CN103419085B - 一种铣床主轴旋转状态下整机动刚度的测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铣床主轴旋转状态下整体动刚度的测量装置，它包括一基座，一电磁激振机构，一模拟刀具，一刀柄以及一测量机构。其中，电磁激振机构包括顺序电连接的一频率发生器，一交变电源和一电磁激振器，电磁激振器水平支撑在基座上，且电磁激振器的轴心延长线与模拟刀具的轴心线正交。模拟刀具包括一沿轴向开设通孔的永磁体芯，一一端插设在永磁体芯内的阶梯轴状隔磁棒，以及一套设在永磁体芯及隔磁棒另一端的套筒。测量机构包括一紧固连接在基座底部且用于测量电磁激振器动态力的测力板，三个分别用于测量刀柄X、Y径向动态位移以及端面动态位移的涡流传感器，以及两分别用于测量模拟刀具相对于基座的X、Y向动态位移的激光位移传感器。
Description
技术领域
本发明涉及一种铣床整机动刚度的测量装置，特别是关于一种铣床主轴旋转状态下整机动刚度的测量装置。
背景技术
目前，应用于铣床动刚度测量的装置一般只能测量主轴和工作台之间的刚度，而不能完整地反映整机动刚度，因其忽略了作为加工最终执行部件的刀具，而一般铣床刀具的细长结构决定了刀具是铣床整机刚度链中的薄弱环节。另外，应用于铣床动刚度测量的装置也未考虑主轴或刀具交叉动刚度的测量。由于复杂机械结构的耦合振动，在一个方向上施加动态力时，另外两个方向上也会发生动态位移，所以，需要考虑交叉刚度对刀具综合动态位移的影响。目前铣床动刚度测量装置的激振方式主要包括带激振杆的激振器和锤击两种。第一种激振方式是将激振杆前端与主轴固连在一起，通过激振杆将动态力传递到主轴；第二种是直接用力锤击被测对象，锤击冲击力信号包含了具有一定频率带宽的动态力激振信息。具有上述两激振方式的装置都是接触式的，它要求主轴必须是相对静止的，因而无法实现主轴在旋转状态下的激振，不能准确地测量铣床工作状态下的动刚度。
铣床动态测量中需要对刀具和工作台施加成对的作用力和反作用力以模拟实际切削力，动态测量中铣床状态越接近实际加工工况，测量结果越准确。当前研究指出，主轴在高速旋转下因发热等因素会影响其共振频率、动刚度特性等动态特性，为了更准确的获取铣床主轴的真实动刚度，应当在主轴高速旋转状态下对其施加动态激振力并测量其动刚度。由于无法直接在旋转主轴表面施加稳定的动态载荷，因此有必要研发一种能对旋转主轴进行非接触动态加载动态载荷的测量装置。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种铣床主轴旋转状态下整机动刚度的测量装置，以实现主轴旋转状态下在刀具和工作台之间非接触施加动态载荷并测量激振状态下刀具工作台之间相对动态位移，准确获取铣床整机动刚度。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种铣床主轴旋转状态下整机动刚度的测量装置，其特征在于，它包括：一基座，一用于产生和输出成对动态载荷的电磁激振机构，一设置于所述电磁激振机构输出端外侧的模拟刀具，一用于夹持所述模拟刀具的刀柄，以及一用于测量所述刀柄、模拟刀具动态位移和所述电磁激振机构动态载荷的测量机构；其中，所述电磁激振机构包括顺序电连接的一频率发生器，一交变电源和一电磁激振器，所述电磁激振器水平支撑在所述基座上，且所述电磁激振器的轴心延长线与所述模拟刀具的轴心线正交；所述模拟刀具包括一沿轴向开设通孔的永磁体芯，一一端插设在所述永磁体芯内的阶梯轴状隔磁棒，以及一套设在所述永磁体芯及所述隔磁棒另一端的套筒；所述测量机构包括一紧固连接在所述基座底部且用于测量所述电磁激振器动态力的测力板，三个分别用于测量所述刀柄X、Y径向动态位移以及端面动态位移的涡流传感器，以及两分别用于测量所述模拟刀具相对于所述基座的X、Y径向动态位移的激光位移传感器。
所述基座包括一底座，以及一设置在所述底座上表面的矩形槽，所述矩形槽的前侧开设一阶梯孔，所述矩形槽内设置一与前后侧平行的凹形隔板，所述凹形隔板将所述矩形槽分为前后两腔，后腔的左、右侧以及后侧上表面均设置一可调式升降支架，每一所述可调式升降支架上安装一所述涡流传感器；两所述激光位移传感器分别安装在所述矩形槽后腔内的左侧/右侧和后侧。
