CN111947924B - 一种用于高速电主轴力学参数测试的电磁加载装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于高速电主轴力学参数测试的电磁加载装置及方法，其特征是所述的装置包括两种结构，结构一用于高速电主轴的静刚度测试，结构二用于高速电主轴的模态参数测试。所述的装置利用四组电磁铁产生的电磁力来对高速旋转状态下的电主轴施加一定大小的径向力或者一定频率的正弦激励，通过力传感器、位移传感器可采集到力的加载量及电主轴的位移信号/振动信号，通过移动工作站进行数据处理便可以得到电主轴高速转动状态下静刚度及模态参数。本发明可广泛应用于各种立式铣床、立式车床等，解决了高速电主轴进行力学参数测试时难加载以及转速受限等问题。

Description

一种用于高速电主轴力学参数测试的电磁加载装置及方法

技术领域

本发明属于数控机床电主轴实验技术领域，具体来说涉及一种用于高速电主轴力学参数测试的电磁加载装置及方法。

背景技术

机床是工业之母，以高速电主轴为核心的高速机床已经广泛的应用于各加工制造领域，电主轴的性能影响着机床整体的加工性能。在高速切削过程中电主轴刚度稳定性对加工精度有着巨大的影响，传统的静刚度测量方法存在着效率低、误差大等缺点，且研究表明主轴高速旋转条件下的主轴的刚度会发生不同程度的下降，如何准确的测量高速电主轴的刚度对提高机床加工性能具有十分重要的意义。

机床主轴的动态特性对产品零件有着至关重要的影响，及时了解机床主轴的动态特性和可靠性在生产加工中可实时调整生产加工方案，为了提高在机床加工零件质量和降低主轴加工过程中主轴的振动，需要获取机床电主轴的模态参数；传统的EMA法将主轴系统视为是恒定不变的，然而随着主轴转速和接触条件的变化，主轴系统的动态特性和静止情况发生了较大的改变，所以需要对高速旋转情况下的电主轴进行分析，它能准确地反映电主轴的实际工况；使用测功机与作为加载装置的对拖式加载仅能满足电主轴转速较低时的要求，高速运转时则会产生大量的摩擦热以及较大的机械磨损；当下备受关注的工作模态分析方法OMA本身理论并不完善，例如由于不测输入无法估计频响函数，模态参数的识别依赖人工经验等，且工作模态分析要求的白噪声信号对于机床等机械结构难以实现，针对高速电主轴模态参数的获取还亟待更多的研究。

发明内容

本发明的目的是针对高速电主轴的刚度测量手段不足的问题，设计一种用于高速电主轴力学参数测试的电磁加载装置，同时提供相应的测试方法，解决了高速电主轴力学参数测试时难加载以及转速受限等问题，同时可以实现对电主轴在较大作用力下的高频加载。

本发明的技术方案之一是：

一种用于高速电主轴力学参数测试的电磁加载装置，结构一的底座Ⅰ固定在机床工作台上，底座Ⅰ与与外圆环支架固连，通过定位销进行定位；外圆环支架内部自下而上分别为电磁铁支架、电磁铁以及电磁铁压板，三者固连在一起，其中电磁铁与电磁铁支架之间使用定位销进行定位；S型力传感器一端与电磁体定位支架之间固接，另一端与花型螺钉相连，花型螺钉外侧为螺钉压板；电磁铁支架、电磁铁Ⅰ、电磁铁压板、S型力传感器、花型螺钉以及螺钉压板均为四组，且在外圆环支架中呈均匀分布；位移传感器支架Ⅰ固连在外圆环支架上，位移传感器支架Ⅰ前端固定有两个位移传感器Ⅰ。该装置中四组电磁铁Ⅰ上的线圈分别与与四组脉宽调制放大器相连接，脉宽调制放大器接收来自信号输出模块的控制信号，信号输出模块与移动工作站相连接，并受移动工作站控制；四个S型力传感器以及两个位移传感器Ⅰ均与电荷放大器连接，电荷放大器与数据采集模块相连，数据采集模块将数据传递至移动工作站进行数据处理。

