CN117538049A - 基于复合磁力模拟载荷在线测试电主轴力学参数的方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于复合磁力模拟载荷在线测试电主轴力学参数的方法，解决传统的性能检测方法难以模拟实际工况加载，转速受限的问题。该在线测试电主轴力学参数的方法，在不改变电主轴原有结构的情况下，可模拟机床实际切削过程给电主轴施加一个可控的径向/轴向/复合式非接触式加载力，能够提供包括在线测量机床运转状态下对电主轴施加复合磁力模拟载荷，电主轴的径向加载工作刚度、轴向加载工作刚度、动刚度、模态参数及回转特性等力学参数性能测试方法，而不会额外引入其他因素作用下所引起的累计误差，测试方法简单，实验准确度和稳定性高，为提高机床电主轴的可靠性、改善机床的动态性能，提供了有效的实验手段和方法。
Description
技术领域
本发明属于机床高速电主轴性能检测技术领域，具体涉及一种基于复合磁力模拟载荷在线测试电主轴力学参数的方法。
背景技术
加工技术进入亚微米、纳米级超加工时代，高速化、高精度化已成为数控机床发展的趋势和方向。目前，以高速电主轴为核心的高速机床已经广泛的应用于各类装备制造领域，且电主轴的性能对数控机床可靠性及一致性有着重要的影响；在高速切削过程中，电主轴的刚度特性、回转特性以及模态参数等性能，决定了零件的加工精度。
在高速旋转条件下，电主轴刚度特性、回转特性以及模态参数等性能会发生不同程度的下降，传统的性能检测方法难以模拟实际工况加载、且转速受限，故如何准确的测量高速电主轴的动态特性，对提高机床可靠性和一致性，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明就是针对上述问题，提供一种基于复合磁力模拟载荷，能够实现电主轴刚度特性、回转特性以及模态参数等性能的同时测试，考虑机床床身对主轴系统的支承刚度，无需把电主轴从机床上拆卸下来，实现在线对电主轴同时施加径向力和轴向力的加载功能，可在较大作用力下实施高频加载，加载方式多，使用方便，提高电主轴测试稳定性的基于复合磁力模拟载荷在线测试电主轴力学参数的方法。
本发明所采用的技术方案是：该基于复合磁力模拟载荷在线测试电主轴力学参数的方法包括如下步骤：
步骤一、将复合磁力模拟载荷装置同轴安装在机床的电主轴上；
步骤二、移动工作站发送控制指令，经过A/D转换器进行模数转换后，发送至变频器，并控制变频器开始工作；
步骤三、移动工作站设定变频器的频率，确定电主轴的转速，从而确定测试棒与轴向加载盘的转速；
步骤四、移动工作站向信号输出模块发送控制指令，信号输出模块向脉宽调制放大器发送控制指令；
步骤五、脉宽调制放大器改变径向电磁铁以及轴向电磁铁的电流大小，从而改变了径向电磁铁以及轴向电磁铁的电磁力大小，使径向电磁铁对固连在测试棒上的硅钢套施加径向力或一定频率的正弦激励载荷，并让轴向电磁铁对轴向加载盘进行轴向力加载；
步骤六、上径向位移传感器、下径向位移传感器采集连接在电主轴上的测试棒的位移，而轴向位移传感器则采集连接在测试棒端部的轴向加载盘的位移；并将该实时位移数据，通过电荷放大器、数据采集模块发送至移动工作站；
步骤七、移动工作站根据实时采集的位移数据来调整载荷数据，并重复步骤四、五、六、七，直至达到预先设定的施加载荷数值；
步骤八、通过在线模拟电主轴动载荷，移动工作站根据来自上径向位移传感器、下径向位移传感器和轴向位移传感器所采集到的位移信号，来进行分析处理，从而得到高速电主轴的径向加载工作刚度、轴向加载工作刚度、静刚度、动刚度、模态参数及回转特性等力学参数的测试。
所述步骤八，高速旋转的测试棒在磁场的作用下受到一定大小的复合磁力模拟载荷，上径向第一位移传感器、下径向第一位移传感器、下径向第二位移传感器和轴向位移传感器将电主轴在径向力条件下的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，即可得到在线测试高速电主轴的动态工作刚度曲线，高速电主轴的动态工作刚度计算公式如下：
①轴向加载工作刚度计算公式：
式中：KZ(θn)-动态加载下轴向加载工作刚度，单位为(N/μm)；
FZ(θn)-轴向载荷，单位为(N)；
yZ(θn)-轴向位移传感器测得的轴向位移，单位为(μm)；
θn—测试棒采样点当前角度值；
②径向加载工作刚度计算公式：
式中：Kr(θn)-动态加载下径向加载工作刚度，单位为(N/μm)；
Fr(θn)-主轴端面所得的径向载荷，单位为(N)；
yr(θn)-主轴端面所得的径向位移，单位为(μm)；
ω-电主轴转速，单位为(rad/s)；
σ-加载力与位移的夹角，单位为(°)；
其中，轴向载荷和径向载荷可由轴向电磁铁和径向电磁铁标定曲线获得，测试棒采样点当前角度值可由空心轴增量式编码器获得。
所述步骤八，高速旋转的测试棒在磁场的作用下受到一定大小的复合磁力模拟载荷，上径向第一位移传感器和下径向第一位移传感器将电主轴在正弦激励条件下的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，即可得到在线测试高速电主轴的动态支撑刚度曲线，动态支承刚度的计算公式为：
式中：KA、KB-动态加载下前、后轴承动态支撑刚度，单位为(N/μm)；
FA、FB-前后轴承处所承受载荷，单位为(N)；
δA、δB-前后轴承径向变形量，单位为(μm)。
所述步骤八，通过使用四组下径向位移传感器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振动信号及已得到的力信号进行分析处理，进而得到高速电主轴的模态参数。
