CN103231279A - 一种数控机床切削状态下的机床主轴动态测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控机床切削状态下的机床主轴动态测试装置，属于机械振动与测试领域。该装置包括数控机床、还包括信号采集系统和分析系统。本发明在数控机床实际切削状态下，通过电涡流传感器测量机床主轴刀具的实际振动情况，并绘制出机床主轴的轴心轨迹。利用切削力测定仪，测量刀具实际所受的切削激励信号，结合测量出的刀具实际振动情况，可实现在数控机床实际切削状态下的刀具动态特性测试分析。本发明解决了机床主轴系统稳定性在实际切削状态下难以测试的问题，实现了数控机床在实际切削状态下的实时测量。

Description

一种数控机床切削状态下的机床主轴动态测试装置

技术领域

本发明属于机械振动与测试领域，特别涉及一种数控机床切削状态下的机床主轴动态测试装置。

背景技术

随着科学技术的高速发展，高性能数控机床不断向着高速度、高精度和高效率方向发展，对高速主轴的性能要求也日益提高，特别是在高速加工领域，高速主轴加工过程中的动态特性已经成为高速加工的核心技术。

在实际加工过程中，机床主轴单元的动态特性会直接影响加工的精度和效率。通过对机床主轴动态特性的研究可以找出机床结构的薄弱环节，为机床提供设计和改进的依据。而理论计算方面已经发展了一系列有限元动态分析程序，为机床动态设计创造了条件。但是对动力响应和稳定性分析相当重要的阻尼特性、机床各零部件间的结合面特性等目前尚无有效的有限元方法，无法用计算的方法求得其刚度和阻尼。因而基于动态测试数据建立系统数学模型的模态参数识别技术就显得日益重要。

目前国内对于机床主轴的动态特性测试大多是在机床主轴静止状态下进行的，即假定机床主轴静止时的动力参数与机床主轴实际切削时的动力参数相同，这显然越来越不适用于高速主轴的发展需要。此外，通过数值分析得到的机床主轴高速运转情况下动力学特性，由于缺乏实验验证，所得到的分析结果缺乏说服力。数值分析的正确与否有赖于模型和边界条件的准确，但对于滑动轴承、静压轴承等结构以及机床各零部件间的结合面等特性往往难以准确建模，因此会导致最终分析结果存在极大误差。为此对于机床主轴，尤其是考虑到轴承结构以及相应的各零部件间结合面的影响，应在机床实际切削过程中进行机床主轴动态测试、分析。

发明内容

本发明目的在于提供一种结构简单、便于实现、安装拆卸方便，能够实现数控机床在实际切削过程中进行机床主轴动态测试的实验装置。利用该实验装置可获得机床主轴在实际切削过程中的振动情况以及动态特性。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种数控机床切削状态下的机床主轴动态测试装置，其包括数控机床、铣刀1，铣刀套筒2、传感器支架3、铝制试件6、切削力测定仪7、测定仪夹具8、电涡流位移传感器Ⅰ4、电涡流位移传感器Ⅱ5、信号采集系统以及计算机；铣刀1固定在数控机床的主轴转子上用于加工铝制试件6、铣刀套筒2套在铣刀1上；传感器支架3下端设置有下挡板；传感器支架3上端固定在数控机床主轴定子部分的最前端；电涡流位移传感器Ⅰ4和电涡流位移传感器Ⅱ5水平角度成90度夹角分别固定在传感器支架3上，用于测量加工过程中铣刀1的振动信号；铝制试件6通过表面上安装孔固定在切削力测定仪7上；切削力测定仪7通过测定仪夹具8固定在数控机床工作台上，用于测量加工过程中的切削力信号；切削力测定仪7、电涡流位移传感器Ⅰ4、电涡流位移传感器Ⅱ5分别与信号采集系统的信号输入端相连，信号采集系统的数据输出送至计算机。

所述铣刀套筒2通过与铣刀1的过盈配合安装在铣刀1的刀柄位置处。

所述铣刀套筒2外表面中间为10mm宽、表面粗糙度为Ra1.6的光洁测试带，且铣刀套筒2光洁测试带处的直径等于5倍的电涡流传感器测试端的直径，电涡流位移传感器Ⅰ4和电涡流位移传感器Ⅱ5的轴线分别垂直且穿过铣刀套筒2的中心轴线，且电涡流位移传感器Ⅰ4和电涡流位移传感器Ⅱ5的测量端分别对准铣刀套筒2光洁测试带的中心。

所述铣刀套筒2安装到铣刀1后，在数控机床主轴旋转状态下铣刀套筒2外表面中间的光洁测试带的径向全跳动不大于0.01mm。

所述传感器支架3的上端内侧均布有四个凹槽，凹槽内设置有四个弧形固定垫片，每个垫片上连接着一个调节螺栓，通过旋紧调节螺栓使传感器支架3固定在数控机床主轴定子部分的最前端。