移动工作站根据来自S型力传感器的力信号以及位移传感器Ⅰ采集到的位移信号进行分析处理，得到高速电主轴的静态刚度曲线。

本发明的技术方案之二是：

一种用于高速电主轴力学参数测试的电磁加载装置，结构二的底座固定在机床的工作台上，底座的四角分别固定着四个高频力传感器，底座上固连着两个位移传感器支架Ⅱ，位移传感器支架Ⅱ上端均与位移传感器Ⅱ相连；四个高频力传感器上端与定位底座相连，定位底座上面为壳体，两者使用定位销定位并固连；壳体内部自下而上分别为下支架、电磁铁Ⅱ以及上支架，三者通过螺钉连接，连接形成的整体与壳体通过定位销进行定位，电磁铁Ⅱ铁芯采用U型铁芯，铁芯上均绕有直流励磁线圈。

装置最上端为端盖，分别与外侧的壳体以及内侧的下支架、电磁铁Ⅱ和上支架通过螺钉连接，起到压紧固定作用，下支架、电磁铁Ⅱ、上支架以及端盖均为四组，呈均匀分布。

电磁铁Ⅱ上的线圈与脉宽调制放大器相连接，脉宽调制放大器接收来自信号输出模块的控制信号，信号输出模块与移动工作站相连接，并受移动工作站控制。

四个高频力传感器与电荷放大器连接，电荷放大器与数据采集模块相连，数据采集模块将数据传递至移动工作站进行数据处理，可获实时得在电主轴上施加的激振力。

位移传感器Ⅱ与电荷放大器连接，电荷放大器与数据采集模块相连，数据采集模块将数据传递至移动工作站，移动工作站对力信号及振动信号进行分析处理，可获得高速电主轴的模态参数。

本发明的技术方案之三是：

一种用于高速电主轴力学参数测试的电磁加载方法，静态刚度的测试方法如下：

通过刀柄将加载盘Ⅰ与电主轴进行连接，通过底座Ⅰ的中心孔与加载盘Ⅰ的定位阶梯轴进行小间隙配合进行初步定位，将各花型螺钉均从初始置零位置旋转相同的刻度，并使用螺钉压板固定，完成装置的定位。定位完成后将加载装置固定在机床工作台上，并将电主轴调整至测试工位，启动电主轴。接通对称方向上两个电磁铁Ⅰ的电源，另外两个电磁铁Ⅰ保持断电，通过移动工作站来控制信号输出模块输出加载信号，加载信号经过脉宽调制放大器放大后输入电磁铁的直流励磁线圈，高速旋转的加载盘Ⅰ在磁场的作用下受到一定大小的径向作用力。将S型力传感器以及位移传感器Ⅰ采集到的力信号及位移信号传递至电荷放大器，再经过数据采集模块传递至移动工作站进行数据处理，即可得到高速电主轴径向加载的静刚度曲线。

本发明的技术方案之四是：

一种用于高速电主轴力学参数测试的电磁加载方法，模态参数的测试方法如下：

步骤1)机床电主轴未启动，通过刀柄将加载盘Ⅱ与电主轴连接在一起，通过定位底座中心孔与加载盘Ⅱ进行定位，定位完成后将加载装置固定在机床工作台上，并将电主轴调整至测试工位。

步骤2)启动机床电主轴并根据需要调整其测试转速，接通电磁铁Ⅱ电源，通过移动工作站来控制信号输出模块输出加载信号，加载信号经过脉宽调制放大器放大后输入电磁铁Ⅱ的直流励磁线圈，高速旋转的加载盘Ⅱ在磁场的作用下受到一定频率的正弦激振，通过固定在定位底座与底座之间的四个高频力传感器可对施加的激励进行测量，将测量的信号通过数据采集模块传给移动工作站，通过移动工作站可以实现对电主轴所承受的激振力的实时监控。

