CN102169054B

CN102169054B - 一种高速电主轴切削力模拟加载及测试装置

Info

Publication number: CN102169054B
Application number: CN2011100009021A
Authority: CN
Inventors: 刘宏昭; 邱荣华; 周训通; 原大宁; 何强
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2011-01-06
Filing date: 2011-01-06
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2031-01-06
Also published as: CN102169054A

Abstract

本发明公开了一种高速电主轴切削力模拟加载及测试装置，包括在径向电磁铁支架、一对轴向电磁铁支架、切向电磁铁支架上各自设置有加载电磁铁和单向拉压力传感器，单向拉压力传感器与滤波放大电路、A/D转换器依次连接，A/D转换器与加载控制器连接，加载控制器与工控机及单相可控硅整流电路分别连接，单相可控硅整流电路与整流变压器及各处直流励磁线圈同时连接；铜杯内圆柱面及外沿两侧喷镀有非晶态软磁合金涂层。本发明装置由单相可控硅整流电路产生可调节的直流励磁电流，经各励磁线圈形成直流气隙磁场，分别完成径向、切向及轴向电磁加载力的调节，共同实现切削力的模拟加载及非接触电磁加载力的测试。

Description

一种高速电主轴切削力模拟加载及测试装置

技术领域

本发明属于检测设备技术领域，用于高速电主轴动态特性试验中模拟切削力负载的非接触电磁加载装置，涉及一种高速电主轴切削力模拟加载及测试装置。

背景技术

高速电主轴技术的发展和应用大大推动了加工制造业技术的革新，以电主轴为基础的高速机床可实现快速、高精度加工，满足加工制造业日趋激烈的竞争需要。高速电主轴的动态特性决定了机床加工速度、精度及可靠性能否达到要求，故通过高速电主轴负载时的动态特性试验，可对以上性能参数进行分析，以改进电主轴及机床的结构设计。高速电主轴负载时的动态特性试验需要有一套加载装置，以模拟高速电主轴的切削力负载，并对加载力进行测试，完成高速电主轴负载状态下的动态特性分析。

目前，高速电主轴动态特性试验中加载测试的主要方法为对拖式加载，即采用高速电主轴与测功机同轴连接的方法对高速电主轴进行加载。这种加载方法存在如下难以解决的问题：1)只能模拟高速电主轴的负载扭矩，不能模拟加工时刀具与工件接触点的切向力、径向力和轴向力；2)由于测功机加载时产生的热量很大及结构限制，加载时所能达到的最高转速不超过15000rpm，对于更高转速的电主轴无法采用测功机进行加载。故对于高速电主轴应采用非接触加载方式，实现高速电主轴切削力负载的模拟。

发明内容

本发明的目的是提供一种高速电主轴切削力模拟加载及测试装置，实现了高速电主轴动态特性分析试验中切削力负载的模拟。

本发明所采用的技术方案是，一种高速电主轴切削力模拟加载及测试装置，包括机械部分和电气控制部分，

1)所述的机械部分的结构是，

在工作台上设置有电主轴支座和一个径向电磁铁支架、一个切向电磁铁支架和一对轴向电磁铁支架，电主轴支座上设置有电主轴，电主轴与空心的铜杯底端连接，铜杯开口端设置有外沿；

径向电磁铁支架的端头伸进铜杯中，并安装有径向力加载电磁铁，径向力加载电磁铁上设置有竖直方向的直流励磁线圈①；

一对轴向电磁铁支架分布在铜杯开口外沿两侧，每个轴向电磁铁支架上安装有一个轴向力加载电磁铁，该对轴向力加载电磁铁对称分布在外沿两侧，每个轴向力加载电磁铁上安装有一水平的直流励磁线圈②；

切向电磁铁支架位于铜杯下方，切向电磁铁支架上安装有切向力加载电磁铁，切向力加载电磁铁安装有竖直方向的直流励磁线圈③；

径向力加载电磁铁与切向力加载电磁铁靠近铜杯的底端，径向力加载电磁铁的轴线与切向力加载电磁铁的轴线重合，且该轴线平行于铜杯的竖直直径线；铜杯外沿两侧的轴向力加载电磁铁的轴线重合，且该轴线平行于铜杯的轴线；

