[发明专利]机床切削加工过程的热力载荷模拟和误差检测系统及方法

说明书

本发明公开了一种机床切削加工过程的热力载荷模拟和误差检测系统及方法，机床热力载荷模拟和误差检测系统包括机床工作台，主轴芯棒，控制器，控制系统，设置在机床工作台上的切削热模拟装置和单向切削力模拟装置，以及机床进给系统热源模拟装置。本发明不需要将机床的机构从机床上拆卸下来，使实验情况更符合实际工况；同时，本发明可将该误差值反馈至机床控制系统中的补偿模块，可以减小加工误差提高加工精度。

技术领域

本发明涉及机械技术领域中的金属切削机床，具体涉及模拟机床真实切削工况下的各热源处的热载荷、切削热载荷和切削力载荷及刀具热误差和力误差检测装置。

背景技术

制约机床精度的因素有很多，比较典型的有机床热误差、几何误差和传动链误差，对以上误差的辨识方法、建模方法和补偿手段目前已得到比较完善的研究。随着高速硬切削、难切削材料和高速干式切削的推广应用，以前很少被考虑的切削载荷误差对机床加工精度的影响越来越凸显，尤其是热力耦合引起的加工误差。

目前对切削过程由热力耦合引起的加工误差的研究较少，主要是因为实现对切削过程刀具定位误差的在线测量非常困难，难以建立准确的热力耦合误差模型，对切削载荷误差的研究也仅限于间接测量法和理论分析法。通过测量主轴电机或驱动电机电流结合神经网络建立切削力误差的方法会因为霍尔元件很容易受到各种外部干扰而不能真实反映切削力，从而不能建立准确的切削力误差模型。对切削温度的测量虽较为直观方便，但仅针对由切削热引起的误差的研究很少，针对热力耦合效应的研究也大都集中在机床动态性能及优化领域。

在对机床热误差的研究过程中仅仅考虑机床进给系统热源并不能反映出机床承受热载荷的全貌，特别是在干式切削工况下，切削热的快速积累直接使刀具产生较大热应力从而使刀具产生热变形，进而产生加工误差。

在对机床力误差的研究过程中一般都不把切削力误差考虑进去，认为切削力在最后的工序中较小，不能引起很大的偏移量。但是在切削深度和切削用量逐步提升的机械加工中，切削力无疑加大了很多，且在机械加工中难切削材料逐步占据了一席之地，对于这些切削性能很差的材料，会产生很大的切削力，进而产生加工误差。

机床切削加工时，受主轴旋转、进给机构的移动以及切屑的影响，激光干涉仪和激光位移传感器等几何检测装置无法安装在机床上，对机床各项载荷造成的误差不能实现在线测量，通过对机床各项载荷进行模拟加载来模拟机床实际工况再进行误差检测的手段一般也仅仅针对机床的力（矩）载荷，目前的研究中尚未发现有针对机床热力载荷进行模拟加载的先例。

发明内容

有鉴于此，为解决现有技术存在的上述问题，申请人提供了一种机床热力载荷模拟和误差检测系统，以期实现对机床进给系统热源及刀具切削刃产生的热载荷和力载荷进行模拟，在此基础上进行机床误差在线测量。

具体地，该技术方案为：机床热力载荷模拟和误差检测系统，包括机床工作台，主轴芯棒，控制器，控制系统，设置在机床工作台上的切削热模拟装置和单向切削力模拟装置，以及机床进给系统热源模拟装置设置在机床工作台上的切削热模拟装置和单向切削力模拟装置，以及机床进给系统热源模拟装置;

其中，所述单向切削力模拟装置包括安装在L型基板上的支撑导轨，安装在机床工作台上的进给跟踪装置，安装在进给跟踪装置上的电动式激振器，连接在电动式激振器输出端的激振器顶杆，安装在支撑导轨上的轴承支座，两端分别与激振器顶杆和轴承支座螺纹连接的拉压力传感器，以及与轴承支座过渡连接的角接触轴承；所述角接触轴承与加热器本体的外圆柱面过盈连接。

所述切削热模拟装置包括加热器本体，焊接于加热器本体内圆柱面上的刀刃状热电阻加热片，贴在加热器本体内圆柱面上的温度传感器，与加热器本体固定连接的弹性触头，固定在支撑板上的电刷支架，以及安装在电刷支架上的电刷；