CN101871851B - 一种五轴联动机床加载试验装置 - Google Patents

Abstract

一种五轴联动机床加载试验装置，它是由并联加载机构和控制***两大部分组成，它们之间的位置连接关系是：并联加载机构的静平台固定在机床工作台上，动平台与机床主轴固连，六根连杆通过球铰连接动、静平台，并使动平台相对于静平台产生加载运动，向机床主轴加载，控制***操控并联加载机构。所述并联加载机构由球铰、活动平台、连杆、静平台组成，它们之间的位置连接关系是：静平台通过6个球铰与6根连杆的一端连接，连杆的另一端再通过6个球铰与动平台连接。所述控制***包括加载运动控制器、加载执行器、加载驱动器、力传感器和位移传感器。本发明能得到机床在模拟工作状况下的可靠性参数，为进一步改进机床的性能提供了试验依据。

Description

一种五轴联动机床加载试验装置

(一)技术领域

本发明涉及一种五轴联动机床加载试验装置，属于机床可靠性实验技术领域。

(二)背景技术

数控机床是当代机械制造业的主流设备，中国机床市场上高档机床还主要依赖进口，影响国产机床竞争力的主要原因是产品质量，而国产机床最主要的质量问题之一是产品的可靠性。大多数国产数控机床在功能和性能等方面一般都能满足用户的要求，且在价格、售后服务方面还有一定优势，但在产品可靠性方面，却差距很大。用户在选购数控装备时，不仅关注产品是否具备所需的性能或功能，但更为关注的是性能或功能的维持性，极为关注产品在全寿命周期中的表现，强调产品在使用和运行中的质量，即数控机床的可靠性。

传统机床的产量大，其可靠性一般通过工厂使用一段时间后将记载下的大量数据反馈回来后，通过采用常用的可靠性数据分析方法而得出。但对于现在日趋广泛应用的小批量多品种五轴数控联动机床的可靠性则无法得出。主要原因在于其生产量小。可靠性数据的分析方法几乎均建立在大量数据分析基础之上，所以对其可靠性无法求得。这为顾客在选购机床及后续考量生产成本时均带来很大的风险。无论是传统机床和五轴联动数控机床一旦在顾客购买前确定其可靠性，不但使企业降低生产成本，也会提早发现机床在使用过程中出现的问题，加以改进从而促进机床的发展。数控机床的可靠性试验之一为加载试验。目前国内并没有此方面的技术能力。加载试验是在模拟工作状态下，对机床施加至少超过正常使用的载荷，以此来考察机床的可靠性。

针对上述无法通过大量的反馈数据对机床进行可靠性分析的情况下，可以借用并联机构对机床进行可靠性试验之一的机床加载试验。当前，并联机构在数控机床、装配机器人、飞船对接、微型机器人等领域中得到一定程度的应用。并联机构的研究已越来越深入。并联机构具有刚度大，结构稳定紧凑，承载能力强，动态响应好，精度高等优点。并联机床的应用证明该机构的优点得到认可和发挥。并联机构用于机床的加载试验，与并联机床中使用的并联机构类似，区别在于将并联机构的活动平台与机床主轴相连，活动平台在机床主轴主动运动的驱动下做从动运动。并联机构各支链为加载单元，通过对各支链的加载实现对机床施加不同的载荷，从而考察机床主轴的可靠性。并联机构已成功用于各种多自由度实验台和多轴机床，可以实现精确的运动，承受多向力载荷，说明并联机构应用于加载试验是可行的，但将其应用于机床的加载试验仍未有先例。

(三)发明内容

1、目的：本发明提供一种五轴联动机床加载试验装置，以弥补现在机床加载试验手段的不足。该装置可以真实的模拟机床在工作状态下的受力状况，因而可以测试在模拟工作载荷状况下连续工作的可靠性。装置的工作原理是：机床主轴的主动运动带动并联机构的活动平台做从动运动，活动平台与静平台经6根连杆相连，连杆产生的伸缩或移动使得活动平台运动，并向机床主轴施加载荷。

2、技术方案：本发明一种五轴联动机床加载试验装置，该装置由并联加载机构和控制***两大部分组成，它们之间的位置连接关系是：并联加载机构的静平台固定在机床工作台上，并联加载机构的动平台与机床主轴固连，其连杆通过球铰连接动、静平台，并使动平台相对于静平台产生加载运动，向机床主轴加载；控制***操控并联加载机构。

