一種測試高速機床主軸動態(tài)特性的裝置及方法制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術公開了一種測試高速機床主軸動態(tài)特性的裝置及方法，測試系統(tǒng)包括：安裝于機床主軸上的虛擬刀具，以及安裝于機床工作臺上的三向測力儀和磁力表座；其中，三向測力儀上安裝有電磁加載裝置，且虛擬刀具插入電磁加載裝置中，電磁加載裝置的底部開設有與電磁力的方向相同的通槽；磁力表座設置于三向測力儀的兩側，磁力表座上安裝有激光位移傳感器，激光位移傳感器的光斑能夠穿過通槽，能夠同時對主軸徑向不同方向進行加載，不需要對加載裝置進行調整，便于分析機床主軸在徑向不同方向上的靜動剛度；電磁加載裝置設計有冷卻裝置，有效地解決了目前面臨的電磁加載過程中隨著加載時間的增加會產生大量的熱從而影響主軸性能的問題。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
一種測試高速機床主軸動態(tài)特性的裝置及方法
本專利技術屬于高速機床主軸動態(tài)特性測試與分析
，主要涉及一種測試高速機床主軸動態(tài)特性的裝置及方法。
技術介紹
高速主軸作為高速制造裝備的核心功能部件，其性能的好壞對于加工效率、加工精度具有重大的影響，在某種程度上甚至直接決定著高速制造裝備的性能水平，因此研究并發(fā)展高速主軸變得日趨重要。目前高速機床主軸的研究主要面臨的困難之一就是如何獲得主軸在高速旋轉情況下的動態(tài)特性。由于在高速旋轉情況下，考慮到離心力、陀螺力矩以及熱變形的影響，主軸軸承的剛度會產生較大的變化，而軸承的剛度在一定程度上直接影響著主軸的動態(tài)特性，因此在高速旋轉情況下主軸的動態(tài)特性會發(fā)生較大的變化。此時，如何在主軸高速旋轉情況下獲得其動態(tài)特性顯得尤為重要。主軸的動態(tài)特性主要包括主軸在旋轉情況下的剛度及主軸端部或刀具端部的頻響函數(shù)，其中剛度又包括靜剛度和動剛度，同時頻響函數(shù)與動剛度互為倒數(shù)，通過分析頻響函數(shù)又可以得到主軸系統(tǒng)的各階固有頻率及對應的模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼，因此靜剛度的測量以及頻響函數(shù)的測量對于分析主軸的動態(tài)特性有重要意義。靜剛度主要是用使物體產生單位位移所需要施加的載荷來定義，動剛度則用動態(tài)載荷比上動態(tài)載荷引起的動態(tài)位移響應來定義，頻響函數(shù)則是用單位動態(tài)載荷引起的動態(tài)位移響應來定義。可以看到頻響函數(shù)與動剛度互為倒數(shù)，通過頻響函數(shù)可以得到動剛度，通過動剛度又可以得到頻響函數(shù)，一般習慣用頻響函數(shù)來表征主軸的動態(tài)特性，因此本專利技術主要針對主軸靜剛度的測量和頻響函數(shù)的測量進行表述。主軸靜剛度的測量一般是對主軸進行穩(wěn)定載荷的加載，然后測得其沿加載方向的位移，再根據(jù)靜剛度的定義進行計算。主軸頻響函數(shù)的測量則常對主軸進行動態(tài)載荷的激勵，同時測得其激勵方向上的動態(tài)位移響應，再求其頻響函數(shù)。在高速旋轉主軸動態(tài)特性的測試過程中，如何對主軸進行加載是最大的難點。目前加載的方法主要分為兩類：接觸式、非接觸式。前者常利用在主軸軸端或虛擬刀具的端部安裝軸承，通過對軸承外圈的加載來實現(xiàn)對主軸的加載，其優(yōu)點是結構簡單，操作方便，但缺點是不能實現(xiàn)高轉速下的加載，且測量不準確，尤其是主軸頻響函數(shù)的測量會存在較大的誤差。后者的優(yōu)點是測量結果比較準確，缺點是結構比較復雜，需要非接觸加載裝置。非接觸式加載又主要包括兩類：電磁加載、氣懸浮加載。前者可以提供恒定載荷加載和頻率逐漸變化的動態(tài)載荷加載，但由于存在渦流損耗，長時間加載會導致比較嚴重的熱效應，并且由于渦流效應的影響，加載力會隨著主軸轉速的提高而下降，后者由于不能夠提供頻率逐漸變化的動態(tài)載荷加載，因此只適用于主軸靜剛度的測量。
技術實現(xiàn)思路
