[0001] 本发明属于机床加工技术领域，具体涉及一种基于正交双悬臂的五轴机床刀尖点等效加载装置。

[0002] 五轴机床是一种用于数控加工的先进机床设备，相比传统机床，五轴机床能够在多个方向同时进行加工，具有更高的自动化程度，同时可以大大提高零部件的加工效率和质量。在如今高效、精密、智能化加工的时代背景下，五轴机床具有非常重要的应用价值和市场前景。

[0003] 五轴机床的加工精度是其最重要的特征之一。具有高精度的五轴机床可以实现更加精细的零部件加工，使得加工出来的产品更加精确、准确。而且随着加工精度的提高，还可以减少因加工误差而导致的不良品出现的概率，降低生产成本，提高生产效率和质量。因此，五轴机床加工精度是判断其加工性能的重要指标。

[0004] 五轴机床的加工精度检测主要有两种方式：直观可见的工件偏差数据检测和机床误差检测。前者通过测量工件表面偏差信息来评估加工精度；后者利用检测仪器记录机床运动时的误差数据，根据数据分析来评估。这两种方法各有优劣，通常根据具体需求和检测精度来选择。

[0005] 仪器检测中按照是否对五轴机床进行加载分为两种方法，其中进行加载的仪器检测方法中，通常采用的是通过球头模拟机床刀尖点，利用五轴机床加载装置对球头进行加载，模拟五轴机床实际加工的受力运行过程，测量刀具端球头球心处的位移响应，得到机床加工性能信息。

[0006] 但目前五轴机床加载装置大多都是通过加载源与刀具端球头直接连接，对球头进行直接加载来模拟实际加工过程中的切削力。这种做法虽然简单直接，但对机床加载时，刀具端球头需要考虑与机床主轴、加载源的连接，同时需要在球头端预留测量装置中位移传感器附着的位置。而由于刀具端的球头空间十分有限，测量装置与加载装置之间有可能会发生干涉，同时安装在球头上的位移传感器也会对加载过程有干扰。

[0029] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

[0030] 如图1到图7所示，本发明提供的一种基于正交双悬臂的五轴机床刀尖点等效加载装置，包括转动副1和转动副2，转动副1提供垂直方向的旋转自由度，转动副2提供其轴线方向上的旋转自由度，两个转动副的轴线在平面内正交，构成了轴线相交的正交双悬臂结构，确保加载测试结果的准确性。所述转动副2的端部为刀具端球头，刀具端球头的球心与转动副1和转动副2的两轴线的交点重合，且无论转动副1和转动副2的转角如何，两条轴线始终相交于刀具端球头。五轴机床主轴与转动副2相连并提供加载力，通过该轴线相交的正交双悬臂结构，保证加载力作用于刀具端球头球心的精度，使加载测试的结果更贴近真实情况。

[0031] 正交双悬臂结构，方便实现对五轴机床主轴在不同方向上的加载，在加载的仪器检测中，以往的加载装置为了调整加载力的方向，通常需要进行拆卸和重新紧固。这涉及到调整加载装置的位置和角度，以及重新连接加载装置和机床主轴。这个过程比较繁琐，需要小心操作以确保正确安装和调整。轴线相交的正交双悬臂结构可以通过调整转动副的转角，即可改变加载力的方向，实现在不同方向上对五轴机床主轴的加载，避免了以往繁琐的拆卸与上紧过程。

[0032] 转动副1与转动副2在转角为0时，加载装置的加载力只作用于转动副2所在的轴线方向 当只有转动副2发生转动θ2时，加载力仍然只作用于转动副2所在的轴线方向 当转动副1与转动副2都转动，转角分别为θ1和θ2时，作用于五轴机床的力分别为：

[0033]

[0034] 在加载过程中通过转动副1和转动副2转动不同角度，实现对五轴机床主轴不同方向的加载。

[0035] 转动副1上设有转动副第一连杆，转动副1和转动副2之间设有转动副第二连杆，转动副1和转动副2通过转动副第二连杆相连，所述转动副第一连杆和转动副第二连杆均为“L”型连杆，转动副第一连杆上连接有加载装置，加载装置的加载力作用在转动副第一连杆，所述转动副2上连接有加载棒，加载棒与五轴机床的主轴相连；当加载装置施加加载力在转动副第一连杆上时，力通过转动副1传递到转动副2，再传递给与转动副相连的加载棒上，然后将力传递到与加载棒相连的五轴机床主轴，实现五轴机床主轴的等效加载。

[0036] 本发明采用轴线相交的正交双悬臂结构，确保加载力作用于球头球心的精度。采用现有仪器检测中的加载测试方法得到五轴机床精度信息时，加载力是否作用于刀具端球头非常重要。为了模拟加工过程中切削力作用于刀具的真实情况，加载装置施加的加载力需要作用于刀具端球头的球心，如果加载力作用于其他位置，加载测试的结果可能无法真实反映实际加工状态，造成的误差会比较大。特别是五轴机床高速精密加工场合下要求更高，受到切削力的影响更加显著，所以需更加精准模拟实际切削力的作用，以获得更准确的机床加工精度信息。

