CN105823613A - 一种磁粉加载式机床旋转主轴的扭转动刚度检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁粉加载式机床旋转主轴的扭转动刚度检测系统，包括：机床主轴、设于机床上的加载装置、设在该加载装置上的力传感器、光栅式扭转角位移传感器以及连接主轴的测试棒，该测试棒插入加载装置的容置腔中，由磁化的磁粉形成的磁粉链与测试棒表面产生摩擦力实现柔性加载。通过本系统检测得到的机床转动状态下的扭转动刚度比在静止状态下测得的扭转动刚度值更有实际的意义和价值，更准确的反映了机床的动态性能，得到的刚度值可用于评价机床的动态性能，识别机床的薄弱环节，有益于机床的性能改进。

Description

一种磁粉加载式机床旋转主轴的扭转动刚度检测系统

技术领域

本发明属于机床动态性能检测技术领域，具体涉及一种磁粉加载式机床旋转主轴的扭转动刚度检测系统。

背景技术

刚度是衡量被测对象抵抗变形能力的参数，刚度值越大代表被测对象在外力作用下抵抗变形的能力越强。依据所加载荷的性质，刚度可分为静刚度和动刚度两种；静刚度是给被测对象施加一个静态载荷所得的刚度值；动刚度是被测对象在动态激扰下抵抗变形的能力。按照载荷的形式，刚度亦可分为扭转刚度、弯曲刚度、拉伸刚度等。扭转刚度是机床主轴的一个重要的性能参数，代表了被测对象在扭矩作用下抵抗变形的能力，若主轴的扭转刚度过小，受力产生过大的变形，最终影响工件的加工精度。传统扭转刚度测量方法是在主轴静止的情况下通过给主轴施加一定的静态载荷，通过相应的传感器测量其扭转变形，最后得到其静刚度值的大小；动刚度则是通过给静止的主轴施加动态载荷，测量主轴的动态响应计算得到。上述所得刚度值都是基于主轴在静态条件下测量得到的，测量结果与实际加工过程中的性能有较大的差异。机床运转状态下的动刚度更能反映机床实际加工时的性能。

机床主轴在运转的条件下动刚度测量的主要难点是如何给运动的主轴施加一个恒定载荷，并且能够在保证安全性的前提下避免接触式加载造成的对运转主轴的损害；此外，运转的主轴在扭转力作用下扭转变形量的测量方法也是一个难点。

发明内容

鉴于现有技术存在的上述不足，本发明提供一种磁粉加载式机床旋转主轴的扭转动刚度检测系统，该系统通过磁粉加载方式给旋转的主轴施加一定的扭矩，进而处理力传感器测出的扭矩信号和扭转角位移传感器测出的扭转角信号，获得机床主轴在运转情况下的扭转刚度。

本发明涉及的主要原理为光栅测量原理与磁粉加载原理。光栅测量原理：将栅距均匀的两块光栅以微小的角度重叠，一束经过聚光的光线通过光栅后会产生明暗相间的条纹，称之为莫尔条纹，两块光栅产生相对运动时，莫尔条纹也会产生相应的移动，通过测量莫尔条纹的变化来获得光栅盘的相对（角）位移量是光栅测（角）位移的基本思路；实施例采用两块切向光栅，两块光栅的栅线切向相反以保证一定的夹角，且圆心均在测试棒的轴线上，此时的莫尔条纹呈同心圆弧状。磁粉加载原理：分布在空间内的磁粉被磁化后在磁场的作用下会沿着一定的方向分布，磁粉之间相互吸引，通过电磁力相互连接形成磁粉链，与磁粉接触的运动部件因此会受到磁粉的摩擦力作用；若存在一个主动件和一个从动件，且相互非接触，则主动件的运动和动力可通过磁粉的摩擦力传递给从动件，实现了柔性加载。

本发明提供的磁粉加载式机床旋转主轴的扭转动刚度检测系统，包括：

设置在机床上的主轴；

设于所述机床的工作台上的加载装置，该加载装置包含定子、具有容置腔的内衬件、隔磁环、磁粉及安装于所述定子的线圈，所述内衬件设置于所述定子的内腔中，所述磁粉分布在所述内衬件的容置腔内；

测试棒，该测试棒的一端与所述主轴相连，另一端插入所述加载装置中的所述容置腔，所述加载装置的线圈通直流电流后产生磁场，该磁场将位于所述容置腔内的磁粉磁化形成磁粉链，所述磁粉链与由所述主轴驱动旋转的测试棒表面产生摩擦力，实现对所述测试棒的扭矩的加载；

