专利名称：机床结合部对刀尖点位移量的测试装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种位移测量装置，尤其是能测试机床大型结合部在启停状态下对刀尖点的位移量的装置与方法，属于测试技术领域。
背景技术：
机械部件中存在大量的结合面，结合面体现出的弹簧与阻尼特性是机械部件刚度与阻尼的特性的重要组成部分，尤其是对于机床来说，结合部产生阻尼占整个机床阻尼的 90%左右，并且结合部的刚度及可靠性相对于机床刚度来说也是一个薄弱环节，机床总刚度的60%-80%是由结合面接触刚度决定的。因此，对于结合部的研究是非常有必要的，结合部的特性可以很大程度地影响产品的性能。在机床中，由于机床各个部件质量较大，机床在运行中有较大的惯性力，尤其是在机床启动与停止的瞬间，会增加机床刀头处某个方向的位移量。此时，结合部的特性起到至关重要的地位。机床各个结合部在机床启动与停止时对机床刀头位移量的影响成为主要问题。如果结合部的刚度不够，即可能造成机床在启停瞬间刀头处的X或者Z方向的位移量增加，当机床加工零件时，启动与停止瞬间必然会对加工的零件造成一定影响，使得刀头受损，有吃刀现象，或者加工的零件不符合加工要求等。目前，在机床研究与测试中，由于机床各结合部的复杂性，尚且无法确定各个结合部特性对机床刀头处位移量的确切影响，给机床结合部的刚度与阻尼特性的研究造成一定的困难，影响机床的使用，进而影响机床行业的快速发展。
发明内容
本发明的目的在于提出一种研究机床各个结合部在启停时刻对机床刀头位移量的确切影响、能够直接对生产起到一定的帮助的机床结合部对刀尖点位移量的测试装置。 本发明所提供的装置能够在机床启停瞬间时，测得各个结合部对机床刀头在水平方向(X、 Y)与竖直方向(Z)位移量的数值，而且能够辨别出各个结合部在对机床刀头位移量影响中所占的比例。该测试装置具有测试效果精度高，线性度高，操作简单方便，故障率低等特点。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案机床结合部对刀尖点位移量的测试装置，主要由电涡流传感器探头1、螺母2、微调垫片3、螺钉4、连杆与微调垫片固定夹5、连杆与支柱固定夹6、连杆7、支柱8、座体9、调整螺丝10、电涡流前置、电涡流前置电源、数据采集前端及计算机组成；电涡流传感器探头 1的安装杆上有螺纹，电涡流传感器探头1穿过矩形微调垫片3上的通孔，一个位于电涡流传感器探头1的安装杆上的定位螺母2与微调垫片3后侧接触，一个位于电涡流传感器探头1的安装杆上的定位螺母2与微调垫片3前侧接触；微调垫片3的另一个通孔上有螺钉 4穿过，螺钉4拧紧固定于连杆与微调垫片固定夹5和微调垫片3之间，连杆与微调垫片固定夹5可通过螺钉4固定于连杆7的任意位置；连杆与微调垫片固定夹5另一通孔上有连杆7穿过，连杆7的另一端穿过调整螺丝10 —侧的通孔，支柱8的上端穿过连杆与支柱固定夹6与上述通孔相垂直一侧的通孔，调整螺丝10的螺杆穿过连杆与支柱固定夹6水平通孔，通过拧紧调整螺丝10可以调节连杆7在支柱8上的相对位置与旋转角度，支柱8下端连接座体9 ；座体9的底面和侧面内部安装有可使其吸附于机床结合部的电磁铁，座体9的一个侧面安装有控制电磁铁的开关；电涡流传感器探头1与电涡流前置电源分别连接至电涡流前置上，电涡流前置与数据采集前端相连，数据采集前端与计算机相连，将采集信号送给计算机。上述的微调垫片3为长方形薄片，具有两个通孔两通孔中心位于微调垫片3纵向中心线，左右并列分布于微调垫片3上，左侧为直径较小的通孔，右侧为直径较大的通孔； 通过小孔中的螺钉4拧紧连杆与微调垫片固定夹5，电涡流传感器探头1穿过大孔并由两个螺母2固定在微调垫片3前后，通过两个螺母的摩擦相互拧紧，在调节电涡流传感器探头1 与被测物体的间隙时，微调垫片3可通过调节螺母2改变其间隙大小。