針對上述缺陷或不足，本專利技術的目的在于提供一種測試高速機床主軸動態(tài)特性的裝置及方法，能夠獲得高速機床主軸在任意轉速下的動態(tài)特性，針對電磁加載過程中主軸軸端會產生較多熱量的問題設計了虛擬刀具，并對其結構進行優(yōu)化，減少了虛擬刀具產生的渦流損耗。為達到目的，本專利技術的技術方案為:一種測試高速機床主軸動態(tài)特性的裝置，包括：測試系統(tǒng)以及采集系統(tǒng)：測試系統(tǒng)包括：安裝于機床主軸上的虛擬刀具，以及安裝于機床工作臺上的三向測力儀和磁力表座；其中，三向測力儀上安裝有電磁加載裝置，且虛擬刀具插入電磁加載裝置中，電磁加載裝置的底部開設有與電磁力的方向相同的通槽；磁力表座設置于三向測力儀的兩側，磁力表座上安裝有激光位移傳感器，激光位移傳感器的光斑能夠穿過通槽；采集系統(tǒng)包括：功率放大器、電荷放大器、力信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、以及位移信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；直流電流信號、交流電流信號通過功率放大器放大后通入電磁加載裝置，三向測力儀測得的虛擬刀具的力信號，并將力信號通過電荷放大器后，利用力信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行信號采集，激光位移傳感器利用位移信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行信號采集，分別得到虛擬刀具受到的力信號和虛擬刀具端部的位移信號。所述電磁加載裝置包括：若干鐵芯，鐵芯上纏繞有線圈，鐵芯外壁設置有冷卻水套，冷卻水套上安裝有外殼，虛擬刀具插于鐵芯中，且鐵芯的軸線與虛擬刀具的軸線重合。所述電磁加載裝置中設置有八個鐵芯，相鄰線圈為一組線圈組，四組線圈組對稱分布。所述鐵芯由硅鋼片疊加形成。所述鐵芯與虛擬刀具之間設置有間隙，且間隙距離為0.5mm。所述冷卻水套上開設有螺旋切槽。所述虛擬刀具為導磁性材料制成，虛擬刀具的表面開有均勻分布的環(huán)形切槽。所述激光位移傳感器分辨率為0.1微米，分別對稱布置在虛擬刀具徑向受載方向的兩側，同時測量正向和反向的位移信號。所述虛擬刀具通過主軸刀柄安裝于機床主軸上。一種測試高速機床主軸動態(tài)特性的測試方法，包括以下步驟：1)靜剛度的測量：將虛擬刀具連接到機床主軸上，給定機床主軸1任一轉速，然后給其中一組線圈組供直流電ID，其余線圈組斷電，調整直流電流ID的大小，測量記錄不同電流下的力信號F，同時測量在加載方向上的兩個激光位移傳感器的位移信號X1與X2，將兩個位移信號相減，得到機床主軸在受載情況下的實際位移對力信號F及位移信號X進行計算處理，得到機床主軸的靜剛度；2)頻響函數(shù)的測量：將虛擬刀具連接到機床主軸上，給對稱分布的兩組線圈組分別通入直流電與交流電的疊加，其中一組線圈組通入直流電ID和交流電IA的疊加，另一組線圈組通入相同大小的直流電ID和相同大小的反相交流電IA1的疊加，其中，IA1＝-IA，其余線圈不通電，改變交流電IA的頻率，同時測量記錄不同頻率下的力信號F，以及在加載方向上的兩個激光位移傳感器的位移信號X1與X2，將兩個位移信號相減，得到機床主軸在受載情況下的實際位移對力信號F及位移信號X進行處理，得到主軸的頻響函數(shù)曲線、動剛度曲線。與現(xiàn)有技術比較，本專利技術的有益效果為：本專利技術提供的一種測試高速機床主軸動態(tài)特性的裝置及方法，能夠同時對主軸徑向不同方向進行加載，不需要對加載裝置進行調整，便于分析機床主軸在徑向不同方向上的靜剛度及頻響函數(shù)；電磁加載裝置設計有冷卻裝置，有效地解決了目前面臨的電磁加載過程中隨著加載時間的增加會產生大量的熱從而影響主軸性能的問題。進一步的，本專利技術中虛擬刀具采用導磁性較好的材料，利用有限元分析技術進行電磁場分析，對其進行優(yōu)化設計，減小虛擬刀具產生的渦流，在其表面開有環(huán)形切槽，有效地解決了目前面臨的在加載過程中由導磁材料制成的虛擬刀具或測試棒產生渦流效應，其渦流損耗會產生較多的熱量進而影響主軸性能甚至使主軸損壞以及由于渦流效應產生的反向磁場使加載力隨轉速的升高而下降等問題。進一步的，本專利技術中采用高精度的激光位移傳感器，解決了電渦流位移傳感器在實際測量時由于受到電磁場的影響無法正常工作以及電容式位移傳感器安裝要求過高容易導致在測量過程中傳感器與虛擬刀具發(fā)生碰撞的問題，并使用兩個激光位移傳感器獲取同一時刻的位移信號，最后再做減法，有效地消除了由于主軸系統(tǒng)存在偏心質量以及虛擬刀具的周向熱膨脹導致位移信號產生的誤差，使得結果更加準確。