專利名稱：成型砂輪磨齒機變位模擬加載裝置及剛度分布檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機械檢測技術(shù)領(lǐng)域，屬于加工作業(yè)空間不同位置進行模擬加載條件下 的數(shù)控機床靜剛度檢測技術(shù)，涉及一種成型砂輪磨齒機變位模擬加載裝置，本發(fā)明還涉及 一種利用成型砂輪磨齒機變位模擬加載的靜剛度分布檢測方法。
背景技術(shù)：
在機床加工作業(yè)空間內(nèi)，隨著加工點位置的變化使機床構(gòu)件承載位置及載荷大小 (載荷包括力和力矩)發(fā)生變化，機床靜剛度發(fā)生變化。不同加工位置的靜剛度變化可以用 剛度分布描述，靜剛度的大小及靜剛度分布直接影響加工精度，同時影響機床的振動特性。工件加工表面是通過刀具與工件之間的相對運動而形成的，表面形成原理分為軌 跡法、成型法、相切法、范成法。加工表面形成原理不同，機床具備的運動功能不同，例如對 齒輪進行磨削加工的磨齒機，數(shù)控成型砂輪磨齒機的表面形成原理是成型法，砂輪的形狀 與齒輪的齒槽形狀相同，而數(shù)控蝸桿砂輪磨齒機的表面形成原理是范成法，砂輪的形狀是 蝸桿形狀。不同類型的數(shù)控機床，刀具與工件之間在加工點所承受的載荷性質(zhì)、不同加工位 置載荷的變化規(guī)律及各個方向的載荷之間的比例不同，因此各種數(shù)控機床模擬加載裝置及 對應(yīng)的檢測方法不同。數(shù)控成型砂輪磨齒機的表面形成原理是成型法，與一般數(shù)控車床及加工中心的軌 跡法、相切法的表面形成原理不同，與范成法加工齒輪的其他齒輪加工機床也不同，因此模 擬加載裝置及對應(yīng)的檢測方法與傳統(tǒng)的方法不同。機床靜剛度試驗是采用模擬載荷代替切削加工載荷，以數(shù)控成型砂輪磨齒機為 例，加工時隨著ζ、X、C軸的運動加工點位置在變化，Z、X、C軸組件的位置隨之變化，因此主 軸一側(cè)和工作臺一側(cè)的靜剛度都將隨著工件加工點位置變化而變化。而國內(nèi)外現(xiàn)有的靜剛 度檢測裝置及檢測方法只能檢測一個確定位置的靜剛度，不能檢測靜剛度分布情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種成型砂輪磨齒機變位模擬加載裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)中 的成型砂輪磨齒機不能檢測靜剛度分布的問題。本發(fā)明的另一個目的是提供一種利用成型砂輪磨齒機變位模擬加載的靜剛度分 布檢測方法。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種成型砂輪磨齒機變位模擬加載裝置，包括設(shè)置在 成型砂輪磨齒機上的受載試件和用于模擬加載的施載組件，所述的成型砂輪磨齒機的結(jié)構(gòu) 是，包括在床身上間隔設(shè)置有C軸組件和X軸組件，在X軸組件的立柱上段的水平安裝軸線 上朝向C軸組件方向，依次安裝有Z軸組件、A軸組件、Y軸組件、主軸組件；
所述施載組件的結(jié)構(gòu)是，在主軸組件的主軸外圓上同軸套裝有連接件、環(huán)體和壓蓋，連 接件與主軸固定連接，連接件與環(huán)體及壓蓋固定連接，環(huán)體上開有一徑向孔，該徑向孔中沿 直徑方向向外依次設(shè)置有下墊片、力傳感器、上墊片、球座、鋼球，球座的上沿與環(huán)體接觸處設(shè)置有限位蓋，限位蓋與環(huán)體固定連接，鋼球置于球座和球蓋之間并從球蓋露出，球蓋和球 座固定連接，球座的軸心線L與Y軸組件的X軸成α夾角安裝；
