CN117890248A - 基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量方法，包括：通过超精密主轴刚度测试法，获取被测主轴以相同的转速在正转与反转时任一测量截面的测量值和力传感器示值；根据测量值，计算在转速下检验棒某一测量截面的径向位移；根据检验棒某一测量截面的径向位移，计算检验棒所受名义力的加载方向；根据加载方向和力传感器示值，计算检验棒实际受到的名义加载力；计算被测主轴质心位移和等效作用力；将等效作用力除以被测主轴质心位移，得到被测主轴径向刚度。本发明能够消除电磁加载时涡流的影响，将加载过程中由于涡流影响导致电磁力偏载的情况考虑到加载力的计算之中，使得主轴工作刚度计算结果更加准确。
Description
技术领域
本发明涉及超精密主轴技术领域，具体涉及基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量方法。
背景技术
超精密主轴是现代精加工加床的核心功能部件，主要用于高转速小切量的加工工序。超精密主轴的刚度直接决定着主轴的加工精度和动态性能等重要指标，对主轴的刚度进行准确测量有利于从加工层面对机床加工过程进行预测和补偿，从而有效指导加工，提高零件的加工精度和表面质量。
现有的技术中对于主轴静止状态的静刚度特性的测量方法已经非常成熟，然而对于主轴真实工作状态时的动刚度测量仍处于起步阶段。电磁加载方案凭借非接触、加载力大小容易控制等优点成为了现有技术中主轴动刚度的主流加载方法，但由于主轴旋转状态时受力与变形情况极为复杂，现有技术对主轴受力与变形的计算方法是在大量的假设与简化的基础上进行的，例如在电磁加载方案中现有的许多方法都人为的忽略了涡流对于加载的影响，将电磁力视为一种理想的单点恒定作用力，并且认为加载方向始终垂直经过检验棒的轴心，然而实际情况是当电磁铁一端靠近高速旋转的检验棒时，检验棒上将会由于电磁感应产生大量的电流，该电流在与之垂直的磁场作用下产生与旋转切线方向相反的感应阻力，在该力作用下，被测主轴转子及检验棒沿该切力方向产生位移，进而导致被测主轴转子及检验棒轴线与电磁加载装置轴线发生偏离，因为此轴线偏离的存在，使得电磁铁对检验棒的合力不再沿电磁加载装置轴线方向，此时通过力传感器测得的加载力数值并非被测主轴转子受到的径向合力。受限于导磁体、检验棒、转子、气隙及其余附属零部件、环境对磁场的影响，采用麦克斯韦方程组利用解析法的方式进行直接作用力与感应阻力计算极其困难，现有技术未提供一种有效的解决方案。
现有技术在使用电磁加载方式测量主轴径向刚度时，忽略了上述影响，未找到一种能够消除上述影响并且准确测量计算加载力与主轴轴线位移的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是目前超精密主轴工作刚度测量和计算方法不够准确，尤其是径向电磁加载过程中径向合力与合位移难以直接获取的问题。本发明目的在于提供基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量方法，基于超精密主轴的非接触式电磁加载方案，提出了一种能够更加准确地计算检验棒受到的径向合力以及合位移的大小和方向的方法，该方法能够消除电磁加载时涡流的影响，将加载过程中由于涡流影响导致电磁力偏载的情况考虑到加载力的计算之中，使得主轴工作刚度计算结果更加准确。
本发明通过下述技术方案实现：
第一方面，本发明提供了基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量方法，该方法包括：
通过超精密主轴刚度测试法，获取被测主轴以相同的转速在正转与反转时任一测量截面的测量值和力传感器示值；
根据测量值，计算在转速下检验棒某一测量截面的径向位移；
根据检验棒某一测量截面的径向位移，计算检验棒所受名义力的加载方向；
根据加载方向和力传感器示值，计算检验棒实际受到的名义加载力；
根据检验棒两个测量截面的径向位移、被测主轴质心到第一测量截面A的距离、第一测量截面A到第二测量截面B的距离及名义加载力，计算被测主轴质心位移和等效作用力；
将等效作用力除以被测主轴质心位移，得到被测主轴径向刚度。
进一步地，超精密主轴刚度测试法包括：
提供超精密主轴刚度测试装置：超精密主轴刚度测试装置包括圆柱形的检验棒、第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器、第四位移传感器、电磁加载器、力传感器；