2)所述的电气控制部分结构是，

在径向电磁铁支架、切向电磁铁支架和一对轴向电磁铁支架上各设置有一单向拉压力传感器，单向拉压力传感器输出端与滤波放大电路、A/D转换器依次连接，A/D转换器输出端与加载控制器连接，加载控制器与工控机连接，加载控制器与单相可控硅整流电路连接，单相可控硅整流电路与整流变压器连接，

单相可控硅整流电路的主电路输出端分别与直流励磁线圈①、②和③同时连接；单相可控硅整流电路的控制电路部分由移相触发电路、隔离驱动电路依次连接组成，移相触发电路的输入端与加载控制器输出端连接。

本发明的有益效果是，通过采用非接触加载，有效地解决了高速电主轴负载试验时难以加载及加载力难以测试的问题，既能模拟主轴的径向切削力，又能模拟主轴的切向及轴向切削力；整体装置造价低、便于安装使用，测试方法简便、精度高，经济效益显著。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为图1中沿A-A视向剖面图；

图3为本发明装置中的部分电路连接示意图；

图4为本发明装置实施过程中的铜杯的受力示意图；

图5是本发明装置实施过程中的铜杯的受力侧视图。

图中，1.电主轴，2.铜杯，3.非晶态软磁合金涂层，4.斜通孔，5.径向力加载电磁铁，6.径向电磁铁支架，7.轴向力加载电磁铁，8.轴向电磁铁支架，9.切向力加载电磁铁，10.单向拉压力传感器，11.切向电磁铁支架，12.单相可控硅整流电路，13.加载控制器，14.A/D转换器，15.滤波放大电路，16.工作台，17.电主轴支座，18.整流变压器，19.移相触发电路，20.隔离驱动电路，21.续流电路，22.径向整流电路，23.轴向整流电路，24.切向整流电路，25.工控机，①、②和③为三个直流励磁线圈。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的高速电主轴切削力模拟加载及测试装置，包括机械部分和电气控制部分组成。

如图1、图2，本发明装置的机械部分的结构是，

在工作台16上设置有电主轴支座17和一个径向电磁铁支架6、一个切向电磁铁支架11和一对轴向电磁铁支架8，电主轴支座17上设置有电主轴1，电主轴1的轴端安装有用于加载的空心的铜杯2；铜杯2与电主轴1的连接端面设置有一圈沿轴向的斜通孔4，当电主轴1高速旋转时，可自动实现加载装置的散热冷却，满足长时间连续加载需要。

径向电磁铁支架6、轴向电磁铁支架8和切向电磁铁支架11为精密加工的高强度合金支架，在径向电磁铁支架6的水平横梁上安装径向力加载电磁铁5；在轴向电磁铁支架8上安装有一对相同的轴向力加载电磁铁7，该对轴向力加载电磁铁7对称分布在铜杯2外沿两侧，可对铜杯2产生向左或向右的水平轴向力；在切向电磁铁支架11上安装切向力加载电磁铁9；径向力加载电磁铁5与切向力加载电磁铁9靠近铜杯2的底端，经安装调整后保证径向力加载电磁铁5的轴线与切向力加载电磁铁9的轴线重合，且该轴线平行于铜杯2的竖直直径线；铜杯2外沿两侧轴向力加载电磁铁7的轴线重合，且该轴线平行于铜杯2的轴线；铜杯2内圆竖直方向的径向力加载电磁铁5上设置有直流励磁线圈①，铜杯2外沿两侧的轴向力加载电磁铁7上设置有直流励磁线圈②，铜杯2外圆竖直方向的切向力加载电磁铁9上设置有直流励磁线圈③，直流励磁线圈①、②和③分别形成各自的直流磁场，通过与铜杯2相互作用，产生稳定的径向、轴向和切向电磁加载力。