受載試件的受載面和安裝面為平面，受載試件的安裝面安裝在C軸組件的工作臺上， 安裝面與機床坐標系的Y方向夾角為θ，且受載面的法線與機床坐標系的X方向夾角為 α ο本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是，一種利用成型砂輪磨齒機變位模擬加載的靜剛 度分布檢測方法，該方法依賴一種變位模擬加載裝置，其結(jié)構(gòu)是，
包括設(shè)置在成型砂輪磨齒機上的受載試件和用于模擬加載的施載組件，所述的成型砂 輪磨齒機的結(jié)構(gòu)是，包括在床身上間隔設(shè)置有C軸組件和X軸組件，在X軸組件的立柱上段 的水平安裝軸線上朝向C軸組件方向，依次安裝有Z軸組件、A軸組件、Y軸組件、主軸組件； 所述施載組件的結(jié)構(gòu)是，在主軸組件的主軸外圓上同軸套裝有連接件、環(huán)體和壓蓋，連 接件與主軸固定連接，連接件、環(huán)體及壓蓋固定連接，環(huán)體上開有一徑向孔，該徑向孔中沿 直徑方向向外依次設(shè)置有下墊片、力傳感器、上墊片、球座、鋼球，球座的上沿與環(huán)體接觸處 設(shè)置有限位蓋，限位蓋與環(huán)體固定連接，鋼球置于球座和球蓋之間并從球蓋露出，球蓋和球 座固定連接，球座的軸心線L與Y軸組件的X軸方向成α夾角安裝，在主軸、主軸箱箱體及 C軸組件上安裝有多個位移傳感器；受載試件的受載面和安裝面為平面，受載試件的安裝 面安裝在C軸組件的工作臺上，安裝面與機床坐標系的Y方向夾角為θ，且受載面的法線與 機床坐標系的X方向夾角為α，
本方法利用上述的裝置，按照以下步驟實施
步驟1、根據(jù)所模擬的Z向磨削力與X向磨削力的比例確定α夾角；根據(jù)所模擬的Z向 磨削力與Y向磨削力的比例確定θ夾角；
步驟2、將施載組件安裝在主軸組件的主軸上，調(diào)整A軸組件使Y軸組件的Y軸與機床 坐標系的Y方向成角度θ ；
步驟3、將受載試件固定安裝在機床的C軸組件上，使安裝面與機床坐標系的Y方向夾 角為θ，且受載面的法線與機床坐標系的X方向夾角為α ；調(diào)整C軸組件，使受載面的法線 與球座的軸心線L方向一致；
步驟4、配合調(diào)整Z軸組件、Y軸組件、X軸組件，通過Ζ、Y、X軸的配合運動將施載組件 移動到預(yù)先設(shè)置的受載試件的第1個加載位置，使鋼球與受載試件的受載面接觸；再通過 Ζ、Υ、Χ軸的微調(diào)，給受載試件施加模擬載荷，通過各個位移傳感器檢測各處的位移量，同時， 通過施載組件中的力傳感器檢測得到模擬載荷，計算得到該加載位置的模擬載荷下的剛度 值；
步驟5、然后重新配合調(diào)整Z軸組件、Y軸組件、X軸組件，再通過Ζ、Y、X軸的運動將施 載組件運動到受載試件的下一個加載位置，同樣檢測得到新的加載位置的剛度值，依次重 復(fù)上述過程，不斷變更加載位置，即得到需要的模擬負載下的剛度分布。本發(fā)明的有益效果是，利用成型砂輪磨齒機，能夠自動變位模擬加載，實現(xiàn)靜剛度 分布檢測，結(jié)構(gòu)簡單，容易操作。


