CN105628377A

CN105628377A - 一种主轴轴向静刚度测试方法及控制系统

Info

Publication number: CN105628377A
Application number: CN201510993896.2A
Authority: CN
Inventors: 吕术亮
Original assignee: DINGQI (TIANJIN) SPINDLE TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: DINGQI (TIANJIN) SPINDLE TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2015-12-25
Filing date: 2015-12-25
Publication date: 2016-06-01

Abstract

本发明公开了一种主轴轴向静刚度测试方法及控制系统，主要由数据采集处理系统、运动控制系统、加载卸载执行单元和人机交互界面组成。所述数据采集系统包括压力传感器、电涡流位移传感器、NI数据采集卡、计算机；所述运动控制系统包括NI运动控制卡、伺服驱动器、伺服电机；所述加载卸载执行单元包括锁紧杆套环、锁紧杆，所述锁紧杆通过螺纹副与所述锁紧杆套环连接。所述计算机中设有基于LabVIEW编制的数据采集、处理程序、运动控制程序和人机交互界面，以实现数据的采集、运算、分析、处理、显示、存储和对加载卸载执行单元的控制。本发明可适用于各类立式、卧式数控机床主轴单元的静刚度测试，通用性好，效率高。

Description

一种主轴轴向静刚度测试方法及控制系统

技术领域

本发明涉及机床主轴性能测试领域，特别是涉及一种主轴轴向静刚度测试方法及控制系统。

背景技术

主轴是机床的核心功能部件，其性能直接影响到机床整机的性能。主轴轴向静刚度是指主轴单元在轴向载荷的作用下抵抗变形的能力，通常以主轴转子前端产生单位轴向位移时，在轴向位移方向上所施加的载荷来表示主轴的轴向静刚度。主轴的轴向静刚度作为评定数控机床整机质量和主轴单元设计的一项重要指标，不仅会影响加工部件的几何精度和表面质量，也是预测主轴动态特性、轴承寿命和噪声的基础。

目前，国内外已有很多关于主轴轴向静刚度的测试方法，但是已有的测试方法只是针对某一载荷下的主轴轴向变形来近似表示主轴的轴向刚度，这种将主轴轴向刚度线性化的测试方法在精密加工中尤其是在数控机床高速端铣时会造成一定的误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种主轴轴向静刚度测试方法及控制系统。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种主轴轴向静刚度测试方法及控制系统，其特征在于，包括数据采集处理系统、运动控制系统、加载卸载执行单元和人机交互界面。所述数据采集系统包括压力传感器、电涡流位移传感器、NI数据采集卡、计算机；所述运动控制系统包括NI运动控制卡、伺服驱动器、伺服电机；所述加载卸载执行单元包括锁紧杆套环、锁紧杆，所述锁紧杆通过螺纹副与所述锁紧杆套环连接。

所述计算机中设有基于LabVIEW编制的数据采集、处理程序、运动控制程序和人机交互界面，以实现数据的采集、运算、分析、处理、显示、存储和对加载卸载执行单元的控制，所述数据采集程序通过所述NI数据采集卡按照所述人机交互界面设置的力加载卸载步长采集所述电涡流位移传感器的位移信息和所述压力传感器的力信息，所述数据处理程序是计算机按照最小二乘法原理将所述电涡流位移传感器的位移信息和所述压力传感器的力信息进行拟合处理，所述运动控制程序按照人机交互界面设置的力加载卸载步长对NI运动控制卡发出指令，通过伺服驱动器驱动伺服电机对执行单元进行加载或者卸载，并将压力传感器中测得的压力值反馈给运动控制程序，所述人机交互界面可显示加载力-位移静刚度曲线和卸载力-位移静刚度曲线，所述人机交互界面可设置加载卸载执行单元最大加载力、加载力加载和卸载的步长、加载速度。所述伺服电机通过旋转锁紧杆而将加载或者卸载力传递给压力传感器并最终传递给主轴转子。

一种主轴轴向静刚度测试方法及控制系统，包括以下步骤：

(1)在人机界面上设置最大加载力，加载力加载和卸载步长、加载速度；

(2)根据主轴的直径调节锁紧杆套环、锁紧杆、力传感器组件、位移传感器与主轴单元转子的相对位置；

(3)计算机向NI运动控制卡和NI数据采集卡发出控制信号；

(4)NI运动控制卡通过伺服驱动器驱动伺服电机旋转锁紧杆，向主轴转子施加轴向载荷，同时NI数据采集卡采集压力传感器测得的载荷值并反馈给计算机，当压力传感器测得的载荷值等于单位步长时，停止加载并保持一段时间，待压力传感器测得的载荷值稳定后NI数据采集卡采集电涡流位移传感器测得的位移值。将压力传感器测得的稳定载荷值和电涡流位移传感器测得的位移值存储到计算机，并开始下一步长的操作，直至加载到最大加载力。