径向电磁铁支架6横梁左端的径向力加载电磁铁5上方竖直安装有单向拉压力传感器10，用于检测铜杯2竖直径向电磁加载力，轴向电磁铁支架8横梁两端水平安装有另外一对同型号的单向拉压力传感器10，用于检测铜杯2水平向左或向右的轴向电磁加载力；参照图2，切向电磁铁支架11横梁左端水平安装同型号单向拉压力传感器10，用于检测水平切向电磁加载力。单向拉压力传感器10选用合肥博通公司TH48011型单向拉压力传感器，具有柱式梁结构，单向力误差很小，垂直力干扰引起的误差较小，满足了测试精度需要。

参照图1、图3，本发明装置的电气控制部分结构是，

加载力检测值m和加载力设定值n为加载控制器13输入信号，输入信号m和n形成的偏差量作为加载控制器13的PID控制算法输入量，经PID控制算法调节产生的输出控制信号接入单相可控硅整流电路12的控制电路输入端，单相可控硅整流电路12的主电路输入端与整流变压器18连接；参照图3、图4，单相可控硅整流电路12的主电路输出端分别与直流励磁线圈①、②和③同时连接，直流励磁线圈①、②和③由单相可控硅整流电路12产生稳定的直流励磁电流，并由加载控制器13完成直流励磁电流的控制；加载控制器13和作为上位机的工控机25连接，工控机25可生成人机交互操作界面，以输入加载力设定值n及其它参数，该输入的设定值n等参数通过串口通信传送给加载控制器13，同时，加载控制器13接收的加载力检测值m由串口通信传送给工控机25进行显示。

加载力检测值m为同型号单向拉压力传感器10的测试值，单向拉压力传感器10输出端与滤波放大电路15、A/D转换器14依次连接，A/D转换器14输出端接加载控制器13，完成加载力检测值m的输入。滤波放大电路15选用成都纵横测控公司JV53302型4通道精密放大器，该放大器具有低通滤波器模块，12位分辨率；A/D转换器14选用ADI公司AD7654型高速4通道A/D转换器，16位分辨率；加载控制器13选用ATMEL公司AT89S8253型8位单片机，支持在线编程。加载控制器13根据输入的加载力检测值m和加载力设定值n比较后的偏差量，经PID控制算法调节后产生控制信号输出，完成各电磁线圈直流磁场的调节，实现径向、切向及轴向电磁加载力的控制。

参照图3、图4，单相可控硅整流电路12包括主电路和控制电路两部分组成。单相可控硅整流电路12的主电路部分由电路结构一致的三组桥式三组整流电路22、23和24(即径向整流电路22、轴向整流电路23、切向整流电路24)组成，分别完成径向、轴向及切向电磁加载力的调节；三组整流电路22、23和24均选用德国西门康公司SK100B型单相可控硅整流桥模块，该模块为单相全控桥式整流电路，封装成整体模块。径向整流电路22的输出接线端口为a端、b端，接直流励磁线圈①；轴向整流电路23的输出接线端口为c端、d端，接铜杯2外沿左侧的直流励磁线圈②，可产生水平向左的轴向力，若需产生水平向右的轴向力，则c端、d端接铜杯2外沿右侧的直流励磁线圈；切向整流电路24的输出接线端口为e端、f端，接直流励磁线圈③。三组整流电路22、23和24输出端还并接有相同的续流电路21，续流电路21由续流二极管和电阻串联构成，使可控硅在反向截止时不被击穿。三组整流电路22、23和24输入端均与整流变压器18输出端连接，整流变压器18输入端与单相工频交流电连接。

见图3，单相可控硅整流电路12的控制电路部分包括移相触发电路19、隔离驱动电路20依次连接组成，移相触发电路19的输入端与加载控制器13输出端连接，隔离驱动电路20的输出端与三组整流电路22、23和24中各可控硅的控制端连接。加载控制器13输出的控制信号经移相触发电路19形成多路移相触发脉冲，该移相脉冲通过隔离、放大后控制各可控硅的通、断，完成直流励磁线圈磁场的调节。移相触发电路19选用西安恒达公司KJ004型可控硅移相控制触发电路，该集成电路适用于单相全控桥式整流电路，输出负载能力大，移相性能好、范围宽；隔离驱动电路20选用北京豪恩公司1553B型脉冲变压器，用于信号传输、隔离及放大。