所述步骤八，高速旋转的测试棒在磁场的作用下受到一定大小的复合磁力模拟载荷，两组上径向位移传感器、四组下径向位移传感器、轴向位移传感器将电主轴在正弦激励条件下的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，即可得到在线测试高速电主轴的回转特性曲线；
径向误差运动测试的计算公式为：
δ(θn)＝
h1(θn)cos(Δθ·θn)+h2(θn)sin(Δθ·θn)-A1cos(2Δθ·θn)-B1sin(2Δθ·θn)
式中：δ(θn)-动态加载作用下的同步误差；
Δθ-测试棒每两个采样点角度差；
A1、B1-测试棒安装偏心误差的横、纵坐标；
h1(θn)＝y0(θn)-t(θn)
其中，动态加载作用下的同步误差为经过傅里叶变换去除四组下径向位移传感器中所含圆度误差、偏心误差、异步误差成分后的值，N为设定传感器每周采样点总数，可由空心轴式编码器获取。
倾斜误差运动测试的计算公式为：
ξ(θn)＝[Δxcosθn-Δysinθn]/L
式中：ξ(θn)-以弧度表示的倾斜误差运动；
Δx-编号为0号的下径向第一位移传感器、编号为4号的上径向第一位移传感器在测试棒测量点位置测得的同步误差运动值的差值，
Δy-编号为1号的下径向第二位移传感器、编号为5号的上径向第二位移传感器在测试棒测量点位置测得的同步误差运动值的差值，
L-两个位移传感器检测中心之间的距离；
轴向误差运动测试的计算公式为：
式中：y6(θn)-轴向位移传感器得到高速电主轴的轴向振动位移和热膨胀位移。
所述步骤一中的复合磁力模拟载荷装置包括与电主轴端部的主轴端盖相连的上连接体壳体，所述上连接体壳体的端部设置有径向加载壳体，径向加载壳体的端部设置有轴向加载壳体，所述上连接体壳体、径向加载壳体和轴向加载壳体的内部还设置有测试棒，测试棒的一端通过拉钉与电主轴内部的拉爪结构相连，测试棒的另一端设置有下端轴向加载部和轴向位移传感器；测试棒的中部设置有中间径向加载部，且所述上连接体壳体的内部设置有上径向位移检测组件，所述径向加载壳体内部的下端设置有下径向位移检测组件；所述测试棒、下端轴向加载部和中间径向加载部均与电主轴同轴布置；所述上径向位移检测组件的位移传感器、下径向位移检测组件的位移传感器和轴向位移传感器分别与电荷放大器电性连接，电荷放大器与数据采集模块电性连接，数据采集模块与移动工作站电性连接，且移动工作站还与信号输出模块电性连接，信号输出模块与脉宽调制放大器电性连接，所述脉宽调制放大器分别与中间径向加载部的电磁铁和下端轴向加载部的电磁铁电性连接；并且，所述移动工作站还通过A/D转换器与变频器的信号输入端电性连接，变频器的信号输出端则与电主轴的控制端电性连接。以使移动工作站根据来自上径向位移检测组件的位移传感器、下径向位移检测组件的位移传感器和轴向位移传感器所采集到的位移信号，来进行分析处理，从而实现高速电主轴的动态载荷在线模拟，以及高速电主轴的径向加载工作刚度、轴向加载工作刚度、静刚度、动刚度、模态参数及回转特性等力学参数的测试。
所述下端轴向加载部包括设置在测试棒下端部的轴向加载盘，轴向加载盘与所述径向加载壳体的下端部之间设置有轴向电磁铁，轴向电磁铁非接触式的套设在测试棒下端的外部，轴向电磁铁与轴向加载盘之间具有间隙；所述轴向加载盘与轴向加载壳体的下端部之间还设置有空心轴增量式编码器，且所述轴向位移传感器设置在轴向加载壳体的下端，轴向位移传感器的探头靠近轴向加载盘的端面。以当给轴向电磁铁的线圈通电时，在轴向电磁铁、间隙、轴向加载盘之间形成一束闭合的磁力线，进而使轴向电磁铁与轴向加载盘之间产生一个轴向的磁力Fa，模拟机床主轴在实际切削中所受的轴向切削力。
所述中间径向加载部包括套设在测试棒中部外侧的硅钢套，所述硅钢套的外部还套设有径向电磁铁，径向电磁铁的内圈与硅钢套的外壁之间具有均匀间隙。以当给径向电磁铁的线圈通电时，在径向电磁铁、间隙、硅钢套之间形成一束闭合的磁力线，从而让径向电磁铁与测试棒之间产生一个径向的磁力Fr，模拟机床主轴在实际切削中所受的径向切削力。
所述上径向位移检测组件的上径向位移检测环形基座上设置的上径向位移传感器的数量为两组，两组上径向位移传感器在上径向位移检测环形基座的外侧圆周上、呈90度夹角布置；所述上径向位移传感器的探头靠近测试棒上端外侧的圆柱面，且保证位移的测量方向与测试棒所受径向力的方向一致；所述下径向位移检测组件的下径向位移检测环形基座上设置的下径向位移传感器的数量为四组，其中两组下径向位移传感器在下径向位移检测环形基座的外侧圆周上、呈90度夹角布置，且保证位移的测量方向与测试棒所受径向力的方向一致；另外两组下径向位移传感器则根据权重选取安装角度；所述下径向位移传感器的探头靠近测试棒下端外侧的圆柱面。以利用呈90度夹角布置在上径向位移检测环形基座上的两组上径向位移传感器来对测试棒的上端部进行测量，所测信号即为电主轴在径向力或正弦激励作用下在该测量位置的位移或振动信号，进而测量测试棒的倾斜角度；并且，通过下径向位移检测环形基座上设置的四组下径向位移传感器来对测试棒的下端部进行测量，所测信号即为电主轴在径向力或正弦激励作用下在该测量位置的位移或振动信号；从而利用傅里叶变换的原理分离出测试棒的圆度误差、回转误差和偏心误差。
本发明的有益效果：该基于复合磁力模拟载荷在线测试电主轴力学参数的方法所使用的复合磁力模拟载荷装置包括加载模块和电气模块，加载模块包括上连接体壳体、中间径向加载部和下端轴向加载部，中间径向加载部和下端轴向加载部与测试棒之间的加载力通过标定曲线获得，测试棒的位移/振动参数通过各个位移传感器获得；本发明方法可以提供包括在线测量机床运转状态下对电主轴施加复合磁力模拟载荷，电主轴的径向加载工作刚度、轴向加载工作刚度、动刚度、模态参数及回转特性等力学参数性能测试方法，为提高机床电主轴的可靠性、改善机床的动态性能，提供了有效的实验手段和方法。
