CN103278320A - 非接触式机床主轴运转动刚度检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式机床主轴运转动刚度检测系统，所述主轴设在所述机床上，所述检测系统包括：加载装置，所述加载装置包括：加载台；至少一个电磁铁；和测试棒，所述测试棒的第一端与所述主轴相连，所述测试棒的第二端邻近所述电磁铁，所述电磁铁通电产生电磁力并对所述测试棒进行加载以驱动所述测试棒偏转；力传感器；以及位移检测装置。根据本发明实施例的非接触式机床主轴运转动刚度检测系统检测得到的机床动刚度比在静止状态下测试机床的动刚度更有实际意义，更准确地反映了机床的动态性能，得到的刚度参数可用于评价机床动态性能，有利于识别机床性能的薄弱环节，为机床性能改进提供实验方法。

Description

非接触式机床主轴运转动刚度检测系统

技术领域

本发明涉及机床动态性能检测技术领域，更具体地，涉及一种非接触式机床主轴运转动刚度检测系统。

背景技术

刚度是评价机床性能的重要指标，体现了机床在加工过程中抵抗变形的能力。机床刚度一般表示为作用在机床上的外载荷与机床变形之间的比值。当外载荷为静态力时，这种刚度称为静刚度，而评价机床抵抗动态载荷的能力则称为动刚度。目前测量机床刚度的一般方法是通过一定的加载装置给机床施加一定的外载荷，然后通过相应的传感器测量机床的变形情况，最后计算得到机床的刚度。而对于机床主轴动刚度的测量则是通过能施加动态载荷的装置对机床主轴施加动载荷，然后测量主轴的动态响应，然后将信号变换到频率域内进行计算分析，这种方法得到的动刚度一般为频率的函数。但是这里测得的响应都是在机床主轴静止状态下进行测量的，所得到的静刚度或动刚度都是反映机床静止情况下的性能，与实际加工过程中的性能仍有较大差异。

机床实际运动过程中，主轴处于旋转状态，此时若在主轴运转状态时直接在主轴上施加在载荷并直接测量主轴位移是比较困难的。主要困难在于如何在旋转主轴上施加一个恒定的载荷以及如何获取此状态下主轴的变形情况。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种结构简单、使用方便且精确度高的非接触式机床主轴运转动刚度检测系统。

根据本发明实施例的非接触式机床主轴运转动刚度检测系统，所述主轴设在所述机床上，所述检测系统包括：加载装置，所述加载装置设在所述机床上，所述加载装置包括：加载台；至少一个电磁铁，所述电磁铁安装在所述加载台上；和测试棒，所述测试棒的第一端与所述主轴相连，所述测试棒的第二端邻近所述电磁铁，所述电磁铁通电产生电磁力并对所述测试棒进行加载以驱动所述测试棒偏转；力传感器，所述力传感器设在所述机床上以检测所述测试棒受到的加载作用力；以及位移检测装置，所述位移检测装置设在所述机床上以检测所述测试棒的偏转位移。

根据本发明实施例的非接触式机床主轴运转动刚度检测系统，通过加载装置可以在非接触状态下对机床的主轴施加径向的载荷作用，通过力传感器可以检测施加在主轴上的作用力，并且通过位移检测装置能够检测主轴的变形情况，从而得出机床主轴运转的动刚度。通过该系统检测得到的机床动刚度比在静止状态下测试机床的动刚度更有实际意义，更准确地反映了机床的动态性能，得到的刚度参数可用于评价机床动态性能，有利于识别机床性能的薄弱环节，为机床性能改进提供实验方法。

通过该系统，可以用非接触的方法得到机床的主轴在旋转状态下，并受到径向载荷作用的变形情况

另外，根据本发明实施例的非接触式机床主轴运转动刚度检测系统，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述加载台包括：底座，所述底座安装在所述机床上；和至少一个安装板，所述安装板安装在所述底座上，所述电磁铁安装在所述安装板上。