当接通单相可控硅整流电路12的电源，在铜杯2上同时产生径向加载力F_Z、切向加载力F_Y和轴向加载力F_X，实现高速电主轴切削力负载的模拟。

径向力加载电磁铁5竖直安装在径向电磁铁支架6的水平横梁上，径向力加载电磁铁5上绕直流励磁线圈①，所述直流励磁线圈①的励磁电流由可控硅整流电路22的a、b连接端头提供，在I处形成均匀气隙磁场；

见图4，铜杯2内圆柱面及开口端外沿两侧覆盖有非晶态软磁合金涂层3，选用牌号为1K503的铁镍基非晶态合金材料，通过喷镀在铜杯2内圆柱面及外沿两侧形成0.05mm厚的非晶态软磁合金涂层3，铁镍基非晶态软磁合金具有优异的综合性能：极高的磁导率(远远大于空气磁导率)，在气隙磁场中可产生较大的麦克斯韦电磁力，且电阻率很高、损耗很低，并具有很高的机械强度。故I处气隙磁场与非晶态软磁合金涂层3相互作用，在非晶态软磁合金涂层3表面产生了竖直向上的中心径向电磁加载力F_Z(麦克斯韦电磁力)，F_Z通过所模拟的切削力作用点O；

铁镍基非晶态软磁合金涂层3具有优异的软磁性能，在弱磁场下具有极高的磁导率，可以很好地聚集磁力线、作为磁力线通路，故直流励磁线圈输入较小的激磁电流，通过铁镍基非晶态软磁合金涂层3便可产生较强的磁场；同时，非晶态软磁合金涂层3还具有很高的电阻率，铜杯2在气隙磁场中按图5所示方向旋转时，内圆柱面产生的感应电流很小，与气隙接触面上形成的附加切向电磁力(洛仑磁力)很小，对径向电磁加载力F_Z的测试及外圆切向电磁加载力F_Y大小的影响很小；非晶态软磁合金涂层薄、电阻率高、铁损低，大大减少了空心铜杯2加载时产生的热量及电能损耗，有利于加载装置的散热冷却。

参照图1、图3，相同的轴向力加载电磁铁7水平安装在轴向电磁铁支架8的横梁两端，轴向力加载电磁铁7对称分布在铜杯2外沿两侧，铜杯2外沿两侧的电磁铁7上绕相同的直流励磁线圈②；当铜杯2外沿左侧的直流励磁线圈②连接可控硅整流电路23的c、d端头时，在铜杯2外沿左侧II处形成均匀气隙磁场；见图4，II处气隙磁场与铜杯2左侧外沿上铁镍基非晶态软磁合金涂层3相互作用，在非晶态软磁合金涂层3表面产生水平向左的轴向电磁加载力F_X(麦克斯韦电磁力)，F_X通过所模拟的切削力作用点O；

当需要产生通过O点水平向右的轴向电磁加载力F_X时，可使铜杯2外沿右侧的直流励磁线圈与可控硅整流电路23的c、d端头连接，铜杯2外沿右侧形成均匀气隙磁场，该气隙磁场与铜杯2右侧外沿上铁镍基非晶态软磁合金涂层3相互作用，在非晶态软磁合金涂层3表面产生水平向右的轴向电磁加载力F_X(麦克斯韦电磁力)，F_X通过所模拟的切削力作用点O。

参照图2、图3，切向力加载电磁铁9竖直安装在切向电磁铁支架11的水平横梁上，切向力加载电磁铁9上绕直流励磁线圈③，所述直流励磁线圈③的励磁电流由可控硅整流电路24的e、f连接端头提供，在III处形成均匀气隙磁场；