进行各部件设置及连接：将检验棒与被测主轴连接，并且检验棒与被测主轴同心；沿检验棒的第一测量截面A的竖直方向安装第一位移传感器，沿检验棒的第一测量截面A的水平方向安装第二位移传感器；沿检验棒的第二测量截面B的竖直方向安装第三位移传感器，沿检验棒的第二测量截面B的水平方向安装第四位移传感器；将电磁加载器安装于两个测量截面的中间位置，并且在第二位移传感器与第四位移传感器的对侧水平方向上；力传感器与电磁加载器末端串联。
进一步地，每个测量截面的两个位移传感器都是沿与检验棒轴线垂直的方向布置，且两个位移传感器之间的夹角控制为90°。
进一步地，获取被测主轴以相同的转速在正转与反转时任一测量截面的位移值和力传感器示值，包括：
在任一测量截面内，以初始位置时的两个位置传感器测量方向的交点为坐标原点，以两测量方向建立XOY坐标系，此时沿任意方向给检验棒施加一非接触电磁力；
控制被测主轴以预设转速沿正方向旋转，获得第一位移传感器的第一测量值和第二位移传感器的第一测量值；
控制被测主轴按相同预设速度沿相反方向旋转，获得第一位移传感器的第二测量值和第二位移传感器的第二测量值。
进一步地，检验棒所受名义力的加载方向，计算公式为：
式中，β表示被测主轴以相同的转速正反转时，检验棒正转与反转时两个测量截面位移方向的夹角的平均值；d1表示被测主轴正转时检验棒某个测量截面的位移；d2分别表示被测主轴反转时检验棒某个测量截面的位移；X1表示被测主轴以预设转速沿正方向旋转时测得的第一位移传感器的第一测量值；Y1表示被测主轴以预设转速沿正方向旋转时测得的第二位移传感器的第一测量值；X2表示被测主轴以预设转速沿相反方向旋转时测得的第一位移传感器的第二测量值；Y2表示被测主轴以预设转速沿相反方向旋转时测得的第二位移传感器的第二测量值；R为检验棒的半径。
进一步地，检验棒实际受到的名义加载力，计算公式为：
式中，β表示被测主轴以相同的转速正反转时，检验棒正转与反转时两个测量截面位移方向的夹角的平均值；F为力传感器的示值。
进一步地，被测主轴质心位移dM的计算公式为：
其中，lm为被测主轴质心到第一测量截面A的距离，l为第一测量截面A到第二测量截面B的距离；d合B为在转速下检验棒第二测量截面B的径向位移；d合A为在转速下检验棒第一测量截面A的径向位移；
等效作用力FM的计算公式为：
F合为检验棒实际受到的名义加载力。
第二方面，本发明又提供了基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量系统，该系统使用上述的基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量方法；该系统包括：
获取单元，用于通过超精密主轴刚度测试装置，获取被测主轴以相同的转速在正转与反转时任一测量截面的测量值和力传感器示值；
第一计算单元，用于根据测量值，计算在转速下检验棒某一测量截面的径向位移；
第二计算单元，根据检验棒某一测量截面的径向位移，计算检验棒所受名义力的加载方向；
第三计算单元，根据加载方向和力传感器示值，计算检验棒实际受到的名义加载力；
第四计算单元，根据检验棒两个测量截面的径向位移、被测主轴质心到第一测量截面A的距离、第一测量截面A到第二测量截面B的距离及名义加载力，计算被测主轴质心位移和等效作用力；
第五计算单元，将等效作用力除以被测主轴质心位移，得到被测主轴径向刚度。
进一步地，超精密主轴刚度测试装置包括圆柱形的检验棒、第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器、第四位移传感器、电磁加载器、力传感器；
检验棒与被测主轴连接，并且检验棒与被测主轴同心；沿检验棒的第一测量截面A的竖直方向安装第一位移传感器，沿检验棒的第一测量截面A的水平方向安装第二位移传感器；沿检验棒的第二测量截面B的竖直方向安装第三位移传感器，沿检验棒的第二测量截面B的水平方向安装第四位移传感器；
电磁加载器安装于两个测量截面的中间位置，并且在第二位移传感器与第四位移传感器的对侧水平方向上；力传感器与电磁加载器末端串联。