根据本发明的一个实施例，所述安装板为四个，四个所述安装板分别与所述底座垂直相连，且四个所述安装板在所述底座所在平面上的正投影形成为矩形，其中，每个所述安装板上分别安装有一个电磁铁，所述测试棒的第二端设在四个所述电磁铁中间。

根据本发明的一个实施例，所述力传感器为应变片，所述应变片设在所述安装板上。

根据本发明的一个实施例，所述应变片为两个，两个所述应变片分别设在相邻的两个安装板上。

根据本发明的一个实施例，每个所述电磁铁包括：铁心，所述铁心形成为柱状；和线圈，所述线圈缠绕在所述铁心的外周面上。

根据本发明的一个实施例，所述位移检测装置包括：支架，所述支架设在所述机床上；和位移检测器，所述位移检测器设在所述支架上且所述位移检测器邻近所述测试棒的第一端。

根据本发明的一个实施例，所述位移检测器为激光位移传感器。

根据本发明的一个实施例，所述测试棒形成为圆柱状。

根据本发明的一个实施例，还包括：信号处理装置，所述信号处理装置分别与所述力传感器和位移检测装置相连，所述信号处理装置接收所述力传感器和位移检测装置的信号并计算所述主轴运转的动刚度。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的非接触式机床主轴运转动刚度检测系统在机床上的装配示意图；

图2是根据本发明实施例的非接触式机床主轴运转动刚度检测系统的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的非接触式机床主轴运转动刚度检测系统的加载装置以及位移检测装置的结构示意图；

图4是根据本发明实施例的非接触式机床主轴运转动刚度检测系统的测试原理图；

图5是根据本发明实施例的非接触式机床主轴运转动刚度检测系统的加载装置的俯视图；

图6是根据本发明实施例的非接触式机床主轴运转动刚度检测系统的信号处理流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图具体描述根据本发明实施例的非接触式机床主轴运转动刚度检测系统。

如图1至图5所示，主轴11设在机床10上，根据本发明实施例的非接触式机床主轴运转动刚度检测系统包括：加载装置20、力传感器30和位移检测装置40。

具体而言，加载装置20设在机床10上，加载装置20包括：加载台21、至少一个电磁铁22和测试棒23。其中，电磁铁22安装在加载台21上。测试棒23的第一端与主轴11相连，测试棒23的第二端邻近电磁铁22，电磁铁22通电产生电磁力并对测试棒23进行加载以驱动测试棒23偏转，模拟机床切削力。

力传感器30设在机床10上以检测测试棒23受到的加载作用力，位移检测装置40设在机床10上以检测测试棒23的偏转位移。

由此，根据本发明实施例的非接触式机床主轴运转动刚度检测系统，通过加载装置20可以在非接触状态下对机床10的主轴11施加径向的载荷作用，通过力传感器30可以检测施加在主轴11上的作用力，并且通过位移检测装置40能够检测主轴11的变形情况，从而得出机床主轴11运转的动刚度。通过该系统检测得到的机床动刚度比在静止状态下测试机床的动刚度更有实际意义，更准确地反映了机床的动态性能，得到的刚度参数可用于评价机床动态性能，有利于识别机床性能的薄弱环节，为机床性能改进提供实验方法。

为了便于本发明实施例的检测系统的安装，机床10上可以设置一个工作台12，在本发明实施例中的加载装置20、力传感器30和位移检测装置40均可以安装在工作台12上。

需要说明的是，加载装置20的作用是模拟实际加工过程中的径向切削力，采用电磁铁22给测试棒23加载提供激励载荷，可以实现非接触加载。具体地，根据本发明的一个实施例，加载台21包括：底座211和至少一个安装板212。底座211安装在机床10上，安装板212安装在底座211上，电磁铁22安装在安装板212上。