所述的微调垫片3由铝合金材料制成。数据采集前端连接多个电涡流传感器探头1同时进行测量。电涡流传感器探头1有水平与竖直两种放置方式。电涡流传感器探头1按不同的放置结构同时安放于机床的各个结合部。电涡流传感器探头1与被测物体采用非接触测量，应保持一定间隙，本装置的间隙范围为0-1. 6mm，微调垫片3可以方便的对间隙进行适当的调节，可以节省一定的时间。本发明中的测试装置部分有三种放置结构，分别可对应测试机床上X、Y、Z方向的相对位移量。一种是测量水平位移量，如图6安放，座体9吸附在滑座c上，当滑座C、立柱 d有X或者Y方向相对运动时，电涡流传感器探头1即可准确测量水平方向的相对位移量； 另一种是测量竖直位移量，如图7安放，座体9吸附在立柱e上，当立柱e、横梁f有Z方向相对运动时，电涡流传感器探头1即可准确测量竖直方向的相对位移量。本发明的有益效果是在测得各个结合部在机床启停瞬间对机床刀头位移量的影响数值后，进而可以寻找到机床某个结合部是否存在刚度不足或者其他的问题，从而加以解决和完善。
图1本发明装置原理2机床结合部对刀尖点位移量的测试装置3微调垫片结构图主视4连杆与支柱固定夹结构图主视5调整螺丝结构图主视6电涡流传感器水平放置结构7电涡流传感器竖直放置结构8机床结合部位置9间隙-电压曲线图中1，电涡流传感器探头；2，螺母；3，微调垫片；4，螺钉；5，连杆与微调垫片固定夹；6，连杆与支柱固定夹；7，连杆；8，支柱；9，座体；10，调整螺丝；11，机床刀尖点；12，机床溜板与滑枕结合部；13，机床滑枕与横梁结合部；14，机床横梁上导轨面与立柱结合部； 15，机床横梁下导轨面与立柱结合部；16，机床立柱与滑座结合部；17，机床床身与地基结合部
具体实施例方式以下结合附图对本发明做进一步详细说明。参照图2所示，本实施例的机床结合部对刀尖点位移量的测试装置由电涡流传感器探头1、螺母2、微调垫片3、螺钉4、连杆与微调垫片固定夹5、连杆与支柱固定夹6、连杆 7、支柱8、座体9、调整螺丝10、电涡流前置、电涡流前置电源、数据采集前端及计算机组成。 将螺母2安装于电涡流传感器探头1的螺纹上，且可以调节螺母2在电涡流传感器探头1 上的位置，再将电涡流传感器探头1穿过微调垫片3右侧直径较大的通孔B，再用另一个螺母2安装于电涡流传感器探头1上，使螺母2与微调垫片3前侧接触，两个螺母2同时拧紧固定。通过调节两个螺母2，可以调节微调垫片3在电涡流传感器探头1的相对位置。微调垫片3的左侧直径较小的通孔A有螺钉4穿过，拧紧固定于连杆与微调垫片固定夹5的下端处，连杆与微调垫片固定夹5上端有通孔，连杆7可从中间穿过，并且由连杆与微调垫片固定夹5 —侧的调整螺丝拧紧固定，连杆与微调垫片固定夹5可通过调整螺丝固定于连杆 7的任意位置。连杆7的另一端穿过调整螺丝10 —侧的通孔，支柱8的上端穿过连杆与支柱固定夹6与上述通孔相垂直一侧的通孔，调整螺丝10的螺杆穿过连杆与支柱固定夹6水平通孔，通过拧紧调整螺丝10，可以调节连杆7在支柱8上的相对位置与旋转角度，支柱8 下端通过螺纹拧紧在座体9上端。座体9具有双面吸附性，可通过开关控制其下端的磁性， 使其下端吸附于机床结合部处。如图1所示，电涡流传感器探头1的后端与电涡流前置电源分别连接至电涡流前置上，电涡流前置与数据采集前端相连，数据采集前端通过网线与计算机相连，并将采集信号送给计算机。数据采集前端可按需求接数个电涡流前置，即可以接多个电涡流传感器探头1。能够同时采集多个电涡流传感器的位移信号。测试时，打开数据采集前端的信号采集�？�(signature acquisition)。如图4所示为连杆与支柱固定夹5结构图主视图。如图5所示为调整螺丝10结构图主视图。