所述传感器支架3的下端挡板中心位于铣刀1的中间位置处，传感器支架3的下端挡板将铣刀1的切削部分和电涡流位移传感器Ⅰ4、电涡流位移传感器Ⅱ5的测量端相隔开。

所述传感器支架3下挡板厚度为0.5倍铣刀1直径，传感器支架3下挡板中心有通孔，其直径为1.2倍铣刀1直径，铣刀1通过传感器支架3下挡板中心通孔穿过传感器支架3下挡板。

所述电涡流位移传感器Ⅰ4和电涡流位移传感器Ⅱ5分别通过固定螺母固定在传感器支架3上。

所述测定仪夹具8中间有两个螺栓通孔，用于固定切削力测定仪7，测定仪夹具8的四个角上设有T型槽，用于将测定仪夹具8固定在工作台上。

本发明可取的如下有益效果：

本发明的一种数控机床切削状态下的机床主轴动态测试装置，以切削力为激励信号，采用电涡流位移传感器实现信号实时采集，能够有效避免在实际切削过程中切屑以及冷却液对信号采集的影响，能够完成在数控机床在实际切削过程中对主轴振动信号的采集，从而能够实现对在实际切削过程中的机床主轴稳定性的分析。

附图说明

图1是本发明数控机床切削状态下的机床主轴动态测试装置的结构图。

图2是所示实施例中铣刀套筒和铣刀的安装图。

图3是所示实施例中的传感器支架主视图。

图4是图3沿A‐A向剖视图。

图5是所示实施例中的测定仪夹具俯视图。

图6是图5沿B‐B向剖视图。

图7是为本发明装置使用方法框图。

图中：1、铣刀，2、铣刀套筒，3、传感器支架，4、电涡流传感器Ⅰ，5、电涡流位移传感器Ⅱ，6、铝制试件，7、切削力测定仪，8、测定仪夹具。

具体实施方式

以下结合工作原理和机构附图对数控机床切削状态下的机床主轴动态测试装置作进一步的详细说明。

如图1所示，铣刀套筒2外表面中间为10mm宽、表面粗糙度为Ra1.6的光洁测试带，其外径等于5倍的电涡流传感器测试端的直径。铣刀套筒2通过过盈配合的方式装配在铣刀1的刀柄上，然后将装有铣刀套筒2的铣刀1安装到数控机床主轴刀柄上，使用千分表测量确保铣刀套筒2外表面光洁测试带的径向全跳动不大于0.01mm。传感器支架3为一个柱形装置，上端为主轴固定端，下端为防护端，上下两端通过四块有弧度的立柱板连接。传感器支架3固定端的内表面均布有四个凹槽，四个凹槽内设置有固定垫片，每个固定垫片上连接有调节螺栓，通过调节这四颗调节螺栓使传感器支架3固定在数控机床主轴定子部分的最前端，确保传感器支架3与主轴的刚性连接。传感器支架3的防护端为一块有中心通孔的圆板，铣刀1通过此中心通孔穿过传感器支架3的防护端，传感器支架3的防护端位于铣刀1中心位置。两个电涡流传感器通过螺母固定在传感器支架3立柱板上，成90度夹角。调节两个电涡流传感器高度，分别使两传感器的测量端对准铣刀套筒2的光洁测试带，并确保传感器在有效量程范围内。通过螺栓将削力测定仪7与铝制试件6装好，并通过测定仪夹具8固定在数控机床工作台上。

分别将电涡流位移传感器Ⅰ4、电涡流位移传感器Ⅱ5和削力测定仪7的输出信号通过信号线传输到信号采集系统，信号经过信号采集系统的处理后输送至计算机。

使用时，在设定的切削参数工况下使数控机床对铝制试件6进行切削加工，通过电涡流位移传感器Ⅰ4和电涡流位移传感器Ⅱ5分别获取刀具的X和Y两向的径向振动信号，通过切削力测定仪7获取铝制试件6所受到的切削力的信号。利用刀具X、Y两向的径向振动信号，可绘制出在当前工况下切削过程中的轴心轨迹。获取不同切削力信号下的响应后，运用频响函数识别法即可获取数控机床刀具处的动态特性参数。通过调整切削参数可以改变不同的切削工况条件，即通过不同的切削工况条件来研究数控机床的主轴稳定性。

本装置可以实现一下几个功能：

（1）利用控制变量法，在不同工况条件下（即进给量、切削深度、主轴转速、润滑条件等参数），通过获得的刀具X、Y两向的径向振动信号，可以绘制出在数控机床切削加工过程中的轴心轨迹。

（2）利用控制变量法，在不同工况条件下（即进给量、切削深度、主轴转速、润滑条件等参数），通过获的得切削力激励信号和刀具振动的响应信号，可以绘制出主轴的径向刚度曲线。