见图5，由于铜杯2外圆柱面为电阻率很低的纯铜材料，具有很好的导电性能，高速旋转的空心铜杯在气隙磁场中可产生较大的洛伦磁力。故铜杯2按图5所示方向旋转时，III处气隙磁场与铜杯2相互作用，在铜杯2外圆柱面上产生水平向右的切向电磁加载力F_Y(洛伦磁力)，F_Y的作用点为所模拟的切削力作用点O。

铜杯2的外圆柱面纯铜材料还具有不导磁的特性(铜为抗磁性物质，相对磁导率为0.9999)，铜杯2与III处气隙磁场相互作用，在接触面上产生的附加径向电磁力(麦克斯韦力)很小，对切向电磁加载力F_Y的测试及内圆径向电磁加载力F_Z大小的影响很小；同时，由于铜杯电阻很小，铜杯外圆感应涡流产生的热量较小，有利于加载装置的散热冷却。

铜杯2的重量较轻，内圆周的非晶态软磁合金涂层3的机械强度、硬度很高，可提高铜杯2的刚度，并提高加载装置安全性。

如图1、图2、图3，本发明装置的工作过程是，

1)加载前的准备工作包括，调整径向力加载电磁铁5、轴向力加载电磁铁7和切向力加载电磁铁9的位置并固定牢靠，使径向力加载电磁铁5、轴向力加载电磁铁7和切向力加载电磁铁9与铜杯2间的气隙I、II和III均为1mm；确定水平轴向加载力方向，把铜杯2外沿左侧或右侧的直流励磁线圈接线端头连接到整流电路23的c、d端头。

2)模拟切削力负载的加载过程是，接通电主轴1的变频器电源，并接通三组整流电路22、23和24和加载装置控制系统的电源。通过工控机25输入切削力负载设定值n，A/D转换器14输入电磁加载力F_X、F_Y和F_Z的检测值m，经加载控制器13调节，控制各加载线圈的励磁电流，完成电磁加载力F_X、F_Y和F_Z的调节。逐步调节高速电主轴1的转速，在电主轴达到所需转速时，逐步改变电磁加载力设定值，直至达到所需的电磁加载力，实现高速电主轴切削力负载的模拟。

本发明装置控制原理是，应用图形化编程语言在加载装置控制系统的工控机25上生成人机交互操作界面，工控机25选用台湾研华公司IPC-610P型工业控制计算机。所需的加载设定值参数n由人机交互操作界面输入，并经串口传送到加载控制器13输入端，加载力检测值m反馈到加载控制器13输入端，并在加载控制器13中形成偏差值，控制器中的PID调节算法根据此偏差值计算后产生控制信号输出，输出信号控制整流电路中可控硅的通、断，调节直流励磁电流，使加载控制器13输入端的偏差量为零，此时的电磁加载力即为所需模拟的切削力负载。

本发明装置进行非接触电磁加载力的测试原理是，非接触加载装置在铜杯2上产生电磁加载力F_X、F_Y和F_Z，根据作用力与反作用力关系，气隙磁场在三处电磁铁安装支架上产生的反作用力与气隙磁场在铜杯2上产生的作用力F_X、F_Y和F_Z大小相等，方向相反。通过径向电磁铁支架6上安装的单向拉压力传感器10的受力可测出径向电磁加载力F_Z，通过轴向电磁铁支架8上安装的同型号单向拉压力传感器10的受力可测出轴向电磁加载力F_X，通过切向电磁铁支架11上安装的同型号单向拉压力传感器10的受力可测出切向电磁加载力F_Y，完成非接触电磁加载力F_X、F_Y和F_Z的测试。

本发明装置是根据作用力与反作用力的关系，利用简单的单向拉压力传感器检测出支架所受三方向力，完成空心铜杯实际所受三维加载力的测试，结构简单、制作成本低；同时，加载装置通过电磁场产生加载力，实现了非接触加载，完全适用于高速电主轴负载时的动态特性试验，解决了高速电主轴切削力负载模拟的问题。

