CN108332849B - 一种电主轴动态加载振动测试系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电主轴动态加载振动测试系统及测试方法，包括工作台、电主轴、主轴刀柄、加载盘、三向测力仪、电磁加载装置、振动加速度传感器、激光位移传感器、传感器支架组件、数据采集卡、加速度信号调理器、PC机、主轴支架、可调恒流源和变频器。本发明采用电磁加载并在材料及加载装置结构进行改进，实现径向‑切向加载且加载值可调，同时减小涡流对主轴振动测试的影响。本系统采用两种传感器同时检测主轴加速度和盘面位移信号，且激光位移传感器检测点位可调，扩大了检测分析方法的选择自由度，便于采集多组数据，大幅提高电主轴振动测试的精确度。
Description
技术领域
本发明涉及一种电主轴动态加载振动测试系统及测试方法，尤其在非接触式动态加载工况下测试电主轴振动的系统及测试方法。
背景技术
随着机械制造朝着微型化、高端化发展，机械零部件的加工要求越来越高，尤其是尺寸精度。目前，零件加工大多由数控机床完成，且电主轴因其结构紧凑、机械效率高、回转速度及精度较高、噪声低、振动小等优点广泛应用于机床领域。对机床来说，加工时电主轴的振动特性决定了零件的加工精度。因此，电主轴需要模拟测试在不同状况下是否运作良好，以保证合格的加工条件。
振动测试一般在电主轴轴承座上嵌入传感器，如振动加速度传感器、位移传感器等，以测试主轴振动特性。此方法较为简单，但在高速主轴中未必十分精确。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则是最大的难点。目前主要有接触式和非接触式加载两种：接触式加载，如采用弹性联轴器、啮合齿轮等方式连接加载电主轴和被测电主轴，结构简单，操作方便，但不能实现高转速下的可变加载，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；非接触式加载，如电磁加载，原理简单且可模拟工况，但会产生涡流发热影响主轴自身特性，如何减小涡流是一大改进方向。
发明内容
为解决上述测试问题，本发明提供了一种电主轴非接触式动态加载振动测试系统及测试方法，采用电磁加载并依据电磁原理改进加载装置结构及材料以减小涡流，使用两种传感器同时测试电主轴振动。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种电主轴动态加载振动测试系统，其特征在于，包括：安装于主轴支架上的电主轴，安装于电主轴末端的加载盘以及安装于电主轴前轴承座上的安装孔的振动加速度传感器，安装于工作台上的三向测力仪和传感器支架组件，安装于传感器支架组件上的激光位移传感器，还包括数据采集卡、加速度信号调理器、PC机、可调恒流源，以及变频器；
三向测力仪连接工作台，电磁加载装置固定于三向测力仪上，加载盘插入电磁加载装置中；三向测力仪间接检测主轴受力；变频器调整电主轴转速，可调恒流源调节电磁加载装置中励磁电流值；三向测力仪测得加载盘的力信号，振动加速度传感器测得主轴轴承的加速度信号，加速度信号经加速度信号调理器处理，并利用数据采集卡采集力信号及加速度信号，传输到PC机进行数据分析，位移信号为加载盘表面位移信号；激光位移传感器测得加载盘表面位移信号，通过配套电缆将数据传输到PC机上。位移信号传输路径：激光位移传感器-PC机。
可调恒流源为电磁加载装置供电，并控制加载值；三向测力仪检测加载盘的力信号且连接到数据采集卡进行信号采集，并传输到PC机进行数据处理；振动加速度传感器(检测振动信号)与加速度信号调理器(调理振动信号)连接，且再连接到数据采集卡进行信号采集，并传输到PC机进行数据处理。
