CN104296927A - 一种电主轴动平衡性能测试实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电主轴动平衡性能测试实验系统，包括减振实验台、高速电主轴、若干平衡配重、四个振动位移传感器、两个振动加速度传感器、高速转速传感器、两个振动位移传感器支架、两个动平衡调节盘、刀具、同步数据采集卡、计算机、用于调节高速电主轴上转子的转速的变频驱动器、用于对高速电主轴的轴承进行油气润滑的油气润滑器、以及用于对高速电主轴进行降温的循环冷却器。本发明可以实现完整、全面的对高速电主轴的模拟，并且能够实现高速电主轴的动平衡性能测试，也能够通过本发明的实验系统验证动平衡方法的有效性。
Description
技术领域
本发明涉及一种监测实验系统，具体涉及一种电主轴动平衡性能测试实验系统。
背景技术
装备制造业一直以来都是国民经济及工业领域的支柱产业，实现装备制造的重要核心就是精密数控机床，精密数控机床的加工精度主要依赖于电主轴的性能，与此同时，高速加工以其能够有效促进生产效率的提高、改善加工工件的表面质量等多方面优点，正在被越来越多的制造领域所应用，这为高速电主轴1的发展起到了重要的推动作用，同时也为电主轴的设计、制造、应用以及测试技术带来了巨大的挑战。
由于材质、装配、磨损等诸多因素导致电主轴必然存在不平衡，这对电主轴运转过程中的动态特性造成极大的影响，尤其是在高速运行的条件下，不平衡将不仅仅会带来加工精度的降低，还会使得电主轴难以达到较高的转速，严重的更将会导致安全事故，此种情况下能够准确测量高速电主轴1动态特性尤其是动平衡性能具有极其重要的意义。
目前，国内还没有能够满足工业现场高速、高精度电主轴动平衡性能测试系统，且现有电主轴动平衡性能测试实验系统通常存在以下不足之处：
1)测试系统适用的测试转速较低，往往不能够适用于高速电主轴1的动平衡性能测试的实际需要；
2)高速加工所采用的电主轴转速较高，利用实验系统模拟现场环境时应选用具有较高转速的电主轴，而现有的性能测试实验系统所采用的主轴转速较低，难以满足高速电主轴1测试的环境模拟的需要；
3)现有动平衡性能测试实验系统的测试项目单一，往往只采用一种物理量的表达方式来对动平衡性能进行描述，而主轴动平衡性能可以体现在多个方面，因此传统的动平衡性能测试实验系统无法实现表述的全面性、客观性；
4)在实际加工状态下，主轴的不平衡很有可能是由于刀具的磨损、破损而导致的，而现有动平衡性能测试实验系统不具备刀具的失衡模拟功能，无法满足由实验系统向工业实际迈进的客观需要；
5)现有动平衡性能测试实验系统往往在结构上比较复杂，而功能上又相对简单，系统性能没有得到充分利用；
6)对于电主轴动平衡性能测试而言，能够准确获取由于不平衡产生的振动并对数据进行合理的分析极其重要，而现有的动平衡性能测试系统对于数据的处理方式复杂，对数据分析处理的效率较低，利用测试数据获取的主轴不平衡量的精度较差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种电主轴动平衡性能测试实验系统，该系统可以实现完整、全面的、准确的对高速电主轴的模拟。
为达到上述目的，本发明所述的电主轴动平衡性能测试实验系统包括减振实验台、高速电主轴、若干平衡配重、四个振动位移传感器、两个振动加速度传感器、高速转速传感器、两个振动位移传感器支架、两个动平衡调节盘、刀具、同步数据采集卡、计算机、用于调节高速电主轴上转子的转速的变频驱动器、用于对高速电主轴的轴承进行油气润滑的油气润滑器、以及用于对高速电主轴进行降温的循环冷却器；
