CN104502102B - 一种测试高速机床主轴动态特性的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测试高速机床主轴动态特性的装置及方法，测试系统包括：安装于机床主轴上的虚拟刀具，以及安装于机床工作台上的三向测力仪和磁力表座；其中，三向测力仪上安装有电磁加载装置，且虚拟刀具插入电磁加载装置中，电磁加载装置的底部开设有与电磁力的方向相同的通槽；磁力表座设置于三向测力仪的两侧，磁力表座上安装有激光位移传感器，激光位移传感器的光斑能够穿过通槽，能够同时对主轴径向不同方向进行加载，不需要对加载装置进行调整，便于分析机床主轴在径向不同方向上的静动刚度；电磁加载装置设计有冷却装置，有效地解决了目前面临的电磁加载过程中随着加载时间的增加会产生大量的热从而影响主轴性能的问题。
Description
技术领域
本发明属于高速机床主轴动态特性测试与分析技术领域，主要涉及一种测试高速机床主轴动态特性的装置及方法。
背景技术
高速主轴作为高速制造装备的核心功能部件，其性能的好坏对于加工效率、加工精度具有重大的影响，在某种程度上甚至直接决定着高速制造装备的性能水平，因此研究并发展高速主轴变得日趋重要。目前高速机床主轴的研究主要面临的困难之一就是如何获得主轴在高速旋转情况下的动态特性。由于在高速旋转情况下，考虑到离心力、陀螺力矩以及热变形的影响，主轴轴承的刚度会产生较大的变化，而轴承的刚度在一定程度上直接影响着主轴的动态特性，因此在高速旋转情况下主轴的动态特性会发生较大的变化。此时，如何在主轴高速旋转情况下获得其动态特性显得尤为重要。
主轴的动态特性主要包括主轴在旋转情况下的刚度及主轴端部或刀具端部的频响函数，其中刚度又包括静刚度和动刚度，同时频响函数与动刚度互为倒数，通过分析频响函数又可以得到主轴系统的各阶固有频率及对应的模态刚度、模态阻尼，因此静刚度的测量以及频响函数的测量对于分析主轴的动态特性有重要意义。
静刚度主要是用使物体产生单位位移所需要施加的载荷来定义，动刚度则用动态载荷比上动态载荷引起的动态位移响应来定义，频响函数则是用单位动态载荷引起的动态位移响应来定义。可以看到频响函数与动刚度互为倒数，通过频响函数可以得到动刚度，通过动刚度又可以得到频响函数，一般习惯用频响函数来表征主轴的动态特性，因此本发明主要针对主轴静刚度的测量和频响函数的测量进行表述。主轴静刚度的测量一般是对主轴进行稳定载荷的加载，然后测得其沿加载方向的位移，再根据静刚度的定义进行计算。主轴频响函数的测量则常对主轴进行动态载荷的激励，同时测得其激励方向上的动态位移响应，再求其频响函数。
在高速旋转主轴动态特性的测试过程中，如何对主轴进行加载是最大的难点。目前加载的方法主要分为两类：接触式、非接触式。前者常利用在主轴轴端或虚拟刀具的端部安装轴承，通过对轴承外圈的加载来实现对主轴的加载，其优点是结构简单，操作方便，但缺点是不能实现高转速下的加载，且测量不准确，尤其是主轴频响函数的测量会存在较大的误差。后者的优点是测量结果比较准确，缺点是结构比较复杂，需要非接触加载装置。非接触式加载又主要包括两类：电磁加载、气悬浮加载。前者可以提供恒定载荷加载和频率逐渐变化的动态载荷加载，但由于存在涡流损耗，长时间加载会导致比较严重的热效应，并且由于涡流效应的影响，加载力会随着主轴转速的提高而下降，后者由于不能够提供频率逐渐变化的动态载荷加载，因此只适用于主轴静刚度的测量。
发明内容
针对上述缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种测试高速机床主轴动态特性的装置及方法，能够获得高速机床主轴在任意转速下的动态特性，针对电磁加载过程中主轴轴端会产生较多热量的问题设计了虚拟刀具，并对其结构进行优化，减少了虚拟刀具产生的涡流损耗。