关于电磁铁22的个数没有特殊限制，只要能够在通电之后产生电磁力并对测试棒23加载即可，为了检测机床主轴11在不同方向的性能，根据本发明的一个实施例，安装板212为四个，四个安装板212分别与底座211垂直相连，且四个安装板212在底座211所在平面上的正投影形成为矩形，其中，每个安装板212上分别安装有一个电磁铁22，测试棒23的第二端设在四个电磁铁22中间。

换言之，四个安装板212相连形成截面为矩形的结构，每个安装板212上安装一个电磁铁22，四个电磁铁22形成横向和纵向的两个方向的加载器，并且每个方向包括两个相对的电磁铁22对测试棒23加载以达到加载的平衡。由此，当电磁铁22通过电流时，电磁铁22形成电磁场作用在周围的测试棒23上，用以模拟实际加工过程的径向切削力。此外，通过控制电磁铁22中电流的形式和大小可以控制加载在测试棒23上的作用力，而电磁力的大小可根据机床实际加工能力进行确定，其大小可以由最大切削力决定。为了安全且不破坏机床，一般情况下，该切削力应小于机床加工过程中的最大切削力的一半。

可以理解的是，电磁铁22的结构只要满足在通电时能够产生磁性的要求即可，可选地，根据本发明的一个实施例，每个电磁铁22包括：铁心221和线圈222。具体地，铁心221形成为柱状，线圈222缠绕在铁心221的外周面上。由此，当线圈222内通过一定的电流时，电磁铁22将像磁铁一样具有磁性。当这种磁性作用在导磁体上时，将在电磁铁22和导磁体间产生一定的电磁力，而电磁力的大小由主要有通过线圈222中的电流大小决定。因此，当主轴孔中安装相应导磁材料零件时，电磁铁22可对该零件进行加载从而实现对主轴11的加载。

机床主轴精度检验时常采用标准检验芯棒，这种芯棒一般都是铁或钢等导磁材料。实验过程中可根据不同的主轴类型选择标准检验芯棒，即测试棒23，其常见类型有：BT、HSK、SK等，采用不同种类的检验芯棒对载荷的施加并没有较大的影响。但是要求测试棒具有较高的圆度和同心度。因此，在本发明的一个实施例中，测试棒23形成为圆柱状。

由于测试棒23安装位置的不确定性和周围环境的影响，因此，直接通过电流计算作用力的大小是比较困难的。为了测量作用在测试棒23上的作用力，可以通过测试作用在加载装置20上的反作用力来测量。而作用在加载装置20上的力会引起加载装置20的变形，因此可以通过检测加载装置20的变形间接测量加载装置20作用在测试棒23上的作用力。

考虑到应变片是检测变形很好的方式，因为应变片的电阻不易受到电磁场的影响，其作用力大小与安装位置无关，标定后便可以重复使用，且其反映灵敏，精度较高。因此，优选地，根据本发明的一个实施例，力传感器30为应变片，应变片设在安装板212上。进一步地，在加载装置20包括四个安装板212时，应变片为两个，两个应变片分别设在相邻的两个安装板212上。由此，通过应变片可以精确的测量作用于测试棒23的作用力，并且两个应变片可以分别测量横向和纵向两个方向的作用力。

在对测试棒23进行力加载的同时，也对其变形进行测量，其测量也是采用非接触的位移传感器40进行。根据本发明的一个实施例，位移检测装置40包括：支架41和位移检测器42。具体地，支架41设在机床10上，在设有工作台12时，支架41可以安装在工作台12上。位移检测器42设在支架41上且位移检测器42邻近测试棒23的第一端。进一步地，位移检测器42为激光位移传感器。由此，激光位移传感器有着反应快，精度高的特点，可以满足测试棒23位移的测量，并且位移检测器42设在领进测试棒23上端位置，检测的数据更为准确。为了准确位移大小，要求激光位移传感器的精度小于2微米，量程大于100微米，采样频率大于2048Hz。

根据本发明的一个实施例，该检测系统还包括：信号处理装置（未示出），信号处理装置分别与力传感器30和位移检测装置40相连，信号处理装置接收力传感器30和位移检测装置40的信号并计算所述主轴运转的动刚度。