圖1為本發(fā)明裝置的各個運動方向示意圖；圖2是本發(fā)明裝置中的施載組件與受載試件a受載面局部結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明裝置中的施載組件與受載試件b安裝面局部結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是本發(fā)明裝置的施載組件剖面示意圖。圖中，1.C軸組件，2.床身，3.X軸組件，4. Z軸部件，5. A軸部件，6. Y軸組件，7.主 軸組件，10.連接件，11.壓蓋，12.下墊片，13.力傳感器，14.上墊片，15.環(huán)體，16.限位 蓋，17.球座，18.球蓋，19.鋼球，20.菱形定位銷，21.軸承蓋，22.主軸箱箱體，23.主軸前 軸承，24.主軸，25.受載試件，L為球座的軸心線，a為受載試件的受載面，b為受載試件的 安裝面。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。如圖1所示，為本發(fā)明裝置中所用的成型砂輪磨齒機的結(jié)構(gòu)示意圖，包括在床身2 上間隔設(shè)置有C軸組件1和X軸組件3，在X軸組件3立柱上段的水平安裝軸線上朝向C軸 組件1的方向，依次安裝有Z軸組件4、A軸組件5、Y軸組件6、主軸組件7。C軸組件1、X 軸組件3、Z軸組件4、A軸組件5、Y軸組件6均為數(shù)控伺服軸，分別與機床數(shù)控裝置連接。各個組件的功能是X方向、Y方向、Z方向為固定不動的機床坐標系，X軸組件3完 成X方向的左右水平直線切入運動，Z軸組件4完成Z方向的上下直線進給運動；A軸組件 5帶動Y軸組件6實現(xiàn)Y軸繞X方向的A回轉(zhuǎn)調(diào)整運動，Y軸組件6帶動主軸組件7實現(xiàn)沿 Y軸的前后直線調(diào)整運動，A軸組件5繞X軸調(diào)整角度θ后，則Y軸組件6的Y軸與機床坐 標系的Y方向成角度Θ，角度θ等于被加工斜齒輪的螺旋角，當加工直齒輪時θ為0，主 軸組件7中的砂輪主軸與Y軸組件6的Y軸平行，砂輪主軸繞Y軸實現(xiàn)η回轉(zhuǎn)運動，是切削 運動，不參與表面形成；C軸組件1完成工件繞Z軸的C回轉(zhuǎn)的分度運動及回轉(zhuǎn)進給運動， Ζ、Χ、C、A、Y方向均為數(shù)控伺服軸運動，都由伺服電機傳動。作為承載對象的末端執(zhí)行器為 主軸組件7以及C軸組件1中的工作臺。成型砂輪安裝在主軸組件7上，完成Χ、Ζ、Α、Y、η 軸運動；工件安裝在工作臺上(工作臺為C軸組件1的一部分)，完成C軸運動。成型砂輪的 截面形狀與所要加工的齒輪的齒槽截面形狀相配，通過加工將成型砂輪的截面形狀復(fù)制到 工件上。本發(fā)明采用模擬載荷代替成型砂輪磨齒的加工載荷，即用施載組件代替成型砂輪 固定安裝在機床主軸上，用受載試件代替齒輪工件固定安裝在C軸部件的工作臺上。參照圖2、圖3、圖4，本發(fā)明裝置包括設(shè)置在成型砂輪磨齒機上的受載試件25和 用于模擬加載的施載組件，受載試件25的受載面a和安裝面b為平面，二者傾斜的夾角均 為(90° -α )，受載試件25的安裝面b安裝在C軸組件1的工作臺上，安裝面b與機床坐 標系的Y方向夾角為θ，且受載面a的法線與機床坐標系的X方向夾角為α ；施載組件的 結(jié)構(gòu)是，在主軸組件7的主軸24上固定套裝有連接件10，連接件10的外圓上同軸套裝有環(huán) 體15和壓蓋11，連接件10與環(huán)體15及壓蓋11通過長螺栓固定連接，環(huán)體15上開有一徑 