为达到目的，本发明的技术方案为:
一种测试高速机床主轴动态特性的装置，包括：测试系统以及采集系统：
测试系统包括：安装于机床主轴上的虚拟刀具，以及安装于机床工作台上的三向测力仪和磁力表座；其中，三向测力仪上安装有电磁加载装置，且虚拟刀具插入电磁加载装置中，电磁加载装置的底部开设有与电磁力的方向相同的通槽；磁力表座设置于三向测力仪的两侧，磁力表座上安装有激光位移传感器，激光位移传感器的光斑能够穿过通槽；
采集系统包括：功率放大器、电荷放大器、力信号数据采集系统、以及位移信号数据采集系统；直流电流信号、交流电流信号通过功率放大器放大后通入电磁加载装置，三向测力仪测得的虚拟刀具的力信号，并将力信号通过电荷放大器后，利用力信号数据采集系统进行信号采集，激光位移传感器利用位移信号数据采集系统进行信号采集，分别得到虚拟刀具受到的力信号和虚拟刀具端部的位移信号。
所述电磁加载装置包括：若干铁芯，铁芯上缠绕有线圈，铁芯外壁设置有冷却水套，冷却水套上安装有外壳，虚拟刀具插于铁芯中，且铁芯的轴线与虚拟刀具的轴线重合。
所述电磁加载装置中设置有八个铁芯，相邻线圈为一组线圈组，四组线圈组对称分布。
所述铁芯由硅钢片叠加形成。
所述铁芯与虚拟刀具之间设置有间隙，且间隙距离为0.5mm。
所述冷却水套上开设有螺旋切槽。
所述虚拟刀具为导磁性材料制成，虚拟刀具的表面开有均匀分布的环形切槽。
所述激光位移传感器分辨率为0.1微米，分别对称布置在虚拟刀具径向受载方向的两侧，同时测量正向和反向的位移信号。
所述虚拟刀具通过主轴刀柄安装于机床主轴上。
一种测试高速机床主轴动态特性的测试方法，包括以下步骤：
1)静刚度的测量：将虚拟刀具连接到机床主轴上，给定机床主轴1任一转速，然后给其中一组线圈组供直流电ID，其余线圈组断电，调整直流电流ID的大小，测量记录不同电流下的力信号F，同时测量在加载方向上的两个激光位移传感器的位移信号X1与X2，将两个位移信号相减，得到机床主轴在受载情况下的实际位移对力信号F及位移信号X进行计算处理，得到机床主轴的静刚度；
2)频响函数的测量：将虚拟刀具连接到机床主轴上，给对称分布的两组线圈组分别通入直流电与交流电的叠加，其中一组线圈组通入直流电ID和交流电IA的叠加，另一组线圈组通入相同大小的直流电ID和相同大小的反相交流电IA1的叠加，其中，IA1＝-IA，其余线圈不通电，改变交流电IA的频率，同时测量记录不同频率下的力信号F，以及在加载方向上的两个激光位移传感器的位移信号X1与X2，将两个位移信号相减，得到机床主轴在受载情况下的实际位移对力信号F及位移信号X进行处理，得到主轴的频响函数曲线、动刚度曲线。
与现有技术比较，本发明的有益效果为：
本发明提供的一种测试高速机床主轴动态特性的装置及方法，能够同时对主轴径向不同方向进行加载，不需要对加载装置进行调整，便于分析机床主轴在径向不同方向上的静刚度及频响函数；电磁加载装置设计有冷却装置，有效地解决了目前面临的电磁加载过程中随着加载时间的增加会产生大量的热从而影响主轴性能的问题。
进一步的，本发明中虚拟刀具采用导磁性较好的材料，利用有限元分析技术进行电磁场分析，对其进行优化设计，减小虚拟刀具产生的涡流，在其表面开有环形切槽，有效地解决了目前面临的在加载过程中由导磁材料制成的虚拟刀具或测试棒产生涡流效应，其涡流损耗会产生较多的热量进而影响主轴性能甚至使主轴损坏以及由于涡流效应产生的反向磁场使加载力随转速的升高而下降等问题。
