端有安装孔和螺孔，安装孔内依次装有圆柱形离合销、弹簧和定位拉手，圆柱型离合销朝下指向测试台面，按下定位拉手，通过小胡克系数弹簧的压力使得圆柱型离合销与测试台面的上表面始终虚接触；螺孔内旋有离合旋钮，离合旋钮指向圆柱离合销，通过松开与压紧离合旋钮，可固定与松开离合销的活动，以离合床座板与测试台面的振动传递。

所述下离合定位机构含有“几”字型基座、“Z”型离合销、定位拉手、离合旋钮及弹簧；所述“几”型基座，下端设有螺孔，通过螺栓与床座板固定相连；“几”型基座上端设有安装孔及螺孔：安装孔内依次装有“Z”型离合销、弹簧与定位拉手，“Z”型离合销朝上指向测试台面，按下定位拉手，通过小胡克系数弹簧的压力使得“Z”型离合销与测试台面的下平面始终虚接触；螺孔内旋有离合旋钮，离合旋钮垂直指向“Z”型离合销，通过松开与压紧离合旋钮，可固定与松开“Z”型离合销的活动，以离合床座板与测试台面的向上的振动传递。

所述横向离合定位机构包含凸座、圆柱型离合销、定位拉手、离合旋钮及弹簧；所述凸座，下端设有圆孔，通过螺栓与床座板固定相连；凸座设有横向安装孔及螺孔：安装孔内依次装有圆柱型离合销、弹簧与定位拉手，圆柱型离合销横向指向测试台面的四周侧面，按下定位拉手，通过小胡克系数弹簧的压力使得圆柱型离合销与测试台面的上平面始终虚接触；螺孔内旋有离合旋钮，离合旋钮垂直指向圆柱离合销，通过松开与压紧离合旋钮，可固定与松开圆柱型离合销的活动，以离合床座板与测试台面的前后向和左右向的振动传递。

所述用于研究振动对机床主轴精密测量影响的装置与电脑及相应数据采集与处理算法模块连接在一起，组成可分析测试振动对机床主轴回转精度测量的一套测试装置，通过松开和旋紧离合旋钮，使离合销离合床座板与测试台面之间的连接，从而离合传感器与机床工作台的振动，最终得以测试振动噪声添加与否时的主轴回转精度，并且通过更换不同的传感器夹具及配置不同的传感器，可满足不同测试方法和测试目的。

本发明的有益效果是：在对机床主轴回转精度测试时，能够较好隔振消振，去除机床振动噪声对测试的干扰，而在做振动噪声对机床主轴回转精度测试影响的分析时，亦可把振动耦合到测试平台上，从而既能了解机床主轴在空间中回转的真实位移情况，又能通过采集到的测试数据得到刀具相对工件的相对位移，而且本发明在对振动噪声进行离合时，可在离合销位置不变动的情况下通过拧紧离合旋钮，使得本发明所述测试平台及其上的传感器在保持定位位置不改变的情况下，与机床固连成一体一起振动，故能保障同等实验环境下进行振动影响性的数据测试，其分析测试结果更能可靠保证；再者，虽然本发明的上、下和横向离合定位机构有若干个，但其离合调节却非常简便，仅通过旋紧、旋松离合旋钮即可实现测试平台的离合，而且多余的离合定位机构可提供冗余的定位支撑点，从而提高了测试平台与机床工作台的耦合刚度，刚性更好；另外，本发明所述传感器夹具有若干个，可随时更换，如通过更换文中所列举的3种12个不同的传感器夹具及配置相应的传感器，就能满足机床主轴回转精度不同测试方法的需要，如对称两点法、均匀三点法、不均匀三点法、四点法等，亦可进行主轴圆柱度误差的测试实验。本发明依靠隔振层可以良好的消除机床振动噪声对传感器的影响,采集精确的位移数据,亦可通过离合旋钮连通测试台面与床座板，采集受振动噪声影响下的位移数据，做实验对比。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明的分解示意图；

