CN102252842A

CN102252842A - 高速主轴动刚度测试方法及装置

Info

Publication number: CN102252842A
Application number: CN2011101087437A
Authority: CN
Inventors: 熊万里; 李想; 侯志泉; 吕浪; 吕冰海
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2011-11-23

Abstract

一种测试精度高、操作方便的高速主轴动刚度测试方法，包括径向加载步骤、轴心位移测量步骤和计算动刚度值步骤，进行径向加载步骤时，通过可读数加载元件推动一滚动件与被测试高速主轴接触，并使加载力方向指向被测试高速主轴的轴心，被测试高速主轴转动时滚动件在摩擦力作用下同步自转。一种结构简单、占用空间小、成本低廉、精度高的高速主轴动刚度测试装置，包括径向加载装置和轴心位移测量装置，径向加载装置包括可读数加载元件、滚动件和加载元件固定架，加载元件固定于加载元件固定架上，可自转的滚动件装设于加载元件输出端，并且滚动件与被测试高速主轴的圆周面接触，加载元件的加载力方向指向被测试高速主轴的轴心。

Description

高速主轴动刚度测试方法及装置

技术领域

本发明涉及主轴动刚度测试技术，尤其涉及高速主轴动刚度测试方法及装置。

背景技术

高速主轴是现代机床的核心功能部件，其作用是带动刀具（砂轮）或工件旋转，实现高速精密加工。随着现代工业对机床加工精度和加工效率要求的不断提高，机床对主轴性能的要求也越来越高。

刚度是衡量高速主轴性能的重要指标之一。主轴刚度包括静止状态下的静刚度和高速运转时的动刚度。目前工程上可行且被广泛采用的刚度检测方法是静刚度测试方法。但是静刚度无法真实反映主轴在高速运转时承受切削载荷条件下抵抗变形的能力，只有动刚度才能科学反映主轴的动态承载特性。而目前工程上的采用的动刚度测试方法由于存在各种各样的局限，很难推广使用。

目前工程上动刚度测试方法有：

1、电磁加载式测量装置，其不足之处在于，电磁加载装置复杂，占用空间大，由于受被测试主轴的几何空间限制，仅对于专用实验的主轴检测较为有效，很难通用。

2、非接触气浮加载式测量装置，其优点在于，与主轴无接触，利于在高速旋转状态下加载。其缺点在于：a. 气浮轴承的刚度较小，加载力有限；b. 气浮加载式测量装置占用空间也大，受主轴伸出端空间的制约；c. 加载过程中很难始终保持气浮状态，容易因为加载偏置，发生轴承与主轴碰磨事故。

3、非接触液体悬浮加载式测量装置，其加载能力高于气浮加载，但也存在结构复杂，受空间制约，容易发生碰磨等缺点，仅对特定的试验主轴适用。

4、“皮带式”接触测量装置，其优点是容易操作，对主轴空间无特殊要求。其不足是“皮带”与主轴直接摩擦，发热严重且易磨损，不适用于主轴高速时使用。

5、挂重物加载测量装置，即在轴伸端套装滚动轴承，在滚动轴承上挂重物。该方法的不足之处在于：（1）只能测量垂直方向的刚度；（2）主轴尺寸较大时，轴承尺寸大，受振动限制，只适宜于主轴转速较低情况下使用。

以上测量方法还存在共性的不足，即加载的主轴截面与测量位移的主轴截面不统一，加载大小很难准确折算为位移检测截面上的等效载荷，导致动刚度测试结果不准确。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种测试精度高、操作方便的高速主轴动刚度测试方法，以及一种结构简单、占用空间小、成本低廉、精度高的高速主轴动刚度测试装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种高速主轴动刚度测试方法，包括径向加载步骤、轴心位移测量步骤和计算动刚度值步骤，进行径向加载步骤时，通过加载力大小可读的加载元件推动一可自转的滚动件与被测试高速主轴的圆周面接触，并使加载力方向指向被测试高速主轴的轴心，被测试高速主轴转动时滚动件在圆周面提供的摩擦力作用下同步自转。

