機床靜剛度的計算機輔助測量系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)*

王 翔，趙 鋼，李木軍，張世武

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 精密機械與精密儀器系，安徽 合肥 230027)

0 引 言

金屬切削機床是機械制造業(yè)的核心裝備，機床的技術(shù)性能直接影響機械制造業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率；機床的擁有量及其先進程度，標(biāo)志著國家工業(yè)生產(chǎn)能力和科技水平的高低，更是綜合國力的主要衡量指標(biāo)；而隨著其與信息技術(shù)的持續(xù)融合，數(shù)控及加工中心機床的擁有量和技術(shù)已成為制造強國的核心指標(biāo)[1]。

無論是通用機床還是數(shù)控機床，加工質(zhì)量始終是機床重要的技術(shù)性能之一。 影響加工質(zhì)量的要素很多，對于由機床-夾具-刀具-工件構(gòu)成的機械工藝系統(tǒng)來說，被稱為“工作母機”的機床性能和精度更為關(guān)鍵，特別是隨著數(shù)控加工的自動化和智能化發(fā)展，對工藝系統(tǒng)中包括機床和夾具的“機床子系統(tǒng)”要求也隨之進一步提高。 機床子系統(tǒng)除了有運動精度(主軸回轉(zhuǎn)精度、導(dǎo)軌及傳動鏈的進給運動精度)之外，還存在著抵抗外力作用彈性變形能力的剛度問題，即在切削加工中，由于切削力、傳動力、重力、慣性力等外力作用，工件與刀具之間相對正確位置將發(fā)生變化，不僅給工件造成幾何形狀和尺寸誤差以及表面精度誤差，也限制了切削用量的選擇及生產(chǎn)率的提高。 同時，隨著信息技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，計算機應(yīng)用技術(shù)與測試技術(shù)相互融合，使得測試和測量中的采樣及數(shù)據(jù)傳輸快捷而準(zhǔn)量結(jié)果快速展示，大大減少了數(shù)據(jù)處理等費時費力過程，從而便于研究者更多地去關(guān)注和分析測量對象本身的問題及相關(guān)影響。

多位研究者在機床設(shè)計制造中利用理論和建模計算等來設(shè)法提高機床的剛度[2-5]；由于機床子系統(tǒng)通常是由眾多零件組裝而成，存在著接觸剛度和負剛度等，建模計算難以有效反映機床子系統(tǒng)的不同工作狀態(tài)下剛度，故有許多學(xué)者從機床應(yīng)用角度對其主要部件剛度進行測量和分析[6-8]；然而，機床剛度作為機械制造工藝系統(tǒng)的基本屬性之一，對其測量與分析不僅是機床設(shè)計和制造中予以關(guān)注，也是機械學(xué)科教學(xué)中認知和理解機械加工漸精原理以及分析加工誤差的重點內(nèi)容[9]。 因此，筆者利用計算機輔助技術(shù)來優(yōu)化剛度測量過程，適當(dāng)結(jié)合實際應(yīng)用中機床工作狀態(tài)的變化，以涵蓋機床和夾具為一體的、具有固定誤差敏感方向的車床為載體，設(shè)計和研制包括力學(xué)量和位移量感知，模擬量采集和數(shù)字轉(zhuǎn)換，計算機的數(shù)據(jù)存儲、處理、顯示及結(jié)果打印的，軟硬件結(jié)合的機床靜剛度計算機輔助測量系統(tǒng)，來實現(xiàn)不同工況的靜剛度測量和分析，以此來有效促進對機床系統(tǒng)剛度的認知和加工精度的分析。

1 測量原理與方法

金屬切削機床是通過提供主運動和進給運動，實現(xiàn)刀具和工件之間的相對運動，進而利用刀具的材料去除原理在工件毛坯上形成一定幾何形狀表面。 故通常在機床的主運動和進給執(zhí)行部件上設(shè)置或安裝有夾持刀具和工件的夾具，這類夾具的精度和剛度對機械加工精度也有著直接影響，為此，文中將直接相關(guān)的夾具和機床歸為一體，以此機床子系統(tǒng)來綜合測量。