附图说明
图1是本发明的一种控制原理框图。
图2是本发明步骤一中的复合磁力模拟载荷装置的一种结构示意图。
图3是图2中的上径向位移检测组件的一种结构示意图。
图4是图2中的下径向位移检测组件的一种结构示意图。
图5是图4的仰视图。
图6是本发明的复合磁力模拟载荷装置的径向力加载结构示意图。
图7是本发明的复合磁力模拟载荷装置的轴向力加载结构示意图。
图8是本发明的在线测试电主轴回转特性的测试结构示意图。
图9是图8的仰视图。
图中序号说明：1箱体、2电主轴、3主轴端盖、4上连接体壳体、5上径向位移检测组件、6测试棒、7中间径向加载部、8径向加载壳体、9下径向位移检测组件、10轴向加载壳体、11下端轴向加载部、12轴向位移传感器、13空心轴增量式编码器、14轴向加载盘、15轴向电磁铁、16保护套、17硅钢套、18冷却水套、19径向电磁铁、20中间体隔环、21中间体端盖、22上连接体端盖、23上连接体隔环、24拉钉、25上径向位移检测环形基座、26套接孔、27传感器安装座、28上径向位移传感器、28-1上径向第一位移传感器、28-2上径向第二位移传感器、29安装座压板、30下径向位移检测环形基座、31下径向位移传感器、31-1下径向第一位移传感器、31-2下径向第二位移传感器、31-3下径向第三位移传感器、31-4下径向第四位移传感器。
具体实施方式
本发明提供的基于复合磁力模拟载荷在线测试电主轴力学参数的方法，在不改变电主轴原有结构的情况下，可模拟机床实际切削过程给电主轴施加一个可控的径向/轴向/复合式非接触式加载力，其中径向力可以是静态的力，也可以是一定频率的正弦激励，并获取在多因素影响下的电主轴力学参数，而不会额外引入机床主传动系统、进给传动系统及工作台等多因素作用下引起的累计误差，测试方法简单，解决了高速电主轴进行力学参数测试方法复杂问题的同时，提高了实验准确度和稳定性。
详细说明本发明的具体步骤。该基于复合磁力模拟载荷在线测试电主轴力学参数的方法包括：
步骤一，将复合磁力模拟载荷装置同轴安装在机床的电主轴2上。
复合磁力模拟载荷装置包括与电主轴2端部的主轴端盖3相连的上连接体壳体4，上连接体壳体4的端部设置有径向加载壳体8，径向加载壳体8的端部设置有轴向加载壳体10，上连接体壳体4、径向加载壳体8和轴向加载壳体10的内部还设置有测试棒6，测试棒6的一端通过拉钉24与电主轴2内部的拉爪结构相连，测试棒6的另一端设置有下端轴向加载部11和轴向位移传感器12。测试棒6的中部设置有中间径向加载部7，且上连接体壳体4的内部设置有上径向位移检测组件5，径向加载壳体8内部的下端设置有下径向位移检测组件9；测试棒6、下端轴向加载部11和中间径向加载部7均与电主轴2同轴布置。
上径向位移检测组件5的位移传感器、下径向位移检测组件9的位移传感器和轴向位移传感器12分别与电荷放大器电性连接，电荷放大器与数据采集模块电性连接，数据采集模块与移动工作站电性连接，且移动工作站还与信号输出模块电性连接，信号输出模块与脉宽调制放大器电性连接，脉宽调制放大器分别与中间径向加载部7的电磁铁和下端轴向加载部11的电磁铁电性连接；并且，移动工作站还通过A/D转换器与变频器的信号输入端电性连接，变频器的信号输出端则与电主轴2的控制端电性连接。进而使移动工作站根据来自上径向位移检测组件5的位移传感器、下径向位移检测组件9的位移传感器和轴向位移传感器12所采集到的位移信号，来进行分析处理，从而实现高速电主轴2的动态载荷在线模拟，以及高速电主轴2的径向加载工作刚度、轴向加载工作刚度、静刚度、动刚度、模态参数及回转特性等力学参数的测试。
步骤二，移动工作站发送控制指令，经过A/D转换器进行模数转换后，发送至变频器，并控制变频器开始工作。
步骤三，移动工作站设定变频器的频率，确定电主轴2的转速，从而确定测试棒6与下端轴向加载部11上的轴向加载盘14的转速。
步骤四，移动工作站向信号输出模块发送控制指令，信号输出模块向脉宽调制放大器发送控制指令。
步骤五，脉宽调制放大器改变中间径向加载部7的径向电磁铁19以及下端轴向加载部11的轴向电磁铁15的电流大小，从而改变了径向电磁铁19以及轴向电磁铁15的电磁力大小，使径向电磁铁19对固连在测试棒6上的硅钢套17施加径向力或一定频率的正弦激励载荷，并让轴向电磁铁15对轴向加载盘14进行轴向力加载。
步骤六，上径向位移传感器28、下径向位移传感器31采集连接在电主轴2上的测试棒6的位移，而轴向位移传感器12则采集连接在测试棒6端部的轴向加载盘14的位移；并将该实时位移数据，通过电荷放大器、数据采集模块发送至移动工作站。
步骤七，移动工作站根据实时采集的位移数据来调整载荷数据，并重复步骤四、五、六、七，直至达到预先设定的施加载荷数值。
步骤八，通过在线模拟电主轴2动载荷，移动工作站根据来自上径向位移传感器28、下径向位移传感器31和轴向位移传感器12所采集到的位移信号，来进行分析处理，从而得到高速电主轴2的径向加载工作刚度、轴向加载工作刚度、静刚度、动刚度、模态参数及回转特性等力学参数的测试。
在步骤八中，高速旋转的测试棒6在磁场的作用下受到一定大小的复合磁力模拟载荷，上径向第一位移传感器28-1、下径向第一位移传感器31-1、下径向第二位移传感器31-2以及轴向位移传感器12将电主轴2在径向力条件下的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，即可得到在线测试高速电主轴2的动态工作刚度曲线。高速电主轴2的动态工作刚度计算公式如下：
(1)轴向加载工作刚度计算公式：