力传感器，所述力传感器设在所述加载装置上以检测所述测试棒受到的加载作用扭矩大小；以及

光栅式扭转角位移传感器，它包含设在所述机床上的主体部分和圆盘光栅，该圆盘光栅安装于所述测试棒上，以间接测量方式检测所述测试棒的扭转角。

本检测系统进一步包括一个信号处理装置，用于处理所述力传感器输出的扭矩信号和所述光栅式扭转角位移传感器输出的扭转角信号，进而计算所述主轴运转情况下的扭转动刚度。

其中，所述加载装置的定子还包括底座。所述加载装置中的隔磁环镶嵌在所述内衬件中，隔磁环的作用是阻隔线圈在内衬件中的磁路，使更多的磁感应线经过所述内衬件的容置腔，增加该容置腔中的磁感应强度。所述磁粉的粒径为10~40μm。

所述力传感器为应变片，所述应变片设在所述加载装置的定子与内衬件的连接处。

所述力传感器最好包括四个应变片，该四个应变片均分为两组，安装在所述加载装置的定子与内衬件的平键连接处，每一个平键连接处安装一个应变片。

所述光栅式扭转角位移传感器的主体部分可以包括：拼接的左安装板和右安装板，依次设置于该左安装板的安装腔内发光二极管、透镜和指示光栅，以及安装在该右侧安装板对应部位的光电三极管。该指示光栅和圆盘光栅均采用切向光栅，该指示光栅和圆盘光栅的刻线相同，切线方向相反。

所述信号处理装置包含：配置信号采集卡的计算机，连接于该信号采集卡相应输入端的放大器和信号处理器，连接于计算机的加载力信号输出端的驱动器，该驱动器输出连接所述加载装置的线圈，所述放大器输入连接所述力传感器，所述信号处理器输入连接所述光栅式扭转角位移传感器。

为了便于测量，本发明具体实施中忽略了一些次要因素的影响，简化了物理模型。由于机床的主轴的一端是通过与别的零件接触获得转矩（如通过齿轮传动传递运动与动力到主轴），另一端与测试棒相连，而测试棒在加载装置内是受到柔性加载，因此，测试棒端变形容易，认为主轴的变形可以通过仅测量测试棒端的变形得到；由于测试对象是主轴的扭转刚度，为了便于力的加载同时保护主轴，测试过程中使用了圆柱形标准测试棒，为了降低测试棒在测试过程中的扭转变形对测试结果的影响，应选用静态扭转刚度和固有频率均较高的测试棒，且测试棒的长度在满足测试要求的情况下尽量取短。此外，为了保证加载的有效性，该圆柱形测试棒进入加载装置中容置腔的部分的表面应保证有较大的摩擦系数，可以通过用砂纸打磨测试棒的该部分，使该部分的摩擦系数为0.12-0.18即可；所述圆柱形测试棒的连接所述主轴的一端为带自锁螺纹的锥形部，方便准确可靠连接。

本发明的角位移传感器采用间接的方法测量主轴的扭转角位移：主轴空转的情况下测出时间段内主轴的角位移量；在时间段内给主轴施加一个扭矩，扭矩值由0逐渐增加到，测出主轴在这一时间段内的角位移量；即为在扭矩最大值为情况下的扭转位移量；改变扭矩的值，重复上面的过程，可测得多组数据。

在上述检测系统中对机床旋转主轴磁粉加载的方法，包括以下步骤：将测试棒一端与机床的主轴连接；该测试棒的另一端插入加载装置中的容置腔，施加直流电流到该加载装置的线圈产生磁场，该磁场磁化位于所述容置腔内的磁粉形成磁粉链，该磁粉链与由所述主轴驱动旋转的测试棒表面产生摩擦力，对所述测试棒的扭矩的加载；所述测试棒另一端的摩擦系数为0.12-0.18。所述磁粉的粒径为10~40μm。加载装置结构确定后,所述摩擦力大小主要通过调节施加到所述线圈的直流电流来控制。

本发明检测系统中，通过加载装置可以给机床主轴施加一定的扭矩，力传感器可以测出所加扭矩的大小；扭转角位移传感器可以测出所述机床受所述扭矩作用产生的扭转变形量，从而得出机床主轴在运转情况下的扭转刚度。利用本检测系统得到的机床主轴在运转情况下的扭转刚度值比主轴在静止情况下测得的扭转刚度值更有实际的意义，可以跟准确的反映机床的动态性能，有助于识别机床性能的薄弱环节。