所述高速电主轴固定于减振实验台上，两个动平衡调节盘分别套接于高速电主轴的转子两端的侧面，振动加速度传感器安装于高速电主轴的轴壳侧面上，且振动加速度传感器正对高速电主轴内的轴承；
所述两个动平衡调节盘分别套接于高速电主轴的转子两端的侧面，动平衡调节盘设有均匀分布的若干用于安装平衡配重的安装孔，各安装孔均匀分布于动平衡调节盘的侧面，且各安装孔的轴线到高速电主轴上转子的距离相同；
所述两个振动位移传感器支架分别与高速电主轴上轴壳两端的端面相连接，两个振动位移传感器固定于一个振动位移传感器支架上，另外两个振动位移传感器固定于另一个振动位移传感器支架上，同一个振动位移传感器支架上的两个振动位移传感器相互垂直，且四个振动位移传感器均指向高速电主轴的轴线；
所述高速转速传感器固定于高速电主轴上转子后端的侧面，高速电主轴上转子的前端端面上设有用于安装刀具的刀柄接口；
所述计算机的输入端通过同步数据采集卡与振动位移传感的输出端、振动加速度传感器的输出端及高速转速传感器的输出端相连接。
还包括用于支撑所述高速电主轴的前支撑架及后支撑架，前支撑架的一端及后支撑架的一端均与减振实验台的上部相连接，前支撑架的另一端及后支撑架的另一端与高速电主轴上轴壳的侧面相连接。
所述减振实验台的上部设有凹槽。
所述高速电主轴上轴壳两端的端面上设有螺纹安装孔，振动位移传感器支架沿轴向设置有若干第一沉头通孔，沉头依次穿过所述第一沉头通孔及螺纹安装孔将振动位移传感器支架固定于高速电主轴上的轴壳的端面上；
所述振动位移传感器支架的侧面沿径向设置有第一螺纹孔，振动位移传感器的探头设有与所述第一螺纹孔相配合的外螺纹。
所述刀具包括刀柄、铣刀及若干刀片，刀柄的一端通过刀柄接口固定于高速电主轴的转子的前端面上，刀柄的另一端与铣刀相连接，铣刀上设有若干第二螺纹孔，刀片上开设有第二沉头通孔，螺钉依次穿过第二沉头通孔及第二螺纹孔将刀片固定在铣刀上。
所述振动位移传感器的输出端通过位移信号传调理器与同步数据采集卡相连接。
所述振动加速度传感器的输出端通过加速度传感器调理器与同步数据采集卡相连接。
所述同步数据采集卡的输出端与计算机通过数据接口转换器相连接，同步数据采集卡通过PXI高速数据接口与数据接口转换器相连接，数据接口转换器通过EXPRESS数据接口与计算机的输入端相连接。
所述前支撑架及后支撑架均通过T槽螺钉和锁紧螺母固定在减振实验台上。
所述振动加速度传感器通过磁铁吸附到高速电主轴的轴壳上。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的电主轴动平衡性能测试实验系统在测试过程中，通过变频驱动器来调节高速电主轴的速度，同时通过高速转速传感器来检测高速电主轴的转子转速，通过振动位移传感器检测高速电主轴的振动信息，并通过振动加速度传感器检测高速电主轴的加速度信息，从而全面的检测高速电主轴的各项指标，同时在检测通过中通过同步数据采集卡来实现数据的采集及传输，从而提高数据采集的精确度，为高速电主轴平衡性能测试提供必要的数据基础。另外，通过动平衡调节盘实现高速电主轴动平衡性能调节功能，可以为高速电主轴动平衡性能测试和动平衡方法验证提供必要的实验条件，并且通过改变刀具系统的状态对电主轴实际加工中由于刀具产生的影响进行模拟。同时，通过刀具与高速电主轴上转子的前端面相连接来模拟实际加工状态下刀具的失衡模拟功能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中刀柄19的结构示意图；
图3为本发明中铣刀20的结构示意图；
图4为本发明的电路原理图。