式中：KZ(θn)-动态加载下轴向加载工作刚度，单位为(N/μm)；
FZ(θn)-轴向载荷，单位为(N)；
yZ(θn)-轴向位移传感器12测得的轴向位移，单位为(μm)；
θn-测试棒6采样点当前角度值。
径向加载工作刚度的测试步骤如下：
①通过拉钉24将测试棒6与电主轴2进行连接，通过螺栓将上连接体壳体4与高速电主轴2的主轴端盖3固定，可保证测试装置与测试棒6的同轴度，进而保证了径向电磁铁19和测试棒6之间气隙(间隙)的控制，完成测试装置的定位。定位完成后将中间径向加载部7固定在上连接体壳体4上，启动电主轴2。
②接通对称方向上两组径向电磁铁19的电源，另外两组径向电磁铁19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径向电磁铁19的励磁线圈，高速旋转的测试棒6在磁场的作用下受到一定大小的径向作用力。
③通过分析径向电磁铁19的标定曲线得出径向作用力的大小。通过使用安装座压板29将传感器安装座27固连在下径向位移检测环形基座30上的下径向位移传感器31将电主轴2在径向力条件下的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，即可得到测试装置的在线测试高速电主轴2的径向加载工作刚度曲线，而不会额外引入机床主传动系统、进给传动系统及工作台等多因素作用下引起的累计误差，更加真实的得出高速电主轴2的径向加载工作刚度。
(2)径向加载工作刚度计算公式：
式中：Kr(θn)-动态加载下径向加载工作刚度，单位为(N/μm)；
Fr(θn)-主轴端面所得的径向载荷，单位为(N)；
yr(θn)-主轴端面所得的径向位移，单位为(μm)；
ω-电主轴2转速，单位为(rad/s)；
σ-加载力与位移的夹角，单位为(°)。
其中，轴向载荷和径向载荷可由轴向电磁铁15和径向电磁铁19标定曲线获得，测试棒6采样点当前角度值可由空心轴增量式编码器13获得。
轴向加载工作刚度的测试步骤如下：
①通过拉钉24将测试棒6与电主轴2进行连接，通过螺栓将上连接体壳体4与高速电主轴2的主轴端盖3固定，可保证测试装置与测试棒6的同轴度，进而保证了径向电磁铁19和测试棒6之间气隙的控制，完成测试装置的定位。定位完成后将中间径向加载部7固定在上连接体壳体4上，启动电主轴2。
②接通轴向电磁铁15的电源，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轴向电磁铁15的励磁线圈，连接在测试棒6上的轴向加载盘14在磁场的作用下受到一定大小的轴向作用力。
③通过分析轴向电磁铁15的标定曲线得出轴向作用力的大小。通过使用下径向位移传感器31将电主轴2在轴向激励条件下的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，即可得到测试装置的在线测试高速电主轴2的轴向加载工作刚度曲线。
在步骤八中，高速旋转的测试棒6在磁场的作用下受到一定大小的复合磁力模拟载荷，上径向第一位移传感器28-1和下径向第一位移传感器31-1将电主轴2在正弦激励条件下的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，即可得到在线测试高速电主轴2的动态支撑刚度曲线。动态支承刚度的计算公式为：
式中：KA、KB-动态加载下前、后轴承动态支撑刚度，单位为(N/μm)；
FA、FB-前后轴承处所承受载荷，单位为(N)；
δA、δB-前后轴承径向变形量，单位为(μm)。
动态支承刚度的测试步骤如下：
①通过拉钉24将测试棒6与电主轴2进行连接，通过螺栓将上连接体壳体4与高速电主轴2的主轴端盖3固定，可保证测试装置与测试棒6的同轴度，进而保证了径向电磁铁19和测试棒6之间气隙的控制，完成测试装置的定位。定位完成后将中间径向加载部7固定在上连接体壳体4上，启动电主轴2。
②接通所有径向电磁铁19的电源，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径向电磁铁19的励磁线圈，高速旋转的测试棒6在磁场的作用下受到一定频率的正弦激励。通过分析径向电磁铁19的标定曲线得出径向作用力的大小。
③通过使用安装座压板29将传感器安装座27固连在下径向位移检测环形基座30上的下径向位移传感器31将电主轴2在正弦激励条件下的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，即可得到测试装置的在线测试高速电主轴2的动刚度曲线。
在步骤八中，通过使用四组下径向位移传感器31将电主轴2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振动信号及已得到的力信号进行分析处理，进而得到高速电主轴2的模态参数。
模态参数的测试步骤如下：
①通过拉钉24将测试棒6与电主轴2进行连接，通过螺栓将上连接体壳体4与高速电主轴2的主轴端盖3固定，可保证测试装置与测试棒6的同轴度，进而保证了径向电磁铁19和测试棒6之间气隙的控制，完成测试装置的定位。定位完成后将中间径向加载部7固定在上连接体壳体4上，启动电主轴2。
②启动机床电主轴2并根据需要调整其测试转速，接通径向电磁铁19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径向电磁铁19的直流励磁线圈，高速旋转的测试棒6在磁场的作用下受到一定频率的正弦激振，通过径向电磁铁19标定曲线可对施加的激励进行测量，通过移动工作站可以实现对电主轴2所承受的激振力的实时监控。
