本發(fā)明屬于精密測量中的主軸回轉(zhuǎn)誤差測量，具體涉及一種壓電加載模擬切削力的主軸動態(tài)誤差測量系統(tǒng)及方法

背景技術(shù)：

1、機(jī)床作為衡量國家現(xiàn)代化加工技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一，在生產(chǎn)制造中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)階段我國在航空航天、電子信息、船舶及海洋工程和汽車零部件制造等關(guān)鍵領(lǐng)域，對高端數(shù)控機(jī)床都提出了微納米級精度的要求，這更加凸顯機(jī)床誤差控制的重要性。

2、有實驗研究表明，在車削加工中，主軸回轉(zhuǎn)誤差對加工零件的精度影響較大，占所有影響因素的30％-70％。理想的回轉(zhuǎn)運動只包含一個轉(zhuǎn)動自由度，但實際回轉(zhuǎn)運動往往具備6個自由度，除z軸的旋轉(zhuǎn)運動外均為誤差運動，誤差運動的三種誤差形式分別為徑向回轉(zhuǎn)誤差、傾角誤差、軸向誤差。目前，針對上述三種誤差形式的研究大部分屬于理論分析、仿真預(yù)測與基于空載狀態(tài)的精度檢測，研究得出的主軸回轉(zhuǎn)精度難以反映機(jī)床主軸在真實切削工況下的實際回轉(zhuǎn)精度，而結(jié)合實驗考慮轉(zhuǎn)速、溫升、工件預(yù)緊力以及外載荷等影響因素的研究較少。因此，有必要對加載模擬切削力的主軸動態(tài)誤差進(jìn)行測量。

3、目前針對利用機(jī)器視覺來檢測載荷工況下主軸動態(tài)誤差的場合，一般需要多個施力裝置，當(dāng)需要改變施力方向和施力角度時，重新對檢測平臺進(jìn)行搭建可能導(dǎo)致檢測結(jié)果出現(xiàn)誤差。同時，施加軸向模擬載荷的施力裝置在工作過程中往往會遮擋主軸的端面，進(jìn)而導(dǎo)致難以采集從主軸端面出射激光的光軌跡，這對于以機(jī)器視覺采集主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差的檢測方案造成了困難。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種壓電加載模擬切削力的主軸動態(tài)誤差測量系統(tǒng)及方法，通過一個施力點實現(xiàn)同時模擬主軸在切削中受到的徑向載荷與軸向載荷，實現(xiàn)對主軸工作狀態(tài)下動態(tài)誤差的精準(zhǔn)檢測。

2、第一方面，本發(fā)明提供一種壓電加載模擬切削力的主軸動態(tài)誤差測量系統(tǒng)，其包括主體承載機(jī)構(gòu)、加載模擬機(jī)構(gòu)和光軌跡采集模塊。所述主體承載機(jī)構(gòu)包括基礎(chǔ)軸、加載軸承結(jié)構(gòu)、靶標(biāo)器和激光器。所述基礎(chǔ)軸用于連接被測主軸。加載軸承結(jié)構(gòu)的內(nèi)圈安裝在基礎(chǔ)軸上。所述加載軸承結(jié)構(gòu)的外圈上固定有承載球頭。所述激光器通過靶標(biāo)器安裝在基礎(chǔ)軸上。所述激光器出射的激光相對于基礎(chǔ)軸的軸線偏心設(shè)置。所述光軌跡采集模塊用于采集激光器出射的激光隨基礎(chǔ)軸旋轉(zhuǎn)的光軌跡。

3、所述加載模擬機(jī)構(gòu)包括推力施加組件。所述推力施加組件用于向所述加載軸承結(jié)構(gòu)上的承載球頭施加推力；所述推力施加組件施加的推力方向與基礎(chǔ)軸軸線相交且角度能夠調(diào)節(jié)。

4、作為優(yōu)選，所述加載模擬機(jī)構(gòu)包括圓弧導(dǎo)軌、滑移組件、高度調(diào)節(jié)組件和推力施加組件。所述滑移組件滑動連接在圓弧導(dǎo)軌上；所述圓弧導(dǎo)軌的圓心與承載球頭的球心在同一豎直軸線上。所述推力施加組件通過高度調(diào)節(jié)組件安裝在滑塊主體上。

