一种五轴机床加载测试装置和方法与流程

本发明涉及机床加工测试领域，具体涉及五轴机床加载测试装置和方法。

背景技术：

机床在加工零件时的受力状态对于研究机床的刚性、振动、电机扭矩性能和随动误差等指标非常重要。现有的测试方法是通过工作台上加载固定配重或加工试件的方式进行。

配重的方法受力方向单一与机床正常使用时的受力状态不同，而加工试件的方法则需要通过一系列的估算来量化受力数值，不确定度较大，计算复杂，且获得数据精度低。

技术实现要素：

本发明提出了一种五轴机床加载测试装置，该装置解决了现有机床测试时采用配重方法造成受力单一或采用加工试件方法需要进行估算造成不确定度大，可靠性低的问题。

本发明采用的技术手段如下：

一种五轴机床加载测试装置，包括机床主轴、机床工作台、主轴端球副连接器、施力装置以及工作台端球副连接器；

所述主轴端球副连接器安装在所述施力装置的一端，用于球铰连接所述机床主轴与所述施力装置；

所述工作台端球副连接器安装在所述施力装置的另一端，用于球铰连接所述机床工作台与所述施力装置。

进一步地，所述施力装置为液压缸或气压缸，所述液压缸或气压缸可与机床的液压或气压系统连接。

进一步地，所述主轴端球副连接器包括第一直杆球头、第一球头连接座以及主轴连接件，所述第一直杆球头包括连接杆和设置在所述连接杆一端的球头，所述第一球头连接座固定在所述液压缸或气压缸的一端，所述球头与所述第一球头连接座球铰连接，所述连接杆与所述主轴连接件连接；

所述工作台端球副连接器包括第二直杆球头、第二球头连接座以及底板，所述第二直杆球头包括连接杆和设置在所述连接杆一端的球头，所述第二球头连接座固定在所述液压缸或气压缸的另一端，所述球头与所述第二球头连接座球铰连接，所述连接杆与所述底板连接。

进一步地，所述主轴连接件一端设有可与所述连接杆螺纹连接的螺纹孔，另一端为可与机床主轴连接的刀柄结构。

一种采用本发明公开的装置进行五轴机床加载测试方法，包括以下步骤：

步骤1、将所述施力装置通过所述主轴端球副连接器和工作台端球副连接器安装在所述机床主轴和机床工作台之间；

步骤2、根据加载测试工况需求，调整所述机床主轴与机床工作台之间的位置和所述施力装置施加在所述机床主轴与机床工作台间的作用力；

步骤3、进行机床的各轴电机扭矩和随动误差的测量，获取所述加载测试工况与机床的各轴电机扭矩和随动误差的关系。

进一步地，所述加载测试工况包括施加在机床各工作轴上的力或力矩。

与现有技术比较，本发明所述的五轴机床加载测试方法具有以下有益效果：通过在机床工作台和机床主轴之间设置施力装置，施力装置可以根据需求施加不同的作用力，以模仿机床实际工作时的受力状态，可以精确的获得不同加载测试工况下机床的各轴电机扭矩和随动误差。

附图说明

图1为本发明公开的五轴机床加载测试装置的结构图；

图2为施力装置、主轴端球副连接器以及工作台端球副连接器连接的结构图；

图3为施力装置、主轴端球副连接器以及工作台端球副连接器连接的结构轴视图；

图4为采用本发明公开的装置进行五轴机床加载测试方法的流程图；

图5为以机床的工作台表面中心为原点建立坐标系的示意图；

图6为将液压缸上的作用力分解到xyz轴的示意图；

图7为液压缸作用在机床工作台上的力的示意图。

图中：1、液压缸或气压缸，2、主轴端球副连接器，20、第一直杆球头，21、第一球头连接座，22、主轴连接件，200、连接杆，201、球头，210、活塞杆固定座，211、第一压盖，3、机床主轴，4、滑枕，5、滑鞍，6、滑台，7、工作台端球副连接器，70、第二直杆球头，71、第二球头连接座，710、缸体连接座，711、第二压盖，72、底板，720、固定孔，8、机床工作台，9摇篮，10、床体，11、液压缸或气压缸的缸体，12、液压缸或气压缸的活塞杆。

具体实施方式

如图1所示为本发明公开的五轴机床加载测试装置，包括机床主轴3、机床工作台8、主轴端球副连接器2、施力装置以及工作台端球副连接器7；所述主轴端球副连接器2安装在所述施力装置的一端，用于球铰连接所述机床主轴3与所述施力装置；所述工作台端球副连接器7安装在所述施力装置的另一端，用于球铰连接所述机床工作台8与所述施力装置。

具体地，所述施力装置为液压缸或气压缸1，所述液压缸或气压缸1可与机床的液压或气压系统连接。

如图2和图3所示，所述主轴端球副连接器2包括第一直杆球头20、第一球头连接座21以及主轴连接件22，所述第一直杆球头20包括连接杆200和设置在所述连接杆200一端的球头201，所述第一球头连接座21固定在所述液压缸或气压缸1的一端，所述球头201与所述第一球头连接座21球铰连接，所述连接杆200与所述主轴连接件200连接；在本实施例中，第一球头连接座21固定在液压缸或气压缸的活塞杆12的端部，第一球头连接座21包括活塞杆固定座210和第一压盖211，活塞杆固定座210的一端与活塞杆端部螺纹连接，另一端设有第一压盖211，第一压盖211通过螺栓固定在活塞杆固定座210上，活塞杆固定座210和第一压盖211之间具有球头容纳腔，球头201置于球头容纳腔中以实现第一直杆球头20与第一球头连接座21的球铰连接，第一球头连接座21采用分体结构可以方便直杆球头与球头连接座的安装，连接杆200的另一端加工有螺纹，所述主轴连接件22一端设有可与所述连接杆200螺纹连接的螺纹孔，连接杆200与主轴连接件22螺纹连接，主轴连接件22的另一端为可与机床主轴3连接的刀柄结构(刀柄结构为标准结构，此处不详细描述)。