③通过使用安装座压板29将传感器安装座27固连在下径向位移检测环形基座30上的下径向位移传感器31将电主轴2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振动信号及已得到的力信号进行分析处理，进而得到高速电主轴2的模态参数。
在步骤八中，高速旋转的测试棒6在磁场的作用下受到一定大小的复合磁力模拟载荷，两组上径向位移传感器28、四组下径向位移传感器31、轴向位移传感器12将电主轴2在正弦激励条件下的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，即可得到在线测试高速电主轴2的回转特性曲线；
(1)径向误差运动测试的计算公式为：
δ(θn)＝
h1(θn)cos(Δθ·θn)+h2(θn)sin(Δθ·θn)-A1cos(2Δθ·θn)-B1sin(2Δθ·θn)
式中：δ(θn)-动态加载作用下的同步误差；
Δθ-测试棒6每两个采样点角度差；
A1、B1-测试棒6安装偏心误差的横、纵坐标；
h1(θn)＝y0(θn)-t(θn)
其中，动态加载作用下的同步误差为经过傅里叶变换去除四组下径向位移传感器31中所含圆度误差、偏心误差、异步误差成分后的值，N为设定传感器每周采样点总数，可由空心轴增量式编码器13获取。
(2)倾斜误差运动测试的计算公式为：
ξ(θn)＝[Δxcosθn-Δysinθn]/L
式中：ξ(θn)-以弧度表示的倾斜误差运动；
Δx-编号为0号的下径向第一位移传感器31-1、编号为4号的上径向第一位移传感器28-1在测试棒6测量点位置测得的同步误差运动值的差值，
Δy-编号为1号的下径向第二位移传感器31-2、编号为5号的上径向第二位移传感器28-2在测试棒6测量点位置测得的同步误差运动值的差值，
L-两个位移传感器检测中心之间的距离。
(3)轴向误差运动测试的计算公式为：
式中：y6(θn)-轴向位移传感器12得到高速电主轴2的轴向振动位移和热膨胀位移。
回转特性的测试步骤如下：
①通过拉钉24将测试棒6与电主轴2进行连接，通过螺栓将上连接体壳体4与高速电主轴2的主轴端盖3固定，可保证测试装置与测试棒6的同轴度，进而保证了径向电磁铁19和测试棒6之间气隙的控制，完成测试装置的定位。定位完成后将中间径向加载部7固定在上连接体壳体4上，启动电主轴2。
②根据需要调整其测试转速，接通径向电磁铁19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径向电磁铁19的励磁线圈，高速旋转的测试棒6在磁场的作用下受到一定频率的正弦激振；接通轴向电磁铁15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轴向电磁铁15的励磁线圈，高速旋转的轴向加载盘14在磁场的作用下受到一定轴向力。通过径向电磁铁19标定曲线和轴向电磁铁15标定曲线可对施加的激励进行测量，通过移动工作站可以实现对电主轴2所承受的径向激励和轴向激励的实时监控。
③通过在同一平面内垂直分开的两组下径向位移传感器31和两组上径向位移传感器28将电主轴2在径向和轴向复合激励条件下的位移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位移信号进行分析处理，得到高速电主轴2的主轴倾斜度和径向跳动，进而得到高速电主轴2的径向旋转敏感测试。
④通过使用轴向位移传感器12将电主轴2在径向和轴向复合激励条件下的轴向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，得到高速电主轴2的轴向振动位移和热膨胀位移，进而得到高速电主轴2的轴向运动误差测试。
⑤通过下径向位移检测环形基座30上的四组不同角度的下径向位移传感器31和外径固连在轴向加载壳体10、内径连接在轴向加载盘14上的空心轴增量式编码器13获取下径向位移传感器31采集位移信号的个数，使用移动工作站对接收到的位移信号进行分析数据处理，实现测试棒6的圆度误差和高速电主轴2的回转误差分离，进而得到高速电主轴2的回转精度精密测试。
另外，径向电磁铁19和轴向电磁铁15对测试棒6和轴向加载盘14所施加载荷可根据输入电流由其相应标定曲线获得。
测试棒6可根据不同的主轴类型选择标准检验芯棒，其常见类型有：BT、HSK、SK等，例如：可选用BT40测试棒6。要求测试棒6具有较高的圆度和同心度。
测试棒6在实际使用过程中都不可能是一个理想的圆柱，它自身总会存在一定的凹凸不平的表面，且在实际回转过程中总会存在一定的回转误差，而这些问题都会造成测试过程中的测量误差，复合磁力模拟载荷装置可以有效地将测试棒6的圆度误差分离出来。
径向位移传感器采集到的信号中包含测试棒6圆度误差t(θ)、安装偏心误差μ(θ)和电主轴2同步误差δ(θ)、异步误差v(θ)，其关系式为：
y0(θn)＝t(θn)+μ(θn)+δ(θn)+v0(θn)
式中：n——采样点序号，n＝0，1，2，...，N-1；N为设定传感器每周采样点总数；
θn——测试棒6采样点当前角度值，θn＝2πn/N。
基于傅里叶级数计算，可由图9所示下径向第一位移传感器31-1、下径向第二位移传感器31-2、下径向第三位移传感器31-3和下径向第四位移传感器31-4，来分离出测试棒6圆度误差t(θ)、安装偏心误差μ(θ)和电主轴2同步误差δ(θ)、异步误差v(θ)。
而且，为了减小机床主轴热应力对实验结果的影响，测量数据前需要对机床主轴进行30min左右的空转预热。该装置在静态模式下可产生±1000N大小的径向力和600N大小的轴向力，在频率为1000HZ的动态模式下可产生±300N大小的动态负载，能够在较大加载力情况下对高速电主轴2进行高频加载。
