机床静刚度测试系统的开发

第一章前言1.1静刚度测试的研究现状在外力的作用下，材料、构件或结构抵抗外力变形的能力，我们称之为刚度。

材料刚度的衡量方式是产生单位变形时所需的外力值大小。

材料的刚度取决于材料本身的弹性模量E和剪切模量G。

而结构的刚度是与其所组成的材料的刚度大小以及结构的几何形状和边界条件还有结构所受的外力的作用形式有关[1]。

静刚度测量对工艺系统和制造业有着绝对的重要性，因此对于静刚度测试系统的研究从来没有间断过。

国内传统的测试方法是在机床上安装了加载装置后,再在床头, 床尾, 床身和加力装置上安装千分表。

在实验时，通过加力装置模拟刀具对车床施加切削力, 再通过千分表, 读出刀架、床头、床尾的变形量。

再通过实验前的标定, 就可以手工计算出刚度值。

传统方法中用的千分表测量, 是机械式的, 接触式的, 在测试过程中, 千分表的反应灵敏度不高, 经常性的出现滞后现象, 因此测量的数据偏差非常大, 而且需要手工计算静刚度值和手工绘制曲线, 测量方法很落后, 不适应现代科学发展要求。

因此计算机控制的自动测控系统随之产生。

关于机床静刚度的自动测量系统，曾经有人研制过一种以单片机为核心的机床静刚度测试系统。

此测试系统只能通过LED动态的显示刚度值。

实验完毕后，再用微型打印机输出刚度曲线。

这个测试系统的适时性差，不够直观。

1.2测试系统的研究现状测试技术是测量和试验技术的总称。

随着现代生产的发展和工程科学研究对测试及其相关技术的更大的需求，推动了测试技术更加迅猛的发展，而迅速发展的现代物理学，信息科学，计算机科学，电子科学等为测试技术提供了知识和技术支持，从而促使测试技术得到极大的发展和应用[2]。

20世纪80年代，计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术飞速发展。

计算机技术与传感器技术、通信技术相互结合，测试技术与计算机技术的关系发生了根本性的变化，计算机已成为现代测试和测量系统的基础。

微处理器成为了测试系统的核心。

各仪器之间通过适当的接口用各种总线相连，以实现自动测试。

微处理器通过软件控制数据采集，多仪器组成的测试系统正常运转，并对采集的数据进行处理，最后将处理的结果存储或打印、显示输出。

随着微电子技术的不断发展，超大规模集成电路芯片（单片机）的发明，出现了智能化测量控制系统。

即以单片机为主体将计算机技术与测量控制技术结合配以相关元器件组成的智能仪器。

1.3机床静刚度测试系统开发的目的和意义随着科学技术的不断发展，工业机床向高精度和自动化方向发展,机床的刚度已然成为了提高加工精度和加工稳定性的重要因素。

一台机床的刚度数值能客观的反映机床设计、工艺和装配质量的优劣,同时也影响到零件的加工质量。

很多优秀的技术工人在加工过程中，常常为高精度产品不能达到准确的精度而头疼不已，而提高加工精度往往又要耗费大量时间，影响加工效率。

机床静刚度测试系统的开发目的是分析机床受力变形对加工精度和生产效率的影响。

机床的刚度反映了机床结构抵抗变形的能力，是衡量机床性能的重要依据。

通过此次研究设计开发，不仅掌握有关刚度理论知识，而且这次的机械设计制造是光、机、电、自动控制等多学科融合的一体化系统工程，能够锻炼分析问题和解决问题能力，为以后在实际工作中的设计开发打下扎实的基础。

总之，此次静刚度测试系统的开发课题有着重要的作用和积极的意义。

本次方案设计汲取了传统刚度测试方法的优点,在机械制造的基础上结合现今比较先进的传感技术、自动控制技术和微机测试技术,以VB软件设计编辑出数据交流平台，对机床静刚度测试系统进行了深入研究,设计开发出更为高效、高精度的自动化测试系统。