利用本检测系统，可以通过施加柔性载荷，避免造成传统接触式加载所引起的刚性冲击的情况下，使机床主轴受扭矩作用产生变形，并得到变形量。

附图说明

图1是本发明磁粉加载式机床旋转主轴的扭转动刚度检测系统一实施例结构示意图；

图2是图1所示检测系统装配在机床上的示意图；

图3是图1中加载装置、光栅式扭转角位移传感器的结构以及两者与由主轴驱动的测试棒结合的示意图；

图4、图5是图1中的光栅式扭转角位移传感器结构示意图；

图6是图1所示检测系统配置的信号处理装置及处理流程示意图。

以下结合实施例对本发明详细描述。

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，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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限制，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义的理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接。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。

参照图1-图5，实施例磁粉加载式旋转主轴的扭转动刚度检测系统主要包括：设置在机床10上主轴14，加载装置12、测试棒13、力传感器47及光栅式角位移传感器49。

加载装置12包含定子40、具有容置腔50的内衬件43、隔磁环42、磁粉51及安装于定子40的线圈41，内衬件43设置于定子40的内腔中，磁粉51分布在所述内衬件43的容置腔50内。磁粉可选用现有的各种磁粉，如雾化铁粉等，磁粉粒径为10~40μm。加载装置12中的隔磁环42嵌在所述内衬件43中，隔磁环42用于阻隔所述线圈在所述内衬件中的磁路。

机床的主轴14精度检验时常采用标准检验芯棒，实验过程中可根据主轴14的类型和轴径选择合适的测试棒。本实施例所采用的测试棒13为圆柱形莫氏测试棒，其锥柄的锥度较小且螺纹能够实现自锁。测试棒13通过锥柄的螺纹与主轴14的轴端锥孔相连（测试棒13和主轴14同轴连接），测试棒13的另一端位于加载装置12中内衬件43的容置腔50内，且与加载装置12是非接触的，测试棒13进入容置腔50内的部分的摩擦系数为0.15。

加载装置12放在机床10的工作台11上，当主轴14带动测试棒13旋转运动时，测试棒13处于加载装置12中容置腔50内的部分搅动分布在容置腔50内的磁粉51，使磁粉51因此能够分散开，一段时间后，给线圈41通以一定大小的直流电流，则在线圈41周围会产生一个恒定的磁场，容置腔50内的磁粉51因此会被磁场磁化，磁粉51粒之间相互吸引，形成一个个磁粉链，将加载装置12中的内衬件43与测试棒13连接起来，测试棒13此时受到磁粉51的摩擦力作用，摩擦力通过该磁粉链可传到加载装置12中的内衬件43。磁粉51对测试棒13的摩擦力大小几乎不受测试棒13转速的影响，加载装置12结构确定后，仅与线圈41电流的大小相关。加载装置12中的隔磁环42作用是阻隔线圈41在内衬件43中的磁路，使更多的磁感应线经过内衬件43的容置腔50，从而在线圈41通以一定电流的情况下能够有效的增加容置腔50中的磁感应强度，加大由磁粉51对测试棒13的摩擦力所产生的对测试棒13的扭矩大小。加载装置12中，其内衬件43的容置腔50与测试棒13的同轴度对测试棒13的受力均匀性有影响，所以应根据测试棒13的轴径与该容置腔50的内径，取合适的同轴度公差值。

力传感器47安装在加载装置12的定子40与内衬件43的平键连接处，在靠近加载装置12左右端盖的内衬件43的圆周上分布多个均匀布置的平键连接。考虑到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，灵敏度高，测量精度能够满足要求，是检测变形的很好的方式，因此本实施例选用应变片作为力传感器47。应变片47置于平键48的两端工作面处，通过测量相应位置上平键48所受切向力的大小，再结合加载装置12的结构参数可算出加载装置12中的具有容置腔50的内衬件43所受的扭矩大小，依据力的相互作用原理，可得到此时主轴14所受扭矩大小。

参照图4、图5，光栅式扭转角位移传感器49包括主体部分和圆盘光栅35，该主体部分安装在机床10的工作台11上；圆盘光栅35安装在测试棒13上，且圆盘光栅35与测试棒13同心，二者之间可利用胶接方法等相连以保证两者无相对运动。该主体部分包括发光二极管31、透镜32、指示光栅33及光电三极管34，它们均设置在安装板30上，安装板30由机床10的工作台11支撑。为了便于加工，附图3、4中的安装板30采用左右两块安装板拼接的结构，用胶接即可；发光二极管31、透镜32和指示光栅33依次设置于左侧安装板30的安装腔内，光电三极管34安装在右侧安装板对应部位，安装板30固定于机床10的工作台11上。所述透镜32的作用是聚光。为了获得理想的莫尔条纹，得到精确的测量结果，指示光栅33和圆盘光栅35均有零位标志，通过在标定的方法保证指示光栅33的理论轴线与圆盘光栅35的轴线重合。光栅式角位移传感器49的测量顺序应保证与加载装置12的加载顺序同步。指示光栅33、圆盘光栅35均采用切向光栅，指示光栅33和圆盘光栅35的刻线相同，切线方向相反。指示光栅33通过标定的方法保证与圆盘光栅35的圆心都在测试棒13的轴线上。光栅式角位移传感器49的精度能够达到0.6秒（注：此处秒为角度单位），属于高精度测角工具，可以满足使用要求。