所述电磁加载装置包括：四个沿圆周均匀分布的U型铁芯、缠绕于铁芯上的线圈、位于加载盘与铁芯之间的气隙；加载盘插于铁芯环绕的中心孔中；铁芯磁极为圆弧形。所述电磁加载原理为：励磁电流通入电磁加载装置后，U型电磁铁激发气隙磁场，由于加载盘的磁导率远大于气隙磁导率，圆盘与气隙分界面上将产生磁张力，即为径向力的加载；当加载盘以角速度ω旋转时，其表面所经历的外磁场N,S极交替变化，形成周期性交变磁场，加载盘中产生涡流，从而产生切向电磁力，与电主轴转向相反。因此，不同位置铁芯线圈组合通电后可实现径向力和切向力的可变加载。
所述铁芯磁极为圆弧形，铁芯由薄硅钢片叠成，叠片之间绝缘处理；铁芯两侧线圈差动串接，每侧线圈各绕七千匝；可调恒流源为电磁加载装置提供励磁电流，调节励磁电流值可改变对电主轴的径向和切向加载值。
所述加载盘仿制刀具的接口形式，上端通过主轴刀柄安装在电主轴上，加载盘的盘体插入电磁加载装置中；盘体选用高磁导率、低电导率的铁镍合金材料，同轴度及盘面与轴线的垂直度预先标定；盘体几何尺寸放大主轴振动，且盘面标有两种刻度，辅助电主轴振动测试。
所述传感器支架组件包括：安装在工作台上的传感器支座，以螺旋副连接的滚珠丝杠和丝杠螺母，手轮(手轮与滚珠丝杠一端过盈配合)，与滚珠丝杠端部过渡配合的双沟球轴承(即滚珠丝杆与双沟球轴承过渡配合并安装在传感器支座上)，利用螺栓固定在丝杠螺母上的安装座。所述安装座开有两孔，用于安装激光位移传感器。所述手轮一侧带有圆柱形把手，且与手轮旋转轴线有一定的偏心距；另一侧开有内孔，与丝杠过盈配合。转动手轮可左右移动安装座，实现调节激光位移传感器检测点位的功能。传感器支架组件位于三向测力仪的左侧。
所述激光位移传感器安装在传感器支架组件的安装座上，测试加载盘面的特定点位的振动。振动加速度传感器利用螺栓固定在电主轴前轴承座上，即所述振动加速度传感器利用螺纹锁紧的形式固定在电主轴前轴承座安装孔上。激光位移传感器和振动加速度传感器同时检测电主轴振动，激光位移传感器的光束打在加载盘表面，且激光位移传感器在加载盘上的检测点位可调。
采用电主轴动态加载振动测试系统的测试方法，包括如下步骤：
1)空载振动测试：调节加载盘相位及传感器支架组件中安装座位置，使得激光位移传感器的检测光束打在加载盘的Φ20mm圆的零刻度线上；设定变频器输出电流频率，启动电主轴，采集盘面位移及加速度信号；保持变频器输出电流频率及加载盘起始相位不变，调节激光位移传感器的检测点位，采集盘面位移及加速度信号；调节变频器输出电流频率，采集不同转速下电主轴的振动数据；PC机处理不同转速下多组盘面位移及加速度信号，分析机床主轴频响函数，评估电主轴性能；
2)加载振动测试：需开启可调恒流源；测试过程中，改变可调恒流源输出的励磁电流以调整径向-轴向电磁加载，通过三向测力仪测量电磁加载装置受力，估算作用在电主轴上的径向-切向加载值；在不同转速不同加载下采集盘面位移、作用力及加速度信号；PC机综合处理盘面位移、主轴受力及加速度数据，分析机床主轴频响函数，评估电主轴性能。
与现有技术比较，本发明的有益效果为：
本发明提供的一种电主轴动态加载振动测试系统，可改变主轴径向和切向的加载值，在不同负载不同转速下分析机床主轴频响函数。
另外，电磁加载装置及加载盘依据电磁场原理设计改进，选用优质材料且改进加载装置结构，能更好地聚集磁力线和导通气隙磁场，且减少加载盘的感应涡流，大幅降低温升，减小电磁加载对主轴性能的影响。
进一步的，本发明中采用高精度的激光位移传感器，检测加载盘表面特定点位的位移。其中，盘面几何尺寸可以放大主轴的振动，盘面刻度可辅助测试；另有振动加速度传感器检测主轴轴承振动，采集多种振动数据评估主轴实际回转性能。
附图说明