进一步地，每个测量截面的两个位移传感器都是沿与检验棒轴线垂直的方向布置，且两个位移传感器之间的夹角控制为90°。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量方法，通过控制被测主轴以相同的预设速度正转与反转，记录四个位移传感器与一个力传感器的示值，通过测量的数值计算被测主轴质心更加准确的位移大小、位移方向、所受载荷大小与载荷方向，所述载荷为电磁力与由于涡流导致的检验棒受到的偏载力的合力，将电磁加载过程中检验棒上涡流对加载的影响考虑在内，同时通过几何与力学计算将加载力与位移等效换算到主轴的质心上。与现有的主轴刚度测量方法中直接将力传感器的读数简单的当作检验棒受到的载荷大小相比，本发明方法测量得到的加载力大小与方向更能反映主轴工作状态时的真实受力情况，通过该方法能够更加准确的计算主轴的径向工作刚度，该方法对于提高基于电磁加载方案下的主轴径向工作刚度测量结果准确性具有重要意义。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量方法流程图；
图2为本发明实施例1提供的超精密主轴刚度测试装置示意图；
图3为本发明实施例1提供的超精密被测主轴正转合位移图；
图4为本发明实施例1提供的超精密被测主轴反转合位移图；
图5为本发明实施例1提供的超精密主轴名义加载方向确定示意图；
图6为本发明实施例1提供的超精密主轴检验棒合力分析示意图；
图7为本发明实施例1提供的整个系统在受径向载荷时轴向位移截面的状态示意图；
图8为本发明基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量系统结构框图。
附图标记及对应的零部件名称：
1-检验棒，2-第一位移传感器，3-第二位移传感器，4-第三位移传感器，5-第四位移传感器，6-电磁加载器，7-力传感器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
电磁加载方案凭借非接触、加载力大小容易控制等优点成为了现有技术中主轴动刚度的主流加载方法，但由于主轴旋转状态时受力与变形情况极为复杂，现有技术对主轴受力与变形的计算方法是在大量的假设与简化的基础上进行的，例如在电磁加载方案中现有的许多方法都人为的忽略了涡流对于加载的影响，将电磁力视为一种理想的单点恒定作用力，并且认为加载方向始终垂直经过检验棒的轴心，然而实际情况是当电磁铁一端靠近高速旋转的检验棒时，检验棒上将会由于电磁感应产生大量的电流，该电流在与之垂直的磁场作用下产生与旋转切线方向相反的感应阻力，在该力作用下，被测主轴转子及检验棒沿该切力方向产生位移，进而导致被测主轴转子及检验棒轴线与电磁加载装置轴线发生偏离，因为此轴线偏离的存在，使得电磁铁对检验棒的合力不再沿电磁加载装置轴线方向，此时通过力传感器测得的加载力数值并非被测主轴转子受到的径向合力。受限于导磁体、检验棒、转子、气隙及其余附属零部件、环境对磁场的影响，采用麦克斯韦方程组利用解析法的方式进行直接作用力与感应阻力计算极其困难，现有技术未提供一种有效的解决方案。
总之，现有技术在使用电磁加载方式测量主轴径向刚度时，忽略了上述影响，未找到一种能够消除上述影响并且准确测量计算加载力与主轴轴线位移的方法。
因此，为了解决目前超精密主轴工作刚度测量和计算方法不够准确，尤其是径向电磁加载过程中径向合力与合位移难以直接获取的问题。本发明设计了基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量方法，基于超精密主轴的非接触式电磁加载方案，提出了一种能够更加准确地计算检验棒受到的径向合力以及合位移的大小和方向的方法，该方法能够消除电磁加载时涡流的影响，将加载过程中由于涡流影响导致电磁力偏载的情况考虑到加载力的计算之中，使得主轴工作刚度计算结果更加准确。
具体地，包括以下步骤：首先：提供圆柱形检验棒1、第一位移传感器2、第二位移传感器3、第三位移传感器4、第四位移传感器5、电磁加载器6和力传感器7。检验棒与被测主轴连接，并且与主轴同心；沿所述检验棒的两个截面的竖直方向分别安装第一位移传感器2、第三位移传感器4，沿所述检验棒的两个截面的水平方向分别安装第二位移传感器3、第四位移传感器5，每个测量截面的两个位移传感器都是沿与检验棒轴线垂直的方向布置，两个位移传感器之间的夹角控制为90°。电磁加载器安装于两个测量截面的中间位置，并且在第二位移传感器3、第四位移传感器5的对侧水平方向上，所述力传感器与电磁加载器末端串联。其次：控制被测主轴沿正方向旋转，此时第一位移传感器2测得读数记为X1，第二位移传感器3测得读数记为Y1；控制被测主轴按相同速度沿相反方向旋转，此时第一位移传感器2测得读数记为X2，第二位移传感器3测得读数记为Y2。然后：计算该转速下检验棒每个测量截面的径向位移。再者：控制被测主轴正反转，求解检验棒所受名义力的加载方向。以及：求解检验棒所受名义力的加载力大小。最后：计算主轴质心位移与等效作用力，并计算主轴径向刚度。