所述并联加载机构由球铰、活动平台、连杆、静平台组成，它们之间的位置连接关系是：静平台通过球铰与连杆的一端连接，连杆的另一端再通过球铰与动平台连接。

其中，该连杆的数量是6套，该球铰的数量是12件；

该并联加载机构采用商品U型直线电机驱动，直线电机静子与静平台一侧的球铰连接，直线电机动子与动平台一侧的球铰连接；并在静子基座上安装商品滚动导轨，在动子上安装滑块，以保证静、动子的相对运动精度。

该并联加载机构的整体结构分为两种形式：

1)6-PSS结构：见图1，它是由6个移动副-球铰-球铰组成，它们之间的位置连接关系是：各固定长度的连杆一端与活动平台通过六个球铰连接，另一端通过球铰各连接在一个滑座上，六个滑座通过移动副在三根相互平行的导轨上滑动，导轨与矩形板材的静平台固定连接。滑座的移动是由加载执行器带动实现加载，最终通过各支链和活动平台对机床主轴施加载荷。这种结构在导轨方向有较大的工作空间，适于对双摆头龙门式机床、或其它单向行程较大的机床进行加载实验。

2)6-SPS结构：见图2，它是由6个球铰-移动副-球铰组成组成，它们之间的位置连接关系是；6个长度可伸缩的连杆两端分别与活动平台、静平台通过球铰连接。杆长的伸缩是由加载执行器带动实现加载，最终通过活动平台对机床主轴施加载荷。这种结构在各方向的运动空间基本相等，适于对摇篮式双转台机床、或其它各向行程基本相等的机床进行加载实验。

该球铰是市购产品或自制；

该活动平台是轴对称的不等边六边形板材，每一角处安装一个球铰。

该连杆是两种形式：1、固定杆件式(见图1)；2、套筒伸缩式(见图2)

该静平台是两种形式：1、矩形板材式(见图1)；2、不等边六边形板材式(见图2)。

所述控制***包括加载运动控制器、加载执行器、加载驱动器、力传感器和位移传感器。它们之间的位置连接关系是：加载运动控制器和加载驱动器安装在控制柜里，加载执行器(即直线电机)本身具有位移传感器，力传感器安装在连杆与动平台一侧的球铰之间，监测连杆上的拉压力。

该加载运动控制器包括商品工业控制计算机、商品控制板卡和购买控制板卡时附带的控制***软件，加载运动控制器根据输入的控制指令和反馈信号进行运算，向各加载支链发出加载控制指令。

该加载执行器采用直线电机驱动，使加载机构6个支链的移动副产生加载位移和加载力。

该加载驱动器采用商品直线电机驱动器，与作为加载执行器的直线电机配套购买。其功能是将加载运动控制器的控制信号进行功率放大，驱动加载执行器实施加载功能。

该力传感器采用商品拉压式力传感器，它安装在每个加载支链上，用于测量支链上的单自由度力，并向加载运动控制器反馈力信号。

该位移传感器就是购买直线电机时配套的光栅尺，它安装在每个加载支链上，用于测量支链上的位移，并向加载运动控制器反馈位移信息。

3、优点及功效：本发明涉及一种机床可靠性加载试验机试验方法及其装置，采用并联机构对被测机床施加多维力，其优点在于：在尽可能符合实际载荷环境下对机床进行多维力测试，得到机床在模拟工作状况下的可靠性参数。对于明确机床的可靠性及进一步改进机床的性能提供了试验依据。

(四)附图说明

图16-PSS加载试验机结构简图

图26-SPS加载试验机结构简图

图3控制***组成不意图

图中具体标号说明如下：

1、静平台          2、导轨        3、滑座         4、球铰

5、连杆            6、活动平台

(五)具体实施方式

本发明一种五轴联动机床加载试验装置，该装置由并联加载机构和控制***两大部分组成，它们之间的位置连接关系是：加载机构的静平台固定在机床工作台上，动平台与机床主轴固连，六根连杆连接动、静平台，并使动平台相对于静平台产生加载运动，向机床主轴加载。控制***操控并联加载机构。

所述并联加载机构由球铰、活动平台、连杆、静平台组成，它们之间的位置连接关系是：静平台通过6个球铰与6根连杆的一端连接，连杆的另一端再通过6个球铰与动平台连接。

其中，该连杆的数量是6套，该球铰的数量是12件；

该并联加载机构采用商品U型直线电机驱动，直线电机静子与静平台一侧的球铰连接，直线电机动子与动平台一侧的球铰连接；并在静子基座上安装商品滚动导轨，在动子上安装滑块，以保证静、动子的相对运动精度。