本实施例磁粉加载式旋转主轴的扭转动刚度检测系统还包括信号处理装置（图中未示出），信号处理装置处理力传感器47输出的扭矩信号和光栅式扭转角位移传感器49输出的扭转角信号，进而计算所述主轴14运转情况下的扭转动刚度。

如图6所示信号处理装置包括放大器、信号处理器、信号采集卡、驱动器以及计算机等。处理过程：先将加载装置12的加载力信号输出至驱动器的端口，然后驱动器将对应的信号放大，以电流的形式将信号传递至加载装置12的线圈41中，线圈41因此会产生相应的电磁场，在电磁场的作用下，加载装置中容置腔50内的磁粉51被磁化，通过电磁力形成一条条磁粉链，磁粉链与测试棒13间的摩擦力对测试棒13形成了一个扭转力矩，加载到了测试棒13上。

应变片47安装在加载装置12的定子40与内衬件43的平键连接处，应变片47输出的扭矩信号经过放大器放大后输入到信号采集卡中，最终传输至计算机系统。其中，在进行实验前需要对应变片进行标定，给出在不同扭矩情况下应变片的信号大小与扭矩值，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。

光栅式角位移传感器49输出的扭转角信号先后经过信号处理器和信号采集卡后输入到计算机系统，并与所述放大后的扭矩信号进行比对分析即可得到主轴14的扭转动刚度。

下面具体描述基于本实施例检测系统，对主轴运转过程中扭转刚度的计算与评估方法：

根据施加在运转主轴上的作用力的性质，可得到如下两种情况刚度值的计算：

1）测量主轴运转速度不变情况下，机床主轴所受的激振扭矩振幅很小时：

当主轴转速为的条件下，空转测量时，光栅式角位移传感器测量出时间段内主轴的角位移量，为了得到较为精确的结果，做多次测量取均值，得到时间段内主轴的角位移量为；在时间段内给加载装置线圈通以从0到逐渐变化的电流时，主轴所受扭矩值由0逐渐增加到，测出主轴在这一时间段内的角位移量；即为在扭矩最大值为下的扭转位移量；此后在时间段内连续微小的改变主轴所受扭矩值，得到，测得此时间段内的扭转位移量大小为，连续改变扭矩的值重复测量可得，。由于值变化不大，可以取：作为输入扭矩，作为扭转角位移，则扭转刚度值可定量的表述为：。

整个过程采样了个点，为传感器单次测量时间。值得注意的是，光栅角位移传感器测量的是一个随时间连续变化的量，因此采用连续测量的方法，在测量的所得数据的基础上连续取了个采样点，整个扭矩值的施加也都是连续的。依据采样定理，为保证被测信号不失真，采样频率应大于被测信号最高频率的2倍以上，设计过程中，常取5-10倍，受机床主轴频率的限制，采样频率不可取低。

2）测量主轴运转速度不变情况下，机床主轴所受的激振扭矩振幅很大时：

当主轴转速为的条件下，空转测量时，光栅式角位移传感器测量出时间段内主轴的角位移量，为了得到较为精确的结果，做多次测量取均值，得到时间段内主轴的角位移量为；在时间段内给加载装置线圈通以从0到逐渐变化的电流时，主轴所受扭矩值由0逐渐增加到，测出主轴在这一时间段内的角位移量；即为在扭矩最大值为况下的扭转位移量；此后在时间段内连续微小的改变主轴所受扭矩值，得到，测得此时间段内的扭转位移量大小为，连续改变扭矩的值重复测量可得，。由此可得，由于主轴所受激振扭矩变化较大，对之进行傅里叶变换，得到，可得到扭转刚度值关于频率的函数：，可以衡量主轴扭转刚度随着频率变化的情况。

本实施例加载装置的一个优点是所施加的扭矩不受主轴转速的影响，可以实现在任意转速下施加任一加载装置工作范围内的扭矩。除了利用公式计算定量的衡量机床运动主轴的扭转刚度，还可以通过分析在不同转速，不同扭矩情况下主轴扭转刚度值的变化，定性的分析影响主轴扭转刚度的因素，在精确的反映机床动态性能的同时，也能够为机床主轴的刚度设计提供实验依据，为机床性能的改进提供方法。

