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專利名稱：一種基于三向電磁力加載的高速電主軸動靜剛度測試裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高速電主軸測試分析技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于三向電磁力加載的高速電主軸動靜剛度測試裝置及方法。
背景技術(shù)：
高速電主軸在高速加工機床上的應用促進了高速加工等先進制造技術(shù)的發(fā)展，已成為高速加工機床的核心功能部件，它的性能在一定程度上決定了加工機床的整體發(fā)展水平。因此高速加工機床對高速電主軸的技術(shù)指標有著苛刻要求,使其不同于傳統(tǒng)的主軸系統(tǒng)，其安全性、可靠性以及動靜剛度等動態(tài)性能成為結(jié)構(gòu)設(shè)計和機床運行中的首要問題。其剛度特性在很大程度上決定了高速加工中心的加工質(zhì)量，也是影響其加工精度的重要因素。因此，深入研究主軸部件的剛度特性，對于進一步提高加工中心的工作性能具有十分重要的意義。通過對高速電主軸的加載實驗，能夠掌握該高速電主軸的動靜剛度等相關(guān)參數(shù)，這些參數(shù)在相關(guān)操作人員的使用過程中將起到重大的作用，使用戶能在生產(chǎn)實踐中根據(jù)不同的生產(chǎn)實際情況更好地優(yōu)化該設(shè)備各項技術(shù)參數(shù)，從而給使用廠家、用戶帶來直接顯著的經(jīng)濟效益。剛度包括兩方面的含義:抵抗恒定載荷的能力和抵抗交變載荷的能力。前者常稱為靜剛度，后者則稱為動剛度。過去，車床靜剛度的測定是在非切削狀態(tài)下，模擬切削時受力情況，對機床施加靜載荷，測得各部件在不同載荷下的變形，做出相應的剛度特性曲線，并計算出機床的靜剛度。目前，機床靜剛度的測定方法有單向加載測定法和三向加載測定法。前者是傳統(tǒng)的測量方法，缺點是不符合機床加工時承受三向切削分力的情況，一般只能用于比較機床部件剛度的大??；后者采用三向加載測定法更接近切削時的真實情況，但測量時施加載荷的大小和位移量的值是由千分表顯示的，人工處理數(shù)據(jù)、繪制機床靜剛度特性曲線的測量方法，具 有測量效率低、誤差大等缺點；動剛度是衡量機床抗振能力的主要指標，它在數(shù)值上等于產(chǎn)生單位振幅所需的交變力。因此，對機床施加激振力，可同時測得響應位移，其傳遞函數(shù)即為單位力的位移量，即動柔度。它實際上是動剛度的倒數(shù)，同樣反映了機床抵抗外界干擾的能力，動柔度愈大，即單位力作用下的系統(tǒng)產(chǎn)生的位移量大，動剛度就越小。而動剛度的測試方法比較簡單，研究進展緩慢，通常是通過接觸式加載進行動剛度的測試分析，由于高速電主軸的轉(zhuǎn)速較高，接觸式加載會產(chǎn)生大量的摩擦熱及磨損，嚴重影響測試精度，雖然有些研究人員利用電磁激振器或開發(fā)的電磁鐵實現(xiàn)了非接觸式加載，但是針對的主要是徑向方向或軸向的加載測試，與實際工況中三向受力的情況不符。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題在于提供一種高速電主軸非接觸式三向電磁力加載及動靜剛度測試裝置，能夠模擬高速電主軸在工作過程中三向(軸向、徑向和切向)受載情況，解決了現(xiàn)有技術(shù)中高速電主軸動靜剛度分析測試中難以準確在線施加載荷及檢測的問題。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):一種基于三向電磁力加載的高速電主軸動靜剛度測試裝置，包括底座，底座上設(shè)有兩個相對設(shè)置的徑向加載電磁鐵和一個軸向加載電磁鐵；與高速電主軸相連接的加載測試棒設(shè)置在徑向加載電磁鐵和軸向加載電磁鐵之間，加載測試棒與徑向加載電磁鐵、軸向加載電磁鐵之間均留有一定的間隙；加載測試棒包括實心加載測試棒和外周開槽的加載測試棒兩種，所述的外周開槽的加載測試棒中所開設(shè)的槽中設(shè)有繞阻導線，繞阻導線連接外置電源；