图1为本发明电主轴动态加载振动测试系统的结构示意图；
图2为本发明中主轴加载系统的轴测图；
图3为本发明中电磁加载装置的结构示意图；
图4为本发明中加载盘结构示意图；
图5为本发明中传感器支架组件的结构示意图；
其中，附图标记含义如下：1工作台，2电主轴，3主轴刀柄，4加载盘，5三向测力仪，6电磁加载装置，601铁芯，602线圈,603气隙，7振动加速度传感器，8激光位移传感器，9传感器支架组件，901传感器支座，902滚珠丝杠，903丝杠螺母，904双沟球轴承，905安装座，906手轮，10数据采集卡，11加速度信号调理器，12PC机，13主轴支架，14可调恒流源，15变频器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、2所示，本发明提供了一种测试电主轴动态加载振动系统，包括：安装于主轴支架13上的电主轴2，安装于电主轴2末端的加载盘4以及安装于电主轴2前轴承座上的安装孔的振动加速度传感器7，安装于工作台1上的三向测力仪5和传感器支架组件9，以及安装于传感器支架组件9上的激光位移传感器8，还包括数据采集卡10、加速度信号调理器11、PC机12、可调恒流源14，以及变频器15。
其中，三向测力仪5利用T型螺栓连接工作台1，电磁加载装置6利用紧定螺钉安装于三向测力仪5上，加载盘4插入电磁加载装置6中；三向测力仪5检测作用在电磁加载装置6上的力，由于力的作用是相互的，可得到作用在主轴上的力，可估算加载值；变频器15调节电流频率以改变电主轴2的转速，可调恒流源14用以调节通入电磁加载装置6中直流励磁电流值；三向测力仪5测得加载盘4的力信号，并利用数据采集卡10进行力信号的采集，传输到PC机12进行数据分析；振动加速度传感器7测得电主轴轴承振动信号，经加速度信号调理器11处理，并利用数据采集卡10进行加速度信号的采集，传输到PC机12进行数据分析。激光位移传感器8测得加载盘4表面的位移信号，通过配套线缆将数据输入到PC机12上。
如图3所示，电磁加载装置6包括：四个U型铁芯601，铁芯601上缠绕有线圈602,加载盘4与铁芯601之间的气隙603。其中，铁芯601磁极为圆弧形，由一定厚度的薄硅钢片叠成，叠片之间绝缘处理，以减小铁芯601中的涡流损耗；铁芯两侧线圈602差动串接，线径为d，两侧各绕七千匝，可用较小的励磁电流产生较大的加载电磁力；加载盘与铁芯601之间留有一定距离的气隙603。
所述电磁加载原理，以磁铁A为例，励磁电流通入线圈602后激发气隙磁场，由于加载盘的磁导率远大于气隙磁导率，圆盘与气隙分界面上将产生磁张力fn1和fn2，即为径向力的加载；当加载盘以角速度ω旋转时，其表面所经历的外磁场N,S极交替变化，形成周期性交变磁场，加载盘4中产生涡流，从而产生切向电磁力ft1和ft2，与主轴转向相反。因此，不同位置铁芯线圈组合通电后可实现径向力(即fn1,fn2)和切向力(即ft1,ft2)的可变加载。
如图4所示，加载盘4上端仿照刀具的接口形式，并通过主轴刀柄3安装在电主轴2上，加载盘的盘体插入电磁加载装置6中。加载盘材料根据高磁导率、低电导率的要求选用铁镍合金，圆盘直径为D。加载盘4同轴度及盘面与轴线的垂直度预先标定，盘面标有两种刻度辅助测试，一种呈圆周均匀分布的角度刻度，逆时针方向依次记为0°、60°、…、300°；另一种以轴线为中心的等距同心圆的直径刻度，自里向外依次为10mm、20mm、…、80mm。
所述三向测力仪5，利用内六角螺栓及T型螺母固定在工作台1上，可以实时地得到三个方向上的力，且分辨率较高；电磁加载装置6利用螺栓固定在三向测力仪5上，从而可以得到作用在电磁加载装置上的力，间接求得主轴上的作用力。