步骤3)通过位移传感器支架Ⅱ固连在底座上的位移传感器Ⅱ将电主轴在正弦激励条件下的振动信号通过数据采集模块传递至移动工作站，移动工作站对接收到的力信号及振动信号进行分析处理，进而得到高速电主轴的模态参数。

本发明的有益效果是：

本发明可以实现电主轴静刚度及模态参数测试时的非接触加载，使用方法简单，易于实现，在各式立式铣床、立式车床上具有很高的通用性，经济效益显著。

附图说明

图1为本发明的加载结构一的整体示意图（含加载盘Ⅰ）。

图2为图1的俯视图（不含加载盘Ⅰ）。

图3为本发明结构一电磁线圈连接示意图。

图4为本发明加载盘Ⅰ的结构示意图。

图5为本发明的加载结构二整体示意图。

图6为图5的主视示意图。

图7为加载盘Ⅱ与装置装配示意图。

图8为加载盘Ⅱ示意图。

图9为底座Ⅱ示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施方式对本发明做进一步的介绍。

该装置结构一的具体实施方案如下：

参见图1、图2，一种用于高速电主轴力学参数测试的电磁加载装置，该装置结构一的底座Ⅰ11固定在机床工作台上，底座Ⅰ11与外圆环支架1使用螺栓固连，并通过定位销进行定位；外圆环支架1内部自下而上分别为电磁铁支架2、电磁铁Ⅰ4以及电磁铁压板3，三者固连在一起，其中电磁铁Ⅰ4与电磁铁支架2之间使用定位销进行定位；S型力传感器6一端与电磁体支架2之间使用螺钉固接，另一端与花型螺钉7相连，花型螺钉7外侧为螺钉压板8。

通过旋转花型螺钉7，可以实现电磁铁支架2的位置调整，电磁铁支架2与电磁铁Ⅰ4固连为一个整体，故通过旋转花型螺钉7可以调整电磁铁Ⅰ4的位置，从而实现加载装置气隙的可调。花型螺钉7每圈共有8个刻度，可以实现气隙在0.3-1mm范围内的调整。

在使用花型螺钉7进行装置定位时，首先将花型螺钉7旋松，使电磁铁支架2的卡爪与外圆环支架1卡槽内侧相抵，然后四个花型螺钉7旋转相同的刻度即可在调整气隙的同时实现电磁铁Ⅰ4与外圆环支架1的定位，从而完成整个装置的定位。

如图3所示，该装置中四组电磁铁Ⅰ4上的线圈分别与四组脉宽调制放大器27相连接，脉宽调制放大器27接收来自信号输出模块26的控制信号，信号输出模块26与移动工作站23相连接，并受移动工作站23控制，可在加载盘Ⅰ9上施加一定大小的径向作用力。

如图2所示，四个S型力传感器6均与电荷放大器25连接，电荷放大器25与数据采集模块24相连，数据采集模块24将数据传递至移动工作站23，可以实现对加载径向力的实时监控。

如图2所示位移传感器支架Ⅰ5固连在外圆环支架1上，位移传感器支架Ⅰ5前端固定有两个位移传感器Ⅰ10，两个传感器呈直角分布。位移传感器Ⅰ10的测量对象为加载盘Ⅰ9的位移传感器测量及刀柄连接轴①，传感器采集到的位移信号经过电荷放大器25以及数据采集模块24传递至移动工作站23，移动工作站23对力信号及位移信号进行分析处理即可得到电主轴的静刚度曲线。

本装置在加载时，因刀具尺寸较小，且刀具的材料相对不适合作为电磁加载的受力部件，故设计一个实心加载盘Ⅰ9来模拟刀具。如图4所示，加载盘Ⅰ9为阶梯轴结构，加载盘Ⅰ9的阶梯轴分别为定位阶梯轴③、电磁加载轴②以及位移传感器测量及刀柄连接轴①；分别用于装置定位、电磁力加载、位移传感器测量以及与电主轴的连接。