进行轴心位移测量步骤时，通过沿被测试高速主轴的周向均匀布置的三件位移传感器测量轴心的位移量。

进行计算动刚度值步骤时，根据加载元件的加载量读数和三个位移传感器测得的轴心位移量计算得出被测试高速主轴的动刚度值。

所述滚动件的直径为被测试高速主轴直径的2～1/8倍。

一种高速主轴动刚度测试装置，包括径向加载装置和轴心位移测量装置。所述径向加载装置包括加载力大小可读的加载元件、可自转的滚动件和加载元件固定架，所述加载元件固定于加载元件固定架上，所述可自转的滚动件装设于加载元件输出端，并且滚动件与被测试高速主轴的圆周面接触，加载元件的加载力方向指向被测试高速主轴的轴心。

所述加载元件包括壳体、进给驱动螺杆、输出连杆、加载弹簧以及滑设于所述壳体内的两件滑块，所述壳体与加载元件固定架固定连接，所述进给驱动螺杆和输出连杆分设于壳体两端并分别连接一件滑块，所述加载弹簧设于两件滑块之间，所述壳体上设有加载力读数刻度表和可根据加载弹簧的压缩量反映加载力大小的读数指针，所述滚动件装设于输出连杆上。

所述滚动件包括滚动轴承和支承轴，所述支承轴连接于所述输出连杆上，所述滚动轴承装设于所述支承轴上。

所述轴心位移测量装置包括磁力座、固定圆座和三件位移传感器，所述磁力座用于连接驱动被测试高速主轴的机床，所述固定圆座通过紧固件装设于所述磁力座上，所述三件位移传感器沿被测试高速主轴的周向均匀布置，并通过固定圆座固定。

所述固定圆座上设有用于放置滚动件的避空缺口，三件位移传感器与滚动件布置在被测试高速主轴的同一截面上。

所述滚动轴承的直径为被测试高速主轴直径的2～1/8倍。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的高速主轴动刚度测试方法，（1）在进行径向加载步骤时采用滚动件与被测试高速主轴直接接触，滚动件在被测试高速主轴的摩擦力带动下运转，滚动摩擦系数小，对被测试高速主轴和滚动件的磨损小，可显著减小传统加载方式引起的发热和磨损，同时对测量精度的影响也很小，并且可根据需要变换加载角度，在不同方向对被测试高速主轴加载；（2）三个位移传感器与滚动件布置在被测试高速主轴的同一截面上，加载力与传感器测量所得的主轴径向位移的比值即为动刚度的值，避免了因为位移测量截面与加载截面不一致带来的换算难题；（3）滚动件的直径为被测试高速主轴直径的2～1/8倍，可以根据需要选用尺寸体积尽量小的滚动件，小滚动件允许的极限转速可以显著提高，更适合于在“摩擦对滚”情况下对高速运行的主轴进行加载，并且小滚动件占用空间小，便于工程上实施。

本发明的高速主轴动刚度测试装置，结构简单紧凑，相比于电磁加载装置、液体加载装置和气体加载装置，本发明占用空间小，工程上容易实现，成本低廉；相比于“皮带式”加载，本发明通过滚动件与被测试高速主轴接触，滚动摩擦系数小，对被测试高速主轴和滚动件的磨损小，可有效避免传统加载方式引起的发热和磨损，同时对测量精度的影响也很小；相比于挂重物加载，本发明可以通过改变加载元件固定架的安装角度，从不同方向对被测试高速主轴加载，测量不同方向的刚度，且占用空间小，能满足高速主轴的加载需要；通过读数即可获得加载力的大小，结合轴心位移测量装置测得的结果，可以很容易的得到被测试高速主轴的动刚度值；三件位移传感器通过固定圆座固定在磁力座上，磁力座移动安装容易，使得一套测试装置可以对多套不同的高速主轴进行检测；三件位移传感器与滚动件布置在被测试高速主轴的同一截面上，加载力与传感器测量所得的主轴径向位移的比值即为动刚度的值，避免了因为位移测量截面与加载截面不一致带来的换算难题；滚动件中滚动轴承的直径为被测试高速主轴直径的2～1/8倍，可选择小直径的滚动轴承对被测试高速主轴进行动态加载，因为滚动轴承直径越小，随被测试高速主轴转动的允许极限转速也越高，且可减小滚动轴承占用空间，对被测试高速主轴周围的空间要求也小。

附图说明

图1是本发明的主视结构示意图；

图2是本发明的侧视结构示意图。

图中各标号表示：

1、径向加载装置；2、轴心位移测量装置；3、被测试高速主轴；11、加载元件；12、滚动件；13、加载元件固定架；21、磁力座；22、固定圆座；23、位移传感器；111、壳体；112、进给驱动螺杆；113、输出连杆；114、加载弹簧；115、滑块；116、加载力读数刻度表；117、读数指针；121、滚动轴承；122、支承轴；221、避空缺口。