进一步的，本发明中采用高精度的激光位移传感器，解决了电涡流位移传感器在实际测量时由于受到电磁场的影响无法正常工作以及电容式位移传感器安装要求过高容易导致在测量过程中传感器与虚拟刀具发生碰撞的问题，并使用两个激光位移传感器获取同一时刻的位移信号，最后再做减法，有效地消除了由于主轴系统存在偏心质量以及虚拟刀具的周向热膨胀导致位移信号产生的误差，使得结果更加准确。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的电磁加载装置结构示意图；
图3为本发明的电磁加载原理图；
图4为本发明的虚拟刀具的结构示意图；
其中，1为机床主轴，2为主轴刀柄，3为虚拟刀具，4为电磁加载装置外壳，5为冷却水套，6激光位移传感器，7为磁力表座，8为机床工作台，9为铁芯，10为线圈，11为三向测力仪，12为电荷放大器，13为力信号数据采集系统，14为PC机，15为位移信号数据采集系统，16为电流信号发生器，17为功率放大器，18为固定螺栓，19为紧定螺钉，20为冷却水输出接口，21为冷却水输入接口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
如图1.2所示，本发明提供了一种测试高速机床主轴动态特性的装置，包括：测量系统以及采集系统：
测量系统包括：安装于机床主轴1上的虚拟刀具3，以及安装于机床工作台8上的三向测力仪11和磁力表座7；三向测力仪11通过固定螺栓18固定安装于机床工作台8上，其中，三向测力仪11上利用紧定螺钉19固定安装有电磁加载装置，从而可以得到作用在电磁加载装置上的力，由于力的作用是相互的，由此可以得到作用在主轴上的力。
虚拟刀具3插入电磁加载装置中，电磁加载装置的底部开设有与电磁力的方向相同的通槽；磁力表座7设置于三向测力仪11的两侧，磁力表座7上安装有激光位移传感器6，激光位移传感器6的光斑能够穿过通槽；所述虚拟刀具3为导磁性材料制成，虚拟刀具3的表面开有均匀分布的环形切槽。
采集系统包括：功率放大器17、电荷放大器12、力信号数据采集系统13、以及位移信号数据采集系统15；电流信号发生器16产生直流电流信号、交流电流信号，直流电流信号、交流电流信号通过功率放大器17放大后通入电磁加载装置，三向测力仪11测得的虚拟刀具3的力信号，并将力信号通过电荷放大器12后，利用力信号数据采集系统13进行信号采集，激光位移传感器6利用位移信号数据采集系统15进行信号采集，分别得到虚拟刀具3受到的力信号和虚拟刀具3端部的位移信号，通过PC机14进行数据分析。
所述电磁加载装置包括：若干铁芯9，铁芯9由硅钢片叠加形成，铁芯9上缠绕有线圈10，铁芯9外壁设置有冷却水套5，冷却水套5上安装有外壳4，虚拟刀具3插于铁芯9中，且铁芯9的轴线与虚拟刀具3的轴线重合，铁芯9与虚拟刀具3之间设置有间隙，且间隙距离为1mm，外壳4上设置有与冷却水套5连接的冷却水输出接口20和为冷却水输入接口21；如图3所示，图3中的线圈组a为例，介绍电磁加载的原理：给a组线圈通入电流，将产生图3中所示方向的电磁场，根据电磁理论的相关知识，线圈组a将对主轴产生电磁力Fa，方向如图3中所示。可以利用不同的线圈组分别实现各个方向上的电磁力加载。
虚拟刀具3通过主轴刀柄2安装在机床主轴1上，冷却水套5上开设有螺旋切槽；示例性的，本发明中电磁加载装置包括八个线圈，每两个相邻的线圈组成一组，与对称位置上的一组线圈共同产生电磁力对主轴进行加载或激励，分别提供X方向与Y方向的电磁力；铁芯9的外部有冷却水套，通入冷却水对电磁加载装置进行冷却，避免产生的热量过多地传递给机场主轴1。具体的，铁芯9和线圈10的外部有环状的冷却水套5和外壳4，其材料为导磁性较差的不锈钢材料，减少漏磁。
本发明中三向测力仪11利用压板或螺钉固定在机床工作台上，其分辨率可以达到0.01N，可以实时地得到三个方向上的力；电磁加载装置可以利用螺栓固定在三向测力仪上，从而可以得到作用在电磁加载装置上的力，由于力的作用是相互的，由此可以得到作用在主轴上的三个方向的力；