徑向加載電磁鐵后方均設(shè)有至少兩個徑向力傳感器，軸向加載電磁鐵的下方設(shè)有軸向力傳感器；徑向位移傳感器和軸向位移傳感器分別通過位移傳感器支架設(shè)置在加載測試棒的徑向和軸向方向上，并留有一定間隙；位移傳感器支架上還分別設(shè)有扭矩傳感器和角位移傳感器；徑向加載電磁鐵、軸向加載電磁鐵上的線圈分別與功率放大器相連接，與計算處理單元相連接的信號輸出與采集模塊接收其發(fā)出的信號后，發(fā)送給功率放大器；信號輸出與米集模塊還分別與徑向力傳感器、軸向力傳感器、徑向位移傳感器、軸向位移傳感器、扭矩傳感器和角位移傳感器相連接，采集位移信號和力信號并將其發(fā)送給計算處理單元；計算處理單元根據(jù)所接收的位移信號和力信號經(jīng)運算處理，得到動靜剛度曲線。所述的軸向加載電磁鐵通過第一壓板和第一固定板固定在底座上，軸向力傳感器固定在底座與第一固定板之間；徑向加載電磁鐵通過第二壓板和第二固定板固定在底座上，第二固定板與底座之間還設(shè)有固定塊，徑向力傳感器固定在固定塊與第二固定板之間。所述的位移傳感器支架包括與機床工作臺相連接的支撐座，支撐座上設(shè)有可供加載測試棒穿過的固定框；徑向位移傳感器和軸向位移傳感器設(shè)置在固定框上，徑向位移傳感器分布在加載測試棒不同的徑向上。所述的徑向位移傳感器至少包括三個，分別設(shè)置在固定框相互垂直的邊框上；徑向力傳感器為偶數(shù)個，其沿徑向加載電磁鐵的磁極面兩側(cè)對稱分布。所述的底座設(shè)置在機床工作臺上并且其位置可調(diào)；徑向加載電磁鐵的磁極面所對應的中心線，與加載測試棒的軸心線相重合；加載測試棒為導磁性良好的金屬棒。所述加載測試棒通過與高速電主軸刀柄相匹配的連接部與高速電主軸相連接。所述的徑向力傳感器、軸向力傳感器均采用壓電式力傳感器或應變式拉壓力傳感器；測靜態(tài)力及低頻動態(tài)力時采用應變式拉壓力傳感器，測高頻動態(tài)力時采用壓電式力傳感器。一種基于所述裝置的三向電磁力加載的高速電主軸動靜剛度測試的方法，包括以下步驟:I)軸向動剛度的測試:在高速電主軸上連接實心加載測試棒，接通軸向加載電磁鐵的電源，由計算處理單元向信號輸出與采集模塊發(fā)出控制信號，再通過功率放大器給軸向電磁鐵輸入一直流偏移與某一頻率正弦信號的疊加，或者輸入掃頻信號與直流偏移的疊加；軸向加載電磁鐵產(chǎn)生的磁場與加載測試棒相互作用形成軸向動態(tài)加載力，由軸向力傳感器和軸向位移傳感器測得力信號和位移信號，并經(jīng)過信號輸出與采集模塊傳遞給計算處理單元，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到軸向加載的動剛度曲線；2)軸向靜剛度的測試:在高速電主軸上連接實心加載測試棒，接通軸向加載電磁鐵的電源，由計算處理單元向信號輸出與采集模塊發(fā)出控制信號，經(jīng)功率放大器改變輸入給軸向加載電磁鐵的直流偏移量的大小來得到不同大小的軸向靜態(tài)力，加載測試棒產(chǎn)生相應的位移，軸向力傳感器和軸向位移傳感器測得力信號和位移信號，并經(jīng)過信號輸出與采集模塊傳遞給計算處理單元，經(jīng)過運算處理得到軸向加載的靜剛度曲線；3)徑向動剛度的測試:在高速電主軸上連接實心加載測試棒，接通兩個徑向加載電磁鐵的電源，進行差動激磁，由計算處理單元向信號輸出與采集模塊發(fā)出控制信號，再通過功率放大器對兩個徑向加載電磁鐵中的一個通以偏置電流Ici與控制電流ix之和Ifix激磁，而另一個則利用二者之差icrix激磁，然后作用在加載測試棒上的合力為某一頻率的正弦力信號或者為掃頻力信號；徑向力傳感器和徑向位移傳感器將測得力信號和位移信號，經(jīng)過信號輸出與采集模塊傳遞給計算處理單元，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到徑向加載的動剛度曲線.