5、作為優(yōu)選，所述高度調(diào)節(jié)組件包括調(diào)整架和底座。所述調(diào)整架與底座沿著豎直方向滑動連接能夠在不同位置鎖緊。所述推力施加組件包括力傳感器、導(dǎo)向支座和壓電驅(qū)動器；所述導(dǎo)向支座固定在調(diào)整架上。壓電驅(qū)動器安裝在導(dǎo)向支座上。壓電驅(qū)動器的軸線與經(jīng)過圓弧導(dǎo)軌圓心的豎直軸線垂直相交。所述力傳感器固定在調(diào)整架上，用于檢測壓電驅(qū)動器輸出的推力。工作過程中，壓電驅(qū)動器的端部抵住加載軸承結(jié)構(gòu)上的承載球頭。

6、作為優(yōu)選，所述滑移組件包括轉(zhuǎn)向塊、滾輪、滑塊主體和轉(zhuǎn)軸。兩個轉(zhuǎn)向塊的中部與滑塊主體底面的兩個不同位置分別構(gòu)成轉(zhuǎn)動副。兩個轉(zhuǎn)向塊底面的兩端均轉(zhuǎn)動連接有兩個滾輪。同一轉(zhuǎn)向塊上的兩個滾輪與圓弧導(dǎo)軌的相反側(cè)分別滾動連接。

7、作為優(yōu)選，所述激光器安裝在靶標(biāo)器外端面中部的安裝凹槽中。安裝凹槽的開口處安裝有硅片。硅片上開設(shè)有透光孔。所述透光孔軸線與基礎(chǔ)軸的軸線相互平行且間距為5μm～15μm。

8、作為優(yōu)選，所述主體承載機(jī)構(gòu)還包括安裝基座；所述基礎(chǔ)軸為階梯軸；加載軸承結(jié)構(gòu)、安裝基座沿著遠(yuǎn)離階梯面的方向依次排列套置在基礎(chǔ)軸的小徑軸段上。

9、作為優(yōu)選，所述主體承載機(jī)構(gòu)還包括彈性墊圈；所述彈性墊圈設(shè)置在加載軸承結(jié)構(gòu)的內(nèi)圈與基礎(chǔ)軸的階梯面之間。

10、作為優(yōu)選，所述承載球頭與加載軸承結(jié)構(gòu)外圈的外圓周面上通過連接桿固定。

11、第二方面，本發(fā)明提供一種主軸動態(tài)誤差測量方法，其使用前述的主軸動態(tài)誤差測量系統(tǒng)；該主軸動態(tài)誤差測量方法包括以下步驟：

12、步驟一、將所述主體承載機(jī)構(gòu)固定到被測主軸上并調(diào)節(jié)同軸度；通過高度調(diào)節(jié)組件調(diào)節(jié)推力施加組件的高度，使得推力施加組件抵住加載軸承結(jié)構(gòu)上的承載球頭。

13、步驟二、調(diào)節(jié)滑移組件在圓弧導(dǎo)軌的位置，使得推力施加組件對承載球頭施加的推力方向與主軸工作過程中切削力的施加方向一致。

14、步驟三、主軸帶動主體承載機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，推力施加組件對承載球頭施加與切削力對應(yīng)的推力；使用光軌跡采集模塊采集主體承載機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動過程中出射激光的光軌跡。

15、步驟四、根據(jù)光軌跡計算被測主軸在受到實際切削力狀態(tài)下的動態(tài)誤差。

16、作為優(yōu)選，步驟四中測得的動態(tài)誤差為主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差；獲取主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差的過程為：

17、(1)根據(jù)光軌跡上各采樣點的坐標(biāo)，計算光軌跡的擬合圓心和擬合半徑。

18、(2)取各采樣點到擬合圓心的距離與擬合半徑之間的差值作為采樣點的徑向誤差；取所有采樣點徑向誤差之間的極差作為主軸的主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差。