具体的，如图4所示，虚拟刀具由导磁性较好的金属材料仿照刀具的接口形式制成，在其表面加工有均匀分布的环形切槽，减少虚拟刀具产生的涡流效应，从而一方面避免电磁力随主轴转速的升高而下降，另一方面减少涡流损耗导致的温升，进而避免主轴温度过高。
激光位移传感器6有两个，分辨率为0.1微米，分别布置在主轴轴端径向受载方向的两侧，在冷却水套5的下部的圆周上开有4个与线圈10产生电磁力方向相同的孔，激光位移传感器6的光束可以穿过这些孔照射到主轴轴端，调整激光位移传感器6的位置使其位于量程范围内，调整光束使其垂直于主轴轴端圆周的轴线。
本发明还提供了一种测试高速机床主轴动态特性的测试方法，包括以下步骤：
1)静刚度的测量：以测量图3中所示的Y方向上的静刚度为例，将虚拟刀具3连接到机床主轴1上，然后给其中一组线圈组a或线圈组c供直流电ID，其余线圈组断电，调整直流电流ID的大小，测量记录不同电流下的力信号F，同时测量在加载方向上的两个激光位移传感器的位移信号X1与X2，将两个位移信号相减，得到机床主轴1在受载情况下的实际位移对力信号F及位移信号X进行计算处理，得到机床主轴1的静刚度；
所述的静刚度的测量中产生加载力F的原理为：
当线圈通过电流时，铁芯对虚拟刀具产生的吸引力为，
其中，B为线圈产生的磁感强度，A为位于磁场中的导磁体的截面积，μ0为磁导率。
当给其中一组线圈供直流电ID时，将产生稳定的电磁场，式1中的磁感应强度不变，则产生的电磁力也不变，从而实现稳定载荷的加载。
2)频响函数的测量：以测量图3中所示的Y方向上的频响函数为例，将虚拟刀具连接到机床主轴上，给对称分布的线圈a和线圈c分别通入直流电与交流电的叠加，其中线圈组a通入直流电ID和交流电IA的叠加，线圈组c通入相同大小的直流电ID和与交流电IA大小相同的反相交流电IA1的叠加，其中，IA1＝-IA，其余线圈不通电，改变交流电IA的频率，同时测量记录不同频率下的力信号F，以及在加载方向上的两个激光位移传感器的位移信号X1与X2，将两个位移信号相减，得到机床主轴(1)在受载情况下的实际位移对力信号F及位移信号X进行处理，得到主轴的频响函数曲线、动刚度曲线。
所述的频响函数的测量中产生加载力F的原理为：
当给对称分布的两组线圈通入直流电ID和交流电IA的叠加、直流电ID和相同大小的反相交流电IA1的叠加时，直流电ID产生稳定的电磁场，设磁感强度为BD，交流电IA产生交变的电磁场，设磁感强度为BAsinωt，BA为磁感强度的峰值，由于IA1＝-IA，则交流电IA1产生的电磁场的磁感强度为-BAsinωt。
由ID和IA叠加的电流将产生叠加的电磁场，磁感强度为：
B1＝BD+BAsinωt (2)
将式(2)带入式(1)中，可得到电磁力为:
同理，由ID和IA1叠加的电流产生的叠加的电磁场的磁感强度为：
B2＝BD-BAsinωt (4)
将式(4)带入式(1)中，可得到电磁力为:
则作用在虚拟刀具上的电磁力为F1和F2的合力，其表达式为：
由式(6)可以看到，此时作用在虚拟刀具上的电磁力为周期性变化的动态力，若改变交流电信号的频率，则可以实现任意频率的动载荷的加载。
上述测量可以在主轴任意转速下进行，从而得到主轴在不同工况下的动态特性，对主轴在不同转速下的动态性能进行分析。
Claims (7)
1.一种高速机床主轴动态特性的测试方法，其特征在于，采用如下测试高速机床主轴动态特性的装置，包括：测试系统以及采集系统：
