机床静刚度测试系统的开发设计

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1、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

2、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

3、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

4、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，

5、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

6、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

7、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

8、/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