底座Ⅰ11的中心孔为定位孔，在该装置进行定位时，该中心孔与加载盘Ⅰ9的定位阶梯轴③进行小间隙配合，从而完成加载盘Ⅰ9和底座Ⅰ11之间的定位；底座Ⅰ11与外圆环支架1的定位以及电磁铁Ⅰ4与电磁铁支架2的定位均通过一面两孔的方式使用定位销来实现；将各花型螺钉7从初始置零位置旋转相同的刻度，从而确定各电磁铁支架2与外圆环支架1之间的位置关系，综上可以进行电磁铁Ⅰ4和加载盘Ⅰ9之间的定位，实现电主轴与加载装置的定位。

在旋转花型螺钉7之后，螺钉压板8可以在保护花型螺钉7的同时将其卡住，保证螺钉不会自行旋转。

该装置结构二的具体实施方案如下：

参见图5、图6，一种用于高速电主轴力学参数测试的电磁加载装置，装置底座Ⅱ12固定在机床的工作台上，底座Ⅱ12的四角分别固定着四个高频力传感器19，底座Ⅱ12上固连着两个位移传感器支架Ⅱ22，支架上端均与位移传感器Ⅱ21相连；四个高频力传感器19上端与定位底座18相连，定位底座18上面为壳体13，壳体13内部自下而上分别为下支架16、电磁铁Ⅱ17以及上支架15，装置最上端为端盖14，分别与外侧的壳体13以及内侧的下支架16、电磁铁Ⅱ17和上支架15通过螺钉连接，起到压紧固定作用。

因壳体13内部空间有限，为了能够在较小的空间内产生足够大的电磁力，电磁铁芯选用U型铁芯，端口为与加载盘Ⅱ20同心的圆弧，与加载盘Ⅱ20的间距为0.5mm。如图7所示，铁芯上缠绕有直流励磁线圈，线圈与脉宽调制放大器27相连接，脉宽调制放大器27接收来自信号输出模块26的控制信号，信号输出模块26与移动工作站23相连接，并受移动工作站23控制。

如图6所示，为了方便连接电缆，四个高频力传感器19中有三个的信号输出孔朝向一致，另一个朝向相反，将四个传感器用电缆连接至数据采集模块24，数据采集模块24将采集到的力信号传输至移动工作站23进行数据处理，可实现对加载力的实时监控。

位移传感器Ⅱ21的测量对象为加载盘Ⅱ20的位移传感器测量轴④，传感器采集到的振动信号经过电荷放大器25放大后传递至数据采集模块24，数据采集模块24将信号传输至移动工作站23，移动工作站23对接收到的力信号及振动信号进行分析处理即可得到电主轴的模态参数。在加载的过程中，因电主轴的位置变化量比较微小，且需采集的频率较高，因此需选择高采集频率、高精度的数字涡电流位移传感器。

如图8所示，所述的加载盘Ⅱ20为阶梯轴结构，四阶轴分别为位移传感器测量轴⑦、定位阶梯轴⑥、电磁加载轴⑤以及刀柄连接轴④；定位底座18的中心孔为定位孔，与加载盘Ⅱ20的定位阶梯轴⑥进行小间隙定位，可辅助实现电主轴与加载装置的定位；位移传感器Ⅱ21通过位移传感器支架Ⅱ22与底座Ⅱ12相连，所测信号即为电主轴在激励下的振动信号，加载盘Ⅱ20与机床电主轴通过刀柄连接。

如图9所示，所述的底座Ⅱ12与机床的T型槽使用螺纹连接，底座Ⅱ12用于固定的螺栓孔⑧采用矩形设计，用于固定的螺栓可以根据机床工作台T型槽的间距来调整与螺栓孔的相对位置，极大提高了该装置在各类机床上的通用性。底座Ⅱ12通过四个高频力传感器19与定位底座18相连接，定位底座18的中心孔为定位孔，与加载盘Ⅱ20的定位阶梯轴⑥进行小间隙配合；定位底座18与壳体13通过一面两孔的方式定位，壳体13与下支架16、电磁铁Ⅱ17、上支架15三者的组合体同样通过一面两孔的方式使用定位销定位，从而实现对电磁铁Ⅱ17与加载盘Ⅱ20进行间接定位。