4)徑向靜剛度的測試:在高速電主軸上連接實心加載測試棒,接通加載測試棒一側(cè)的徑向加載電磁鐵的電源，另一側(cè)的徑向加載電磁鐵保持斷電，由計算處理單元控制信號輸出與采集模塊，通過功率放大器為通電的徑向電磁鐵通以不同的直流偏移來得到不同大小的力，加載測試棒產(chǎn) 生相應的位移；計算處理單元對通電側(cè)徑向加載電磁鐵的徑向位移傳感器和徑向力傳感器測量到的數(shù)據(jù)進行處理，得到徑向加載的靜剛度曲線。還包括切向的檢測:5)切向動剛度、切向靜剛度的測試:在高速電主軸上連接外周開槽的加載測試棒，并將繞阻導線與外置電源接通，在繞阻導線通入電信號；接通兩個徑向加載電磁鐵的電源，產(chǎn)生電磁場，加載測試棒會受到扭矩作用并產(chǎn)生角位移；扭矩傳感器和角位移傳感器測得的切向力信號和角位移信號，并經(jīng)過信號輸出與采集模塊傳遞給計算處理單元；經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到切向動剛度曲線和靜剛度曲線。在上述測試時，啟動高速電主軸，測試高速電主軸在工作狀態(tài)不同轉(zhuǎn)速下的三向動剛度和靜剛度；關(guān)閉高速電主軸，測試高速電主軸在非工作狀態(tài)下的三向動剛度和靜剛度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:本發(fā)明提供的基于三向電磁力加載的高速電主軸動靜剛度測試裝置及方法，模擬高速電主軸在工作過程中三向(軸向、徑向和切向)受載情況，可以對電主軸三向施加靜態(tài)力和一定頻率范圍的動態(tài)力，進而測試得到主軸的靜剛度和動剛度特性，解決了現(xiàn)有技術(shù)中高速電主軸動靜剛度分析測試中難以準確在線施加載荷及檢測的問題，可以實現(xiàn)三向力在線加載及檢測。本發(fā)明提供的基于三向電磁力加載的高速電主軸動靜剛度測試裝置及方法，其徑向加載電磁鐵相對設(shè)置，實現(xiàn)差動激磁，加載控制與普通加載方式相比更加精確、穩(wěn)定；本發(fā)明提供的基于三向電磁力加載的高速電主軸動靜剛度測試裝置及方法，可以在目標機床上直接進行加載測試，只是需要針對不同型號的機床刀柄來訂做不同規(guī)格的加載試驗棒而不受限制于專門固定的電主軸試驗臺，具有更好的通用性，有利于在實際工程中推廣應用。
本發(fā)明提供的基于三向電磁力加載的高速電主軸動靜剛度測試裝置及方法，控制信號輸出與采集，將得到的力信號和位移信號進行數(shù)據(jù)處理得到動剛度曲線和靜剛度曲線，測試精度高，易于控制，分析系統(tǒng)采用編程軟件編制了控制分析程序，充分發(fā)揮了計算機的能力，有強大的數(shù)據(jù)處理功能，根據(jù)自己的需要定義和制造了動靜剛度測試分析控制儀器，具有較強的靈活性、專用性、便攜性。本發(fā)明提供的基于三向電磁力加載的高速電主軸動靜剛度測試裝置及方法，采用的開槽加載測試棒，利用了電機轉(zhuǎn)子的相關(guān)理論，突破了傳統(tǒng)思維的限制，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩(即切向力)的加載。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的加載裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的測試棒的連接示意圖；圖4為切向的扭矩加載測試原理示意圖。其中，I為功率放大器，2為機床工作臺，3為位移傳感器支架，4為底座，5為徑向力傳感器，6為徑向加載電磁鐵,7為徑向位移傳感器,8為高速電主軸,9為加載測試棒，10為軸向位移傳感器，11為軸向加載電磁鐵，12為軸向力傳感器，13為信號輸出與米集系統(tǒng),14為計算單元，15為吊環(huán)螺釘,16為第一固定板,17為第一壓板,18為第二固定板,19為第二壓板，20為固定圓塊。