如图5为本发明装置的使用方法框图，如图所示：数控机床切削状态下的机床主轴动态测试装置的测试方法，包括一下步骤：

a检查机床设备是否正常，用千分表检查铣刀套筒光洁测试带的径向全跳动是否符合要求。如正常，则开启机床，打开计算机、信号采集系统、电涡流传感器以及切削力测定仪。

按实验方案设定机床切削参数，输入机床切削程序代码。

b测试电涡流传感器以及切削力测定仪是否处于正常工作状态。如正常，启动两个电涡流传感器和切削力测定仪，启动信号采集系统的数据接收。

运行机床，按设定好的程度代码进行切削加工。

c电涡流传感器Ⅰ测量主轴刀具x向径向振动，电涡流传感器Ⅱ测量主轴刀具Y向径向振动。信号采集系统将两个电涡流传感器采集的振动新号采集、记录并传送至计算机。计算机通过程序计算并绘制刀具轴心轨迹。

切削力测定仪测量刀具收到X、Y、Z三向切削力，切削力测定仪将三向切削力信号传送给计算机。计算机通过程序绘制时间——切削力曲线。

计算机将分析、处理得到的激励信号——切削力和响应信号——刀具振动，进行计算并绘制出主轴径向刚度曲线。

Claims (9)

1.一种数控机床切削状态下的机床主轴动态测试装置，其包括数控机床、铣刀（1），铣刀套筒（2）、传感器支架（3）、铝制试件（6）、切削力测定仪（7）、测定仪夹具（8）、电涡流位移传感器Ⅰ（4）、电涡流位移传感器Ⅱ（5）、信号采集系统以及计算机；其特征在于：铣刀（1）固定在数控机床的主轴转子上用于加工铝制试件（6）、铣刀套筒（2）套在铣刀（1）上；传感器支架（3）下端设置有下挡板；传感器支架（3）上端固定在数控机床主轴定子部分的最前端；电涡流位移传感器Ⅰ（4）和电涡流位移传感器Ⅱ（5）水平角度成90度夹角分别固定在传感器支架（3）上，用于测量加工过程中铣刀（1）的振动信号；铝制试件（6）通过表面上安装孔固定在切削力测定仪（7）上；切削力测定仪（7）通过测定仪夹具（8）固定在数控机床工作台上，用于测量加工过程中的切削力信号；切削力测定仪（7）、电涡流位移传感器Ⅰ（4）、电涡流位移传感器Ⅱ（5）分别与信号采集系统的信号输入端相连，信号采集系统的数据输出送至计算机。

2.根据权利要求1所述的一种数控机床切削状态下的机床主轴动态测试装置，其特征在于：铣刀套筒（2）通过与铣刀（1）的过盈配合安装在铣刀（1）的刀柄位置处。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的一种数控机床切削状态下的机床主轴动态测试装置，其特征在于：铣刀套筒（2）外表面中间为10mm宽、表面粗糙度为Ra1.6的光洁测试带，且铣刀套筒（2）光洁测试带处的直径等于5倍的电涡流位移传感器Ⅰ（4）和电涡流位移传感器Ⅱ（5）的测试端的直径，电涡流位移传感器Ⅰ（4）和电涡流位移传感器Ⅱ（5）的轴线分别垂直且穿过铣刀套筒（2）的中心轴线，且电涡流位移传感器Ⅰ（4）和电涡流位移传感器Ⅱ（5）的测量端分别对准铣刀套筒（2）光洁测试带的中心。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的一种数控机床切削状态下的机床主轴动态测试装置，其特征在于：铣刀套筒（2）安装到铣刀（1）后，铣刀套筒（2）外表面中间的光洁测试带的径向全跳动不大于0.01mm。

5.根据权利要求1所述的一种数控机床切削状态下的机床主轴动态测试装置，其特征在于：传感器支架（3）的上端内侧均布有四个凹槽，凹槽内设置有四个弧形固定垫片，每个垫片上连接着一个调节螺栓，通过旋紧调节螺栓使传感器支架（3）固定在数控机床主轴定子部分的最前端。

6.根据权利要求1所述的一种数控机床切削状态下的机床主轴动态测试装置，其特征在于：传感器支架（3）的下端挡板中心位于铣刀（1）的中间位置处，传感器支架（3）的下端挡板将铣刀（1）的切削部分和电涡流位移传感器Ⅰ（4）、电涡流位移传感器Ⅱ（5）的测量端相隔开。

7.根据权利要求1或权利要求6所述的一种数控机床切削状态下的机床主轴动态测试装置，其特征在于：传感器支架（3）下挡板厚度为0.5倍铣刀（1）直径，传感器支架（3）下挡板中心有通孔，其直径为1.2倍铣刀（1）直径，铣刀（1）通过传感器支架（3）下挡板中心通孔穿过传感器支架（3）下挡板。

8.根据权利要求1所述的一种数控机床切削状态下的机床主轴动态测试装置，其特征在于：电涡流位移传感器Ⅰ（4）和电涡流位移传感器Ⅱ（5）分别通过固定螺母固定在传感器支架（3）上。

9.根据权利要求1所述的一种数控机床切削状态下的机床主轴动态测试装置，其特征在于：测定仪夹具（8）中间有两个螺栓通孔，用于固定切削力测定仪（7），测定仪夹具（8）的四个角上设有T型槽，用于将测定仪夹具（8）固定在工作台上。

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