实施例1
如图1所示，本发明基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量方法，该方法包括：
步骤S1：通过超精密主轴刚度测试法，获取被测主轴以相同的转速在正转与反转时任一测量截面的测量值和力传感器示值；
步骤S1具体包括：
步骤S11：如图2所示，提供超精密主轴刚度测试装置：超精密主轴刚度测试装置包括圆柱形的检验棒1、第一位移传感器2、第二位移传感器3、第三位移传感器4、第四位移传感器5、电磁加载器6、力传感器7；进行各部件设置及连接：将检验棒1与被测主轴连接，并且检验棒1与被测主轴同心；沿检验棒1的第一测量截面A的竖直方向安装第一位移传感器2，沿检验棒1的第一测量截面A的水平方向安装第二位移传感器3；沿检验棒1的第二测量截面B的竖直方向安装第三位移传感器4，沿检验棒1的第二测量截面B的水平方向安装第四位移传感器5；将电磁加载器6安装于两个测量截面的中间位置，并且在第二位移传感器3与第四位移传感器5的对侧水平方向上；力传感器7与电磁加载器6末端串联。
具体地，每个测量截面的两个位移传感器都是沿与检验棒1轴线垂直的方向布置，且两个位移传感器之间的夹角控制为90°。
步骤S12：在任一测量截面内，以初始位置时的两个位置传感器测量方向的交点为坐标原点，以两测量方向建立XOY坐标系，此时沿任意方向给检验棒施加一非接触电磁力；控制被测主轴以预设转速n沿正方向旋转，获得第一位移传感器2的第一测量值和第二位移传感器3的第一测量值(即第一位移传感器2测得读数记为X1，第二位移传感器3测得读数记为Y1)；控制被测主轴按相同预设速度n沿相反方向旋转，获得第一位移传感器2的第二测量值和第二位移传感器3的第二测量值(即第一位移传感器2测得读数记为X2，第二位移传感器3测得读数记为Y2)。检验棒的半径记为R。正转时检验棒位移变化见图3，反转时检验棒位移变化见图4。
当预设转速n恒定时，被测主轴正转与反转只会影响检验棒表面涡流的方向，进而影响偏载力的方向，而偏载力方向始终与检验棒表面相切，检验棒受到的合力由加载器施加的电磁力与该偏载力合成；力传感器示值表示了电磁力的大小，在某一电流恒定的短时间内，电磁力的大小仅与电磁加载器加载端面到检验棒表面的距离有关，由于上述偏载力的存在，该距离可能存在微小变化，但当预设转速相同时(无论正转或反转)，该偏载力大小相同，可认为检验棒沿加载器轴线垂直方向的位移相同，此时力传感器的示值表示该预设转速时电磁加载器施加于检验棒的电磁力大小。因此力传感器示值是在加载器输入电流恒定时，检验棒以稳定的预设转速n转动时读取。
以上技术方案，步骤S12通过控制被测主轴正反转时分别获取检验棒上4个测量点位的位移数值，用以计算检验棒的实际位移的大小和方向。
步骤S2：根据测量值，计算在转速下检验棒某一测量截面的径向位移；
其中，d1表示被测主轴正转时检验棒某个测量截面的位移；d2分别表示被测主轴反转时检验棒某个测量截面的位移；并且：
其中：
式中，X1表示被测主轴以预设转速n沿正方向旋转时测得的第一位移传感器2的第一测量值；Y1表示被测主轴以预设转速n沿正方向旋转时测得的第二位移传感器3的第一测量值；X2表示被测主轴以预设转速n沿相反方向旋转时测得的第一位移传感器2的第二测量值；Y2表示被测主轴以预设转速n沿相反方向旋转时测得的第二位移传感器3的第二测量值；R为检验棒的半径。
步骤S3：根据检验棒某一测量截面的径向位移，计算检验棒所受名义力的加载方向；
控制被测主轴在相同速度下进行正转与反转，主轴正转与反转时，电磁铁与被测主轴检验棒之间感应力大小不变方向相反，其他力未发生变化，基于平衡状态下的质点位移变化方向与所受合力方向一致，因此正转与反转状态下测得合矢径之和的方向与电磁加载装置名义力加载方向重合，如图5所示。根据下式计算检验棒所受名义力的加载方向：