如图5所示，传感器支架组件9包括：传感器支座901、滚珠丝杠902、丝杠螺母903、双沟球轴承904、安装座905，以及手轮906。其中，传感器支座901利用T型螺栓安装在工作台1上，滚珠丝杠902与丝杠螺母903以螺旋副连接，滚珠丝杠902与双沟球轴承904过渡配合，手轮906与滚珠丝杠902左端过盈配合，安装座905利用内六角螺栓固定在丝杠螺母903上。传感器支架组件9位于电主轴的左侧，传感器支座901为L型。手轮906一侧带有圆柱形把手(在图5中，圆柱形把手为手轮906下端横向凸出部分)，圆柱形把手与手轮906的旋转轴线有一定的偏心距，转动圆柱形把手即可调节安装座905的位置。通过调节安装座905的位置可实现激光位移传感器8的检测光束打在加载盘4的不同直径的圆的零刻度线上。
所述激光位移传感器8利用内六角螺栓固定在安装座905上，检测光束以一定角度照射到加载盘4表面，转动手轮906调整监测点位即可测量多组盘面位移数据。并通过配套线缆将位移数据传输至PC机，评估主轴振动情况。
所述振动加速度传感器7利用螺纹锁紧的形式固定在电主轴2前轴承座外侧对应的安装孔内，并与加速度信号调理器11相连接。所述加速度信号调理器11负责将振动加速度信号放大调理，并与数据采集卡10相连接。
所述数据采集卡10采集受力(由三向测力仪测得，即作用力)及加速度数据(由振动加速度传感器7测得)，并通过内置接口传输至PC机12处理。盘面位移数据(由激光位移传感器8测得)通过配套线缆传输至PC机12处理，评估主轴性能。
本发明的实施过程：
1)空载振动测试：调节加载盘4相位及传感器支架组件9中安装座905位置，使得激光位移传感器8的检测光束打在加载盘4的Φ20mm圆的零刻度线上；设定变频器15输出电流频率，启动电主轴2，利用数据采集卡10采集加速度信号(加速度信号的传输路径：由振动加速度传感器7测得，测得数据经加速度信号调理器调理，再进入数据采集卡)，利用激光位移传感器8测得盘面位移数据；保持变频器输出电流频率及加载盘4起始相位不变，调节激光位移传感器8的检测点位，如检测光束打在加载盘4的Φ40mm圆的零刻度线上，采集盘面位移及加速度信号；调节变频器输出电流频率，采集不同转速下电主轴的振动数据(即加速度信号和力信号数据)；PC机12处理数据采集卡10、激光位移传感器8检测到的多组数据，分析机床主轴频响函数，评估电主轴性能。
2)加载振动测试：加载测试方法与空载测试略有不同，需开启可调恒流源14；测试过程中，改变可调恒流源14输出的励磁电流以调整径向-轴向电磁加载，通过三向测力仪5测量电磁加载装置6受力，估算作用在电主轴2上的径向-切向加载值。在不同转速不同加载下利用数据采集卡10采集作用力(作用力由三向测力仪测得，并由数据采集卡采集)及加速度信号，利用激光位移传感器8采集盘面位移数据；PC机12综合处理盘面位移、主轴受力及加速度数据，分析机床主轴频响函数，评估电主轴性能。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种电主轴动态加载振动测试系统，其特征在于，包括：安装于电主轴支架（13）上的电主轴（2），安装于电主轴（2）末端的加载盘（4）以及安装于电主轴（2）前轴承座上的安装孔的振动加速度传感器（7），安装于工作台（1）上的三向测力仪（5）和传感器支架组件（9），安装于传感器支架组件（9）上的激光位移传感器（8），还包括数据采集卡（10）、加速度信号调理器（11）、PC机（12）、可调恒流源（14），以及变频器（15）；