具体地，信号处理装置可以包括信号放大器、信号处理器、信号采集卡、驱动器以及计算机等，其控制流程如图6所示。首先，将加载装置20的加载力信号输出至电磁铁22的驱动器各个端口，然后驱动器将对应信号进行放大，以电流的形式将信号传递至各个方向的电磁铁22的线圈222中。这样线圈222并会产生相应的电磁场，电磁场会转化为相应的电磁力作用在测试棒23上。

应变片安装在加载装置20的安装板212上，并将信号经信号放大器放大后输入信号采集卡中，最后传输至计算机系统。其中，在进行实验以前必须首先对应变片进行标定，给出在不同载荷下应变片的信号大小与加载力的关系，然后根据实际加载过程中应变片的信号的大小计算实际加载力的大小。

激光位移传感器的信号先后经过信号处理和信号采集卡后输入计算机系统，并与力信号进行对比分析即可得到主轴系统的动刚度。

下面具体描述根据本发明实施例的非接触式机床主轴运转动刚度检测系统中主轴运转动刚度的计算和评估方法。

其中，需要说明的是，评估方法是机床性能评估的关键步骤，评估方式和实验过程所采用的具体方案有着密切的关系。首先，不管测试棒23有多高的精度，实际使用过程中都不可能是一个理想的圆柱，它自身总会存在一定的凹凸不平的表面，且在实际回转过程中总会存在一定的回转误差，而这些问题都会造成测试过程中的测量误差。由于一般激光位移传感器的精度都比较高（一般分辨率在几个微米），足以测出其中凹凸不平的特征，因此需要进行相应的计算来消除其导致的误差。

在本方法中施加在运转中主轴上的作用力是变化的，因此可以得到以下几种情况下的刚度：

1）定载荷作用下的动刚度

若转速固定转速为s，且加载平台给主轴芯棒施加的作用力变化较小时，可认为是固定的力作用下主轴芯棒上，若整个过程采样n个点，采用频率为f_s，则可得到力与位移的序列分别为{f_i}_s、{x_i}_s，其中i=1,2,…n。因为作用在主轴芯棒上的力变化不大，由此可以用平均力

作为输入载荷，此时的位移也可以采用平均后的位移作为主轴位移，即。由此，可得到在转速为s情况的机床主轴的动刚度

。这种评估方法可以减小标准检验芯棒自身误差对结果的影响，给出的动刚度值与载荷的频率无关，可用于直接评估主轴刚度大小。

2）变载荷作用下的动刚度

保证转速不变，连续改变加载载荷，分别测量此时施加在主轴上的作用力和主轴的变形。若整个过程采样n个点，采用频率为f_s，则可得到力与位移的序列分别为{f_i}_s、{x_i}_s，其中i=1,2,…n。将{f_i}_s和{x_i}_s都进行傅里叶变换，由此的到力与位移的频率信号F_s(ω)和X_s(ω)，力与位移的比值F_s(ω)/X_s(ω)即为实验得到的动刚度K_s(ω)。即：

$K_s\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{F_s\left(\mathrm{\ω}\right)}{X_s\left(\mathrm{\ω}\right)}.$

这种方法下得到的动刚度是一个随频率变化的函数，可以表达主轴动刚度随频率变化的情况，可反映机床抵抗载荷变化的能力。

3）变转速下的动刚度

主轴转速可根据机床主轴的参数进行设定，每次实验过程中，需要保证加载力一定，连续改变主轴转速。此时，可以测得一个力与位移的序列{f_i}_s、{x_i}_s，同样可以得到一个动刚度K_s(ω)，其计算方法与彼岸载荷作用下的动刚度一致。由此得到的动刚度有利于分析主轴转速的加减速动态特性，并预测机床的加工性能。