對于面向應(yīng)用的機床剛度的測量，目前多是進行機床靜剛度的測量，主要原理方法有單向剛度測定法和三向剛度測定法[10]。 而對于不同類型機床存在著不同的誤差敏感方向，即:在某個方向上的誤差對工件加工精度影響較大，而非誤差敏感方向的誤差對精度影響較小，甚至可以忽略。 為此，為了更有效地測量和理解機床剛度對加工精度的影響，文中選擇具有固定誤差敏感方向的普通臥式車床來構(gòu)建靜剛度測量系統(tǒng)，基于單項剛度測量原理，通過在其誤差敏感方向——水平方向施加外力，測量主要部件位移，得到載荷與變形的關(guān)系，進而計算得到相應(yīng)的工藝系統(tǒng)剛度。

1.1 車床加工的典型應(yīng)用工況

對于普通臥式車床，在車削加工回轉(zhuǎn)類零件時，其主運動為主軸部件帶動工件的回轉(zhuǎn)運動，進給運動為刀架部件帶動車刀沿工件軸向的直線運動。

由于加工對象不同，用來夾持工件的夾具也不同，通常典型應(yīng)用的工況如圖1 所示。 圖1(a)所示為利用主軸上安裝三爪卡盤來加工軸向尺寸較小的內(nèi)外圓柱面及其端、臺階面；對于加工軸向尺寸較長的工件，常利用撥盤撥爪和主軸莫式錐孔中安裝固定頂尖，并與安裝在尾座上的頂尖一起，來加工外圓柱面和端面、臺階面，如圖1(b)所示；實際生產(chǎn)中，對于較長軸類零件加工也存在著圖1(c)所示的工件安裝方式，即利用在主軸上三爪卡盤與尾座上頂尖來安裝工件。

圖1 車床加工典型工況的工件裝夾形式

不同工況下，車床的頭架和尾架結(jié)構(gòu)可靈活組合，如圖2 所示。 對于如圖1(a)、(c)所示的利用三爪卡盤夾持工件的工況，由于三爪卡盤的應(yīng)用，使得主軸部件部分與圖2(b)工況下的剛度有所變化，即主運動部件的剛度將隨著安裝工件的夾具不同而不同；為此，在剛度測量系統(tǒng)設(shè)計中將主軸部件的工件安裝整合為如圖2(a)、(b)所示結(jié)構(gòu)，即一類是在主軸錐孔直接安裝固定頂尖，另一類為在三爪卡盤中安裝頂尖的形式，并以此來滿足兩種工況下的測量。

另外，實際應(yīng)用中，安裝于尾座上的頂尖通常有固定頂尖和回轉(zhuǎn)頂尖兩種，如圖2(c)、(d)所示，顯然兩種頂尖在外力作用的剛度不同；同時，根據(jù)實際加工的需要，尾座中頂尖的懸伸長度L不同，對尾架部件的剛度也將有直接影響，如圖2(e)所示。 為此，通過變換尾座中安裝固定頂尖和回轉(zhuǎn)頂尖以及改變尾座套筒懸伸長度等不同的組合方式，以表征對不同工況下的機床子系統(tǒng)的剛度測量。

圖2 車床不同工況下可變的頭架和尾架結(jié)構(gòu)

1.2 靜剛度測量原理

機床子系統(tǒng)是有許多零件、部件按一定的連接方式和運動方式組裝起來的總體，它受力后的變形是復(fù)雜的，既有彈性變形，也有塑性變形，還有間隙和摩擦等問題。 因此，“機床子系統(tǒng)剛度”的概念不同于物理學(xué)中針對某一物體剛度的概念(物體受力作用抵抗彈性變形的能力)，它是一個廣義的剛度，可以表述為:工藝系統(tǒng)保持原有位置的能力，即外力作用下，保持刀具和工件位置關(guān)系不變。 為此，可以通過測量不同外力作用下，主要部件在作用力方向上的位移量，即可計算得到相應(yīng)的剛度。

由于車床實際應(yīng)用工況不同，車床子系統(tǒng)剛度將隨著工件安裝方式不同而變化，為此，將主運動部件的主軸箱、主軸及安裝在主軸上的頂尖或三爪卡盤定義為頭架；車床的尾座及其上安裝的頂尖定義為尾架；而將包括床身、溜板箱和安裝車刀的方刀架的進給部件統(tǒng)稱為刀架，以便構(gòu)建適應(yīng)不同工況的機床剛度測量系統(tǒng)。