Claims

1.一种高速电主轴切削力模拟加载及测试装置，其特征在于：包括机械部分和电气控制部分，

1）所述的机械部分的结构是，

在工作台（16）上设置有电主轴支座（17）和一个径向电磁铁支架（6）、一个切向电磁铁支架（11）和一对轴向电磁铁支架（8），电主轴支座（17）上设置有电主轴（1），电主轴（1）与空心的铜杯（2）底端连接，铜杯（2）开口端设置有外沿；

径向电磁铁支架（6）的端头伸进铜杯（2）中，并安装有径向力加载电磁铁（5），径向力加载电磁铁（5）上设置有竖直方向的第一直流励磁线圈（①）；

一对轴向电磁铁支架（8）分布在铜杯（2）开口外沿两侧，每个轴向电磁铁支架（8）上安装有一个轴向力加载电磁铁（7），该对轴向力加载电磁铁（7）对称分布在外沿两侧，每个轴向力加载电磁铁（7）上安装有一水平的第二直流励磁线圈（②）；

切向电磁铁支架（11）位于铜杯（2）下方，切向电磁铁支架（11）上安装有切向力加载电磁铁（9），切向力加载电磁铁（9）安装有竖直方向的第三直流励磁线圈（③）；

径向力加载电磁铁（5）与切向力加载电磁铁（9）靠近铜杯（2）的底端，径向力加载电磁铁（5）的轴线与切向力加载电磁铁（9）的轴线重合，且该轴线平行于铜杯（2）的竖直直径线；铜杯（2）外沿两侧的轴向力加载电磁铁（7）的轴线重合，且该轴线平行于铜杯（2）的轴线；

2）所述的电气控制部分结构是，

在径向电磁铁支架（6）、切向电磁铁支架（11）和一对轴向电磁铁支架（8）上各设置有一单向拉压力传感器（10），单向拉压力传感器（10）输出端与滤波放大电路（15）、A/D转换器（14）依次连接，A/D转换器（14）输出端与加载控制器（13）连接，加载控制器（13）与工控机（25）连接，加载控制器（13）与单相可控硅整流电路（12）连接，单相可控硅整流电路（12）与整流变压器（18）连接，

单相可控硅整流电路（12）的主电路输出端分别与第一直流励磁线圈（①）、第二直流励磁线圈（②）和第三直流励磁线圈（③）同时连接；单相可控硅整流电路（12）的控制电路部分由移相触发电路（19）、隔离驱动电路（20）依次连接组成，移相触发电路（19）的输入端与加载控制器（13）输出端连接。

2.根据权利要求1所述的高速电主轴切削力模拟加载及测试装置，其特征在于：所述单相可控硅整流电路（12）的主电路部分由电路结构一致的三组桥式单相可控硅整流电路组成，即径向整流电路（22）、轴向整流电路（23）和切向整流电路（24），上述三组单相可控硅整流电路的输出端还并接有相同的续流电路（21），

径向整流电路（22）的输出接线端口为a端、b端，接第一直流励磁线圈（①）；

轴向整流电路（23）的输出接线端口为c端、d端，当与铜杯（2）外沿左侧的第二直流励磁线圈（②）连接时，产生水平向左的轴向力；或者c端、d端当与铜杯（2）外沿右侧的第二直流励磁线圈（②）连接时，产生水平向右的轴向力；

切向整流电路（24）的输出接线端口为e端、f端，与第三直流励磁线圈（③）连接。

3.根据权利要求1所述的高速电主轴切削力模拟加载及测试装置，其特征在于：所述铜杯（2）内圆柱面及开口端外沿两侧覆盖有一层非晶态软磁合金涂层（3），选用牌号为1K503的铁镍基非晶态合金材料。

4.根据权利要求1所述的高速电主轴切削力模拟加载及测试装置，其特征在于：所述径向力加载电磁铁（5）、轴向力加载电磁铁（7）和切向力加载电磁铁（9）与铜杯（2）之间的气隙均为1mm。

5.根据权利要求1所述的高速电主轴切削力模拟加载及测试装置，其特征在于：所述铜杯（2）的端面沿轴向开斜通孔（4）。