向孔，該徑向孔中沿直徑方向向外依次設(shè)置有下墊片12、力傳感器13、上墊片14、球座17、 鋼球19，球座17的上沿與環(huán)體15接觸處設(shè)置有限位蓋16，限位蓋16與環(huán)體15固定連接， 由限位蓋16對球座17進行限位，鋼球19置于球座17和球蓋18之間并從球蓋18露出，球 蓋18和球座17固定連接，球座17通過球蓋18將鋼球19套裝牢靠；主軸24與主軸箱箱體22之間設(shè)置有主軸前軸承23，主軸前軸承23外側(cè)安裝有軸承 蓋21，軸承蓋21與主軸箱箱體22通過多個螺栓固定連接，兩個菱形定位銷20的一端與軸 承蓋21、主軸箱箱體22依次固定連接，兩個菱形定位銷20的另一端與連接件10的銷孔配 合套裝，通過兩個菱形定位銷20使連接件10與主軸24定向，球座17的軸心線L與Y軸組 件6的X軸成α夾角安裝。 本發(fā)明的靜剛度分布檢測方法，利用上述的成型砂輪磨齒機變位模擬加載裝置， 按照以下步驟實施
步驟1、根據(jù)所模擬的Z向磨削力與X向磨削力的比例確定α夾角；根據(jù)所模擬的Z向 磨削力與Y向磨削力的比例確定θ夾角，當模擬直齒輪加工時θ為0;
步驟2、將施載組件安裝在主軸組件7的主軸24上，調(diào)整A軸組件5使Y軸組件6的 Y軸與機床坐標系的Y方向成角度θ (調(diào)整后Y軸組件6的X坐標仍與機床X坐標方向一 致)；
步驟3、將受載試件25固定安裝在機床的C軸組件1上，使安裝面b與機床Y坐標系夾 角為θ，且受載面a的法線與機床坐標系的X方向夾角為α ；調(diào)整C軸組件1，使受載面a 的法線與球座17的軸心線L方向一致；
步驟4、通過Z、Y、X軸的配合運動將施載組件移動到預(yù)先設(shè)置的受載試件25的第1個 加載位置，使鋼球19與受載試件25的受載面接觸；再通過Ζ、Υ、Χ軸的微調(diào)，給受載試件25 施加模擬載荷，通過各個位移傳感器檢測各處的位移量，同時，通過施載組件中的力傳感器 13檢測得到模擬載荷，位移傳感器和力傳感器13的檢測數(shù)據(jù)由機床數(shù)控裝置采集，計算得 到該加載位置的模擬載荷下的剛度值；
步驟5、然后再通過Ζ、Υ、Χ軸的運動將施載組件運動到受載試件25的下一個加載位置， 同樣檢測得到新的加載位置的剛度值，依次重復(fù)上述過程，不斷變更加載位置，即可得到需 要的模擬負載下的剛度分布。
權(quán)利要求
一種成型砂輪磨齒機變位模擬加載裝置，其特征在于包括設(shè)置在成型砂輪磨齒機上的受載試件(25)和用于模擬加載的施載組件，所述的成型砂輪磨齒機的結(jié)構(gòu)是，包括在床身(2)上間隔設(shè)置有C軸組件(1)和X軸組件(3)，在X軸組件(3)的立柱上段的水平安裝軸線上朝向C軸組件(1)方向，依次安裝有Z軸組件(4)、A軸組件(5)、Y軸組件(6)、主軸組件(7)；所述施載組件的結(jié)構(gòu)是，在主軸組件(7)的主軸(24)外圓上同軸套裝有連接件(10)、環(huán)體(15)和壓蓋(11)，連接件(10)與主軸(24)固定連接，連接件(10)與環(huán)體(15)及壓蓋(11)固定連接，環(huán)體(15)上開有一徑向孔，該徑向孔中沿直徑方向向外依次設(shè)置有下墊片(12)、力傳感器(13)、上墊片(14)、球座(17)、鋼球(19)，球座(17)的上沿與環(huán)體(15)接觸處設(shè)置有限位蓋(16)，限位蓋(16)與環(huán)體(15)固定連接，鋼球(19)置于球座(17)和球蓋(18)之間并從球蓋(18)露出，球蓋(18)和球座(17)固定連接，球座(17)的軸心線L與Y軸組件(6)的X軸成α夾角安裝；受載試件(25)的受載面和安裝面為平面，受載試件(25)的安裝面安裝在C軸組件(1)的工作臺上，安裝面與機床坐標系的Y方向夾角為θ，且受載面的法線與機床坐標系的X方向夾角為α。