其中，1为高速电主轴、2为前支撑架、3为后支撑架、4为减振实验台、5为变频驱动器、6为油气润滑器、7为循环冷却器、8为振动加速度传感、9为振动位移传感器、10为高速转速传感器、11为轴承、12为振动位移传感器支架、13为螺纹安装孔、14为第一沉头通孔、15为第一螺纹孔、16为动平衡调节盘、17为转子、18为刀柄接口、19为刀柄、20为铣刀、21为刀片、22为第二沉头通孔、23为高速转速传感器的探头、24为加速度传感器调理器、25为同步数据采集卡、26为位移信号调理器、27为防干扰通讯线、28为数据接口转换器、29为计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1、图2、图3及图4，本发明所述的电主轴动平衡性能测试实验系统包括减振实验台4、高速电主轴1、若干平衡配重、四个振动位移传感器9、两个振动加速度传感器8、高速转速传感器10、两个振动位移传感器支架12、两个动平衡调节盘16、刀具、同步数据采集卡25、计算机29、用于调节高速电主轴1上转子17的转速的变频驱动器5、用于对高速电主轴1的轴承11进行油气润滑的油气润滑器6、以及用于对高速电主轴1进行降温的循环冷却器7。
所述高速电主轴1固定于减振实验台4上，两个动平衡调节盘16分别套接于高速电主轴1的转子17两端的侧面，振动加速度传感器8安装于高速电主轴1的轴壳侧面上，且振动加速度传感器8正对高速电主轴1内的轴承11；需要说明的是，所述振动加速度传感器8采用PCB公司的ICP-352C33型传感器，所述振动加速度传感器8具有100mV/g的灵敏度和±50g的测试范围，利用磁铁吸附的形式固定在高速电主轴1的轴壳外侧提供的振动加速度传感器8安装位置上，并与加速度传感器调理器24相连接，所述加速度传感器调理器24选用PCB公司的482C05型加速度信号调理器，用于为振动加速度传感器8供电，将振动加速度信号放大调理，与同步数据采集卡25相连接，通过同步数据采集卡25将振动加速度信息转发至计算机29中。
所述两个动平衡调节盘16分别套接于高速电主轴1的转子17两端的侧面，动平衡调节盘16设有均匀分布的若干用于安装平衡配重的安装孔，各安装孔均匀分布于动平衡调节盘16的侧面，且各安装孔的轴线到高速电主轴1上转子17的距离相同；在动平衡调整时，通过在动平衡调节盘16的安装孔内添加配重螺钉的方式改变电主轴的平衡状态，可以实现高速电主轴1的不平衡补偿，并且也可以实现高速电主轴1不平衡的模拟。
所述两个振动位移传感器支架12分别与高速电主轴1上轴壳两端的端面相连接，两个振动位移传感器9固定于一个振动位移传感器支架12上，另外两个振动位移传感器9固定于另一个振动位移传感器支架12上，同一个振动位移传感器支架12上的两个振动位移传感器9相互垂直，且四个振动位移传感器9均指向高速电主轴1的轴线；需要说明的是，所述振动位移传感器9与位移信号调理器26相连接，所述位移信号调理器26选用米铱公司的eddyNCDT3010型信号调理器，用于为振动位移传感器9供电，将振动位移传感器9信号放大调理，并且每个位移信号调理器26之间采用防干扰通讯线27相连接，防止位移传感器之间发生相互干扰，最后每个位移信号调理器26分别与高速同步数据采集卡25相连接。
所述高速转速传感器10固定于高速电主轴1上转子17后端的侧面，高速电主轴1上转子17的前端端面上设有用于安装刀具的刀柄接口18；计算机29的输入端通过同步数据采集卡25与振动位移传感器9的输出端、振动加速度传感器8的输出端及高速转速传感器10的输出端相连接。需要说明的是，所述高速转速传感器10选用雷诺德公司出品的GEL2442K传感器，具有若干个触发齿，离开触发齿一定距离的位置是高速转速传感器10的探头，最大测试转速可以达到104r/min，所述高速转速传感器10直接与高速同步数据采集卡25连接。