所述底座四周边缘处开设若干用于紧固连接所述测力板的螺纹通孔。
所述电磁激振器两端分别水平安装在所述矩形槽前侧的所述阶梯孔和所述凹形隔板内，所述电磁激振器包括一铁芯骨架，所述铁芯骨架上绕有若干圈螺旋线圈，且所述铁芯骨架的输出端沿轴向镶嵌一铁氧体磁芯。
所述电磁激振器的输出端为弧形结构，且其与所述模拟刀具的安装间距为6±0.5mm。
插设在所述永磁体芯内的所述隔磁棒通过胶粘固定连接，所述隔磁棒另一端与所述套筒过盈配合，所述永磁体芯与所述套筒过渡配合。
所述永磁体芯采用钕铁硼材料，所述隔磁棒及所述套筒均采用奥氏体不锈钢材料。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由于本发明采用非接触式动态载荷加载和激振状态下铣床整体动刚度的测量，可用于主轴在不同转速下对铣床进行动态载荷加载和整机动刚度的测量，并可通过频率发生器改变激振力频率，以对其施加不同频率的动态载荷，根据铣床动刚度定义，可获取所关注频率段内的铣床整机动刚度，同时也可测量刀具交叉动刚度。2、本发明的电磁激振器输出端设计成弧形结构，从而保证了铣床主轴在旋转以及电磁激振器与模拟刀具不接触的状态下，电磁激振机构高效率的输出动态力。另外，还可忽略电磁激振器和模拟刀具之间的相对振动位移对安装间距的影响，进而使铣床在振动条件下，电磁激振器与模拟刀具之间具有稳定的相互作用力。3、由于本发明的模拟刀具采用了能够防止刀柄被永磁体芯磁化的隔磁棒，不仅保证了良好的加工表面质量，而且有利于提高模拟刀具旋转时各传感器的测量精度。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图
图2是本发明的平面结构示意图
图3是本发明模拟刀具的剖视图
图4是本发明图1的Ⅰ局部放大示意图
图5是本发明图1的Ⅱ局部放大示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。
如图1、图2所示，本发明包括一基座1、一电磁激振机构2、一模拟刀具3、一刀柄4和一测量机构5。其中，基座1包括一底座10，以及一设置在底座10上表面的矩形槽11，矩形槽11的前侧开设一阶梯孔，矩形槽11内设置一与前后侧平行的凹形隔板12，凹形隔板12将矩形槽11分为前后两腔。后腔的左、右侧以及后侧上表面均设置一可调式升降支架13。
在一个优选的实施例中，底座10四周边缘处开设若干用于紧固连接下述测力板50的螺纹通孔。
电磁激振机构2包括顺序电连接的一频率发生器20、一交流电源21和一电磁激振器22。其中，电磁激振器22两端分别水平安装在矩形槽11前侧的阶梯孔和凹形隔板12内，电磁激振器22包括一铁芯骨架23，铁芯骨架23上绕有若干圈螺旋线圈24，且铁芯骨架23的输出端沿轴向镶嵌一铁氧体磁芯25。
模拟刀具3夹持在刀柄4上，且模拟刀具3的轴心线与电磁激振器22的轴心延长线正交，以确保电磁激振器22与模拟刀具3的相互作用力方向沿模拟刀具3的径向。
在一个优选的实施例中，电磁激振器22的输出端为弧形结构，且其与模拟刀具3的安装间距为6±0.5mm。
如图3所示，模拟刀具3包括一沿轴向开设通孔的永磁体芯30，一阶梯轴状隔磁棒31和一套筒32，隔磁棒31的一端插设在永磁体芯30的通孔内，并通过胶粘固定连接。套筒32套设在永磁体芯30和隔磁棒31外，且隔磁棒31另一端与套筒32过盈配合，永磁体芯30与套筒32过渡配合。
在一个优选的实施例中，永磁体芯30采用钕铁硼材料，隔磁棒31和套筒32均采用奥氏体不锈钢材料。
如图1、图4及图5所示，测量机构5包括一通过若干螺栓紧固连接在底座10下部的阶梯状测力板50，分别安装在后腔的左、后侧以及右侧上表面可调式升降支架13上的的一X方向涡流传感器51、一Y方向涡流传感器52和一Z方向涡流传感器53，以及分别安装在矩形槽11后腔内左侧/右侧和后侧的一X方向激光位移传感器54和一Y方向激光位移传感器55。
如图4、图5所示，X方向涡流传感器51、Y方向涡流传感器52以及Z方向涡流传感器53分别与刀柄4圆周面X、Y径向和下端面的距离保持在涡流传感器额定间距内。