具體實施例方式下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。 參見圖1、圖2、圖3,—種基于三向電磁力加載的高速電主軸動靜剛度測試裝置，包括底座4,底座4上設(shè)有兩個相對設(shè)置的徑向加載電磁鐵6和一個軸向加載電磁鐵11 ;與高速電主軸8相連接的加載測試棒9設(shè)置在徑向加載電磁鐵6和軸向加載電磁鐵11之間，加載測試棒9與徑向加載電磁鐵6、軸向加載電磁鐵11之間均留有一定的間隙；加載測試棒9包括實心加載測試棒和外周開槽的加載測試棒兩種，所述的外周開槽的加載測試棒中所開設(shè)的槽中設(shè)有繞阻導線，繞阻導線連接外置電源；徑向加載電磁鐵6后方均設(shè)有至少兩個徑向力傳感器5,軸向加載電磁鐵11的下方設(shè)有軸向力傳感器12 ;徑向位移傳感器7和軸向位移傳感器10分別通過位移傳感器支架3設(shè)置在加載測試棒9的徑向和軸向方向上，并留有一定間隙；移傳感器支架3上還分別設(shè)有扭矩傳感器和角位移傳感器；徑向加載電磁鐵6、軸向加載電磁鐵11上的線圈分別與功率放大器I相連接，與計算處理單元14相連接的信號輸出與采集模塊13接收其發(fā)出的信號后，發(fā)送給功率放大器
I;信號輸出與米集模塊13還分別與徑向力傳感器5、軸向力傳感器12、徑向位移傳感器7、軸向位移傳感器10、扭矩傳感器和角位移傳感器相連接，采集位移信號和力信號并將其發(fā)送給計算處理單元14 ；計算處理單元14根據(jù)所接收的位移信號和力信號經(jīng)運算處理，得到動靜剛度曲線。切向力是指測量主軸扭轉(zhuǎn)剛度時加的力矩的作用力，出于切向力檢測的考慮，將加載測試棒中的外周開槽的加載測試棒做成一個類似電機轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，即采用外周開槽的加載測試棒，并安放繞組導線，就形成了一個簡易的異步電機，在繞組中通電流后就可以給加載棒施加力矩了。力矩大小和頻率可以由外置電流的波形控制。參見圖4所示的切向的扭矩加載測試原理示意圖:當繞阻導線、徑向加載電磁鐵分別通電后，繞阻導線在電磁場中就產(chǎn)生扭矩力，進而加載到加載測試棒上，使其產(chǎn)生角位移；而扭矩傳感器和角位移傳感器分別檢測到上述信號并傳遞給計算處理單元。具體的，所述的軸向加載電磁鐵11通過第一壓板17和第一固定板16固定在底座4上，軸向力傳感器12固定在底 座4與第一固定板16之間；徑向加載電磁鐵6通過第二壓板19和第二固定板18固定在底座4上，第二固定板18與底座4之間還設(shè)有固定塊20，徑向力傳感器5固定在固定塊20與第二固定板18之間。固定板、壓板其材料為不導磁不銹鋼,避免漏磁。進一步，所述的位移傳感器支架3包括與機床工作臺2相連接的支撐座，支撐座上設(shè)有可供加載測試棒9穿過的固定框；徑向位移傳感器7和軸向位移傳感器10設(shè)置在固定框上，徑向位移傳感器7分布在加載測試棒9不同的徑向上。而支撐底座用于固定支撐鐵心及其附屬結(jié)構(gòu)，并通過螺紋連接固定在機床工作臺上。