(5)计算机将采集到的数据进行如下处理：

\begin{matrix} a = \frac{n Σ_{i = 1}^{n} x_{i} y_{i} - (Σ_{i = 1}^{n} x_{i}) (Σ_{i = 1}^{n} y_{i})}{n Σ_{i = 1}^{n} x_{i}^{2} - {(Σ_{i = 1}^{n} x_{i})}^{2}} & b = \frac{(Σ_{i = 1}^{n} x_{i}^{2}) (Σ_{i = 1}^{n} y_{i}^{2}) - (Σ_{i = 1}^{n} x_{i}) (Σ_{i = 1}^{n} x_{i} y_{i})}{n Σ_{i = 1}^{n} x_{i}^{2} - {(Σ_{i = 1}^{n} x_{i})}^{2}} \end{matrix}

y_i＝ax_i-b即为主轴的轴向加载静刚度表达式，通过人机交互界面显示拟合曲线，曲线斜率即为主轴轴向加载静刚度值。

其中：n为加载步数；

x_i为第i步电涡流位移传感器测得的位移值；

y_i为第i步压力传感器测得的稳定载荷值。

(6)加载力的卸载同加载原理相同，可根据实际需要进行卸载操作并得出主轴的轴向卸载刚度曲线。

本发明可适用于各类立式、卧式数控机床主轴单元的静刚度测试，通用性好。本发明具有的优点和积极效果是：

采用伺服电机对主轴进行加载，加载速度快，连续并且平稳，保证了主轴轴向刚度的测试效率；

采用计算机人机交互界面设置加载卸载执行单元最大加载力、加载力加载和卸载的步长、加载速度，采用计算机人机交互界面显示数据的处理结果，在一定程度上实现了测试系统的自动化。

利用计算机强大的数据运算处理能力，将测试结果快速准确的显示出来，可以实时测的力和位移值，大大提高了测试效率和精度。

附图说明

图1为本发明的控制系统原理图。

图2为本发明的结构示意图。

图中：1、NI运动控制卡；2、伺服驱动器；3、伺服电机；4、锁紧杆；5、锁紧杆套环；6、压力传感器；7、主轴单元；8、电涡流位移传感器；9、NI数据采集卡；10、计算机。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1，本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种主轴轴向静刚度测试方法及控制系统，其特征在于，包括数据采集处理系统、运动控制系统、加载卸载执行单元和人机交互界面。所述数据采集系统包括压力传感器6、电涡流位移传感器8、NI数据采集卡9、计算机10；所述运动控制系统包括NI运动控制卡1、伺服驱动器2、伺服电机3；所述加载卸载执行单元包括锁紧杆套环5、锁紧杆4，所述锁紧杆3通过螺纹副与所述锁紧杆套环5连接。

所述计算机中设有基于LabVIEW编制的数据采集、处理程序、运动控制程序和人机交互界面，以实现数据的采集、运算、分析、处理、显示、存储和对加载卸载执行单元的控制，所述数据采集程序通过所述NI数据采集卡9按照所述人机交互界面设置的力加载卸载步长采集所述电涡流位移传感器9的位移信息和所述压力传感器6的力信息，所述数据处理程序是计算机按照最小二乘法原理将所述电涡流位移传感器9的位移信息和所述压力传感器6的力信息进行拟合处理，所述运动控制程序按照人机交互界面设置的力加载卸载步长对NI运动控制卡1发出指令，通过伺服驱动器2驱动伺服电机3对执行单元进行加载或者卸载，并将压力传感器6中测得的压力值反馈给运动控制程序，所述人机交互界面可显示加载力-位移静刚度曲线和卸载力-位移静刚度曲线，所述人机交互界面可设置加载卸载执行单元最大加载力、加载力加载和卸载的步长、加载速度。所述伺服电机3通过旋转锁紧杆4而将加载或者卸载力传递给压力传感器6并最终传递给主轴单元7。

一种主轴轴向静刚度测试方法及控制系统，包括以下步骤：

(3)计算机向NI运动控制卡和NI数据采集卡发出控制信号；

(5)计算机将采集到的数据进行如下处理：

\begin{matrix} a = \frac{n Σ_{i = 1}^{n} x_{i} y_{i} - (Σ_{i = 1}^{n} x_{i}) (Σ_{i = 1}^{n} y_{i})}{n Σ_{i = 1}^{n} x_{i}^{2} - {(Σ_{i = 1}^{n} x_{i})}^{2}} & b = \frac{(Σ_{i = 1}^{n} x_{i}^{2}) (Σ_{i = 1}^{n} y_{i}^{2}) - (Σ_{i = 1}^{n} x_{i}) (Σ_{i = 1}^{n} x_{i} y_{i})}{n Σ_{i = 1}^{n} x_{i}^{2} - {(Σ_{i = 1}^{n} x_{i})}^{2}} \end{matrix}