复合磁力模拟载荷装置的下端轴向加载部11包括设置在测试棒6下端部的轴向加载盘14，轴向加载盘14与径向加载壳体8的下端部之间设置有轴向电磁铁15，轴向电磁铁15的加载面为平面；且轴向电磁铁15非接触式的套设在测试棒6下端的外部，轴向电磁铁15与轴向加载盘14之间具有一定的间隙(例如：0.5mm的间距)。轴向加载盘14与轴向加载壳体10的下端部之间还设置有空心轴增量式编码器13，且轴向位移传感器12设置在轴向加载壳体10的下端，轴向位移传感器12的探头靠近轴向加载盘14的端面。从而，当给轴向电磁铁15的线圈通电时，在轴向电磁铁15、间隙、轴向加载盘14之间形成一束闭合的磁力线，进而使轴向电磁铁15与轴向加载盘14之间产生一个轴向的磁力Fa，模拟机床主轴在实际切削中所受的轴向切削力。
中间径向加载部7包括套设在测试棒6中部外侧的硅钢套17，硅钢套17的下方、测试棒6下端的外侧套设有保护套16。并且，硅钢套17的外部还套设有径向电磁铁19，径向电磁铁19的加载面为具有一定曲率的内圆弧面，径向电磁铁19的内圈与硅钢套17的外壁之间具有均匀的间隙(例如：0.4mm的间距)。径向电磁铁19的上方、径向加载壳体8的上端部设置有中间体端盖21，且中间体端盖21与径向电磁铁19之间还设置有中间体隔环20。进而当给径向电磁铁19的线圈通电时，在径向电磁铁19、间隙、硅钢套17之间形成一束闭合的磁力线，从而让径向电磁铁19与测试棒6之间产生一个径向的磁力Fr，模拟机床主轴在实际切削中所受的径向切削力。由于在变化的磁场内会产生涡流效应，所以径向电磁铁19的受力面会形成电涡流，电涡流所形成的磁场不但会削弱原磁场，且它的热效应会限制径向电磁铁19的转速；此外，磁场在高温的环境中亦会变得不稳定，导磁材料可能会瞬间突然失去磁性。考虑到上述种种的原因，径向电磁铁19铁芯的受力表面应用硅钢片叠成，且钢片间互相绝缘。
径向电磁铁19的外圈与径向加载壳体8的内壁之间还设置有冷却水套18，冷却水套18外侧的冷却水槽与径向加载壳体8的内壁之间封闭形成有冷却水道，且冷却水套18与径向加载壳体8之间设置有密封圈。径向加载壳体8的外壁上设置有冷却水入口和冷却水出口，冷却水入口和冷却水出口分别与冷却水道相连通；且冷却水入口和冷却水出口上还分别设置有锁母直通接头。从而，使冷却水经由冷却水入口流入到冷却水道，并从冷却水出口流出，进而利用循环流动的冷却水来冷却整个装置，以实现装置的长时间稳定加载而不引入其他热源，确保电主轴2的测试精度。
上连接体壳体4内部设置的上径向位移检测组件5与上连接体端盖22之间，还设置有上连接体隔环23。上径向位移检测组件5包括上径向位移检测环形基座25，上径向位移检测环形基座25的中部设置有套接孔26，上径向位移检测环形基座25的外侧圆周上设置有若干组上径向位移传感器28。下径向位移检测组件9包括下径向位移检测环形基座30，下径向位移检测环形基座30的中部设置有套接孔26，下径向位移检测环形基座30的外侧圆周上，设置有若干组下径向位移传感器31。进而通过中部的套接孔26将上径向位移检测组件5和下径向位移检测组件9，分别套设在测试棒6上端和下端的相应检测位置。
上径向位移检测组件5的上径向位移检测环形基座25和下径向位移检测组件9的下径向位移检测环形基座30的结构相同，均包括环形基座主体，环形基座主体的中部设置有套接孔26，且环形基座主体的上下两侧分别设置有用于与上下结构相互连接的安装配合止口，且环形基座主体的外侧圆周上设置有若干组等间距布置的位移传感器安装槽，上径向位移传感器28和下径向位移传感器31分别设置在位移传感器安装槽内，环形基座主体上还设置有若干个沿同一圆周布置的基座固定孔；以把上径向位移传感器28和下径向位移传感器31布置在相应的位移传感器安装槽内，并利用基座固定孔来便于径向位移检测环形基座的安装和连接。
并且，环形基座主体外侧圆周上设置的位移传感器安装槽的底部设置有传感器座插接通孔，传感器座插接通孔内插接设置有传感器安装座27；传感器安装座27包括安装座主体，安装座主体的上端设置有定位凸缘，安装座主体的中部设置有偏心安装孔，且偏心安装孔的上端设置有辅助安装沉孔。传感器安装座27的两侧还分别设置有安装座压板29，安装座压板29则通过连接螺栓与位移传感器安装槽底部设置的压板固定螺孔相连。从而，将上径向位移传感器28或下径向位移传感器31安装在传感器安装座27的偏心安装孔内，并利用具有偏心安装孔的传感器安装座27在传感器座插接通孔内转动，来使得其上的径向位移传感器可以在Z方向上移动一定距离(例如：在Z方向上做距离为3mm的移动)，以精确调节位移传感器的位置。
同时，上径向位移检测组件5的上径向位移检测环形基座25上设置的上径向位移传感器28的数量为两组，两组上径向位移传感器28在上径向位移检测环形基座25的外侧圆周上、呈90度夹角布置。上径向位移传感器28的探头靠近测试棒6上端外侧的圆柱面，且保证位移的测量方向与测试棒6所受径向力的方向一致；以利用呈90度夹角布置在上径向位移检测环形基座25上的两组上径向位移传感器28来对测试棒6的上端部进行测量，所测信号即为电主轴2在径向力或正弦激励作用下在该测量位置的位移或振动信号，进而测量测试棒6的倾斜角度。
下径向位移检测组件9的下径向位移检测环形基座30上设置的下径向位移传感器31的数量为四组，其中两组下径向位移传感器31在下径向位移检测环形基座30的外侧圆周上、呈90度夹角布置，且保证位移的测量方向与测试棒6所受径向力的方向一致；另外两组下径向位移传感器31则根据权重选取安装角度；即：其中两组下径向位移传感器31与其上方的两组上径向位移传感器28在同一角度位置，另外两组下径向位移传感器31则分别为180°和270°设置。下径向位移传感器31的探头靠近测试棒6下端外侧保护套16的圆柱面。从而，通过下径向位移检测环形基座30上设置的四组下径向位移传感器31来对测试棒6下端外侧的保护套16进行测量，所测信号即为电主轴2在径向力或正弦激励作用下在该测量位置的位移或振动信号；进而利用傅里叶变换的原理分离出测试棒6的圆度误差、回转误差和偏心误差。
使用该方法中的复合磁力模拟载荷装置时，首先，接通电主轴2电源，让电主轴2进入高速旋转状态，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径向电磁铁19和轴向电磁铁15的励磁线圈。并且，在电主轴2高速旋转的过程中，中间径向加载部7的硅钢套17以及下端轴向加载部11的轴向加载盘14中的磁场强度会发生周期性的变化，变化的磁场则使得硅钢套17和轴向加载盘14内部产生涡流磁场，进而影响气隙(间隙)中的磁场，从而使测试棒6根据控制信号承受一定大小的径向力或轴向力或一定频率的正弦激振力。之后，上径向位移传感器28、下径向位移传感器31以及轴向位移传感器12，分别将电主轴2在一定大小径向力或轴向力或一定频率正弦激励条件下的位移/振动信号，通过电荷放大器及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位移信号/振动进行分析处理，即可得到电主轴2在高速旋转状态下的径向加载工作刚度曲线、轴向刚度曲线、模态参数及回转特性等参数。
Claims (10)
1.一种基于复合磁力模拟载荷在线测试电主轴力学参数的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将复合磁力模拟载荷装置同轴安装在机床的电主轴(2)上；
步骤二、移动工作站发送控制指令，经过A/D转换器进行模数转换后，发送至变频器，并控制变频器开始工作；
步骤三、移动工作站设定变频器的频率，确定电主轴(2)的转速，从而确定测试棒(6)与轴向加载盘(14)的转速；
步骤四、移动工作站向信号输出模块发送控制指令，信号输出模块向脉宽调制放大器发送控制指令；
步骤五、脉宽调制放大器改变径向电磁铁(19)以及轴向电磁铁(15)的电流大小，从而改变了径向电磁铁(19)以及轴向电磁铁(15)的电磁力大小，使径向电磁铁(19)对固连在测试棒(6)上的硅钢套(17)施加径向力或一定频率的正弦激励载荷，并让轴向电磁铁(15)对轴向加载盘(14)进行轴向力加载；
步骤六、上径向位移传感器(28)、下径向位移传感器(31)采集连接在电主轴(2)上的测试棒(6)的位移，而轴向位移传感器(12)则采集连接在测试棒(6)端部的轴向加载盘(14)的位移；并将该实时位移数据，通过电荷放大器、数据采集模块发送至移动工作站；
步骤七、移动工作站根据实时采集的位移数据来调整载荷数据，并重复步骤四、五、六、七，直至达到预先设定的施加载荷数值；
步骤八、通过在线模拟电主轴(2)动载荷，移动工作站根据来自上径向位移传感器(28)、下径向位移传感器(31)和轴向位移传感器(12)所采集到的位移信号，来进行分析处理，从而得到高速电主轴(2)的径向加载工作刚度、轴向加载工作刚度、静刚度、动刚度、模态参数及回转特性等力学参数的测试。
2.根据权利要求1所述的基于复合磁力模拟载荷在线测试电主轴力学参数的方法，其特征在于：所述步骤八，高速旋转的测试棒(6)在磁场的作用下受到一定大小的复合磁力模拟载荷，上径向第一位移传感器(28-1)、下径向第一位移传感器(31-1)、下径向第二位移传感器(31-2)和轴向位移传感器(12)将电主轴(2)在径向力条件下的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，即可得到在线测试高速电主轴(2)的动态工作刚度曲线，高速电主轴(2)的动态工作刚度计算公式如下：
①轴向加载工作刚度计算公式：
式中：KZ(θn)—动态加载下轴向加载工作刚度，单位为(N/μm)；
FZ(θn)—轴向载荷，单位为(N)；
yZ(θn)—轴向位移传感器(12)测得的轴向位移，单位为(μm)；
θn—测试棒(6)采样点当前角度值；
②径向加载工作刚度计算公式：
式中：Kr(θn)—动态加载下径向加载工作刚度，单位为(N/μm)；
Fr(θn)—主轴端面所得的径向载荷，单位为(N)；
yr(θn)—主轴端面所得的径向位移，单位为(μm)；
ω—电主轴(2)转速，单位为(rad/s)；
σ—加载力与位移的夹角，单位为(°)；
其中，轴向载荷和径向载荷可由轴向电磁铁(15)和径向电磁铁(19)标定曲线获得，测试棒(6)采样点当前角度值可由空心轴增量式编码器(13)获得。
3.根据权利要求1所述的基于复合磁力模拟载荷在线测试电主轴力学参数的方法，其特征在于：所述步骤八，高速旋转的测试棒(6)在磁场的作用下受到一定大小的复合磁力模拟载荷，上径向第一位移传感器(28-1)和下径向第一位移传感器(31-1)将电主轴(2)在正弦激励条件下的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，即可得到在线测试高速电主轴(2)的动态支撑刚度曲线，动态支承刚度的计算公式为：
式中：KA、KB—动态加载下前、后轴承动态支撑刚度，单位为(N/μm)；
FA、FB—前后轴承处所承受载荷，单位为(N)；
δA、δB—前后轴承径向变形量，单位为(μm)。
4.根据权利要求1所述的基于复合磁力模拟载荷在线测试电主轴力学参数的方法，其特征在于：所述步骤八，通过使用四组下径向位移传感器(31)将电主轴(2)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振动信号及已得到的力信号进行分析处理，进而得到高速电主轴(2)的模态参数。