测试系统包括：安装于机床主轴(1)上的虚拟刀具(3)，以及安装于机床工作台(8)上的三向测力仪(11)和磁力表座(7)；其中，三向测力仪(11)上安装有电磁加载装置，且虚拟刀具(3)插入电磁加载装置中，电磁加载装置的底部开设有与电磁力的方向相同的通槽；磁力表座(7)设置于三向测力仪(11)的两侧，磁力表座(7)上安装有激光位移传感器(6)，激光位移传感器(6)的光斑能够穿过通槽；所述电磁加载装置包括：八个铁芯(9)，铁芯(9)上缠绕有线圈(10)，相邻线圈为一组线圈组，四组线圈组对称分布，铁芯(9)外壁设置有冷却水套(5)，冷却水套(5)上安装有外壳(4)，虚拟刀具(3)插于铁芯(9)中，且铁芯(9)的轴线与虚拟刀具(3)的轴线重合；
采集系统包括：功率放大器(17)、电荷放大器(12)、力信号数据采集系统(13)、以及位移信号数据采集系统(15)；直流电流信号、交流电流信号通过功率放大器(17)放大后通入电磁加载装置，三向测力仪(11)测得的虚拟刀具(3)的力信号，并将力信号通过电荷放大器(12)后，利用力信号数据采集系统(13)进行信号采集，激光位移传感器(6)利用位移信号数据采集系统(15)进行信号采集，分别得到虚拟刀具(3)受到的力信号和虚拟刀具(3)端部的位移信号；
包括以下步骤：
1)静刚度的测量：将虚拟刀具(3)连接到机床主轴(1)上，给定机床主轴（1）任一转速，然后给其中一组线圈组供直流电ID，其余线圈组断电，调 整直流电流ID的大小，测量记录不同电流下的力信号F，同时测量在加载方向上的两个激光位移传感器的位移信号X1与X2，将两个位移信号相减，得到机床主轴(1)在受载情况下的实际位移对力信号F及位移信号X进行计算处理，得到机床主轴(1)的静刚度；
2)频响函数的测量：将虚拟刀具连接到机床主轴上，给对称分布的两组线圈组分别通入直流电与交流电的叠加，其中一组线圈组通入直流电ID和交流电IA的叠加，另一组线圈组通入相同大小的直流电ID和相同大小的反相交流电IA1的叠加，其中，IA1＝-IA，其余线圈不通电，改变交流电IA的频率，同时测量记录不同频率下的力信号F，以及在加载方向上的两个激光位移传感器的位移信号X1与X2，将两个位移信号相减，得到机床主轴(1)在受载情况下的实际位移对力信号F及位移信号X进行处理，得到主轴的频响函数曲线、动刚度曲线。
2.根据权利要求1所述的一种高速机床主轴动态特性的测试方法，其特征在于，所述铁芯(9)由硅钢片叠加形成。
3.根据权利要求1所述的一种高速机床主轴动态特性的测试方法，其特征在于，所述铁芯(9)与虚拟刀具(3)之间设置有间隙，且间隙距离为1mm。
4.根据权利要求1所述的一种高速机床主轴动态特性的测试方法，其特征在于，所述冷却水套(5)上开设有螺旋切槽。
5.根据权利要求1所述的一种高速机床主轴动态特性的测试方法，其特征在于，所述虚拟刀具(3)为导磁性材料制成，虚拟刀具(3)的表面开有均匀分布的环形切槽。
6.根据权利要求1所述的一种高速机床主轴动态特性的测试方法，其特征在于，所述激光位移传感器(6)分辨率为0.1微米，分别对称布置在虚拟刀具(3)径向受载方向的两侧，同时测量正向和反向的位移信号。
7.根据权利要求1所述的一种高速机床主轴动态特性的测试方法，其特征在于，所述虚拟刀具(3)通过主轴刀柄(2)安装于机床主轴(1)上。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 《偏心电主轴动力学分析》;陈小安等;《重庆大学学报》;20120331;第35卷(第3期);第26-32页 * |
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|---|---|
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