附圖說明圖1為本專利技術的結構示意圖；圖2為本專利技術的電磁加載裝置結構示意圖；圖3為本專利技術的電磁加載原理圖；圖4為本專利技術的虛擬刀具的結構示意圖；其中，1為機床主軸，2為主軸刀柄，3為虛擬刀具，4為電磁加載裝置外殼，5為冷卻水套，6激光位移傳感器，7為磁力表座，8為機床工作臺，9為鐵芯，10為線圈，11為三向測力儀，12為電荷放大器本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種測試高速機床主軸動態(tài)特性的裝置，其特征在于，包括：測試系統(tǒng)以及采集系統(tǒng)：測試系統(tǒng)包括：安裝于機床主軸(1)上的虛擬刀具(3)，以及安裝于機床工作臺(8)上的三向測力儀(11)和磁力表座(7)；其中，三向測力儀(11)上安裝有電磁加載裝置，且虛擬刀具(3)插入電磁加載裝置中，電磁加載裝置的底部開設有與電磁力的方向相同的通槽；磁力表座(7)設置于三向測力儀(11)的兩側，磁力表座(7)上安裝有激光位移傳感器(6)，激光位移傳感器(6)的光斑能夠穿過通槽；采集系統(tǒng)包括：功率放大器(17)、電荷放大器(12)、力信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(13)、以及位移信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(15)；直流電流信號、交流電流信號通過功率放大器(17)放大后通入電磁加載裝置，三向測力儀(11)測得的虛擬刀具(3)的力信號，并將力信號通過電荷放大器(12)后，利用力信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(13)進行信號采集，激光位移傳感器(6)利用位移信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(15)進行信號采集，分別得到虛擬刀具(3)受到的力信號和虛擬刀具(3)端部的位移信號。

【技術特征摘要】
1.一種高速機床主軸動態(tài)特性的測試方法，其特征在于，采用如下測試高速機床主軸動態(tài)特性的裝置，包括：測試系統(tǒng)以及采集系統(tǒng)：測試系統(tǒng)包括：安裝于機床主軸(1)上的虛擬刀具(3)，以及安裝于機床工作臺(8)上的三向測力儀(11)和磁力表座(7)；其中，三向測力儀(11)上安裝有電磁加載裝置，且虛擬刀具(3)插入電磁加載裝置中，電磁加載裝置的底部開設有與電磁力的方向相同的通槽；磁力表座(7)設置于三向測力儀(11)的兩側，磁力表座(7)上安裝有激光位移傳感器(6)，激光位移傳感器(6)的光斑能夠穿過通槽；所述電磁加載裝置包括：八個鐵芯(9)，鐵芯(9)上纏繞有線圈(10)，相鄰線圈為一組線圈組，四組線圈組對稱分布，鐵芯(9)外壁設置有冷卻水套(5)，冷卻水套(5)上安裝有外殼(4)，虛擬刀具(3)插于鐵芯(9)中，且鐵芯(9)的軸線與虛擬刀具(3)的軸線重合；采集系統(tǒng)包括：功率放大器(17)、電荷放大器(12)、力信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(13)、以及位移信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(15)；直流電流信號、交流電流信號通過功率放大器(17)放大后通入電磁加載裝置，三向測力儀(11)測得的虛擬刀具(3)的力信號，并將力信號通過電荷放大器(12)后，利用力信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(13)進行信號采集，激光位移傳感器(6)利用位移信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(15)進行信號采集，分別得到虛擬刀具(3)受到的力信號和虛擬刀具(3)端部的位移信號；包括以下步驟：1)靜剛度的測量：將虛擬刀具(3)連接到機床主軸(1)上，給定機床主軸（1）任一轉速，然后給其中一組線圈組供直流電ID，其余線圈組斷電，調整直流電流ID的大小，測量記錄不同電流下的力信號F，同時測量在加載方向上的兩個激光位移傳感器的位移信號...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：蘇文軍，洪軍，萬少可，張進華，李小虎，邱志惠，劉光輝，馬劭航，
申請(專利權)人：西安交通大學，
類型：發(fā)明
國別省市：陜西;61