式中，β表示被测主轴以相同的转速正反转时，检验棒正转与反转时两个测量截面位移方向的夹角的平均值；d1表示被测主轴正转时检验棒某个测量截面的位移；d2分别表示被测主轴反转时检验棒某个测量截面的位移。
以上技术方案，步骤S3通过控制被测主轴以相同的转速正反转，通过正反转时检验棒的偏角求解径向加载时检验棒所受合力的加载方向。
步骤S4：根据加载方向和力传感器示值，计算检验棒实际受到的名义加载力；
控制电磁铁输入电流保持恒定，控制被测主轴在预设转速n下分别进行正转和反转，当被测主轴在预设转速n下进行正转或反转时，检验棒受到的力与电磁铁受到的力满足牛顿第三定律：大小相等方向相反，此时检验棒与电磁铁之间的受力关系如图6所示。因此可根据力传感器示值F并由下式计算检验棒实际受到的名义加载力大小为：
式中，β表示被测主轴以相同的转速正反转时，检验棒正转与反转时两个测量截面位移方向的夹角的平均值；F为力传感器7的示值。
步骤S5：根据检验棒两个测量截面的径向位移、被测主轴质心到第一测量截面A的距离、第一测量截面A到第二测量截面B的距离及名义加载力，计算被测主轴质心位移和等效作用力；
如图7所示，被测主轴质心位移dM的计算公式为：
其中，lm为被测主轴质心到第一测量截面A的距离，l为第一测量截面A到第二测量截面B的距离；d合B为在转速下检验棒第二测量截面B的径向位移；d合A为在转速下检验棒第一测量截面A的径向位移；
名义加载力F合等效作用于质心点的等效作用力FM的计算公式为：
其中，F合为检验棒实际受到的名义加载力。
步骤S6：将等效作用力除以被测主轴质心位移，得到被测主轴径向刚度。被测主轴径向刚度Kr计算公式为：
作为进一步地实施，步骤S1～S6提供的计算方法针对被测主轴达到稳定转动状态时某一时刻的数值进行计算，为得到更加精确的结果，测试过程中可通过连续多次采样、测量和计算的方式求得更多组的数值，并将多组计算结果求平均值，这样更有利于消除测量过程中的测量误差。
本发明通过以上方法测量和计算得到的超精密主轴径向工作刚度，是在模拟主轴在真实工作状态时的径向受载情况下进行的，克服了现有技术都忽略了电磁加载时涡流对检验棒受载的影响的问题。根据检验棒上两个测量截面上的4个测量点位的位移测量数值与力传感器的数值，由本发明所提供的方法可以准确的计算检验棒真实的位移大小与方向、所受合力的大小与方向，并通过几何与力学计算将加载力与位移等效换算到主轴的质心上，计算结果更能真实的反映主轴的真实受载情况与位移情况，该计算方法对于提高基于电磁加载方案下的主轴工作刚度测量结果准确性具有重要意义。
实施例2
如图8所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例提供了基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量系统，该系统使用实施例1的基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量方法；该系统与实施例1的基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量方法一一对应；该系统包括：
获取单元，用于通过超精密主轴刚度测试装置，获取被测主轴以相同的转速在正转与反转时任一测量截面的测量值和力传感器示值；
第一计算单元，用于根据测量值，计算在转速下检验棒某一测量截面的径向位移；
第二计算单元，根据检验棒某一测量截面的径向位移，计算检验棒所受名义力的加载方向；
第三计算单元，根据加载方向和力传感器示值，计算检验棒实际受到的名义加载力；
第四计算单元，根据检验棒两个测量截面的径向位移、被测主轴质心到第一测量截面A的距离、第一测量截面A到第二测量截面B的距离及名义加载力，计算被测主轴质心位移和等效作用力；
第五计算单元，将等效作用力除以被测主轴质心位移，得到被测主轴径向刚度。
作为进一步地实施，超精密主轴刚度测试装置包括圆柱形的检验棒1、第一位移传感器2、第二位移传感器3、第三位移传感器4、第四位移传感器5、电磁加载器6、力传感器7；
检验棒1与被测主轴连接，并且检验棒1与被测主轴同心；沿检验棒1的第一测量截面A的竖直方向安装第一位移传感器2，沿检验棒1的第一测量截面A的水平方向安装第二位移传感器3；沿检验棒1的第二测量截面B的竖直方向安装第三位移传感器4，沿检验棒1的第二测量截面B的水平方向安装第四位移传感器5；