三向测力仪（5）连接工作台（1），电磁加载装置（6）固定于三向测力仪（5）上，加载盘（4）插入电磁加载装置（6）中；三向测力仪（5）间接检测电主轴（2）受力；变频器（15）调整电主轴（2）转速，可调恒流源（14）调节电磁加载装置（6）中励磁电流值；三向测力仪（5）测得加载盘（4）的力信号，振动加速度传感器（7）测得电主轴前轴承的加速度信号，加速度信号经加速度信号调理器（11）处理，然后利用数据采集卡（10）采集力信号及加速度信号，传输到PC机（12）进行数据分析；激光位移传感器（8）测得加载盘（4）表面位移信号，通过配套线缆将数据传输到PC机（12）上；
所述电磁加载装置包括：四个沿圆周均匀分布的U型铁芯（601）、缠绕于铁芯（601）上的线圈（602）、位于加载盘（4）与铁芯（601）之间的气隙（603）；加载盘插于四个铁芯环绕的中心孔中；铁芯（601）磁极为圆弧形；
所述铁芯（601）磁极为圆弧形，铁芯由薄硅钢片叠成，叠片之间绝缘处理；铁芯两侧线圈（602）差动串接，每侧线圈各绕七千匝；可调恒流源（14）为电磁加载装置提供励磁电流，调节励磁电流值可改变对电主轴（2）的径向和切向加载值；
所述加载盘（4）上端通过电主轴刀柄（3）安装在电主轴（2）上，加载盘的盘体插入电磁加载装置（6）中；盘体选用高磁导率、低电导率的铁镍合金材料，同轴度及盘面与轴线的垂直度预先标定；盘体几何尺寸放大电主轴振动，且盘面标有两种刻度，辅助电主轴振动测试。
2.根据权利要求1所述的电主轴动态加载振动测试系统，其特征在于，所述传感器支架组件（9）包括：安装在工作台（1）上的传感器支座（901），以螺旋副连接的滚珠丝杠（902）和丝杠螺母（903），与滚珠丝杠（902）过渡配合的双沟球轴承（904），手轮（906），利用螺栓固定在丝杠螺母（903）上的安装座（905）。
3.根据权利要求2所述的电主轴动态加载振动测试系统，其特征在于，所述激光位移传感器（8）安装在安装座（905）上，振动加速度传感器（7）利用螺栓固定在电主轴轴承座上；激光位移传感器（8）和振动加速度传感器（7）同时检测电主轴振动，激光位移传感器（8）的光束打在加载盘表面，且激光位移传感器（8）在加载盘（4）上的检测点位可调。
4.根据权利要求1所述的电主轴动态加载振动测试系统，其特征在于，传感器支架组件（9）位于三向测力仪（5）的左侧。
5.根据权利要求2所述的电主轴动态加载振动测试系统，其特征在于，所述手轮（906）一侧带有圆柱形把手，且圆柱形把手与手轮旋转轴线有一定的偏心距；手轮（906）另一侧开有内孔，与滚珠丝杠（902）过盈配合。
6.采用权利要求1-5任意一项所述的电主轴动态加载振动测试系统的测试方法，包括如下步骤：
1）空载振动测试：调节加载盘（4）相位及传感器支架组件（9）中安装座（905）位置，使得激光位移传感器（8）的检测光束打在加载盘（4）的Φ20mm圆的零刻度线上；设定变频器（15）输出电流频率，启动电主轴（2），采集盘面位移及加速度信号；保持变频器输出电流频率及加载盘（4）起始相位不变，调节激光位移传感器（8）的检测点位，采集盘面位移及加速度信号；调节变频器输出电流频率，采集不同转速下电主轴的振动数据；PC机（12）处理不同转速下多组盘面位移及加速度信号，分析机床电主轴频响函数，评估电主轴性能；
2）加载振动测试：需开启可调恒流源（14）；测试过程中，改变可调恒流源（14）输出的励磁电流以调整径向-轴向电磁加载，通过三向测力仪（5）测量电磁加载装置（6）受力，估算作用在电主轴（2）上的径向-切向加载值；在不同转速不同加载下采集盘面位移、作用力及加速度信号；PC机（12）综合处理盘面位移、电主轴受力及加速度数据，分析机床电主轴频响函数，评估电主轴性能。
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