選取一個短而粗的圓柱試棒(簡稱剛性芯軸:剛度足夠大，在實驗最大載荷下的變形可忽略)，并以類似圖1(b)所示工況下的簡支梁支承方式將其安裝在主軸頭架和尾架之間，在刀架上安裝一個抗壓剛度和強度足夠大的加力桿以代替刀具，并在加力桿與剛性芯軸之間設(shè)置一個測力儀。 當(dāng)加力桿在車床誤差敏感方向——水平面內(nèi)施加載荷F時，由簡支梁支承結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析可知，頭架、尾架和刀架的載荷分別為:

則對應(yīng)的頭架、尾架和刀架的位移(變形)分別為y頭架、y尾架和y刀架；車床的3 個執(zhí)行部件的平均靜剛度分別可表示為:

進一步得到車床的平均靜剛度值為:

1.3 計算機輔助測量系統(tǒng)的構(gòu)成

計算機輔助測量系統(tǒng)的任務(wù)就是利用傳感器將待測物理量輸出的模擬信號經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送入計算機對應(yīng)的軟件系統(tǒng)，并進行保存和相應(yīng)的計算處理，并將所得結(jié)果進行顯示或打印等輸出，以實現(xiàn)對物理量變化的監(jiān)視以及結(jié)果的分析。 盡管計算機輔助測量系統(tǒng)有不同類型，通常包括硬件及軟件兩個部分。為此，對于計算機輔助車床靜剛度測量系統(tǒng)，根據(jù)測量原理和方法，需要設(shè)置一個感知在誤差敏感方向?qū)C床子系統(tǒng)施加載荷量的測力傳感器，以及測量在外力作用方向上機床的頭架、尾架和刀架的位移的三個位移傳感器，并利用數(shù)據(jù)采集組件將測力傳感器和位移傳感器的信號數(shù)據(jù)化后輸入計算機，實現(xiàn)在對機床的多次加載F的同時，得到和顯示頭架、尾架和刀架的變形量y頭架、y尾架和y刀架，進而即可根據(jù)實驗數(shù)據(jù)自動繪出各部件的靜剛度。 為此，測量系統(tǒng)原理如圖3 所示。

圖3 測量系統(tǒng)原理框圖

2 測量系統(tǒng)的研制

2.1 硬件系統(tǒng)的構(gòu)建

針對面向固定敏感方向的車床靜剛度的測量，選取通用的CA6140 臥式車床為本體，在刀架及加力螺桿與剛性芯軸之間設(shè)置一個測力傳感器(SF400 型箔式測力傳感器)，用以測量加載的載荷值；對于頭架、尾架和刀架在外加載荷作用下的位移，由于是外力作用下的單一方向位移的靜態(tài)測量，故選用三臺電感測微儀(DGB-5B 型)來實現(xiàn)；而數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化和傳輸則利用多功能數(shù)據(jù)采集卡(PCI-9111 型，8 通道)來實現(xiàn)一個力學(xué)量和3 個位移量的A/D 轉(zhuǎn)換和計算機傳輸及保存。 測量系統(tǒng)實物如圖4 所示。

圖4 計算機輔助車床靜剛度測量裝置

2.2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

計算機輔助測量不僅是將模擬量數(shù)字化后儲存，還有測量過程的監(jiān)視以及根據(jù)測量要求給出結(jié)果或適當(dāng)?shù)姆治觥?為此，實驗的軟件模塊利用常用的Visual Basic 6.0 來編制。 主要實現(xiàn)功能有系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集與在線顯示、數(shù)據(jù)處理與輸出三個基本單元。 其中:系統(tǒng)初始化是用來確定數(shù)據(jù)采集卡的卡號、類型，采樣頻率設(shè)置，初始化數(shù)據(jù)庫；實驗過程的數(shù)據(jù)采集與在線顯示是為了實現(xiàn)在加載過程加載載荷、頭架、尾架和刀架變化的狀態(tài)顯示；數(shù)據(jù)分析和處理則包括數(shù)據(jù)的保存，實驗數(shù)據(jù)計算以及頭架、尾架、刀架和機床系統(tǒng)剛度曲線的顯示和打印等功能。