參見圖3，所述的徑向位移傳感器7至少包括三個，分別設(shè)置在固定框相互垂直的邊框上；徑向力傳感器5為偶數(shù)個，其沿徑向加載電磁鐵6的磁極面兩側(cè)對稱分布。所述的底座4設(shè)置在機床工作臺2上并且其位置可調(diào)，底座4上還設(shè)有吊環(huán)螺釘15 ;徑向加載電磁鐵6的磁極面所對應的中心線，與加載測試棒9的軸心線相重合；加載測試棒9為導磁性良好的金屬棒。在實際加載測試時，加載測試棒軸心線與兩個徑向電磁鐵磁極面組成的圓柱面的中心線重合，并且調(diào)節(jié)加載棒端部與軸向加載電磁鐵磁極面之間的間隙至設(shè)計要求值；徑向、軸向電磁鐵均為U形電磁鐵，不同的是徑向加載電磁鐵磁極面為圓弧形，軸向加載電磁鐵磁極面為平面，兩端磁極分別纏繞勵磁線圈。所述的加載測試棒9通過與高速電主軸刀柄相匹配的連接部與高速電主軸相連接。比如以BT30刀柄為基礎(chǔ)設(shè)計加載測試棒，若為其他種類的刀柄，只需要將加載測試棒與主軸連接的部分做成與該種類刀柄一樣的連接方式就可以了，而被加載及測試的部分可以統(tǒng)一制作成一種規(guī)格，這樣本發(fā)明就具有了廣泛的適應性。而針對不同規(guī)格的電主軸配置不同規(guī)格的加載測試棒，這樣就可以直接在目標機床上對電主軸進行加載試驗，而不受限于專用電主軸試驗臺。具體的所述的徑向力傳感器5、軸向力傳感器12均采用壓電式力傳感器或應變式拉壓力傳感器；測靜態(tài)力及低頻動態(tài)力時采用應變式拉壓力傳感器，測高頻動態(tài)力時采用壓電式力傳感器。位移傳感器采用非接觸式傳感器，如電渦流位移傳感器、激光位移傳感器或光纖傳感器。在進行動靜剛度測試時，先對測試裝置進行安裝:將兩個徑向加載電磁鐵和一個軸向加載電磁鐵、固定板、壓板、傳感器等安裝到底座支撐上，將底座通過螺紋連接固定在工作臺上，通過底座在工作臺上的位置，給出徑向電磁鐵形成的圓柱面的中心線的位置坐標，為數(shù)控機床主軸編寫坐標指令，將加載棒移動到要求位置，保證加載棒軸心線與給出的徑向電磁鐵形成的圓的中心線對中，具體的徑向加載電磁鐵和軸向加載電磁鐵與加載棒的間隙為初始設(shè)計0.5mm。下面給出基于所述裝置的三向電磁力加載的高速電主軸動靜剛度測試的方法，包括以下步驟:I)軸向動剛度的測試:在高速電主軸上連接實心加載測試棒，接通軸向加載電磁鐵的電源，由計算處理單元向信號輸出與采集模塊發(fā)出控制信號，再通過功率放大器給軸向電磁鐵輸入一直流偏移與某一頻率正弦信號的疊加，或者輸入掃頻信號與直流偏移的疊加；軸向加載電磁鐵產(chǎn)生的磁場與加載測試棒相互作用形成軸向動態(tài)加載力，由軸向力傳感器和軸向位移傳感器測得力信號和位移信號，并經(jīng)過信號輸出與采集模塊傳遞給計算處理單元，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理(計算頻響函數(shù)得到動柔度曲線，再求倒數(shù))得到軸向加載的動剛度曲線；2)軸向靜剛度的測試:在高速電主軸上連接實心加載測試棒，接通軸向加載電磁鐵的電源，由計算處理單元向信號輸出與采集模塊發(fā)出控制信號，經(jīng)功率放大器改變輸入給軸向加載電磁鐵的直流偏移量的大小來得到不同大小的軸向靜態(tài)力，加載測試棒產(chǎn)生相應的位移，軸向力傳感器和軸向位移傳感器測得力信號和位移信號，并經(jīng)過信號輸出與采集模塊傳遞給計算處理單元，經(jīng)過運算處理(計算單位位移下的作用力)得到軸向加載的靜剛度曲線；3)徑向動剛度的測試:在高速電主軸上連接實心加載測試棒，接通兩個徑向加載電磁鐵