如图6所示，所述的位移传感器支架Ⅱ22通过螺钉固连在装置的底座Ⅱ12上，位移传感器Ⅱ21固定在位移传感器支架Ⅱ22的上端，位移传感器Ⅱ21采用的是非接触式传感器，位移传感器Ⅱ21通过位移传感器支架Ⅱ22与底座Ⅱ12固连，在进行实验时可与机床工作台保持绝对静止。

该装置在静态模式下可以产生±200N大小的径向力，在频率为5000HZ的动态模式下可以产生±100N大小的动态负载，可以实现较大加载力情况下对高速电主轴进行高频加载。

本发明装置结构一及结构二的测试原理如下：

如图1、图2、图5、图6所示，完成定位之后，将电主轴调整至测试工位，接通电主轴电源，电主轴进入高速旋转状态，通过移动工作站23来控制信号输出模块26输出加载信号，加载信号经过脉宽调制放大器27放大后输入电磁铁的直流励磁线圈；在电主轴高速旋转的过程中，加载盘中的磁场强度会发生周期性的变化，变化的磁场则使得加载盘内部产生涡流磁场，进而影响气隙中的磁场使加载盘根据控制信号承受一定大小的径向力或一定频率的正弦激振力；加载盘所受力的反作用力也会作用在电磁铁上，并传递给力传感器，力传感器通过电荷放大器25将数据传输至数据采集模块24，然后传递至移动工作站23进行实时的监控和调整；位移传感器将电主轴在一定大小径向力或一定频率正弦激励条件下的位移/振动信号通过电荷放大器25及数据采集模块24传递至移动工作站23，移动工作站23对接收到的力信号及位移信号/振动进行分析处理，即可得到电主轴在高速旋转状态下的静刚度曲线及模态参数。

本发明装置的静态刚度的测试方法如下：

通过刀柄将加载盘Ⅰ9与电主轴进行连接，通过底座Ⅰ11的中心孔与加载盘Ⅰ9的定位阶梯轴③进行小间隙配合进行初步定位，将各花型螺钉7均从初始置零位置旋转相同的刻度，并使用螺钉压板8固定，完成装置的定位。定位完成后将加载装置固定在机床工作台上，并将电主轴调整至测试工位，启动电主轴。接通对称方向上两个电磁铁Ⅰ4的电源，另外两个电磁铁Ⅰ4保持断电，通过移动工作站23来控制信号输出模块26输出加载信号，加载信号经过脉宽调制放大器27放大后输入电磁铁Ⅰ4的直流励磁线圈，高速旋转的加载盘Ⅰ9在磁场的作用下受到一定大小的径向作用力。将S型力传感器6以及位移传感器Ⅰ10采集到的力信号及位移信号传递至电荷放大器（25），再经过数据采集模块（24）传递至移动工作站（23）进行数据处理，即可得到径向加载的静刚度曲线。

本发明装置的模态参数的测试方法如下：

步骤1)机床电主轴未启动，通过刀柄将加载盘Ⅱ20与电主轴连接在一起，通过定位底座18中心孔与加载盘Ⅱ20进行定位，定位完成后将加载装置固定在机床工作台上，并将电主轴调整至测试工位。

步骤2)启动机床电主轴并根据需要调整其测试转速，接通电磁铁Ⅱ17电源，通过移动工作站23来控制信号输出模块26输出加载信号，加载信号经过脉宽调制放大器27放大后输入电磁铁Ⅱ17的直流励磁线圈，高速旋转的加载盘Ⅱ20在磁场的作用下受到一定频率的正弦激振，通过固定在定位底座18与底座Ⅱ12之间的四个高频力传感器19可对施加的激励进行测量，将测量的信号通过数据采集模块24传给移动工作站23，通过移动工作站23可以实现对电主轴所承受的激振力的实时监控。