具体实施方式

本实施例提供一种高速主轴动刚度测试方法，包括径向加载步骤、轴心位移测量步骤和计算动刚度值步骤，如图1和图2所示，进行径向加载步骤时，通过加载力大小可读的加载元件11推动一可自转的滚动件12与被测试高速主轴3的圆周面接触，并使加载力方向指向被测试高速主轴3的轴心，被测试高速主轴3转动时滚动件12在圆周面提供的摩擦力作用下同步自转，滚动件12与被测试高速主轴3之间滚动摩擦系数小，对被测试高速主轴3和滚动件12的磨损小，可有效避免传统加载方式引起的发热和磨损，同时对测量精度的影响也很小；通过读取加载元件11的加载力数据即可获得加载力的大小，再结合轴心位移测量步骤测得的结果，可以很容易的得到被测试高速主轴的动刚度值。

在进行轴心位移测量步骤时，通过沿被测试高速主轴3的周向均匀布置的三件位移传感器23测量轴心位移量，三件位移传感器23与滚动件12布置在被测试高速主轴3的同一截面上，避免了因为位移测量截面与加载截面不一致带来的换算难题。

进行计算动刚度值步骤时，根据加载元件11的加载量读数和三个位移传感器23测得的轴心位移量进行计算，加载力与主轴径向位移的比值即为被测试高速主轴3的动刚度值，计算简单、精确。

滚动件12的直径为被测试高速主轴3直径的2～1/8倍，可以根据需要选用尺寸体积尽量小的滚动件12，小滚动件12允许的极限转速可以显著提高，更适合于在“摩擦对滚”情况下对高速运行的主轴进行加载，并且小滚动件12占用空间小，便于工程上实施。本实施例选用直径为被测试高速主轴3直径1/2倍的滚动件12。

图1和图2所示的高速主轴动刚度测试装置，包括径向加载装置1和轴心位移测量装置2，径向加载装置1包括加载力大小可读的加载元件11、可自转的滚动件12和加载元件固定架13，加载元件11固定于加载元件固定架13上，可自转的滚动件12装设于加载元件11输出端，并且滚动件12与被测试高速主轴3的圆周面接触，加载元件11的加载力方向指向被测试高速主轴3的轴心。本发明的高速主轴动刚度测试装置，结构简单紧凑，相比于电磁加载装置、液体加载装置和气体加载装置，本发明占用空间小，工程上容易实现，成本低廉；滚动件12与被测试高速主轴3接触，两者之间为滚动摩擦，由于滚动摩擦系数小，对被测试高速主轴3和滚动件12的磨损小，可有效避免传统加载方式引起的发热和磨损，同时可提高测量精度；还可以通过改变加载元件固定架13的安装角度，从不同方向对被测试高速主轴3加载，测量不同方向的刚度，且占用空间小，能满足高速主轴的加载需要；加载元件11通过读数即可获得加载力的大小，结合轴心位移测量装置2测得的结果，可以很容易的得到被测试高速主轴3的动刚度值，操作简便。

本实施例中，加载元件11包括壳体111、进给驱动螺杆112、输出连杆113、加载弹簧114以及滑设于壳体111内的两件滑块115，壳体111与加载元件固定架13固定连接，进给驱动螺杆112和输出连杆113分设于壳体111两端并分别连接一件滑块115，加载弹簧114设于两件滑块115之间，壳体111上设有加载力读数刻度表116和可根据加载弹簧114的压缩量反映加载力大小的读数指针117，滚动件12装设于输出连杆113上。滚动件12包括滚动轴承121和支承轴122，支承轴122连接于输出连杆113上，滚动轴承121装设于支承轴122上，滚动轴承121的直径为被测试高速主轴3直径的2～1/8倍，可选择小直径的滚动轴承121对被测试高速主轴3进行动态加载，因为滚动轴承121直径越小，随被测试高速主轴3转动的允许极限转速也越高，且可减小滚动轴承121占用空间，对被测试高速主轴3周围的空间要求也小。