下面具体描述根据本发明实施例的非接触式机床主轴运转动刚度检测系统的使用流程。

首先进行设备的安装和调试。先将电磁铁22和位移检测器42分别安装在加载装置20的安装板212和支架41上，然后将其安装在工作台12上，并在主轴10中安装测试棒23。

然后进行采样频率与采样点数的选择。数据采集过程中采样频率和采样点数最为重要。每次实验中力信号和位移信号的采样参数（采样频率、采样点数）都保持一致。信号的采样频率应远高于主轴的额定转动频率。而采样点数原则上是越多越好，但点数越多计算量也将变大。

若主轴的额定转速为r_e（单位：rpm），相对应转动频率为r_e/60（单位：Hz），则采样频率至少大于10倍r_e/60。而采样频率可以至少取转动频率的10倍。而采样点数最好大于2048，且数值建议取2的整数次幂。而主轴转速可根据主轴的额定转速进行设定。

接着进行数据采集与处理。考虑不同的加载力形式、加载方向和加载力大小，以及不同的主轴转速，完成一组实验改变转速。为了保证安全，加载力不宜过大，实际大小可根据机床实际加工过程中切削力的大小进行设计，加载力应小于最大切削力的一半。加载过程中采用信号采集卡采集位移信号与力信号，并输入计算机中。

最后进行结果分析。采用本发明实施例中的结果评估方法对结果进行分析，得到不同状态下的动刚度情况。

总而言之，根据本发明实施例的非接触式机床主轴运转动刚度检测系统检测得到的机床动刚度比在静止状态下测试机床的动刚度更有实际意义，更准确地反映了机床的动态性能，得到的刚度参数可用于评价机床动态性能，有利于识别机床性能的薄弱环节，为机床性能改进提供实验方法。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种非接触式机床主轴运转动刚度检测系统，所述主轴设在所述机床上，其特征在于，所述检测系统包括：

加载装置，所述加载装置设在所述机床上，所述加载装置包括：

加载台；

至少一个电磁铁，所述电磁铁安装在所述加载台上；和

测试棒，所述测试棒的第一端与所述主轴相连，所述测试棒的第二端邻近所述电磁铁，所述电磁铁通电产生电磁力并对所述测试棒进行加载以驱动所述测试棒偏转；

力传感器，所述力传感器设在所述机床上以检测所述测试棒受到的加载作用力；以及

位移检测装置，所述位移检测装置设在所述机床上以检测所述测试棒的偏转位移。

2.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述加载台包括：

底座，所述底座安装在所述机床上；和

至少一个安装板，所述安装板安装在所述底座上，所述电磁铁安装在所述安装板上。

3.根据权利要求2所述的检测系统，其特征在于，所述安装板为四个，四个所述安装板分别与所述底座垂直相连，且四个所述安装板在所述底座所在平面上的正投影形成为矩形，其中，每个所述安装板上分别安装有一个电磁铁，所述测试棒的第二端设在四个所述电磁铁中间。

4.根据权利要求3所述的检测系统，其特征在于，所述力传感器为应变片，所述应变片设在所述安装板上。

5.根据权利要求4所述的检测系统，其特征在于，所述应变片为两个，两个所述应变片分别设在相邻的两个安装板上。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的检测系统，其特征在于，每个所述电磁铁包括：

铁心，所述铁心形成为柱状；和

线圈，所述线圈缠绕在所述铁心的外周面上。

7.根据权利要求6所述的检测系统，其特征在于，所述位移检测装置包括：

支架，所述支架设在所述机床上；和

位移检测器，所述位移检测器设在所述支架上且所述位移检测器邻近所述测试棒的第一端。

8.根据权利要求7所述的检测系统，其特征在于，所述位移检测器为激光位移传感器。

9.根据权利要求6所述的检测系统，其特征在于，所述测试棒形成为圆柱状。

10.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，还包括：信号处理装置，所述信号处理装置分别与所述力传感器和位移检测装置相连，所述信号处理装置接收所述力传感器和位移检测装置的信号并计算所述主轴运转的动刚度。

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