该并联加载机构的整体结构分为两种形式：

1)6-PSS结构：见图1，它是由6个移动副-球铰-球铰组成，它们之间的位置连接关系是：各固定长度的连杆一端与活动平台通过六个球铰连接，另一端通过球铰各连接在一个滑座上，六个滑座通过移动副在三根相互平行的导轨上滑动，导轨与矩形板材的静平台固定连接。滑座的移动是由加载执行器带动实现加载，最终通过各支链和活动平台对机床主轴施加载荷。这种结构在导轨方向有较大的工作空间，适于对双摆头龙门式机床、或其它单向行程较大的机床进行加载实验。

2)6-SPS结构：见图2，它是由6个球铰-移动副-球铰组成组成，它们之间的位置连接关系是；6个长度可伸缩的连杆两端分别与活动平台、静平台通过球铰连接。杆长的伸缩是由加载执行器带动实现加载，最终通过活动平台对机床主轴施加载荷。这种结构在各方向的运动空间基本相等，适于对摇篮式双转台机床、或其它各向行程基本相等的机床进行加载实验。

该球铰是市购产品或自制；

该活动平台是轴对称的不等边六边形板材，每一角处安装一个球铰。

该连杆是两种形式：1、固定杆件式(见图1)；2、套筒伸缩式(见图2)

该静平台是两种形式：1、矩形板材式(见图1)；2、不等边六边形板材式(见图2)。

见图3，所述控制***包括加载运动控制器、加载执行器、加载驱动器、力传感器和位移传感器。它们之间的位置连接关系是：加载运动控制器和加载驱动器安装在控制柜里，加载执行器(即直线电机)本身具有位移传感器，力传感器安装在连杆与动平台一侧的球铰之间，监测连杆上的拉压力。

该加载运动控制器包括商品工业控制计算机、商品控制板卡PMAC和购买控制板卡时附带的控制***软件，加载运动控制器根据输入的控制指令和反馈信号进行运算，向各加载支链发出加载控制指令。

该加载执行器采用直线电机驱动，使加载机构6个支链的移动副产生加载位移和加载力。

该加载驱动器采用商品直线电机驱动器Danaher直线电机，与作为加载执行器的直线电机配套购买。其功能是将加载运动控制器的控制信号进行功率放大，驱动加载执行器实施加载功能。

该力传感器采用商品拉压式力传感器，它安装在每个加载支链上，用于测量支链上的单自由度力，并向加载运动控制器反馈力信号。

该位移传感器就是购买直线电机时配套的光栅尺，它安装在每个加载支链上，用于测量支链上的位移，并向加载运动控制器反馈位移信息。

下面将对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

1、并联加载机构

并联加载机构共由这样几部分组成：并联支链加载单元(共6套)、球铰(共12件)、活动平台。各支链加载单元通过加载执行器加载，并联机构的整体结构分为两种形式：

1)6-PSS结构(即6个移动副-球铰-球铰组成的并联机构)：各支链杆长固定，一端与活动平台通过六个球铰安装，另一端通过球铰各安在一个滑座上，每两个滑座共用一根导轨，六个滑座在三根相互平行的导轨上滑动，导轨与静平台固定连接。导轨滑座可采用直线滚动导轨副制造，加载执行器采用直线电机，滑座的移动是由直线电机直接带动，最终通过各支链和活动平台对机床施加多维力载荷。这种结构在导轨方向有较大的工作空间，只受导轨长度限制，适于对双摆头龙门式机床、或其它单向行程较大的机床进行加载实验。当对龙门式机床进行加载实验时，静平台装在机床工作台上，活动平台通过专用工装与双摆头固联。

2)6-SPS结构(即6个球铰-移动副-球铰组成的并联机构)：各连杆两端分别与动、静平台通过球铰连接。支链杆长可以伸缩，当加载执行器是气动或液压驱动时，伸缩运动由气缸或液压缸带动；加载执行器是直线电机，杆长的伸缩是由直线电机带动，最终通过活动平台对机床施加多维力载荷。这种结构在各方向的运动空间基本相等，适于对摇篮式双转台机床、或其它各向行程基本相等的机床进行加载实验。当对摇篮式双转台机床加载时，静平台安装在C轴平台上，活动平台通过专用工装与主轴固联。

2、控制***

加载运动控制器包括控制计算机、控制板卡和控制***软件。计算机采用工控机，控制板卡插在工控机的I/O扩展槽中。控制软件安装并运行在计算机上。控制器根据输入的控制指令和反馈信号进行并联机构逆解求解，进行各加载支链运动分配的运算，向各加载支链发出加载控制指令。