在本发明具体结构设计时，可以通过调整铁芯骨架23的大小、磁场的强度以及模拟刀具3的尺寸来获取不同大小的动态激振力。并可通过频率发生器20改变激振力频率，对模拟刀具3施加不同频率的动态载荷，根据铣床动刚度定义，可获取所关注频率段内的铣床整机动刚度。
本发明利用磁吸式原理，即将频率可调的交变电流通至电磁激振器22中的螺旋线圈24，以产生交变磁场，交变磁场对永磁体芯30产生交变力，该交变力激发基座1与模拟刀具3之间的相对振动，从而在基座1和模拟刀具之间施加成对的动态载荷。
下面具体说明本实施例的使用流程：
启动本装置之前，利用直流电源给模拟刀具3内的永磁体芯30径向充磁，使其磁性增强。
频率发生器20输出信号给交流电源21，交流电源21产生的交变电流在螺旋线圈24内产生交变磁场，交变磁场对模拟刀具3内的永磁体芯30产生交变磁场力，交变磁场力激发模拟刀具3相对于基座1做相对振动。利用X方向激光位移传感器54和Y方向激光位移传感器55测量模拟刀具3在X、Y方向上相对于基座1的动态位移。利用X方向涡流传感器51和Y方向涡流传感器52测量刀柄3的X、Y两径向动态位移，Z方向涡流传感器53测量刀柄4的端面动态位移。根据上述所有传感器测得的动态位移量和动刚度定义计算铣床整机和主轴的相应动刚度。测力板50测量电磁激振器22的动态力，然后根据牛顿第三定律得出模拟刀具3的动态受力情况。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (7)
1.一种铣床主轴旋转状态下整机动刚度的测量装置，其特征在于，它包括：一基座，一用于产生和输出成对动态载荷的电磁激振机构，一设置于所述电磁激振机构输出端外侧的模拟刀具，一用于夹持所述模拟刀具的刀柄，以及一用于测量所述刀柄、模拟刀具动态位移和所述电磁激振机构动态载荷的测量机构；
其中，所述电磁激振机构包括顺序电连接的一频率发生器，一交变电源和一电磁激振器，所述电磁激振器水平支撑在所述基座上，且所述电磁激振器的轴心延长线与所述模拟刀具的轴心线正交；
所述模拟刀具包括一沿轴向开设通孔的永磁体芯，一一端插设在所述永磁体芯内的阶梯轴状隔磁棒，以及一套设在所述永磁体芯及所述隔磁棒另一端的套筒；
所述测量机构包括一紧固连接在所述基座底部且用于测量所述电磁激振器动态力的测力板，三个分别用于测量所述刀柄X、Y径向动态位移以及端面动态位移的涡流传感器，以及两分别用于测量所述模拟刀具相对于所述基座的X、Y径向动态位移的激光位移传感器。
2.如权利要求1所述的一种铣床主轴旋转状态下整机动刚度的测量装置，其特征在于，所述基座包括一底座，以及一设置在所述底座上表面的矩形槽，所述矩形槽的前侧开设一通孔，所述矩形槽内设置一与前后侧平行的凹形隔板，所述凹形隔板将所述矩形槽分为前后两腔，后腔的左、右侧以及后侧上表面均设置一可调式升降支架，每一所述可调式升降支架上安装一所述涡流传感器；两所述激光位移传感器分别安装在所述矩形槽后腔内的左侧/右侧和后侧。
3.如权利要求2所述的一种铣床主轴旋转状态下整机动刚度的测量装置，其特征在于，所述底座四周边缘处开设若干用于紧固连接所述测力板的螺纹通孔。
4.如权利要求2或3所述的一种铣床主轴旋转状态下整机动刚度的测量装置，其特征在于，所述电磁激振器两端分别水平安装在所述矩形槽的前侧阶梯孔和所述凹形隔板内，所述电磁激振器包括一铁芯骨架，所述铁芯骨架上绕有若干圈螺旋线圈，且所述铁芯骨架的输出端沿轴向镶嵌一铁氧体磁芯。
5.如权利要求1到3任一项所述的一种铣床主轴旋转状态下整机动刚度的测量装置，其特征在于，所述电磁激振器的输出端为弧形结构，且其与所述模拟刀具的安装间距为6±0.5mm。
6.如权利要求1到3任一项所述的一种铣床主轴旋转状态下整机动刚度的测量装置，其特征在于，插设在所述永磁体芯内的所述隔磁棒通过胶粘固定连接，所述隔磁棒另一端与所述套筒过盈配合，所述永磁体芯与所述套筒过渡配合。
7.如权利要求1到3任一项所述的一种铣床主轴旋转状态下整机动刚度的测量装置，其特征在于，所述永磁体芯采用钕铁硼材料，所述隔磁棒及所述套筒均采用奥氏体不锈钢材料。
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