的電源，進行差動激磁，由計算處理單元向信號輸出與采集模塊發(fā)出控制信號，再通過功率放大器對兩個徑向加載電磁鐵中的一個通以偏置電流Ici與控制電流ix之和Ifix激磁，而另一個則利用二者之差icrix激磁，然后作用在加載測試棒上的合力為某一頻率的正弦力信號或者為掃頻力信號；徑向力傳感器和徑向位移傳感器將測得力信號和位移信號，經(jīng)過信號輸出與采集模塊傳遞給計算處理單元，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理(進行頻響函數(shù)分析，得到動柔度曲線，再求倒數(shù))得到徑向加載的動剛度曲線；4)徑向靜剛度的測試:在高速電主軸上連接實心加載測試棒,接通加載測試棒一側(cè)的徑向加載電磁鐵的電源，另一側(cè)的徑向加載電磁鐵保持斷電，由計算處理單元控制信號輸出與采集模塊，通過功率放大器為通電的徑向電磁鐵通以不同的直流偏移來得到不同大小的力，加載測試棒產(chǎn)生相應的位移；計算處理單元對通電側(cè)徑向加載電磁鐵的徑向位移傳感器和徑向力傳感器測量到的數(shù)據(jù)進行處理(計算單位位移下的作用力)，得到徑向加載的靜剛度曲線。再進行切向的檢測:5)切向動剛度、切向靜剛度的測試:在高速電主軸上連接外周開槽的加載測試棒，并將繞阻導線與外置電源接通，在繞阻導線通入電信號；接通兩個徑向加載電磁鐵的電源，產(chǎn)生電磁場，加載測試棒會受到扭矩作用并產(chǎn)生角位移；扭矩傳感器和角位移傳感器測得的切向力信號和角位移信號，并經(jīng)過信號輸出與采集模塊傳遞給計算處理單元；經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到切向動剛度曲線和靜剛度曲線。具體的計算處 理單元根據(jù)切向力信號和角位移信號計算頻響函數(shù)得到動柔度曲線，再求倒數(shù)，得到動剛度曲線；計算處理單元根據(jù)切向力信號和角位移信號進行數(shù)據(jù)處理，得到單位位移下的作用力，得到切向靜剛度曲線。在上述測試時，啟動高速電主軸，測試高速電主軸在工作狀態(tài)不同轉(zhuǎn)速下的三向動剛度和靜剛度；關(guān)閉高速電主軸，測試高速電主軸在非工作狀態(tài)下的三向動剛度和靜剛
度。 ·
權(quán)利要求
1.一種基于三向電磁力加載的高速電主軸動靜剛度測試裝置，其特征在于，包括底座(4),底座(4)上設(shè)有兩個相對設(shè)置的徑向加載電磁鐵(6)和一個軸向加載電磁鐵(11);與高速電主軸(8)相連接的加載測試棒(9)設(shè)置在徑向加載電磁鐵(6)和軸向加載電磁鐵(11)之間，加載測試棒(9 )與徑向加載電磁鐵(6 )、軸向加載電磁鐵(11)之間均留有一定的間隙；加載測試棒(9)包括實心加載測試棒和外周開槽的加載測試棒兩種，所述的外周開槽的加載測試棒中所開設(shè)的槽中設(shè)有繞阻導線，繞阻導線連接外置電源； 徑向加載電磁鐵(6)后方均設(shè)有至少兩個徑向力傳感器(5),軸向加載電磁鐵(11)的下方設(shè)有軸向力傳感器(12);徑向位移傳感器(7)和軸向位移傳感器(10)分別通過位移傳感器支架(3)設(shè)置在加載測試棒(9)的徑向和軸向方向上，并留有一定間隙；位移傳感器支架(3)上還分別設(shè)有扭矩傳感器和角位移傳感器； 徑向加載電磁鐵(6)、軸向加載電磁鐵(11)上的線圈分別與功率放大器(I)相連接,與計算處理單元(14)相連接的信號輸出與采集模塊(13)接收其發(fā)出的信號后，發(fā)送給功率放大器(I);信號輸出與米集模塊(13)還分 別與徑向力傳感器(5)、軸向力傳感器(12)、徑向位移傳感器(7)、軸向位移傳感器(10)、扭矩傳感器和角位移傳感器相連接，采集位移信號和力信號并將其發(fā)送給計算處理單元(14)； 計算處理單元(14)根據(jù)所接收的位移信號和力信號經(jīng)運算處理，得到動靜剛度曲線。