所述工作台端球副连接器7包括第二直杆球头70、第二球头连接座71以及底板72，所述第二直杆球头70与第一直杆球头20结构相同，包括连接杆200和设置在所述连接杆200一端的球头201，所述第二球头连接座71固定在所述液压缸或气压缸1的另一端，所述第二直杆球头70的球头201与所述第二球头连接座71球铰连接，所述连接杆200与所述底板72连接。在本实施例中，工作台端球副连接器7固定在液压缸或气压缸的缸体11的端部，工作台端球副连接器7包括缸体连接座710和第二压盖711，通过螺栓将缸体连接座710和第二压盖711固定在缸体端部，缸体连接座710和第二压盖711之间具有球头容纳腔，第二直杆球头70的球头201置于球头容纳腔中以实现第二直杆球头70与第二球头连接座71的球铰连接，连接杆另一端螺接在底板72上，底板72上设有多个固定孔720，通过t型螺栓可以将底板72固定在机床工作台8上。

如图4所示为采用本发明公开的装置进行五轴机床加载测试包括以下步骤：

步骤1、将所述施力装置通过所述主轴端球副连接器和工作台端球副连接器安装在所述机床主轴和机床工作台之间；

步骤2、根据加载测试工况需求，调整所述机床主轴与机床工作台之间的位置和所述施力装置施加在所述机床主轴与机床工作台间的作用力；

步骤3、进行机床的各轴电机扭矩和随动误差的测量，获取所述加载测试工况与机床的各轴电机扭矩和随动误差的关系。

具体地，液压缸或气压缸的活塞杆的端部通过主轴端球副连接器2安装到机床主轴3的锥孔上(即通过主轴连接件的刀柄结构与机床主轴连接)，机床主轴3安装到滑枕4上，滑枕4沿滑鞍5上下运动(机床z轴)，滑鞍5沿滑台6左右运动(机床x轴)，滑台6沿床体10前后运动(机床y轴)。

液压缸或气压缸的缸体的端部通过工作台端球副连接器7固定到机床工作台8上，机床工作台8可绕摇篮9转动(机床c轴)，摇篮9可绕床体10转动(机床a轴)。

根据加载测试工况需求，由机床控制系统控制机床主轴沿xyz轴做直线运动，机床工作台绕ac轴转动，由机床的液压系统或气压系统调节液压缸或气压缸上的作用力，使得液压缸或气压缸作用在机床主轴和机床工作台之间一定的推力或拉力，当机床主轴与机床工作台之间的位置和液压缸或气压缸上的作用力达到加载测试工况需求时，由机床监测系统测量机床的各轴电机扭矩和随动误差，进而可以获取所述加载测试工况与机床的各轴电机扭矩和随动误差的关系。

加载测试工况与机床的各轴电机扭矩和随动误差的关系具体计算过程如下，按图5所示以机床的工作台表面中心为原点，沿机床的xyz轴方向建立坐标系，

a(x1,y1,z1)和b(x2,y2,z2)是已知的两个球副的中心点坐标

缸杆和缸筒对球副的作用力：

f＝f′＝ps(1)

其中p为缸筒内通入流体的压力值，s表示活塞或缸筒的面积；

则缸杆作用在主轴端球副连接器的推力(或拉力)f可沿x、y、z轴方向分解，

fx＝fcosα(2)

fy＝fcosβ(3)

fz＝fcosγ(4)

其中α、β、γ是作用力f与x、y、z轴的夹角(图6)，可通过a和b点的坐标计算得到：

将缸体作用在工作台处的球副连接器的作用力f’沿x、y、z轴分解：

fx′＝-fcosα(8)

fy′＝-fcosβ(9)

fz′＝-fcosγ(10)

可得到f’对机床c轴(图5坐标系的z轴)的转矩：

已知机床a轴在图5坐标系中的坐标(l，h，z)

如图7所示，则可得f’对机床a轴的转矩(a轴平行于图5坐标系的x轴)：

通过以上方法可以精确获得在不同测试工况下施加到机床各个轴上的作用力和力矩，以及对应该工况下的机床各轴电机扭矩和随动误差，这样更接近机床使用实际情况，更有适合评价机床动态性能，保证了对五轴机床进行加载荷测试的精确性。

实施例1

通过该装置和方法可以进行rtcp(rotatedtoolcenterpoint：旋转刀具中心点编程)工况下各轴电机扭矩和随动误差的监测，如图5当机床做五轴联动时，开启rtcp功能，要求机床a轴和c轴旋转时，刀尖点相对工件坐标系的位置保持不变，即要求旋转后点a相对点b的位置保持不变，这时在气缸(或油缸)中通入一定压力的介质，就会产生阻碍a相对点b的位置保持不变的力f和f’。力的大小受介质的压力控制，力的方向由a和b两点的相对位置决定。将这两个力按机床的xyz轴分解，得到作用到直线轴的力fx,fy,fz和旋转轴的转矩和这样就能在机床联动时模拟一个任意方向和大小阻碍机床联动的力，检查机床在这个力的作用下联动时各轴电机扭矩和随动误差数值是否超标。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。