步骤3)通过位移传感器支架Ⅱ22固连在底座Ⅱ12上的位移传感器Ⅱ21将电主轴在正弦激励条件下的振动信号通过数据采集模块24传递至移动工作站23，移动工作站23对接收到的力信号及振动信号进行分析处理，进而得到高速电主轴的模态参数。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种用于高速电主轴力学参数测试的电磁加载装置，其特征是它包括底座Ⅰ（11）、外圆环支架（1）、电磁铁支架（2）、电磁铁Ⅰ（4）、电磁铁压板（3）、位移传感器支架Ⅰ（5）、位移传感器Ⅰ（10）、S型力传感器（6）、花型螺钉（7）、螺钉压板（8）、加载盘Ⅰ（9）、电荷放大器（25）、脉宽调制放大器（27）、信号输出模块（26）、数据采集模块（24）、移动工作站（23），底座Ⅰ(11)固定在机床工作台上，底座Ⅰ（11）与外圆环支架（1）固连，通过定位销进行定位；外圆环支架（1）内部安装有电磁铁支架（2）、电磁铁Ⅰ（4）以及电磁铁压板（3），三者固连在一起，其中电磁铁Ⅰ（4）与电磁铁支架（2）之间使用定位销进行定位；S型力传感器（6）一端与电磁铁支架（2）之间固接，另一端与花型螺钉（7）相连，花型螺钉（7）外侧为螺钉压板（8）；电磁铁支架（2）、电磁铁Ⅰ（4）、电磁铁压板（3）、S型力传感器（6）、花型螺钉（7）以及螺钉压板（8）均为四组，且在外圆环支架（1）中呈均匀分布；位移传感器支架Ⅰ（5）固连在外圆环支架（1）上，位移传感器支架Ⅰ（5）前端固定有两个位移传感器Ⅰ（10），加载盘Ⅰ（9）安装在外圆环支架（1）的中心位置处；四个电磁铁Ⅰ（4）上的线圈分别与四组脉宽调制放大器（27）相连接，脉宽调制放大器（27）接收来自信号输出模块（26）的控制信号，信号输出模块（26）与移动工作站（23）相连接，并受移动工作站（23）控制；四个S型力传感器（6）以及两个位移传感器Ⅰ（10）均与电荷放大器（25）电气连接，电荷放大器（25）与数据采集模块（24）电气相连，数据采集模块（24）将数据传递至移动工作站（23）进行数据处理；移动工作站（23）根据来自S型力传感器（6）的力信号以及位移传感器Ⅰ（10）采集到的位移信号进行分析处理，得到高速电主轴的静态刚度曲线；加载盘Ⅰ（9）为阶梯轴结构，加载盘Ⅰ（9）的阶梯轴分别为定位阶梯轴③、电磁加载轴②以及位移传感器测量及刀柄连接轴①，分别用于定位、电磁力加载、位移传感器测量以及与电主轴的连接；底座Ⅰ（11）的中心孔为定位孔，在进行定位时，该中心孔与加载盘Ⅰ（9）的定位阶梯轴③进行小间隙配合，从而完成加载盘Ⅰ（9）和底座Ⅰ（11）之间的定位；底座Ⅰ（11）与外圆环支架（1）的定位以及电磁铁Ⅰ（4）与电磁铁支架（2）的定位均采用一面两孔的方式使用定位销实现；使用花型螺钉（7）以调整并确定各电磁铁支架（2）与外圆环支架（1）之间的位置关系，进行电磁铁Ⅰ（4）和加载盘Ⅰ（9）之间的定位，实现电主轴与加载装置的定位；通过旋转花型螺钉（7）进行S型力传感器（6）的位置调整，S型力传感器（6）与电磁铁支架（2）固连，进而带动电磁铁Ⅰ（4）运动，实现气隙的可调，气隙调整范围为0.3-1mm。