图3（a）是测试台面与隔振层上视图；

图3（b）是测试台面与隔振层下视图；

图4是定位凸台的结构示意图；

图5是下离合定位机构示意图；

图6是下离合定位机构分解图；

图7是下离合定位机构剖视图；

图8是横向离合定位机构图；

图9是横向合定位机构分解图；

图10是横向合定位机构剖视图；

图11是上离合定位机构图；

图12是上合定位机构分解图；

图13是上合定位机构剖视图；

图14是本发明安装上角铁型传感器夹具时的效果图；

图15是本发明安装上方筒形传感器夹具时的效果图；

图16是本发明安装上角铁型传感器夹具进行主轴回转精度测试时的效果图。

图中：1为床座板，2为下离合定位机构，3为横向离合定位机构，4为上离合定位机构，5为传感器夹具，6为测试台面，7为减振层，8为角铁型传感器夹具，9为方筒形传感器夹具，10为机床主轴系统，21为离合旋钮，22为“Z”型离合销，23为弹簧，24为“几型”基座，25为定位拉手， 31为机构凸座，32为圆柱型离合销， 41为机构“Z”型基座。

具体实施方式

以下结合附图对本发明应用于钻铣床的情况作详细的阐述，主要用于在需要采集机床主轴振动或刀具位移数据的实验中，隔绝机床自身振动对传感器的影响，保证采集的数据真实有效，参照图14、图15，图16。

如图1，2所示，一种用于研究振动对机床主轴精密测量影响的装置，包括床座板1、隔振层7、测试台面6、上离合定位机构4、下离合定位机构2、横向离合定位机构3及定位凸台5等。

床座板1与机床加工台通过T型槽配合连接；下离合定位机构2、横向离合定位机构3、上离合定位机构4通过螺钉与床座板1固定连接；床座板1、隔振层7与测试台面6依次叠加，由设在床座板1上的若干个上离合定位机构4、下离合定位机构2、横向离合定位机构3三种离合定位机构依据六点定位原理将床座板1与测试台面6连接定位，按下定位拉手，依靠小胡克系数的弹簧弹力，离合销弹出，与测试台面虚接触，即可实现定位。

床座板1四周设有若干长圆孔，并通过螺栓和T型螺母与机床工作台紧固连接，床座板的四周还设有若干用于安装固定上、下、横向离合定位机构的螺孔。隔振层7为隔震气囊气浮或隔震橡胶等被动式隔振层或为主控频率范围可调的主动式隔振层。

拧松离合旋钮25，则测试平面与床座板不连通，依靠优选为隔震气囊气浮或隔震橡胶等被构成的动式隔振层，实现在对机床主轴回转精度测试时，能够较好的隔振消振，去除机床振动噪声对测试的干扰；当需要做振动噪声对机床主轴回转精度测试影响的分析时，拧紧离合旋钮25，将测试平面与床座板连通，可把振动耦合到测试平台上。

本发明的装置与电脑及相应数据采集与处理算法模块连接在一起，组成可分析测试振动对机床主轴回转精度测量的一套测试装置，通过松开和旋紧离合旋钮25，使离合销离合床座板1与测试台面6之间的连接，从而离合传感器与机床工作台的振动，最终得以测试振动噪声添加与否时的主轴回转精度，并且通过更换不同的传感器夹具及配置不同的传感器，可满足不同测试方法和测试目的。

如图3（a），图3（b）所示，测试台面6表面中央固定连接有定位凸台5，是一个用于定位传感器夹具的凸台，定位凸台上段为圆柱形，下段为多边形结构，选用不同的传感器夹具或更换不用形状的定位凸台，可用于不同的测量实验中。如角铁型传感器夹具8，以用于机床主轴采用两点法进行回转精度的精密测量，两传感器为同一平面内垂直安装，改变角铁角度即可改变传感器相间角度（小于90°）；如圆筒型传感器夹具，以用于机床主轴采用三点法进行回转精度的精密测量，三个传感器相间角度理论上可以任意选择；如方筒型传感器夹具9，以用于机床主轴采用四点法进行回转精度的精密测量，四个传感器相间角度为90度；如在不同平面所设传感器安装孔，以用于主轴圆柱度误差的测试实验。