第二章总体方案设计基本了解测试系统所需要的一些功能并且分析。

机电一体化系统应有机械本体，动力单元，传感检测单元，执行驱动单元，控制与信息处理单元以及接口[3]。

通过数学模型，简要的分析静刚度测试的一些理论知识。

初步设计测试系统的软件部分和硬件部分，掌握大致框架。

2.1测试系统功能(1).通过合理的硬件安装，能够采集到误差较小的数据并能适时生成曲线；(2).通过VB软件设计出友好人机界面，并能实现手动加载和自动加载两种模式下，对机床静刚度自动适时测量。

(3).通过数据报表实现对历史数据库查询、比对并生成曲线和打印；(4).测试系统软件应有必要的详细的注释，对于快速、简便的理解程序有着重要的帮助。

2.2测试系统设计基本原理只有选择灵敏度高的传感器和平稳均匀的加载装置进行加载，才能精确测量力和位移的大小，。

对此在设计实验中选择了电阻应变片式压力传感器和电涡流位移传感器进行测量，测出信号分别通过仪表放大器和DGB-5A电感测微仪进行信号处理，均匀加载装置选择了110BYG404型步进电机。

位移和压力传感器输出的模拟信号通过A/D转换，输出数字信号。

由于测到的输出信号较小，必须要进行功率放大，而功放源为经过电源板降压、稳压、滤波处理的三相交流电，此时输出的信号带动步进电机进行工作，即步进电机在数字信号的控制下对刚性装置进行均匀加载和均匀卸载，此时刀架、头架、尾架位移随着力的均匀变化而发生均匀变化。

由力与刀架和力与头架、尾架位移比值分别得出刀架、头架和尾架的刚度[4]。

2.3数学模型在切削力的作用下，工艺系统将在各个受力方向产生相应的弯曲变形，影响最大的是误差敏感方向，所以工艺系统刚度是指切削力在加工表面法向的分力Fy 与Fx 、Fz 同时作用下产生的沿法向的变形之间的值:K系统=F y/Y系统(2-1) 它反映工艺系统抵抗引起其变形的外力的能力。

同理，机床的静刚度是指工艺系统在静态条件也就是静载荷下抵抗变形的能力：K 系统=F 法/Y 法综 (2-2)在零件的加工过程中，工艺系统各部分在切削力作用下将在各个受力方向产生相应的变形。

从对零件加工精度的影响程度来看，以加工表面法线方向的变形影响最大。

将工艺系统刚度K 系定义为零件加工表面法向分力F 系与在该力作用下，刀具在此方向上相对工件的变形位移量y 法之间的比值，即：K 系=F 法/y 法 （2-3） 在试验台的坐标系中,我们定义工件所受的刀具的切削力为P,可以将切削力P 分解，从而得到工件所受的各个方向的分力为:P x = Psin α, P y = Pcos α·sin β, P z = Pcos α·cos β （2-4）X —轴向, Y —径向, Z —垂直于XY 方向在进行机床静刚度检测时，机床前部顶尖和尾部顶尖的中间部分都是加载装置载荷的主要作用点,而此时在机床的床头、刀架、尾架的力是作用力P 在Y 方向上的分力P y ,分别为1/ 2 P y 、P y 、1/ 2 P y ,机床的床头、刀架、尾架在各自作用力下的变形分别为y 床头、y 刀架、y 尾架,刚度分别为: 床头床头床头床头床头y P y P K •==21 （2-5） 刀架刀架刀架刀架y P y P K y ==（2-6） 尾架尾架尾架尾架尾架y P y P K •==21 （2-7） 由此得出机床总的静刚度： K=1/[1/刀架K +1/4（1/尾架K +1/头架K ）] （2-8）2.4测试装置机械结构在实验过程中，我们需要运用步进电机进行加载。