本实施例中，轴心位移测量装置2包括磁力座21、固定圆座22和三件位移传感器23，磁力座21也设有三件，用于通过磁力吸附连接于驱动被测试高速主轴3的机床上，便于移动、安装，使得一套测试装置可以对多套不同的高速主轴进行检测；固定圆座22通过紧固件装设于磁力座21上，三件位移传感器23沿被测试高速主轴3的周向均匀布置，并通过固定圆座22固定；固定圆座22上端设有避空缺口221，用于放置滚动件12，使三件位移传感器23与滚动件12布置在被测试高速主轴3的同一截面上，这样，加载力与测得的主轴径向位移的比值即为被测试高速主轴3的动刚度值，避免了因为加载截面与位移测量截面不一致带来的换算难题。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1. 一种高速主轴动刚度测试方法，包括径向加载步骤、轴心位移测量步骤和计算动刚度值步骤，其特征在于：进行径向加载步骤时，通过加载力大小可读的加载元件（11）推动一可自转的滚动件（12）与被测试高速主轴（3）的圆周面接触，并使加载力方向指向被测试高速主轴（3）的轴心，被测试高速主轴（3）转动时滚动件（12）在圆周面提供的摩擦力作用下同步自转。

2. 根据权利要求1所述的高速主轴动刚度测试方法，其特征在于：进行轴心位移测量步骤时，通过沿被测试高速主轴（3）的周向均匀布置的三件位移传感器（23）测量轴心位移量，且三件位移传感器（23）与滚动件（12）布置在被测试高速主轴（3）的同一截面上。

3. 根据权利要求2所述的高速主轴动刚度测试方法，其特征在于：进行计算动刚度值步骤时，根据加载元件（11）的加载量读数和三个位移传感器（23）测得的轴心位移量计算得出被测试高速主轴（3）的动刚度值。

4. 根据权利要求1至3中任一项所述的高速主轴动刚度测试方法，其特征在于：所述滚动件（12）的直径为被测试高速主轴（3）直径的2～1/8倍。

5. 一种高速主轴动刚度测试装置，包括径向加载装置（1）和轴心位移测量装置（2），其特征在于：所述径向加载装置（1）包括加载力大小可读的加载元件（11）、可自转的滚动件（12）和加载元件固定架（13），所述加载元件（11）固定于加载元件固定架（13）上，所述可自转的滚动件（12）装设于加载元件（11）输出端，并且滚动件（12）与被测试高速主轴（3）的圆周面接触，加载元件（11）的加载力方向指向被测试高速主轴（3）的轴心。

6. 根据权利要求5所述的高速主轴动刚度测试装置，其特征在于：所述加载元件（11）包括壳体（111）、进给驱动螺杆（112）、输出连杆（113）、加载弹簧（114）以及滑设于所述壳体（111）内的两件滑块（115），所述壳体（111）与加载元件固定架（13）固定连接，所述进给驱动螺杆（112）和输出连杆（113）分设于壳体（111）两端并分别连接一件滑块（115），所述加载弹簧（114）设于两件滑块（115）之间，所述壳体（111）上设有加载力读数刻度表（116）和可根据加载弹簧（114）的压缩量反映加载力大小的读数指针（117），所述滚动件（12）装设于输出连杆（113）上。

7. 根据权利要求6所述的高速主轴动刚度测试装置，其特征在于：所述滚动件（12）包括滚动轴承（121）和支承轴（122），所述支承轴（122）连接于所述输出连杆（113）上，所述滚动轴承（121）装设于所述支承轴（122）上。

8. 根据权利要求7所述的高速主轴动刚度测试装置，其特征在于：所述滚动轴承（121）的直径为被测试高速主轴（3）直径的2～1/8倍。

9. 根据权利要求5至8中任一项所述的高速主轴动刚度测试装置，其特征在于：所述轴心位移测量装置（2）包括磁力座（21）、固定圆座（22）和三件位移传感器（23），所述磁力座（21）用于连接驱动被测试高速主轴（3）的机床，所述固定圆座（22）通过紧固件装设于所述磁力座（21）上，所述三件位移传感器（23）沿被测试高速主轴（3）的周向均匀布置，并通过固定圆座（22）固定。

10. 根据权利要求9所述的高速主轴动刚度测试装置，其特征在于：所述固定圆座（22）上设有用于放置滚动件（12）的避空缺口（221），三件位移传感器（23）与滚动件（12）布置在被测试高速主轴（3）的同一截面上。