其中：n为加载步数；

x_i为第i步电涡流位移传感器测得的位移值；

y_i为第i步压力传感器测得的稳定载荷值。

采用伺服电机对主轴进行加载，加载速度快，连续并且平稳，保证了主轴轴向刚度的测试效率；；

利用计算机强大的数据运算处理能力，将测试结果快速准确的显示出来，可以实时测的力和位移值，大大提高的测试效率和精度。

以上显示和描述，描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中的描述的只是本说明书的发明原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种主轴轴向静刚度测试控制系统，其特征在于，包括数据采集处理系统、运动控制系统、加载卸载执行单元和人机交互界面。所述数据采集系统包括压力传感器、电涡流位移传感器、NI数据采集卡、计算机；所述运动控制系统包括NI运动控制卡、伺服驱动器、伺服电机；所述加载卸载执行单元包括锁紧杆套环、锁紧杆，所述锁紧杆通过螺纹副与所述锁紧杆套环连接。所述计算机中设有基于LabVIEW编制的数据采集、处理程序、运动控制程序和人机交互界面，以实现数据的采集、运算、分析、处理、显示、存储和对加载卸载执行单元的控制。

2.根据权利要求1所述的一种主轴轴向静刚度测试控制系统，其特征在于，所述数据采集程序通过所述NI数据采集卡按照所述人机交互界面设置的力加载卸载步长采集所述电涡流位移传感器的位移信息和所述压力传感器的力信息。

3.根据权利要求1所述的一种主轴轴向静刚度测试控制系统，其特征在于，所述数据处理程序是计算机按照最小二乘法原理将所述电涡流位移传感器的位移信息和所述压力传感器的力信息进行拟合处理。

4.根据权利要求1所述的一种主轴轴向静刚度测试控制系统，其特征在于，所述运动控制程序按照人机交互界面设置的力加载卸载步长对NI运动控制卡发出指令，通过伺服驱动器驱动伺服电机对执行单元进行加载或者卸载，并将压力传感器中测得的压力值反馈给运动控制程序。

5.根据权利要求1所述的一种主轴轴向静刚度测试控制系统，其特征在于，所述人机交互界面可显示加载力-位移静刚度曲线和卸载力-位移静刚度曲线，所述人机交互界面可设置加载卸载执行单元最大加载力、加载力加载和卸载的步长、加载速度。

6.根据权利要求1所述的一种主轴轴向静刚度测试控制系统，其特征在于，所述伺服电机通过旋转锁紧杆而将加载或者卸载力传递给压力传感器并最终传递给主轴单元。

7.权利要求1-6任一项所述的一种主轴轴向静刚度测试控制系统的使用方法，包括以下步骤：

(3)计算机向NI运动控制卡和NI数据采集卡发出控制信号；

(4)NI运动控制卡通过伺服驱动器驱动伺服电机旋转锁紧杆，向主轴转子施加轴向载荷，同时NI数据采集卡采集压力传感器测得的载荷值并反馈给计算机，当压力传感器测得的载荷值等于单位步长时，停止加载并保持一段时间，待压力传感器测得的载荷值稳定后NI数据采集卡采集电涡流位移传感器测得的位移值。将压力传感器测得的稳定载荷值和电涡流位移传感器测得的位移值存储到计算机，并开始下一步长的操作，直至加载到最大加载力；

(5)计算机将采集到的数据进行如下处理：

a = \frac{n Σ_{i = 1}^{n} x_{i} y_{i} - (Σ_{i = 1}^{n} x_{i}) (Σ_{i = 1}^{n} y_{i})}{n Σ_{i = 1}^{n} x_{i}^{2} - {(Σ_{i = 1}^{n} x_{i})}^{2}}

b = \frac{(Σ_{i = 1}^{n} x_{i}^{2}) (Σ_{i = 1}^{n} y_{i}^{2}) - (Σ_{i = 1}^{n} x_{i}) (Σ_{i = 1}^{n} x_{i} y_{i})}{n Σ_{i = 1}^{n} x_{i}^{2} - {(Σ_{i = 1}^{n} x_{i})}^{2}}

y_i＝ax_i-b即为主轴的轴向加载静刚度表达式，通过人机交互界面显示拟合曲线，曲线斜率即为主轴轴向加载静刚度值，

其中：n为加载步数；

x_i为第i步电涡流位移传感器测得的位移值；

y_i为第i步压力传感器测得的稳定载荷值。