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成型砂輪磨齒機變位模擬加載裝置，其特征在于所述的主 軸(24)與主軸箱箱體(22)之間設(shè)置有主軸前軸承(23)，主軸前軸承(23)外側(cè)安裝有軸承 蓋(21)，軸承蓋(21)與主軸箱箱體(22)通過多個螺栓固定連接，主軸箱箱體(22)、軸承蓋 (21)通過兩個菱形定位銷(20)與連接件(10)的銷孔套裝。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的成型砂輪磨齒機變位模擬加載裝置，其特征在于所述的主 軸(24)、主軸箱箱體(22)及C軸組件(1)上安裝有多個位移傳感器，位移傳感器和力傳感 器(13)的檢測數(shù)據(jù)由機床數(shù)控裝置采集，C軸組件(1)、Χ軸組件(3)、Ζ軸組件(4)、Α軸組 件(5 )、Y軸組件(6 )均為數(shù)控伺服軸，分別與機床數(shù)控裝置連接。
4.一種利用成型砂輪磨齒機變位模擬加載的靜剛度分布檢測方法，其特征在于，該方 法依賴一種變位模擬加載裝置，其結(jié)構(gòu)是，包括設(shè)置在成型砂輪磨齒機上的受載試件(25)和用于模擬加載的施載組件，所述的成型砂輪磨齒機的結(jié)構(gòu)是，包括在床身(2)上間隔設(shè)置有C軸組件(1)和X軸組 件(3)，在X軸組件(3)的立柱上段的水平安裝軸線上朝向C軸組件(1)方向，依次安裝有Z 軸組件(4)、A軸組件(5 )、Y軸組件(6 )、主軸組件(7 )；所述施載組件的結(jié)構(gòu)是，在主軸組件(7)的主軸(24)外圓上同軸套裝有連接件(10)、 環(huán)體(15 )和壓蓋(11)，連接件(10 )與主軸(24)通過螺栓固定連接，連接件(10 )、環(huán)體(15 ) 及壓蓋(11)通過螺栓固定連接，環(huán)體(15)上開有一徑向孔，該徑向孔中沿直徑方向向外依 次設(shè)置有下墊片(12)、力傳感器(13)、上墊片(14)、球座(17)、鋼球(19)，球座(17)的上沿 與環(huán)體(15)接觸處設(shè)置有限位蓋(16)，限位蓋(16)與環(huán)體(15)固定連接，鋼球(19)置于 球座(17)和球蓋(18)之間并從球蓋(18)露出，球蓋(18)和球座(17)固定連接，球座(17) 的軸心線L與Y軸組件(6)的X軸方向成α夾角安裝，在主軸(24)、主軸箱箱體(22)及C 軸組件(1)上安裝有多個位移傳感器；受載試件(25)的受載面和安裝面為平面，受載試件 (25)的安裝面安裝在C軸組件(1)的工作臺上，安裝面與機床坐標系的Y方向夾角為θ， 且受載面的法線與機床坐標系的X方向夾角為α，本方法利用上述的裝置，按照以下步驟實施步驟1、根據(jù)所模擬的Z向磨削力與X向磨削力的比例確定α夾角；根據(jù)所模擬的Z向 磨削力與Y向磨削力的比例確定θ夾角；步驟2、將施載組件安裝在主軸組件(7)的主軸(24)上，調(diào)整A軸組件(5)使Y軸組件 (6)的Y軸與機床坐標系的Y方向成角度θ ；步驟3、將受載試件(25)固定安裝在機床的C軸組件(1)上，使安裝面與機床坐標系的 Y方向夾角為θ，且受載面的法線與機床坐標系的X方向夾角為α ；調(diào)整C軸組件(1)，使 受載面的法線與球座(17)的軸心線L方向一致；步驟4、配合調(diào)整Z軸組件(4)、Y軸組件(6)、X軸組件(3)，通過Ζ、Y、X軸的配合運動 將施載組件移動到預(yù)先設(shè)置的受載試件(25)的第1個加載位置，使鋼球(19)與受載試件 (25)的受載面接觸；再通過Ζ、Y、X軸的微調(diào)，給受載試件(25)施加模擬載荷，通過各個位 移傳感器檢測各處的位移量，同時，通過施載組件中的力傳感器(13)檢測得到模擬載荷，計 算得到該加載位置的模擬載荷下的剛度值；步驟5、然后重新配合調(diào)整Z軸組件(4)、Y軸組件(6)、X軸組件(3)，再通過Ζ、Y、X軸 的運動將施載組件運動到受載試件(25)的下一個加載位置，同樣檢測得到新的加載位置的 剛度值，依次重復(fù)上述過程，不斷變更加載位置，即得到需要的模擬負載下的剛度分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的靜剛度分布檢測方法，其特征在于所述的步驟1中，當模擬 直齒輪加工時θ為0。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的靜剛度分布檢測方法，其特征在于所述的主軸(24)與主軸 箱箱體(22)之間設(shè)置有主軸前軸承(23)，主軸前軸承(23)外側(cè)安裝有軸承蓋(21)，軸承蓋 (21)與主軸箱箱體(22)通過多個螺栓固定連接，主軸箱箱體(22)、軸承蓋(21)通過兩個菱 形定位銷(20)與連接件(10)的銷孔套裝。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的靜剛度分布檢測方法，其特征在于所述的主軸(24)、主軸 箱箱體(22)及C軸組件(1)上安裝有多個位移傳感器，位移傳感器和力傳感器(13)的檢測 數(shù)據(jù)由機床數(shù)控裝置采集，C軸組件(1)、Χ軸組件(3)、Z軸組件(4)、A軸組件(5)、Y軸組 件(6)均為數(shù)控伺服軸，分別與機床數(shù)控裝置連接。
全文摘要
本發(fā)明的成型砂輪磨齒機變位模擬加載裝置，包括設(shè)置在成型砂輪磨齒機上的受載試件和用于模擬加載的施載組件，成型砂輪磨齒機具有X軸的直線運動、Y軸的前后直線運動、Z軸的直線運動、繞Y軸的n回轉(zhuǎn)運動、繞Z軸的C回轉(zhuǎn)運動、繞X軸的A回轉(zhuǎn)運動功能；施載組件的球座的軸心線與Y軸組件的X軸方向有一夾角α，受載面的法線與機床坐標系的X方向夾角為α。本發(fā)明的靜剛度分布檢測方法是，通過Z、Y、X軸配合運動將施載組件運動到加載位置進行加載；由位移傳感器檢測位移、力傳感器檢測模擬載荷，求出該加載位置模擬載荷下的剛度值；變更加載位置，重復(fù)上述過程，即得模擬載荷下的剛度分布。本發(fā)明的裝置及方法實現(xiàn)了靜剛度分布的檢測。
文檔編號B23F19/02GK101941102SQ20101026420
公開日2011年1月12日 申請日期2010年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月27日
發(fā)明者劉耀, 張莉, 高峰, 黃玉美 申請人:西安理工大學