2.根据权利要求1的所述的用于高速电主轴力学参数测试的电磁加载装置，其特征在于四组电磁铁Ⅰ（4）通过电磁铁支架（2）以及电磁铁压板（3）固定在外圆环支架（1）上且呈均匀分布，电磁铁Ⅰ（4）与加载盘Ⅰ（9）间距可调，利用电磁铁Ⅰ（4）产生的电磁力对电主轴施加径向力。

3.根据权利要求1所述的用于高速电主轴力学参数测试的电磁加载装置，其特征在于所述的位移传感器支架Ⅰ（5）固连在外圆环支架（1）上，位移传感器支架Ⅰ（5）前端固定有两个位移传感器Ⅰ（10），位移传感器Ⅰ（10）的测量对象为加载盘Ⅰ（9）的位移传感器测量及刀柄连接轴①，所测信号即为电主轴在径向力作用下的位移信号。

4.一种基于权利要求1所述的电磁加载装置的高速电主轴静态刚度的测试方法，其特征在于：

通过刀柄将加载盘Ⅰ（9）与电主轴进行连接，通过底座I（11)的中心孔与加载盘Ⅰ（9）的定位阶梯轴③进行小间隙配合进行初步定位，将各花型螺钉（7）均从初始置零位置旋转相同的刻度，并使用螺钉压板（8）固定，完成装置的定位；定位完成后将加载装置固定在机床工作台上，并将电主轴调整至测试工位，启动电主轴；接通对称方向上两个电磁铁Ⅰ（4）的电源，另外两个电磁铁Ⅰ（4）保持断电，通过移动工作站（23）来控制信号输出模块（26）输出加载信号，加载信号经过脉宽调制放大器（27）放大后输入电磁铁Ⅰ（4）的直流励磁线圈，高速旋转的加载盘Ⅰ（9）在磁场的作用下受到一定大小的径向作用力；将S型力传感器（6）以及位移传感器I（10）采集到的力信号及位移信号传递至电荷放大器（25），再经过数据采集模块（24）传递至移动工作站（23）进行数据处理，即可得到高速电主轴径向加载的静刚度曲线。

5.一种用于高速电主轴力学参数测试的电磁加载装置，其特征是它包括底座Ⅱ（12）、高频力传感器（19）、位移传感器支架Ⅱ（22）、位移传感器Ⅱ（21）、定位底座（18）、壳体（13）、下支架（16）、电磁铁Ⅱ（17）、上支架（15）、端盖（14）、加载盘Ⅱ（20）、电荷放大器（25）、脉宽调制放大器（27）、信号输出模块（26）、数据采集模块（24）和移动工作站（23），底座Ⅱ（12）固定在机床的工作台上，底座Ⅱ（12）的四角分别固定着四个高频力传感器（19），底座Ⅱ（12）上固连着两个位移传感器支架Ⅱ（22），位移传感器支架Ⅱ（22）上端均与位移传感器Ⅱ（21）相连；四个高频力传感器（19）上端与定位底座（18）相连，定位底座（18）上面为壳体（13），两者使用定位销定位并固连；壳体（13）内部自下而上分别为下支架（16）、电磁铁Ⅱ（17）以及上支架（15），三者通过螺钉连接，三者连接后的整体与壳体（13）通过定位销进行定位，电磁铁Ⅱ（17）铁芯上均绕有直流励磁线圈；壳体（13）上端安装有端盖（14），端盖（14）分别与壳体（13）以及下支架（16）、电磁铁Ⅱ（17）和上支架（15）通过螺钉连接，起到压紧固定作用，下支架（16）、电磁铁Ⅱ（17）、上支架（15）以及端盖（14）均为四组，呈均匀分布；四组电磁铁Ⅱ（17）上的线圈分别与四组脉宽调制放大器（27）相连接，脉宽调制放大器（27）接收来自信号输出模块（26）的控制信号，信号输出模块（26）与移动工作站（23）相连接，并受移动工作站（23）控制；四个高频力传感器（19）以及两个位移传感器Ⅱ（21）均与电荷放大器（25）连接，电荷放大器（25）与数据采集模块（24）相连，数据采集模块（24）将数据传递至移动工作站（23）进行数据处理；移动工作站（23）根据来自高频力传感器（19）的力信号以及位移传感器Ⅱ（17）采集到的振动信号进行分析处理，得到高速电主轴的模态参数；加载盘Ⅱ（20）为阶梯轴结构，加载盘Ⅱ（20）的阶梯轴分别为位移传感器测量轴⑦、定位阶梯轴⑥、电磁加载轴⑤以及刀柄连接轴④，分别用于位移传感器的测量、定位、电磁力的加载、与电主轴的连接；定位底座（18）的中心孔为定位孔，在装置定位时，该中心孔与加载盘Ⅱ（20）的定位阶梯轴⑥进行小间隙配合，从而完成加载盘Ⅱ（20）和定位底座（18）之间的定位；定位底座（18）与壳体（13）通过一面两孔的方式使用定位销进行定位，壳体（13）与下支架（16）、电磁铁Ⅱ（17）、上支架（15）三者的组合体同样通过一面两孔的方式使用定位销定位，进行加载盘Ⅱ（20）和电磁铁Ⅱ（17）之间的定位，实现电主轴与加载装置的定位；装置底座Ⅱ（12）用于固定的螺栓孔⑧采用矩形设计，用于固定的螺栓根据机床工作台T型槽的间距来调整与螺栓孔的相对位置，使得该装置可与T型槽间距在25mm至100mm的机床固定连接。