2.如權(quán)利要求1所述的基于三向電磁力加載的高速電主軸動靜剛度測試裝置，其特征在于，所述的軸向加載電磁鐵(11)通過第一壓板(17)和第一固定板(16)固定在底座(4)上，軸向力傳感器(12)固定在底座(4)與第一固定板(16)之間； 徑向加載電磁鐵(6)通過第二壓板(19)和第二固定板(18)固定在底座(4)上，第二固定板(18)與底座(4)之間還設(shè)有固定塊(20),徑向力傳感器(5)固定在固定塊(20)與第二固定板(18)之間。
3.如權(quán)利要求1所述的基于三向電磁力加載的高速電主軸動靜剛度測試裝置，其特征在于，所述的位移傳感器支架(3)包括與機床工作臺(2)相連接的支撐座，支撐座上設(shè)有可供加載測試棒(9)穿過的固定框；徑向位移傳感器(7)和軸向位移傳感器(10)設(shè)置在固定框上，徑向位移傳感器(7)分布在加載測試棒(9)不同的徑向上。
4.如權(quán)利要求3所述的基于三向電磁力加載的高速電主軸動靜剛度測試裝置，其特征在于，所述的徑向位移傳感器(7)至少包括三個，分別設(shè)置在固定框相互垂直的邊框上； 徑向力傳感器(5)為偶數(shù)個，其沿徑向加載電磁鐵(6)的磁極面兩側(cè)對稱分布。
5.如權(quán)利要求1所述的基于三向電磁力加載的高速電主軸動靜剛度測試裝置，其特征在于，所述的底座(4)設(shè)置在機床工作臺(2)上并且其位置可調(diào)，底座(4)上還設(shè)有吊環(huán)螺釘(15);徑向加載電磁鐵(6)的磁極面所對應的中心線，與加載測試棒(9)的軸心線相重合；加載測試棒(9)為導磁性良好的金屬棒。
6.如權(quán)利要求1所述的基于三向電磁力加載的高速電主軸動靜剛度測試裝置，其特征在于，加載測試棒(9)通過與高速電主軸刀柄相匹配的連接部與高速電主軸相連接。
7.如權(quán)利要求1所述的基于三向電磁力加載的高速電主軸動靜剛度測試裝置，其特征在于，所述的徑向力傳感器(5)、軸向力傳感器(12)均采用壓電式力傳感器或應變式拉壓力傳感器；測靜態(tài)力及低頻動態(tài)力時采用應變式拉壓力傳感器，測高頻動態(tài)力時采用壓電式力傳感器。
8.一種基于權(quán)利要求1所述裝置的三向電磁力加載的高速電主軸動靜剛度測試的方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)軸向動剛度的測試:在高速電主軸上連接實心加載測試棒，接通軸向加載電磁鐵的電源，由計算處理單元向信號輸出與采集模塊發(fā)出控制信號，再通過功率放大器給軸向電磁鐵輸入一直流偏移與某一頻率正弦信號的疊加，或者輸入掃頻信號與直流偏移的疊加；軸向加載電磁鐵產(chǎn)生的磁場與加載測試棒相互作用形成軸向動態(tài)加載力，由軸向力傳感器和軸向位移傳感器測得力信號和位移信號，并經(jīng)過信號輸出與采集模塊傳遞給計算處理單元，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到軸向加載的動剛度曲線； 