5.根据权利要求1所述的基于复合磁力模拟载荷在线测试电主轴力学参数的方法，其特征在于：所述步骤八，高速旋转的测试棒(6)在磁场的作用下受到一定大小的复合磁力模拟载荷，两组上径向位移传感器(28)、四组下径向位移传感器(31)、轴向位移传感器(12)将电主轴(2)在正弦激励条件下的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，即可得到在线测试高速电主轴(2)的回转特性曲线；
径向误差运动测试的计算公式为：
δ(θn)＝
h1(θn)cos(Δθ·θn)+h2(θn)sin(Δθ·θn)-A1cos(2Δθ·θn)-B1sin(2Δθ·θn)
式中：δ(θn)-动态加载作用下的同步误差；
Δθ-测试棒(6)每两个采样点角度差；
A1、B1-测试棒(6)安装偏心误差的横、纵坐标；
h1(θn)＝y0(θn)-t(θn)
其中，动态加载作用下的同步误差为经过傅里叶变换去除四组下径向位移传感器(31)中所含圆度误差、偏心误差、异步误差成分后的值，N为设定传感器每周采样点总数，可由空心轴式编码器获取。
6.根据权利要求5所述的基于复合磁力模拟载荷在线测试电主轴力学参数的方法，其特征在于：倾斜误差运动测试的计算公式为：
ξ(θn)＝[Δx cosθn-Δy sinθn]/L
式中：ξ(θn)-以弧度表示的倾斜误差运动；
Δx-编号为(0)号的下径向第一位移传感器(31-1)、编号为(4)号的上径向第一位移传感器(28-1)在测试棒(6)测量点位置测得的同步误差运动值的差值，
Δy-编号为(1)号的下径向第二位移传感器(31-2)、编号为(5)号的上径向第二位移传感器(28-2)在测试棒(6)测量点位置测得的同步误差运动值的差值，
L-两个位移传感器检测中心之间的距离；
轴向误差运动测试的计算公式为：
式中：y6(θn)-轴向位移传感器(12)得到高速电主轴(2)的轴向振动位移和热膨胀位移。
7.根据权利要求1所述的基于复合磁力模拟载荷在线测试电主轴力学参数的方法，其特征在于：所述步骤一中的复合磁力模拟载荷装置包括与电主轴(2)端部的主轴端盖(3)相连的上连接体壳体(4)，所述上连接体壳体(4)的端部设置有径向加载壳体(8)，径向加载壳体(8)的端部设置有轴向加载壳体(10)，所述上连接体壳体(4)、径向加载壳体(8)和轴向加载壳体(10)的内部还设置有测试棒(6)，测试棒(6)的一端通过拉钉(24)与电主轴(2)内部的拉爪结构相连，测试棒(6)的另一端设置有下端轴向加载部(11)和轴向位移传感器(12)；测试棒(6)的中部设置有中间径向加载部(7)，且所述上连接体壳体(4)的内部设置有上径向位移检测组件(5)，所述径向加载壳体(8)内部的下端设置有下径向位移检测组件(9)；所述测试棒(6)、下端轴向加载部(11)和中间径向加载部(7)均与电主轴(2)同轴布置；所述上径向位移检测组件(5)的位移传感器、下径向位移检测组件(9)的位移传感器和轴向位移传感器(12)分别与电荷放大器电性连接，电荷放大器与数据采集模块电性连接，数据采集模块与移动工作站电性连接，且移动工作站还与信号输出模块电性连接，信号输出模块与脉宽调制放大器电性连接，所述脉宽调制放大器分别与中间径向加载部(7)的电磁铁和下端轴向加载部(11)的电磁铁电性连接；并且，所述移动工作站还通过A/D转换器与变频器的信号输入端电性连接，变频器的信号输出端则与电主轴(2)的控制端电性连接。
8.根据权利要求7所述的基于复合磁力模拟载荷在线测试电主轴力学参数的方法，其特征在于：所述下端轴向加载部(11)包括设置在测试棒(6)下端部的轴向加载盘(14)，轴向加载盘(14)与所述径向加载壳体(8)的下端部之间设置有轴向电磁铁(15)，轴向电磁铁(15)非接触式的套设在测试棒(6)下端的外部，轴向电磁铁(15)与轴向加载盘(14)之间具有间隙；所述轴向加载盘(14)与轴向加载壳体(10)的下端部之间还设置有空心轴增量式编码器(13)，且所述轴向位移传感器(12)设置在轴向加载壳体(10)的下端，轴向位移传感器(12)的探头靠近轴向加载盘(14)的端面。
9.根据权利要求7所述的基于复合磁力模拟载荷在线测试电主轴力学参数的方法，其特征在于：所述中间径向加载部(7)包括套设在测试棒(6)中部外侧的硅钢套(17)，所述硅钢套(17)的外部还套设有径向电磁铁(19)，径向电磁铁(19)的内圈与硅钢套(17)的外壁之间具有均匀间隙。
10.根据权利要求7所述的基于复合磁力模拟载荷在线测试电主轴力学参数的方法，其特征在于：所述上径向位移检测组件(5)的上径向位移检测环形基座(25)上设置的上径向位移传感器(28)的数量为两组，两组上径向位移传感器(28)在上径向位移检测环形基座(25)的外侧圆周上、呈90度夹角布置；所述上径向位移传感器(28)的探头靠近测试棒(6)上端外侧的圆柱面，且保证位移的测量方向与测试棒(6)所受径向力的方向一致；所述下径向位移检测组件(9)的下径向位移检测环形基座(30)上设置的下径向位移传感器(31)的数量为四组，其中两组下径向位移传感器(31)在下径向位移检测环形基座(30)的外侧圆周上、呈90度夹角布置，且保证位移的测量方向与测试棒(6)所受径向力的方向一致；另外两组下径向位移传感器(31)则根据权重选取安装角度；所述下径向位移传感器(31)的探头靠近测试棒(6)下端外侧的圆柱面。
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