如图3所示，上述的微调垫片3为长方形薄片，具有两个通孔两通孔中心位于微调垫片3纵向中心线，左右并列分布于微调垫片3上，左侧为直径较小的通孔，右侧为直径较大的通孔；通过小孔中的螺钉4拧紧连杆与微调垫片固定夹5，电涡流传感器探头1穿过大孔并由两个螺母2固定在微调垫片3前后，通过两个螺母的摩擦相互拧紧，在调节电涡流传感器探头1与被测物体的间隙时，微调垫片3可通过调节螺母2改变其间隙大小。机床中存在多个结合部，如图8所示，这些结合部可能需要安放电涡流传感器。下面以重型龙门铣床为例，利用本装置可以测试如下结合部的位移量1、测量机床刀尖点11在X、Z方向的相对位移量需将座体9吸在工作台的工装面上，调整调整螺丝10，使其连杆与支柱具有水平或者竖直的角度关系，电涡流传感器探头1 移至刀尖点附近的X方向或Z方向，再调整微调垫片3，使电涡流传感器探头1与机床结合部具有适当的间隙。2、测量机床溜板与滑枕结合部12在X方向的相对位移量将座体9吸在滑枕上，电涡流传感器探头1调整至溜板附近的X方向，其方法同1。3、测量机床滑枕与横梁结合部13在X、Z方向的相对位移量将座体9吸在溜板上，电涡流传感器探头1调整至横梁附近的X方向与Z方向，其方法同1。4、测量机床横梁上导轨面与立柱结合部14在X、Z方向的相对位移量将座体9吸在立柱上，电涡流传感器探头1调整至横梁上导轨面附近的X方向与Z方向，其方法同1。5、测量机床横梁下导轨面与立柱结合部15在X、Z方向的相对位移量将座体9吸在立柱上，电涡流传感器探头1调整至横梁下导轨面附近的X方向与Z方向，其方法同1。6、测量机床立柱与滑座结合部16在X、Z方向的相对位移量将座体9吸在立柱上，电涡流传感器探头1调整至滑座附近的X方向与Z方向，其方法同1。7、测量机床床身与地基结合部17在Z方向的相对位移量将座体9吸在床身上， 电涡流传感器探头1调整至地基垫铁附近的Z方向，其方法同1。由上述的安装位置与方法即可得到电涡流传感器位移量信号，下面简述实验装置的简单原理。电涡流式位移传感器的特点在于它可以实现不接触式测试，不接触式属于相对式机械接受，但它与被测对象并无直接的机械连接。它最大的优点在于它线性度好，在其线性范围内，灵敏度不随初始安装间隙而改变，这个测量带来极大的方便，因而得到广泛的应用。在传感器的输出端能得到的信号是经动态间隙d的载波信号。这一载波电压经高频放大后，送入检波电路，最后输出正比于间隙变化的一般电压信号U。输出电压u的平局值 um对应于平均间隙dm，电压u的波动部分对应于振动间隙，也即对应于测量对象沿传感器轴线方向的振动位移。如上所述，电涡流传感器的间隙-电压曲线是指间隙d为横坐标，以前置器的输出电压U为纵坐标所得到的曲线，如图9所示。间隙电压灵敏度是指在线性范围内，输出电压增量与间隙增量之比，即间隙电压灵敏度5 = (V/mm)或(mV/ μ m)
Ad取出各个电涡流传感器测试的位移量数值，通过比较各个数值大�。梢耘卸铣龃笮突财敉Ｋ布洌鞲鼋岷喜慷杂诘都獾阄灰屏康墓毕琢浚部梢酝ü虻サ募负文Ｐ停� 由结合部位移量折算出机床刀尖点的位移量。也可按照不同的需要，通过各个结合部相对位移量的数值，计算所关心的问题。如以大型铣床为例，计算结合部在Z方向对刀尖点的贡献量，中各个参数含义为Ll 刀尖点重心距立柱中心距离；L2 横梁X向静压导轨面到刀尖点中心的距离；L3 溜板上下油垫Z向的距离；L4 立柱X向静压导轨面到刀尖点中心的距离；L5 横梁上下油垫Z向的距离；Sl 立柱距滑座前端距离S2:立柱X向长度S3 立柱距滑座后端距离La 1号油垫中心与滑座前端的X向距离；Lb 8号油垫中心与滑座后端的X向距离；
以上参数可经测试得到，设刀尖点处Z向变形量为e3，则以下为机床中几个结合部对刀尖点Z向位移量的贡献量，其中ei、e2分别为滑座1号油垫与滑座8号油垫Z向变形，其数值可经过测试得到。(1)、滑座与立柱结合部对刀尖点处贡献量e3 =-tilti-χ I1
S1+S2+S3-La- Lb(2)、横梁与溜板结合部对刀尖点处贡献量如果:eie2( 0e -MlNx,
1