另外，所述同步数据采集卡25采用NI公司的PXI-4472信号采集卡，所述同步数据采集卡25可实现8通道24位同步数据采集功能，最大采样速率可以达到102.4kS/s，利用高速PXI数据传输接口与数据接口转换器28相连接，所述数据接口转换器28将采样数据通过EXPRESS接口传输给计算机29，进而实现高速电主轴1动平衡性能的测试。
需要说明的是，本发明还包括用于支撑所述高速电主轴1的前支撑架2及后支撑架3，前支撑架2的一端及后支撑架3的一端均与减振实验台4的上部相连接，前支撑架2的另一端及后支撑架3的另一端与高速电主轴1上轴壳的侧面相连接，减振实验台4的上部设有凹槽，高速电主轴1上轴壳两端的端面上设有螺纹安装孔13，振动位移传感器支架12沿轴向设置有若干第一沉头通孔14，沉头依次穿过所述第一沉头通孔14及螺纹安装孔13将振动位移传感器支架12固定于高速电主轴1上的轴壳的端面上；所述振动位移传感器支架12的侧面沿径向设置有第一螺纹孔15，振动位移传感器9的探头设有与所述第一螺纹孔15相配合的外螺纹；所述刀具包括刀柄19、铣刀20及若干刀片21，刀柄19的一端通过刀柄接口18固定于高速电主轴1的转子17的前端面上，刀柄19的另一端与铣刀20相连接，铣刀20上设有若干第二螺纹孔，刀片21上开设有第二沉头通孔22，螺钉依次穿过第二沉头通孔22及第二螺纹孔将刀片21固定在铣刀20上。需要说明的是，所述刀柄19执行DIN69893标准，可以通过改变刀片21状态模拟由于刀具因素导致的电主轴不平衡，例如将其中一个刀片21打磨后安装在铣刀20上模拟由于刀具磨损导致的电主轴不平衡，或者将刀片21锯出凹槽模拟由于刀具破损导致的电主轴不平衡等。振动位移传感器9的输出端通过位移信号传调理器26与同步数据采集卡25相连接。振动加速度传感器8的输出端通过加速度传感器调理器24与同步数据采集卡25相连接。同步数据采集卡25的输出端与计算机29通过数据接口转换器28相连接，同步数据采集卡25通过PXI高速数据接口与数据接口转换器28相连接，数据接口转换器28通过EXPRESS数据接口与计算机29的输入端相连接。前支撑架2及后支撑架3均通过T槽螺钉和锁紧螺母固定在减振实验台4上。振动加速度传感器8通过磁铁吸附到高速电主轴1的轴壳上。
Claims (10)
1.一种电主轴动平衡性能测试实验系统，其特征在于，包括减振实验台(4)、高速电主轴(1)、若干平衡配重、四个振动位移传感器(9)、两个振动加速度传感器(8)、高速转速传感器(10)、两个振动位移传感器支架(12)、两个动平衡调节盘(16)、刀具、同步数据采集卡(25)、计算机(29)、用于调节高速电主轴(1)上转子(17)的转速的变频驱动器(5)、用于对高速电主轴(1)的轴承(11)进行油气润滑的油气润滑器(6)、以及用于对高速电主轴(1)进行降温的循环冷却器(7)；
所述高速电主轴(1)固定于减振实验台(4)上，两个动平衡调节盘(16)分别套接于高速电主轴(1)的转子(17)两端的侧面，振动加速度传感器(8)安装于高速电主轴(1)的轴壳侧面上，且振动加速度传感器(8)正对高速电主轴(1)内的轴承(11)；
所述两个动平衡调节盘(16)分别套接于高速电主轴(1)的转子(17)两端的侧面，动平衡调节盘(16)设有均匀分布的若干用于安装平衡配重的安装孔，各安装孔均匀分布于动平衡调节盘(16)的侧面，且各安装孔的轴线到高速电主轴(1)上转子(17)的距离相同；