實驗系統(tǒng)的軟件界面及主要功能如圖5 所示，在打開測量系統(tǒng)后的主工作界面中，其上方菜單項功能自左至右分別是:打開(可打開已保存的實驗數(shù)據(jù)(.dat)來進行剛度曲線的顯示和分析)、一次加載數(shù)據(jù)保存、二次加載數(shù)據(jù)保存、輸出打印(實驗的載荷和對應(yīng)三個位移的數(shù)據(jù)，以及剛度曲線的打印)、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)歸零處理，以及實驗數(shù)據(jù)的處理和顯示。 主界面右側(cè)上方為“輸出通道”選擇，通過勾選可以分別實現(xiàn)對頭架、尾架和刀架的測量；全部選定后可以進行機床的剛度測量，并可在界面的主體區(qū)域中顯示在加載過程中的載荷與位移的關(guān)系曲線。 右側(cè)中間4 個當(dāng)前顯示框為施加載荷和三個通道位移的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測和顯示。 右側(cè)下方的“采集”按鈕是為了減少實驗加載過程中的數(shù)據(jù)瞬時變化，在加力螺桿加載完成后，點擊其來確認對該載荷下的力和位移數(shù)據(jù)的采集，以供后續(xù)保存和處理。

圖5 機床靜剛度測量系統(tǒng)主界面

3 實驗系統(tǒng)的運行

根據(jù)所需待測的工況，車床的頭架和尾架分別安裝好相應(yīng)的夾具，將剛性芯軸安裝于頭架和尾架的頂尖之間，并鎖緊尾架；在床身基板的適當(dāng)位置安裝好用來固定位移傳感器的微調(diào)支架，再將3 個電感測微探頭以較小壓入量，分別安裝于頭架、尾架和刀架的相應(yīng)位置；將加力螺桿和測力傳感器及支座安裝在方刀架上，并使加力螺桿的軸線與車床主軸軸線等高，鎖緊螺桿支座，并利用加力螺桿對剛性芯軸預(yù)加較小載荷，以消除測量系統(tǒng)的間隙。

軟件系統(tǒng)完成初始化運行，勾選“通道”后，點擊主界面右下方“開始”按鈕即可進行測量；之后利用菜單的“系統(tǒng)清零”可實現(xiàn)四個通道的數(shù)據(jù)“清零”；再緩慢旋轉(zhuǎn)“加力螺桿”進行加載，點擊界面上“采集”按鈕來獲取實際加載的外力和三個部件的位移量，同時，在主界面上可以顯示對應(yīng)施加載荷和頭架、尾架及刀架的變形關(guān)系曲線，逐步加載到設(shè)定最大值后，可逐級卸載，得到機床的加-卸載剛度曲線；還可通過重復(fù)加卸載來進行多次實驗測量，點擊“保存”實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)(*.dat)在指定文件夾中存儲。

實驗操作完成后，可在軟件界面中打開“數(shù)據(jù)處理”，系統(tǒng)顯示“剛度分析”頁面，如圖6 所示，可分別選擇加載次數(shù)及比較，頭架、尾架和刀架或綜合分析，顯示相應(yīng)的剛度曲線；再點擊“打印”就可輸出剛度曲線。 根據(jù)數(shù)據(jù)和曲線可對不同工況下機床剛度及加工精度進行進一步分析。

圖6 機床靜剛度測量系統(tǒng)的結(jié)果輸出界面

4 結(jié) 語

基于計算機技術(shù)的應(yīng)用，文中以具有固定誤差敏感方向的臥式車床為研究對象，設(shè)計和搭建了計算機輔助的車床剛度測量系統(tǒng)。 系統(tǒng)可以通過頭架和尾架組件的變化，滿足車床不同工況下對剛度測量的需求；同時，通過計算機及測量系統(tǒng)軟件模塊的研制，實現(xiàn)測量過程的實時監(jiān)控，不僅提高了測量實驗的效率，也有效增加了數(shù)據(jù)采集和結(jié)果處理的精度和可靠性，從而為不同工況下的機床剛度及其對加工精度的影響分析提供了基礎(chǔ)。