电磁加载器6安装于两个测量截面的中间位置，并且在第二位移传感器3与第四位移传感器5的对侧水平方向上；力传感器7与电磁加载器6末端串联。
作为进一步地实施，每个测量截面的两个位移传感器都是沿与检验棒1轴线垂直的方向布置，且两个位移传感器之间的夹角控制为90°。
其中，各个单元的执行过程按照实施例1的基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量方法流程步骤执行即可，此实施例中不再一一赘述。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量方法，其特征在于，该方法包括：
通过超精密主轴刚度测试法，获取被测主轴以相同的转速在正转与反转时任一测量截面的测量值和力传感器示值；
根据所述测量值，计算在所述转速下检验棒某一测量截面的径向位移；
根据检验棒某一测量截面的径向位移，计算检验棒所受名义力的加载方向；
根据所述加载方向和力传感器示值，计算检验棒实际受到的名义加载力；
根据检验棒两个测量截面的径向位移、被测主轴质心到第一测量截面的距离、第一测量截面到第二测量截面的距离及所述名义加载力，计算被测主轴质心位移和等效作用力；
将所述等效作用力除以所述被测主轴质心位移，得到被测主轴径向刚度。
2.根据权利要求1所述的基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量方法，其特征在于，所述超精密主轴刚度测试法包括：
提供超精密主轴刚度测试装置：所述超精密主轴刚度测试装置包括检验棒(1)、第一位移传感器(2)、第二位移传感器(3)、第三位移传感器(4)、第四位移传感器(5)、电磁加载器(6)、力传感器(7)；
进行各部件设置及连接：将所述检验棒(1)与被测主轴连接，并且所述检验棒(1)与被测主轴同心；沿所述检验棒(1)的第一测量截面的竖直方向安装第一位移传感器(2)，沿所述检验棒(1)的第一测量截面的水平方向安装第二位移传感器(3)；沿所述检验棒(1)的第二测量截面的竖直方向安装第三位移传感器(4)，沿所述检验棒(1)的第二测量截面的水平方向安装第四位移传感器(5)；将所述电磁加载器(6)安装于两个测量截面的中间位置，并且在第二位移传感器(3)与第四位移传感器(5)的对侧水平方向上；所述力传感器(7)与电磁加载器(6)末端串联。
3.根据权利要求2所述的基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量方法，其特征在于，每个测量截面的两个位移传感器都是沿与所述检验棒(1)轴线垂直的方向布置，且两个位移传感器之间的夹角为90°。
4.根据权利要求2所述的基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量方法，其特征在于，获取被测主轴以相同的转速在正转与反转时任一测量截面的位移值和力传感器示值，包括：
在任一测量截面内，以初始位置时的两个位置传感器测量方向的交点为坐标原点，以两测量方向建立XOY坐标系，此时沿任意方向给检验棒施加一非接触电磁力；
控制被测主轴以预设转速沿正方向旋转，获得第一位移传感器(2)的第一测量值和第二位移传感器(3)的第一测量值；
控制被测主轴按相同预设速度沿相反方向旋转，获得第一位移传感器(2)的第二测量值和第二位移传感器(3)的第二测量值。
5.根据权利要求2所述的基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量方法，其特征在于，检验棒所受名义力的加载方向，计算公式为：
式中，β表示被测主轴以相同的转速正反转时，检验棒正转与反转时两个测量截面位移方向的夹角的平均值；d1表示被测主轴正转时检验棒某个测量截面的位移；d2分别表示被测主轴反转时检验棒某个测量截面的位移；X1表示被测主轴以预设转速沿正方向旋转时测得的第一位移传感器(2)的第一测量值；Y1表示被测主轴以预设转速沿正方向旋转时测得的第二位移传感器(3)的第一测量值；X2表示被测主轴以预设转速沿相反方向旋转时测得的第一位移传感器(2)的第二测量值；Y2表示被测主轴以预设转速沿相反方向旋转时测得的第二位移传感器(3)的第二测量值；R为检验棒的半径。
6.根据权利要求2所述的基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量方法，其特征在于，检验棒实际受到的名义加载力，计算公式为：