所述两个振动位移传感器支架(12)分别与高速电主轴(1)上轴壳两端的端面相连接，两个振动位移传感器(9)固定于一个振动位移传感器支架(12)上，另外两个振动位移传感器(9)固定于另一个振动位移传感器支架(12)上，同一个振动位移传感器支架(12)上的两个振动位移传感器(9)相互垂直，且四个振动位移传感器(9)均指向高速电主轴(1)的轴线；
所述高速转速传感器(10)固定于高速电主轴(1)上转子(17)后端的侧面，高速电主轴(1)上转子(17)的前端端面上设有用于安装刀具的刀柄接口(18)；
所述计算机(29)的输入端通过同步数据采集卡(25)与振动位移传感器(9)的输出端、振动加速度传感器(8)的输出端及高速转速传感器(10)的输出端相连接。
2.根据权利要求1所述的电主轴动平衡性能测试实验系统，其特征在于，还包括用于支撑所述高速电主轴(1)的前支撑架(2)及后支撑架(3)，前支撑架(2)的一端及后支撑架(3)的一端均与减振实验台(4)的上部相连接，前支撑架(2)的另一端及后支撑架(3)的另一端与高速电主轴(1)上轴壳的侧面相连接。
3.根据权利要求1所述的电主轴动平衡性能测试实验系统，其特征在于，所述减振实验台(4)的上部设有凹槽。
4.根据权利要求1所述的电主轴动平衡性能测试实验系统，其特征在于，所述高速电主轴(1)上轴壳两端的端面上设有螺纹安装孔(13)，振动位移传感器支架(12)沿轴向设置有若干第一沉头通孔(14)，沉头依次穿过所述第一沉头通孔(14)及螺纹安装孔(13)将振动位移传感器支架(12)固定于高速电主轴(1)上的轴壳的端面上；
所述振动位移传感器支架(12)的侧面沿径向设置有第一螺纹孔(15)，振动位移传感器(9)的探头设有与所述第一螺纹孔(15)相配合的外螺纹。
5.根据权利要求4所述的电主轴动平衡性能测试实验系统，其特征在于，所述刀具包括刀柄(19)、铣刀(20)及若干刀片(21)，刀柄(19)的一端通过刀柄接口(18)固定于高速电主轴(1)的转子(17)的前端面上，刀柄(19)的另一端与铣刀(20)相连接，铣刀(20)上设有若干第二螺纹孔，刀片(21)上开设有第二沉头通孔(22)，螺钉依次穿过第二沉头通孔(22)及第二螺纹孔将刀片(21)固定在铣刀(20)上。
6.根据权利要求1所述的电主轴动平衡性能测试实验系统，其特征在于，所述振动位移传感器(9)的输出端通过位移信号传调理器(26)与同步数据采集卡(25)相连接。
7.根据权利要求1所述的电主轴动平衡性能测试实验系统，其特征在于，所述振动加速度传感器(8)的输出端通过加速度传感器调理器(24)与同步数据采集卡(25)相连接。
8.根据权利要求1所述的电主轴动平衡性能测试实验系统，其特征在于，所述同步数据采集卡(25)的输出端与计算机(29)通过数据接口转换器(28)相连接，同步数据采集卡(25)通过PXI高速数据接口与数据接口转换器(28)相连接，数据接口转换器(28)通过EXPRESS数据接口与计算机(29)的输入端相连接。
9.根据权利要求1所述的电主轴动平衡性能测试实验系统，其特征在于，所述前支撑架(2)及后支撑架(3)均通过T槽螺钉和锁紧螺母固定在减振实验台(4)上。
10.根据权利要求1所述的电主轴动平衡性能测试实验系统，其特征在于，所述振动加速度传感器(8)通过磁铁吸附到高速电主轴(1)的轴壳上。
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