'3如果eiii2彡 0e, = ^-~6^-XL
h(3)、横梁立柱处结合部对刀尖点处贡献量
权利要求
1.机床结合部对刀尖点位移量的测试装置，主要由电涡流传感器探头(1)、螺母O)、 微调垫片(3)、螺钉G)、连杆与微调垫片固定夹(5)、连杆与支柱固定夹(6)、连杆(7)、支柱(8)、座体(9)、调整螺丝(10)、电涡流前置、电涡流前置电源、数据采集前端及计算机组成；其特征在于电涡流传感器探头(1)的安装杆上有螺纹，电涡流传感器探头(1)穿过矩形微调垫片( 上的通孔，一个位于电涡流传感器探头(1)的安装杆上的定位螺母O)与微调垫片( 后侧接触，一个位于电涡流传感器探头(1)的安装杆上的定位螺母( 与微调垫片( 前侧接触；微调垫片( 的另一个通孔上有螺钉(4)穿过，螺钉(4)拧紧固定于连杆与微调垫片固定夹( 和微调垫片( 之间，连杆与微调垫片固定夹( 可通过螺钉 (4)固定于连杆(7)的任意位置；连杆与微调垫片固定夹( 另一通孔上有连杆(7)穿过， 连杆(7)的另一端穿过调整螺丝(10) —侧的通孔，支柱(8)的上端穿过连杆与支柱固定夹 (6)与上述通孔相垂直一侧的通孔，调整螺丝(10)的螺杆穿过连杆与支柱固定夹(6)水平通孔，通过拧紧调整螺丝(10)可以调节连杆(7)在支柱(8)上的相对位置与旋转角度，支柱(8)下端连接座体(9)；座体(9)的底面和侧面内部安装有可使其吸附于机床结合部的电磁铁，座体(9)的一个侧面安装有控制电磁铁的开关；电涡流传感器探头(1)与电涡流前置电源分别连接至电涡流前置上，电涡流前置与数据采集前端相连，数据采集前端与计算机相连，将采集信号送给计算机。
2.根据权利要求1所述的机床结合部对刀头位移量的测试装置，其特征在于上述的微调垫片( 为长方形薄片，具有两个通孔两通孔中心位于微调垫片( 纵向中心线，左右并列分布于微调垫片( 上，左侧为直径较小的通孔，右侧为直径较大的通孔；通过小孔中的螺钉(4)拧紧连杆与微调垫片固定夹( ，电涡流传感器探头(1)穿过大孔并由两个螺母(2)固定在微调垫片C3)前后，通过两个螺母的摩擦相互拧紧，在调节电涡流传感器探头 (1)与被测物体的间隙时，微调垫片(3)可通过调节螺母O)改变其间隙大小。
3.根据权利要求1所述的大型机床结合部对刀尖点位移量的测试装置，其特征在于 所述的微调垫片(3)由铝合金材料制成。
4.根据权利要求1所述的机床结合部对刀尖点位移量的测试装置，其特征在于其数据采集前端连接多个电涡流传感器探头(1)同时进行测量。
5.根据权利要求1所述的机床结合部对刀尖点位移量的测试装置，其特征在于电涡流传感器探头(1)有水平与竖直不同关系的放置结构。
全文摘要
机床结合部对刀尖点位移量的测试装置涉及一种位移测量装置，能够测试机床在启停状态下各个结合部对刀尖点的位移量。它主要由电涡流传感器探头(1)、螺母(2)、微调垫片(3)、螺钉(4)、连杆与微调垫片固定夹(5)、连杆与支柱固定夹(6)、连杆(7)、支柱(8)、座体(9)、调整螺丝(10)、电涡流前置、电涡流前置电源、数据采集前端及计算机组成。由于机床各结合部数目多，且结构复杂，本装置可以同时按需求接通多个电涡流传感器，安装方便。本装置可以在机床启停瞬间时测得各个结合部对机床刀头在水平方向(X、Y)与竖直方向(Z)位移量的数值，而且能够辨别出各个结合部在对机床刀头位移量影响中所占的比例。该装置具有测试效果精度高，线性度高，操作简单方便，故障率低等特点。
文档编号G01B7/02GK102401627SQ20111023518
公开日2012年4月4日 申请日期2011年8月16日 优先权日2011年8月16日
发明者宋斌, 宋晓伟, 王峰, 蔡力钢, 郭铁能 申请人:北京工业大学
专业数控铣床产品供应商
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