式中，β表示被测主轴以相同的转速正反转时，检验棒正转与反转时两个测量截面位移方向的夹角的平均值；F为力传感器(7)的示值。
7.根据权利要求2所述的基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量方法，其特征在于，所述被测主轴质心位移dM的计算公式为：
其中，lm为被测主轴质心到第一测量截面的距离，l为第一测量截面到第二测量截面的距离；d合B为在所述转速下检验棒第二测量截面的径向位移；d合A为在所述转速下检验棒第一测量截面的径向位移；
所述等效作用力FM的计算公式为：
F合为检验棒实际受到的名义加载力。
8.基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量系统，其特征在于，该系统包括：
获取单元，用于通过超精密主轴刚度测试装置，获取被测主轴以相同的转速在正转与反转时任一测量截面的测量值和力传感器示值；
第一计算单元，用于根据所述测量值，计算在所述转速下检验棒某一测量截面的径向位移；
第二计算单元，根据检验棒某一测量截面的径向位移，计算检验棒所受名义力的加载方向；
第三计算单元，根据所述加载方向和力传感器示值，计算检验棒实际受到的名义加载力；
第四计算单元，根据检验棒两个测量截面的径向位移、被测主轴质心到第一测量截面的距离、第一测量截面到第二测量截面的距离及所述名义加载力，计算被测主轴质心位移和等效作用力；
第五计算单元，将所述等效作用力除以所述被测主轴质心位移，得到被测主轴径向刚度。
9.根据权利要求8所述的基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量系统，其特征在于，所述超精密主轴刚度测试装置包括检验棒(1)、第一位移传感器(2)、第二位移传感器(3)、第三位移传感器(4)、第四位移传感器(5)、电磁加载器(6)、力传感器(7)；
所述检验棒(1)与被测主轴连接，并且所述检验棒(1)与被测主轴同心；沿所述检验棒(1)的第一测量截面的竖直方向安装第一位移传感器(2)，沿所述检验棒(1)的第一测量截面的水平方向安装第二位移传感器(3)；沿所述检验棒(1)的第二测量截面的竖直方向安装第三位移传感器(4)，沿所述检验棒(1)的第二测量截面的水平方向安装第四位移传感器(5)；
所述电磁加载器(6)安装于两个测量截面的中间位置，并且在第二位移传感器(3)与第四位移传感器(5)的对侧水平方向上；所述力传感器(7)与电磁加载器(6)末端串联。
10.根据权利要求9所述的基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量系统，其特征在于，每个测量截面的两个位移传感器都是沿与所述检验棒(1)轴线垂直的方向布置，且两个位移传感器之间的夹角为90°。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410079921.5A CN117890248A (zh) | 2024-01-18 | 2024-01-18 | 基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN117890248A true CN117890248A (zh) | 2024-04-16 |
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| CN202410079921.5A Pending CN117890248A (zh) | 2024-01-18 | 2024-01-18 | 基于电磁加载的超精密主轴径向工作刚度的精确测量方法 |
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|---|---|
| CN (1) | CN117890248A (zh) |
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2024
- 2024-01-18 CN CN202410079921.5A patent/CN117890248A/zh active Pending
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