19、本發(fā)明具有的有益效果是：

20、1.本發(fā)明通過在主軸上套置外圈帶有承載球頭的軸承，僅利用一個施力點，實現(xiàn)了對旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的主軸施加穩(wěn)定的軸向和徑向載荷，從而準(zhǔn)確模擬切削加工過程中主軸受到的切削力載荷，使得測得的主軸動態(tài)誤差更加符合實際加工場景。

21、2.本發(fā)明基于承載球頭能夠承載不同方向推力的特點，通過圓弧形軌道調(diào)節(jié)加載模擬機(jī)構(gòu)對承載球頭的施力方向，從而能夠調(diào)節(jié)徑向載荷與軸向載荷之間的比例，更加真實地模擬實際切削中主軸受到的切削力載荷，提高檢測主軸動態(tài)誤差的檢測精度。

22、3.本發(fā)明在加載模擬機(jī)構(gòu)中設(shè)置高度調(diào)節(jié)組件，通過推力施加組件的高度，使得施力方向精準(zhǔn)通過主軸的軸線，確保施加的推力能夠被完全分解為徑向力和軸向力；同時，對推力施加組件的高度調(diào)節(jié)使得本發(fā)明能夠適應(yīng)不同型號和規(guī)格的主軸。并且，高度調(diào)節(jié)組件的調(diào)節(jié)方式為可調(diào)節(jié)腰孔連接，調(diào)節(jié)固定過程方便快捷。