下面具体描述根据本发明实施例的机床主轴运转情况下的扭转动刚度检测系统的使用流程。

首先进行设备的安装与调试。先将加载装置安装在机床工作台上，然后将圆盘光栅胶接到测试棒的指定位置上，再将测试棒安装到主轴上，最后将光栅式扭转角位移传感器安装在机床工作台上。

然后进行采样频率和采样点的选择。每次实验中的扭矩信号和扭转角位移信号的采样参数（采样频率与采样点数）都要保持一致。信号的采样频率应远高于主轴的额定转动频率，若主轴的额定转速为（单位为rpm）,相对应的转动频率为/60（单位为Hz）,则采样频率至少大于10倍的主轴转动频率。采样点原则上是越多越好，但点数越多计算量也越大，为了便于数据处理，采样点的个数一般取2的整数次幂。

接着进行数据采集与处理。为了保证安全，加载的扭矩不宜过大，其值应小于机床实际加工过程中最大切削力对机床主轴所产生的最大扭矩值的一半。加载过程中采用信号采集卡采集角位移信号和扭矩信号，并输入到计算机中。

通过本机床主轴运转情况下的扭转动刚度检测系统检测得到的机床的扭转刚度值比在静止状态下测试机床的扭转刚度值更有实际的意义，更能准确的反映机床的动态性能，得到的扭转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，为机床性能的改进提供实验方法。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，但上述实施例仅是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明技术构思的情况下所作的修改或变换，都应不脱离本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种磁粉加载式机床旋转主轴的扭转动刚度检测系统，所述主轴设置在机床上，其特征在于进一步包括：

设于所述机床的工作台上的加载装置，该加载装置包含定子、具有容置腔的内衬件、隔磁环、磁粉及安装于所述定子的线圈，所述内衬件设置于所述定子的内腔中，所述磁粉分布在所述内衬件的容置腔内；

测试棒，该测试棒的一端与所述主轴相连，另一端插入所述加载装置中的所述容置腔，所述加载装置的线圈通直流电流后产生磁场，该磁场将位于所述容置腔内的磁粉磁化形成磁粉链，所述磁粉链与由所述主轴驱动旋转的测试棒表面产生摩擦力，实现对所述测试棒的扭矩的加载；

力传感器，所述力传感器设在所述加载装置上以检测所述测试棒受到的加载作用的扭矩大小；以及

光栅式扭转角位移传感器，它包含设在所述机床上的主体部分和圆盘光栅，该圆盘光栅安装于所述测试棒上，以间接测量方式检测所述测试棒的扭转角。

2.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述加载装置的定子还包括底座。

3.根据权利要求1或2所述的检测系统，其特征在于，所述加载装置中的隔磁环镶嵌在所述内衬件中，该隔磁环用于阻隔所述线圈在所述内衬件中的磁路。

4.根据权利要求1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加载装置的定子与内衬件的连接处。

5.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述力传感器包括四个应变片，该四个应变片均分为两组，安装在所述加载装置的定子与内衬件的平键连接处，每一个平键连接处安装一个应变片。

6.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述光栅式扭转角位移传感器的主体部分包括：拼接的左安装板和右安装板，依次设置于该左安装板的安装腔内发光二极管、透镜和指示光栅，以及安装在该右侧安装板对应部位的光电三极管；该指示光栅和圆盘光栅均采用切向光栅，该指示光栅和圆盘光栅的刻线相同，切线方向相反。

7.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述测试棒为圆柱形测试棒；所述磁粉的粒径为10~40μm。

8.根据权利要求7所述的检测系统，其特征在于，所述圆柱形测试棒的连接所述主轴的一端为带自锁螺纹的锥形部，另一端的摩擦系数为0.12-0.18。

9.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，进一步包括信号处理装置，用于处理所述力传感器输出的扭矩信号和所述光栅式扭转角位移传感器输出的扭转角信号，进而计算所述主轴运转情况下的扭转动刚度。

10.在权利要求1所述的检测系统中对机床旋转主轴磁粉加载的方法，其特征在于包括以下步骤：

将测试棒一端与机床的主轴连接；该测试棒的另一端插入加载装置中的容置腔，施加直流电流到该加载装置的线圈产生磁场，该磁场磁化位于所述容置腔内的磁粉形成磁粉链，该磁粉链与由所述主轴驱动旋转的测试棒表面产生摩擦力，对所述测试棒的扭矩的加载；所述测试棒另一端的摩擦系数为0.12-0.18。