6.根据权利要求5的所述的用于高速电主轴力学参数测试的电磁加载装置，其特征在于四组电磁铁Ⅱ（17）通过下支架（16）和上支架（15）固定在壳体（13）上且呈均匀分布，电磁铁Ⅱ（17）与电磁加载盘Ⅱ（20）间距为0.5mm，利用电磁铁Ⅱ（17）产生的电磁力对电主轴施加一定频率的正弦激励。

7.根据权利要求5所述的用于高速电主轴力学参数测试的电磁加载装置，其特征在于所述的底座Ⅱ（12）上固连着两个位移传感器支架Ⅱ（11），支架上端均与位移传感器Ⅱ（21）相连，位移传感器Ⅱ（21）的测量对象为加载盘Ⅱ（20）的位移传感测量轴⑦，所测信号即为电主轴在正弦激励下的振动信号。

8.一种基于权利要求5所述的电磁加载装置的高速电主轴模态参数的测试方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1) 机床电主轴未启动，通过刀柄将加载盘Ⅱ（20）与电主轴连接在一起，通过定位底座（18）中心孔与加载盘Ⅱ（20）进行定位，定位完成后将加载装置固定在机床工作台上，并将电主轴调整至测试工位；

步骤2) 启动机床电主轴并根据需要调整其测试转速，接通电磁铁Ⅱ（17）电源，通过移动工作站（23）来控制信号输出模块（26）输出加载信号，加载信号经过脉宽调制放大器（27）放大后输入电磁铁Ⅱ（17）的直流励磁线圈，高速旋转的加载盘Ⅱ（20）在磁场的作用下受到一定频率的正弦激振，通过固定在定位底座（18）与底座Ⅱ（12）之间的四个高频力传感器（19）可对施加的激励进行测量，将测量的信号通过数据采集模块（24）传给移动工作站（23），通过移动工作站（23）实现对电主轴所承受的激振力的实时监控；

步骤3) 通过位移传感器支架Ⅱ（22）固连在底座Ⅱ（12）上的位移传感器Ⅱ（21）将电主轴在正弦激励条件下的振动信号通过数据采集模块（24）传递至移动工作站（23），移动工作站（23）对接收到的力信号及振动信号进行分析处理，进而得到高速电主轴的模态参数。

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