[0037] 本发明通过“L”型连杆组成的“U”型结构以及加载棒，对机床主轴进行了等效加载。采用五轴机床等效加载方式，避免了以往加载装置与刀具端球头直接接触进行加载，从而导致的与测量装置发生干涉的问题，同时为测量装置测量刀具端球头位移提供了足够的测量空间。而测量装置不管采用何种形式，只要能在空间三个正交方向上采集刀具端球头中心的位移即可，相较于以往的加载装置具有更好的普适性。

[0038] 本发明的一种基于正交双悬臂的五轴机床刀尖点等效加载装置在实际具体使用时，其具体结构包括第一连接板1、第二连接板5、加载棒7、轴承套筒8和刀具端球头9，第一连接板1与第二连接板5之间通过销3转动连接，所述第一连接板1上安装有夹紧套筒2，第二连接板5上设有第一加强板4和第二加强板10，第一加强板4和第二加强板10互相垂直，通过与所述连接板5相连的轴承套筒8中的圆锥滚子轴承6，力传递到加载棒7，加载棒7与五轴机床主轴相连，加载棒7将力传递到五轴机床主轴，完成对五轴机床主轴的等效加载。

[0039] 其中的第二连接板5绕销3的转动设为转动副1，加载棒7的旋转设为转动副2，第一连接板1和第二连接板5分别等效为两根“L”型连杆，当加载装置施加加载力在第一连接板1所等效的“L”型连杆上时，力通过转动副1传递到转动副2，再传递给与转动副相连的加载棒7上，加载棒7与五轴机床的主轴相连，将力传递到与加载棒7相连的五轴机床主轴，实现五轴机床主轴的等效加载。

[0040] 在本实施例中，圆锥滚子轴承6的数量为二，两个圆锥滚子轴承6平行地位于连接板5上安装的轴承套筒8内，加载棒7穿设于圆锥滚子轴承6，轴承套筒8套设在加载棒7上，所述刀具端球头9位于加载棒7的端部，所述加载棒7与五轴机床的主轴相连，力传递到加载棒7，完成对五轴机床主轴的等效加载。

[0041] 圆锥滚子轴承6保证了加载棒7轴垂直方向的转动自由度，圆锥滚子轴承6与销3组成平面内的正交双悬臂结构，第二连接板5绕销3转动的转动副与转动副1等效，加载棒7旋转的转动副与转动副2等效，两个转动副的轴线相交处与刀具端球头9的球心重合，保证了加载力作用于刀具端球头球心的精度，至此该加载装置基于正交双悬臂完成对五轴机床刀尖点等效加载。

[0042] 在本实施例中，第一连接板1为折弯结构，第一连接板1上设有第三加强板11，第三加强板11的截面为三角形结构，第三加强板11的数量为二且平行布置。第三加强板11能够增加整体设备的刚度。

[0043] 第二连接板5呈“7”字形结构，第二连接板5包括第二连接第一板、第二连接第二板、第二连接第三板和第二连接第四板，第二连接第一板和第二连接第二板平行布置，第二连接第三板和第二连接第四板结构相同且平行布置；第二连接第一板的长度大于第二连接第二板的长度，第二连接第三板和第二连接第四板的底部均与第二连接第一板固连呈“U”字形，第二连接第二板的底部与第二连接第三板固连；销3依次穿过第二连接第一板和第二连接第二板，从而使得第二连接板5的端部能够绕着销3转动，圆锥滚子轴承6的数量为二且分别位于第二连接第三版和第二连接第四板的端部，加载棒7依次穿设于圆锥滚子轴承6、第二连接第四板和第二连接板第三板后与刀具端球头9相连，轴承套筒8位于第二连接第三板和第二连接第四板之间。

[0044] 夹紧套筒2为前后开口的圆筒状结构，夹紧套筒2的外壁与销3的轴相贯，夹紧套筒2的内表面为螺纹结构，夹紧套筒2内穿设有螺钉，螺钉的端部与销3抵接，使的销3与第一连接板1固连。第二连接板5套设在销3的两端且转动连接，第二连接板5绕着能够绕着销3转动，即就是实现第一连接板1和第二连接板5相对转动。

[0045] 第一连接板1上安装有编码器，编码器为现有设备，编码器用于记录第一连接板1和第二连接板5之间的转角。

[0046] 第一连接板1和第二连接板5都是一体加工而成，能提升相应连接板的刚性，第一加强板4和第二加强板10分别与第二连接板5焊接，增强刚性，避免由于“U”型结构产生的弯矩导致部件的变形，保证加载结果的准确可靠。

[0047] 本发明的具体实施例工作流程如下：

[0048] 当加载源施加加载力后，力传递到第一连接板1和第二连接板5。第一连接板1与第二连接板5之间的销3，保证第一连接板1与第二连接板5在销3的轴线上的转动自由度。通过连接板5相连的轴承套筒8中的圆锥滚子轴承6，力传递到加载棒7，加载棒7与机床主轴相连，完成对五轴机床主轴的等效加载。圆锥滚子轴承6保证了加载棒7的轴垂直方向的转动自由度，并与销3组成平面内的正交双悬臂结构，且两个转动副的轴线相交处与刀具端球头9的球心重合，保证了加载力作用于刀具端球头球心的精度，至此该加载装置基于正交双悬臂完成对五轴机床刀尖点等效加载。

[0049] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。