2)軸向靜剛度的測試:在高速電主軸上連接實心加載測試棒，接通軸向加載電磁鐵的電源，由計算處理單元向信號輸出與采集模塊發(fā)出控制信號，經(jīng)功率放大器改變輸入給軸向加載電磁鐵的直流偏移量的大小來得到不同大小的軸向靜態(tài)力，加載測試棒產(chǎn)生相應的位移，軸向力傳感器和軸向位移傳感器測得力信號和位移信號，并經(jīng)過信號輸出與采集模塊傳遞給計算處理單元，經(jīng)過運算處理得到軸向加載的靜剛度曲線； 3)徑向動剛度的測試:在高速電主軸上連接實心加載測試棒，接通兩個徑向加載電磁鐵的電源，進行差動 激磁，由計算處理單元向信號輸出與采集模塊發(fā)出控制信號，再通過功率放大器對兩個徑向加載電磁鐵中的一個通以偏置電流id與控制電流ix之和id+ix激磁，而另一個則利用二者之差icrix激磁，然后作用在加載測試棒上的合力為某一頻率的正弦力信號或者為掃頻力信號；徑向力傳感器和徑向位移傳感器將測得力信號和位移信號，經(jīng)過信號輸出與采集模塊傳遞給計算處理單元，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到徑向加載的動剛度曲線； 4)徑向靜剛度的測試:在高速電主軸上連接實心加載測試棒,接通加載測試棒一側(cè)的徑向加載電磁鐵的電源，另一側(cè)的徑向加載電磁鐵保持斷電，由計算處理單元控制信號輸出與采集模塊，通過功率放大器為通電的徑向電磁鐵通以不同的直流偏移來得到不同大小的力，加載測試棒產(chǎn)生相應的位移；計算處理單元對通電側(cè)徑向加載電磁鐵的徑向位移傳感器和徑向力傳感器測量到的數(shù)據(jù)進行處理，得到徑向加載的靜剛度曲線。
9.如權(quán)利要求8所述的基于三向電磁力加載的高速電主軸動靜剛度測試的方法，其特征在于，還包括切向的檢測: 5)切向動剛度、切向靜剛度的測試:在高速電主軸上連接外周開槽的加載測試棒，并將繞阻導線與外置電源接通，在繞阻導線通入電信號；接通兩個徑向加載電磁鐵的電源，產(chǎn)生電磁場，加載測試棒會受到扭矩作用并產(chǎn)生角位移；扭矩傳感器和角位移傳感器測得的切向力信號和角位移信號，并經(jīng)過信號輸出與采集模塊傳遞給計算處理單元；經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到切向動剛度曲線和靜剛度曲線。
10.如權(quán)利要求8或9所述的基于三向電磁力加載的高速電主軸動靜剛度測試的方法，其特征在于，在測試時，啟動高速電主軸，測試高速電主軸在工作狀態(tài)不同轉(zhuǎn)速下的三向動剛度和靜剛度；關(guān)閉高速電主軸，測試高速電主軸在非工作狀態(tài)下的三向動剛度和靜剛度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于三向電磁力加載的高速電主軸動靜剛度測試裝置及方法，徑向加載電磁鐵采用差動控制，并且可以針對不同機床進行加載測試，具有廣泛的適應性。通過力傳感器和位移傳感器采集的加載量和位移量，由計算處理單元對力信號和位移信號進行數(shù)據(jù)處理得到動剛度曲線和靜剛度曲線，操作方便、準確、專業(yè)，成功的模擬了高速電主軸在工作過程中三向(軸向、徑向和切向)受載情況，進而測試得到主軸的靜剛度和動剛度特性，解決了現(xiàn)有技術(shù)中高速電主軸動靜剛度分析測試中難以準確在線施加載荷及檢測的問題。
文檔編號G01N3/40GK103217349SQ20131011632
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月3日
發(fā)明者陳耀龍, 王小鵬, 蘇文軍, 奚延輝, 劉嘯 申請人:西安交通大學