一种机床精度及刚度保持性快速测试方法与装置

本发明涉及数控机床性能测试，具体为一种机床精度及刚度保持性快速测试方法与装置。

背景技术：

1、精度和刚度是机床的两项关键性能，精度决定了机床加工精度的高低，刚度决定了机床加工能力的强弱。目前国内外对机床功能部件精度保持性测试方法开展了初步探索，机床刚度保持性的测试却鲜有人提及。专利cn104020716a中公开了一种数控转台精度保持性的检测装置，通过在试验台上模拟实际切削载荷实现数控转台精度保持性的检测。专利cn108972149a中公开了一种数控刀架加工精度与回转精度保持性试验装置及检测方法，用于精确模拟数控刀架实际受到的切削力来测试加工精度与回转精度保持性。专利cn109406143a中公开了一种基于真实工况的滚珠丝杠副精度保持性试验装置及方法，用于在真实载荷工况下测试机床滚珠丝杠副精度的退化情况。专利cn116804591a中公开了一种可变负载下多组并行的直线导轨副精度保持性试验台，用于同时加速多组直线导轨副的精度退化过程。

2、历经多年发展，国产高端机床产品的初始制造精度和刚度已逐渐接近国外先进水平。然而，与国外高端产品相比，国产机床的精度和刚度在服役过程中保持其初始制造水平的能力(即精度和刚度的保持性)仍然较弱，在服役过程中机床精度和刚度的衰退呈长时缓变、非线性等特征，传统现场跟踪测试的方法效率过低，测试时间长达数月至数年。

3、通过对现有机床精度和刚度保持性测试相关研究分析发现：(1)目前相关测试技术应用对象仅局限于数控转台、数控刀架、滚珠丝杠和滚动导轨等功能部件，缺乏机床整机级别的相关测试技术研究；(2)现有测试方法均是在试验台上开展测试试验，缺乏能够在机模拟切削载荷的加载装置；(3)目前尚缺乏机床刚度保持性测试方法的研究，精度和刚度保持性同步测试方法更是无人提及。目前国内尚缺乏机床整机精度及刚度保持性的快速测试方法与装置。因此，亟需发明一种机床精度及刚度保持性快速测试方法与装置，实现短期内快速获得机床整机精度和刚度保持性水平。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种机床精度及刚度保持性快速测试方法与装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种机床精度及刚度保持性快速测试方法，实现机床整机精度和刚度保持性的同步、快速测试，包括以下步骤：

3、步骤一，对被测机床进行静动态力加载试验；

4、步骤二，测量机床各项精度和刚度的退化数据；

5、步骤三，将加速退化数据折算至常规工况；

6、步骤四，计算机床各项精度及刚度保持度。

7、本发明进一步说明，根据机床各轴最大进给速度vmax、最大进给抗力fmax和主轴最高转速vmax，设置3个加载载荷水平等级，按照3个加载载荷水平等级依次对机床进行加载，每个载荷水平加载时间设置为h；

8、其中，3个加载载荷水平等级依次为s1、s2、s3，h为40h。

9、本发明进一步说明，进行等时间间隔测量，设定测量间隔时间设置为t，每加载t时间停止加载，采用仪器设备测量并记录机床各项精度和刚度的x、y、z各轴定位精度、x轴y方向直线度、x轴z方向直线度、y轴x方向直线度、y轴z方向直线度、z轴x方向直线度、z轴y方向直线度、x、y、z各轴静刚度的退化数据；

10、t设定为8h，每个载荷水平加载下均测量5次，数据测量完成后继续进行加载，如此往复加载与测量，直至加载总时间达到设置的120h，结束试验。

11、本发明进一步说明，所述步骤三的具体方法为：

12、采用幂律型函数拟合各项精度和刚度退化轨迹，获得各加速应力水平下各项精度和刚度随时间的退化函数；

13、基于三应力加速模型，获得退化轨迹参数a、b和应力水平之间的关系，求解出常规工况下机床各项精度和刚度退化轨迹方程参数a、b的数值，实现加速退化数据向常规工况退化数据的折算。