加载驱动器将控制器的控制信号进行功率放大，驱动加载执行器实施加载功能。当加载执行器为气动或液压缸时，驱动器为气动或液压伺服阀；当执行器为伺服电机时驱动器为伺服电源。

加载执行器在加载驱动器的驱动下使加载机构6个支链的移动副产生加载位移和加载力，每个支链上装有力传感器和位移传感器，分别用于测量支链上的单自由度力和滑动/伸缩位移，并向加载运动控制器反馈力信号和位移信号。以电机为加载执行器时，可直接利用伺服电机自带的旋转编码器或光栅尺作为位移传感器；以气动缸、液压缸为加载执行器时，每个移动副上设置一个直线位移传感器。

Claims (1)

1.一种五轴联动机床加载试验装置，其特征在于：该装置由并联加载机构和控制***两大部分组成，它们之间的位置连接关系是：并联加载机构的静平台固定在机床工作台上，并联加载机构的动平台与机床主轴固连，六根连杆通过球铰连接动、静平台，并使动平台相对于静平台产生加载运动，向机床主轴加载；控制***操控并联加载机构；

所述并联加载机构由球铰、动平台、连杆、静平台组成，它们之间的位置连接关系是：静平台通过6个球铰分别与6根连杆的一端连接，连杆的另一端再分别通过6个球铰与动平台连接；

其中，该连杆的数量是6套，该球铰的数量是12件；

该并联加载机构采用商品U型直线电机驱动，直线电机静子与静平台一侧的球铰连接，直线电机动子与动平台一侧的球铰连接；并在静子基座上安装商品滚动导轨，在动子上安装滑块，以保证静子、动子的相对运动精度；

该并联加载机构的整体结构分为两种形式：

1)6-PSS结构：连杆为固定杆件式，静平台为矩形板材式；各连杆杆长固定，一端与动平台通过六个球铰安装，另一端通过球铰各安在一个滑座上，每两个滑座共用一根导轨，六个滑座在三根相互平行的导轨上滑动，导轨与静平台固定连接；导轨滑座采用直线滚动导轨副制造，加载执行器采用直线电机，滑座的移动是由直线电机直接带动，最终通过各连杆和动平台对机床施加多维力载荷；这种结构在导轨方向有较大的工作空间，只受导轨长度限制，适于对双摆头龙门式机床；

2)6-SPS结构：连杆为套筒伸缩式，静平台为不等边六边形板材式；各连杆两端分别与动、静平台通过球铰连接；连杆杆长可以伸缩，加载执行器采用直线电机，杆长的伸缩是由直线电机带动，最终通过动平台对机床施加多维力载荷；这种结构在各方向的运动空间基本相等，适于对摇篮式双转台机床；

该动平台是轴对称的不等边六边形板材，每一角处安装一个球铰；

所述控制***包括加载运动控制器、加载执行器、加载驱动器、力传感器和位移传感器；它们之间的位置连接关系是：加载运动控制器和加载驱动器安装在控制柜里，加载执行器本身具有位移传感器，力传感器安装在连杆与动平台一侧的球铰之间，监测连杆上的拉压力；

加载运动控制器包括控制计算机、控制板卡和控制***软件；计算机采用工控机，控制板卡插在工控机的I/O扩展槽中；控制***软件安装并运行在计算机上；加载运动控制器根据输入的控制指令和反馈信号进行并联机构逆解求解，进行各加载连杆运动分配的运算，向各加载连杆发出加载控制指令；

加载执行器在加载驱动器的驱动下使并联加载机构6个连杆的移动副产生加载位移和加载力，每个连杆上装有力传感器和位移传感器，分别用于测量连杆上的单自由度力和滑动/伸缩位移，并向加载运动控制器反馈力信号和位移信号；以电机为加载执行器，直接利用伺服电机自带的旋转编码器或光栅尺作为位移传感器；

加载驱动器将加载运动控制器的控制信号进行功率放大，驱动加载执行器实施加载功能；加载执行器为伺服电机，加载驱动器为伺服电源；

该力传感器采用商品拉压式力传感器，它安装在每个加载连杆上，用于测量连杆上的单自由度力，并向加载运动控制器反馈力信号；

该位移传感器就是购买直线电机时配套的光栅尺，它安装在每个加载连杆上，用于测量连杆上的位移，并向加载运动控制器反馈位移信息。

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