加载过程中，我们通过计算机命令,发出电机加载信号，来控制步进电机运行，并且按某一速度转动,从而顺利的带动螺杆运动,实现螺杆转矩转变为轴向力，作用在了显示的扇形板上,再通过压力传感器的连接传至我们设计的模拟车刀上,实现了切削状态的模拟，从而产生我们所需要的切削力P 。

（如图2-1）图2-1 机床静刚度测试装置机械机构1.固定套2.刀架3.弓形支架4.模拟车刀5.电阻应变片式压力传感器6.扇形板7.头架顶尖8.推力螺母9.推力螺杆 10.步进电机11.顶尖12.尾座 C1、C2、C3为电涡流位移传感器2.5系统总体方案软件部分软件设计是本测试系统设计的重点部分,它包括数据采集显示、数据帅选、数据保存、数据图形打印，图形历史形成比对等功能:①测试系统能够对被测物进行数据的准确测量、分析和后期处理。

②所设计的系统操作界面要简洁，功能要齐全，操作要顺手。

③书写的程序代码需要有准确完整的注解，且程序要简洁规范。

④程序无逻辑性错误，容错性好，并且能顺利稳定的运行。

图2-2总体方案软件部分系统软件参数设置模块 测量模块 数据显示模块 数据打印模块 图形显示模块 图形打印模块 数据存储模块2.6系统总体方案硬件部分硬件设计是测试系统的设计的重要部分。

选择一些普通的常用的机械元件，装配成测头装置。

同时配合传感器，放大器，A/D转化器，步进电机等组成所需的硬件设计。

（如图2-3）图2-3总体方案硬件部分2.7本章小节本章对机床静刚度测试系统进行了整体的规划设计，结合测试系统的原理以及建立的数学模型，分别从测试系统的硬件和软件部分进行了阐述。

通过对设计原理和设计要求的分析和实验方案论证最终选定了总体方案。

并分别对软件部分和硬件部分提出了符合测试系统的一些要求。

第三章机床静刚度测试系统硬件的设计根据硬件的设计方案选择合适的传感器，并对传感器进行标定。

定下采样部分所需的元件。

初步设计驱动控制装置，选定合适的步进电机[5]。

对信号采集及抗干扰滤波等方面进行必要的分析和研究。

认真仔细的完成硬件部分的设计过程，为软件部分做好准备。

3.1硬件设计方案机床工艺系统静刚度计算机测试系统的具体设计方案如图3-1所示：图3-1 机床静刚度测试系统硬件设计方案3.2采样部分——传感器传感器的侠义定义是指：传感器是将被测某一非电量转换成与之有确定对应关系的电量输出的器件或装置。

广义定义是指从一个系统中接受功率，通常以另一种形式的功率送到第二个系统中的器件[6]。

一般情况传感器是由四个环节组成：敏感元件，传感元件，测量电路，辅助电源。

3.2.1传感器的选择变形量测量采用S2900 型电涡流位移传感器,是一种非接触式将间隙转换成电压值的传感器系统（技术参数见表3-1）。

由DGB-5A型电感测微仪进行处理。

测微仪既能连接一个传感器单独测量又能连接两个传感器作和差演算。

本次设计采用了30µm的量程，其精度为-0.5~+0.5µm。

主要参数如下：稳定度在-10~+10μm档上小于或等于1个分度值/4h；温度稳定性20～40ºC范围内小于或等于1个分度值/10ºC；电源220V50HZ；输出直流电压-1~+1V(指示表满刻度时)。

表3-1 位移传感器技术参数电涡流位移传感器只要应用于导体的静（动）态位移测量其最大量程可达数百mm，分辨率为0.1%，凡是可以变成位移的非电量都可以用电涡流传感器来完成，如材料的热膨胀系数、钢水液位、液体压力等。

由于电涡流式传感器的测量范围宽、反应速度快，可以非接触测量，故常用于在线监测[7]。