如图4所示，定位凸台5可以根据需求加工成各种形状，固定在表面平整的测试台面，根据不同的实验目的选择不同的传感器夹具进行定位。

如图5，6，7所示，下离合定位机构2含有“几”字型基座24、“Z”型离合销22、定位拉手21、离合旋钮25及弹簧23；所述“几”型基座24，下端设有圆孔，通过螺栓与床座板的螺孔固定相连；“几”型基座24上端设有安装孔及螺孔：安装孔内依次装有“Z”型离合销22、弹簧23与定位拉手21，“Z”型离合销22朝上指向测试台面，按下定位拉手21，通过小胡克系数弹簧23的压力使得“Z”型离合销22与测试台面的下平面始终虚接触；螺孔内旋有离合旋钮25，离合旋钮25垂直指向“Z”型离合销22，通过松开与压紧离合旋钮25，可固定与松开“Z”型离合销22的活动，以离合床座板1与测试台面6的向下的振动传递。

如图8，9，10所示，横向离合定位机构3包含 凸座31、圆柱型离合销32、定位拉手21、离合旋钮25及弹簧23；所述凸座31，下端设有圆孔，通过螺栓与床座板的螺孔固定相连；凸座31朝向测试台面6一侧设有安装孔及螺孔：安装孔内依次装有圆柱型离合销22、弹簧23与定位拉手21，圆柱型离合销32横向指向测试台面6的四周侧向，按下定位拉手21，通过小胡克系数弹簧23的压力使得圆柱型离合销32与测试台面6的侧向平面始终虚接触；螺孔内旋有离合旋钮25，离合旋钮25垂直指向圆柱离合销32，通过松开与压紧离合旋钮25，可固定与松开圆柱型离合销32的活动，以离合床座板(1)与测试台面(6)的前后向和左右向的振动传递。

如图11，12，13所示，上离合定位机构4含有“Z”型基座41、圆柱形离合销32、定位拉手21、离合旋钮25及弹簧23；所述“Z”型座41下端设有圆孔，通过螺栓与床座板1的螺孔固定相连；所述“Z”型座41上端设有安装孔及螺孔：安装孔内依次装有圆柱形离合销32、弹簧23和定位拉手21，圆柱型离合销32朝下指向测试台面6，按下定位拉手21，通过小胡克系数弹簧23的压力使得圆柱型离合销32与测试台面6的上平面始终虚接触；螺孔内旋有离合旋钮25，离合旋钮25垂直指向圆柱离合销32，通过松开与压紧离合旋钮25，可固定与松开离合销32的活动，以离合床座板1与测试台面6的向上的振动传递。

应用本发明，分析振动噪声对主轴回转精度测试时的影响，其使用方法如下：压下定位拉手21，对测试台面6进行限位，拧紧离合旋钮25，离合销22和23，则床座1、离合定位机构2、3、4和测试台面6连接成一体，机床振动将影响传感器数据采集。更换不同的传感器夹具和定位凸台，可方便的进行不同目的的主轴实验或刀具空转实验。

松开离合旋钮25，则床座1与测试台面6被离合销22和23隔断，依靠减振层7，消除振动噪声对传感器的影响，可在同一传感器位置、同一主轴转速条件下做有无机床噪声影响的实验对比，亦可实现对主轴振动位移数据的精确采集。

另外，考虑到减振层和测试台面的加工误差问题，会导致传感器夹具不是绝对的水平，由于非接触式位移传感器大多采用螺栓从两端固定，所以传感器夹具上用于安装传感器的圆形孔应略大于传感器的直径或采用V型孔，方便手动安装以及使用激光投线仪标定四个传感器的交点正好处于被测标准轴的中央位置，投线仪的十字线与四个传感器重合，十字线的交点处于刀尖或主轴中央。

图15所示是本发明的装置100安装上方筒形传感器夹具9时的效果图，根据各孔相间的角度,进行对称两点法、均匀三点法、不均匀三点法、四点法等实验，亦可在桶形传感器夹具不同平面内打孔，以进行主轴圆柱度误差测量。图14所示是本发明的装置100安装上角铁型传感器夹具8进行主轴回转精度测试时的效果图,采用垂直两点法采集主轴振动位移的实验数据。各种实验均可在隔离振动或有振动影响下进行实验并采集数据，只要保证打孔精度，即可得到准确的实验数据。传感器夹具亦可选用其他发明，实现高精度传感器定位。图16是本发明装置100安装上直角式传感器夹具进行机床主轴系统10的主轴回转精度测试时的效果图。

本装置虽然有12个离合定位机构，但是其调节非常简单，调节机构仅仅包括定位拉手21和离合旋钮25。