14、本发明进一步说明，所述三应力加速模型为：

15、lnη(α0,α1,α2,α3,α4,α5)＝lnα0-α1ζ1-α2ζ2-α3ζ3-α4ζ1ζ2-α5ζ1ζ3

16、其中，η为退化轨迹参数，ζ1、ζ2、ζ3分别表示进给速度、静态力、动态力的应力水平，α0，α1，α2，α3，α4，α5为未知参数，根据各应力水平下的退化数据进行求解。

17、本发明进一步说明，所述步骤四采用如下公式计算机床各项精度和刚度保持度：

18、

19、式中，为保持度函数；为常规工况下退化函数；为各项精度和刚度的失效阈值。

20、一种机床精度及刚度保持性快速测试装置，包括下平台、电动缸、电动缸固定工装、虎克铰、上平台、刀柄夹具、模拟刀柄，用于实现对被测机床x、y、z三向静动态力的同步加载。

21、本发明进一步说明，所述刀柄夹具包括三维力传感器、锁紧螺母、轴承座、刀柄夹套、刀柄端盖、轴承；

22、其中，所述三维力传感器通过螺栓固定于上平台，所述轴承座通过螺栓连接到三维力传感器上，所述刀柄夹套和轴承座之间采用轴承连接，并通过所述锁紧螺母固定轴承，所述刀柄夹套与模拟刀柄采用螺纹连接，并通过所述刀柄端盖进一步固定模拟刀柄。

23、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

24、1)本发明提出了一种基于静动态载荷加载的机床各项精度和刚度保持性的快速测试全流程方法，涵盖了试验方法、数据处理方法和评价方法，可实现机床整机精度和刚度保持性的同步、快速测试，大幅降低时间成本和物料消耗；

25、2)基于以上测试方法，本发明从模拟实际切削载荷的角度出发，设计了一种立式加工中心精度及刚度保持性快速测试装置，可实现对被测机床x、y、z三向静动态力的在机同步加载。

技术特征：

1.一种机床精度及刚度保持性快速测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种机床精度及刚度保持性快速测试方法，其特征在于：所述步骤一的具体方法为：

3.根据权利要求2所述的一种机床精度及刚度保持性快速测试方法，其特征在于：所述步骤二的具体方法为：

4.根据权利要求1或3所述的一种机床精度及刚度保持性快速测试方法，其特征在于：所述退化数据包括各轴定位精度、各轴另外两个方向的直线度、各轴静刚度。

5.根据权利要求1所述的一种机床精度及刚度保持性快速测试方法，其特征在于：所述步骤三的具体方法为：

6.根据权利要求5所述的一种机床精度及刚度保持性快速测试方法，其特征在于：所述三应力加速模型为：

7.根据权利要求6所述的一种机床精度及刚度保持性快速测试方法，其特征在于：所述步骤四采用如下公式计算机床各项精度和刚度保持度：

8.一种机床精度及刚度保持性快速测试装置，适用于权利要求1-7任一项所述的测试方法，其特征在于：包括下平台(1)、电动缸(2)、电动缸固定工装(3)、虎克铰(4)、上平台(5)、刀柄夹具(6)、模拟刀柄(7)，用于实现对被测机床x、y、z三向静动态力的同步加载。

9.根据权利要求8所述的一种机床精度及刚度保持性快速测试装置，其特征在于：所述刀柄夹具(6)包括三维力传感器(8)、锁紧螺母(9)、轴承座(10)、刀柄夹套(11)、刀柄端盖(12)、轴承(13)；

技术总结
本发明公开了一种机床精度及刚度保持性快速测试方法与装置，涉及数控机床性能测试技术领域，测试方法步骤为：对被测机床进行静动态力加载试验；测量机床各项精度和刚度的退化数据；将加速退化数据折算至常规工况；计算机床各项精度及刚度保持度。测试装置包括下平台、电动缸、电动缸固定工装、虎克铰、上平台、刀柄夹具、模拟刀柄，用于实现对被测机床X、Y、Z三向静动态力的同步加载。本方法与装置基于对立式加工中心实际服役工况的模拟与加速，可实现立式加工中心精度及刚度保持性在机、同步、快速测试，为国产机床性能保持能力的提升提供测试技术支撑。

技术研发人员：王永青,邢家鹏,刘阔,王天泱,孙海瀚,赵地,李凯,甄城
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2025/3/16