23、附圖說明

24、圖1為本發(fā)明實施例1的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

25、圖2為本發(fā)明實施例1中加載模擬機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

26、圖3為本發(fā)明實施例1中圓弧導(dǎo)軌與滑移組件的滑動連接示意圖。

27、圖4為本發(fā)明實施例1中圓弧導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)示意圖。

28、圖5為本發(fā)明實施例1中主體承載機(jī)構(gòu)與光軌跡采集模塊的相對位置示意圖。

29、圖6為本發(fā)明實施例2中主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差的測量原理圖。

技術(shù)特征：

1.一種壓電加載模擬切削力的主軸動態(tài)誤差測量系統(tǒng)，包括主體承載機(jī)構(gòu)和光軌跡采集模塊；其特征在于：還包括加載模擬機(jī)構(gòu)；所述主體承載機(jī)構(gòu)包括基礎(chǔ)軸(14)、加載軸承結(jié)構(gòu)(16)、靶標(biāo)器(18)和激光器(19)；所述基礎(chǔ)軸(14)用于連接被測主軸；加載軸承結(jié)構(gòu)(16)的內(nèi)圈安裝在基礎(chǔ)軸(14)上；所述加載軸承結(jié)構(gòu)(16)的外圈上固定有承載球頭；所述激光器(19)通過靶標(biāo)器(18)安裝在基礎(chǔ)軸(14)上；所述激光器(19)出射的激光相對于基礎(chǔ)軸(14)的軸線偏心設(shè)置；所述光軌跡采集模塊用于采集激光器(19)出射的激光隨基礎(chǔ)軸(14)旋轉(zhuǎn)的光軌跡；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓電加載模擬切削力的主軸動態(tài)誤差測量系統(tǒng)，其特征在于：所述加載模擬機(jī)構(gòu)包括圓弧導(dǎo)軌(1)、滑移組件、高度調(diào)節(jié)組件和推力施加組件；所述滑移組件滑動連接在圓弧導(dǎo)軌(1)上；所述圓弧導(dǎo)軌(1)的圓心與承載球頭的球心在同一豎直軸線上；所述推力施加組件通過高度調(diào)節(jié)組件安裝在滑塊主體(4)上。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種壓電加載模擬切削力的主軸動態(tài)誤差測量系統(tǒng)，其特征在于：所述高度調(diào)節(jié)組件包括調(diào)整架(7)和底座(6)；所述調(diào)整架(7)與底座(6)沿著豎直方向滑動連接能夠在不同位置鎖緊；所述推力施加組件包括力傳感器(8)、導(dǎo)向支座(9)和壓電驅(qū)動器(10)；所述導(dǎo)向支座(9)固定在調(diào)整架(7)上；壓電驅(qū)動器(10)安裝在導(dǎo)向支座(9)上；壓電驅(qū)動器(10)的軸線與經(jīng)過圓弧導(dǎo)軌(1)圓心的豎直軸線垂直相交；所述力傳感器(8)固定在調(diào)整架(7)上，用于檢測壓電驅(qū)動器(10)輸出的推力；工作過程中，壓電驅(qū)動器(10)的端部抵住加載軸承結(jié)構(gòu)(16)上的承載球頭。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種壓電加載模擬切削力的主軸動態(tài)誤差測量系統(tǒng)，其特征在于：所述滑移組件包括轉(zhuǎn)向塊(2)、滾輪(3)、滑塊主體(4)和轉(zhuǎn)軸(5)；兩個轉(zhuǎn)向塊(2)的中部與滑塊主體(4)底面的兩個不同位置分別構(gòu)成轉(zhuǎn)動副；兩個轉(zhuǎn)向塊(2)底面的兩端均轉(zhuǎn)動連接有兩個滾輪(3)；同一轉(zhuǎn)向塊(2)上的兩個滾輪(3)與圓弧導(dǎo)軌(1)的相反側(cè)分別滾動連接。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓電加載模擬切削力的主軸動態(tài)誤差測量系統(tǒng)，其特征在于：所述激光器(19)安裝在靶標(biāo)器(18)外端面中部的安裝凹槽中；安裝凹槽的開口處安裝有硅片(20)；硅片(20)上開設(shè)有透光孔；所述透光孔軸線與基礎(chǔ)軸(14)的軸線相互平行且間距設(shè)置。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓電加載模擬切削力的主軸動態(tài)誤差測量系統(tǒng)，其特征在于：所述主體承載機(jī)構(gòu)還包括安裝基座(17)；所述基礎(chǔ)軸(14)為階梯軸；加載軸承結(jié)構(gòu)(16)、安裝基座(17)沿著遠(yuǎn)離階梯面的方向依次排列套置在基礎(chǔ)軸(14)的小徑軸段上。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種壓電加載模擬切削力的主軸動態(tài)誤差測量系統(tǒng)，其特征在于：所述主體承載機(jī)構(gòu)還包括彈性墊圈(15)；所述彈性墊圈(15)設(shè)置在加載軸承結(jié)構(gòu)(16)的內(nèi)圈與基礎(chǔ)軸(8)的階梯面之間。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓電加載模擬切削力的主軸動態(tài)誤差測量系統(tǒng)，其特征在于：所述承載球頭與加載軸承結(jié)構(gòu)(16)外圈的外圓周面上通過連接桿固定。

9.一種主軸動態(tài)誤差測量方法，其特征在于：使用如權(quán)利要求1所述的主軸動態(tài)誤差測量系統(tǒng)；該主軸動態(tài)誤差測量方法包括以下步驟：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種主軸動態(tài)誤差測量方法，其特征在于：步驟四中測得的動態(tài)誤差為主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差；獲取主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差的過程為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種壓電加載模擬切削力的主軸動態(tài)誤差測量系統(tǒng)及方法；該測量系統(tǒng)包括主體承載機(jī)構(gòu)、加載模擬機(jī)構(gòu)和光軌跡采集模塊。主體承載機(jī)構(gòu)包括基礎(chǔ)軸、加載軸承結(jié)構(gòu)、靶標(biāo)器和激光器。所述加載軸承結(jié)構(gòu)的外圈上固定有承載球頭。加載模擬機(jī)構(gòu)包括推力施加組件。所述推力施加組件用于向所述加載軸承結(jié)構(gòu)上的承載球頭施加推力；本發(fā)明通過在主軸上套置外圈帶有承載球頭的軸承，同時對旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的主軸施加穩(wěn)定的軸向和徑向載荷。此外，本發(fā)明通過圓弧形軌道調(diào)節(jié)加載模擬機(jī)構(gòu)對承載球頭的施力方向，從而準(zhǔn)確模擬不同方向的切削力載荷，使得測得的主軸動態(tài)誤差更加符合實際加工場景，提高主軸動態(tài)誤差的檢測精度。

技術(shù)研發(fā)人員：王文,丁禹豪,趙東坡,鮑磊,董泉,張溫情
受保護(hù)的技術(shù)使用者：杭州電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8