一种测试高速机床主轴动态特性的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种测试高速机床主轴动态特性的装置及方法，测试系统包括：安装于机床主轴上的虚拟刀具，以及安装于机床工作台上的三向测力仪和磁力表座；其中，三向测力仪上安装有电磁加载装置，且虚拟刀具插入电磁加载装置中，电磁加载装置的底部开设有与电磁力的方向相同的通槽；磁力表座设置于三向测力仪的两侧，磁力表座上安装有激光位移传感器，激光位移传感器的光斑能够穿过通槽，能够同时对主轴径向不同方向进行加载，不需要对加载装置进行调整，便于分析机床主轴在径向不同方向上的静动刚度；电磁加载装置设计有冷却装置，有效地解决了目前面临的电磁加载过程中随着加载时间的增加会产生大量的热从而影响主轴性能的问题。
【专利说明】-种测试高速机床主轴动态特性的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高速机床主轴动态特性测试与分析【技术领域】，主要设及一种测试高速 机床主轴动态特性的装置及方法。
【背景技术】
[0002] 高速主轴作为高速制造装备的核屯、功能部件，其性能的好坏对于加工效率、加工 精度具有重大的影响，在某种程度上甚至直接决定着高速制造装备的性能水平，因此研究 并发展高速主轴变得日趋重要。目前高速机床主轴的研究主要面临的困难之一就是如何获 得主轴在高速旋转情况下的动态特性。由于在高速旋转情况下，考虑到离屯、力、巧螺力矩W 及热变形的影响，主轴轴承的刚度会产生较大的变化，而轴承的刚度在一定程度上直接影 响着主轴的动态特性，因此在高速旋转情况下主轴的动态特性会发生较大的变化。此时，如 何在主轴高速旋转情况下获得其动态特性显得尤为重要。
[0003] 主轴的动态特性主要包括主轴在旋转情况下的刚度及主轴端部或刀具端部的频 响函数，其中刚度又包括静刚度和动刚度，同时频响函数与动刚度互为倒数，通过分析频响 函数又可W得到主轴系统的各阶固有频率及对应的模态刚度、模态阻巧，因此静刚度的测 量W及频响函数的测量对于分析主轴的动态特性有重要意义。
[0004] 静刚度主要是用使物体产生单位位移所需要施加的载荷来定义，动刚度则用动态 载荷比上动态载荷引起的动态位移响应来定义，频响函数则是用单位动态载荷引起的动态 位移响应来定义。可W看到频响函数与动刚度互为倒数，通过频响函数可W得到动刚度，通 过动刚度又可W得到频响函数，一般习惯用频响函数来表征主轴的动态特性，因此本发明 主要针对主轴静刚度的测量和频响函数的测量进行表述。主轴静刚度的测量一般是对主 轴进行稳定载荷的加载，然后测得其沿加载方向的位移，再根据静刚度的定义进行计算。主 轴频响函数的测量则常对主轴进行动态载荷的激励，同时测得其激励方向上的动态位移响 应，再求其频响函数。
[0005] 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是最大的难点。目 前加载的方法主要分为两类；接触式、非接触式。前者常利用在主轴轴端或虚拟刀具的端部 安装轴承，通过对轴承外圈的加载来实现对主轴的加载，其优点是结构简单，操作方便，但 缺点是不能实现高转速下的加载，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。后者的优点是测量结果比较准确，缺点是结构比较复杂，需要非接触加载装置。非 接触式加载又主要包括两类：电磁加载、气悬浮加载。前者可W提供恒定载荷加载和频率逐 渐变化的动态载荷加载，但由于存在祸流损耗，长时间加载会导致比较严重的热效应，并且 由于祸流效应的影响，加载力会随着主轴转速的提高而下降，后者由于不能够提供频率逐 渐变化的动态载荷加载，因此只适用于主轴静刚度的测量。
【发明内容】
[0006] 针对上述缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种测试高速机床主轴动态特性的 装置及方法，能够获得高速机床主轴在任意转速下的动态特性，针对电磁加载过程中主轴 轴端会产生较多热量的问题设计了虚拟刀具，并对其结构进行优化，减少了虚拟刀具产生 的祸流损耗。
[0007] 为达到目的，本发明的技术方案为：
[000引一种测试高速机床主轴动态特性的装置，包括：测试系统W及采集系统：
[0009] 测试系统包括：安装于机床主轴上的虚拟刀具，W及安装于机床工作台上的S向 测力仪和磁力表座；其中，=向测力仪上安装有电磁加载装置，且虚拟刀具插入电磁加载装 置中，电磁加载装置的底部开设有与电磁力的方向相同的通槽；磁力表座设置于=向测力 仪的两侧，磁力表座上安装有激光位移传感器，激光位移传感器的光斑能够穿过通槽；
[0010] 采集系统包括：功率放大器、电荷放大器、力信号数据采集系统、W及位移信号数 据采集系统；直流电流信号、交流电流信号通过功率放大器放大后通入电磁加载装置，=向 测力仪测得的虚拟刀具的力信号，并将力信号通过电荷放大器后，利用力信号数据采集系 统进行信号采集，激光位移传感器利用位移信号数据采集系统进行信号采集，分别得到虚 拟刀具受到的力信号和虚拟刀具端部的位移信号。
[0011] 所述电磁加载装置包括：若干铁巧，铁巧上缠绕有线圈，铁巧外壁设置有冷却水 套，冷却水套上安装有外壳，虚拟刀具插于铁巧中，且铁巧的轴线与虚拟刀具的轴线重合。
[0012] 所述电磁加载装置中设置有八个铁巧，相邻线圈为一组线圈组，四组线圈组对称 分布。
[0013] 所述铁巧由娃钢片叠加形成。
[0014] 所述铁巧与虚拟刀具之间设置有间隙，且间隙距离为0. 5mm。
[0015] 所述冷却水套上开设有螺旋切槽。
[0016] 所述虚拟刀具为导磁性材料制成，虚拟刀具的表面开有均匀分布的环形切槽。
[0017] 所述激光位移传感器分辨率为0. 1微米，分别对称布置在虚拟刀具径向受载方向 的两侧，同时测量正向和反向的位移信号。
[0018] 所述虚拟刀具通过主轴刀柄安装于机床主轴上。
[0019] 一种测试高速机床主轴动态特性的测试方法，包括W下步骤：
[0020] 1)静刚度的测量：将虚拟刀具连接到机床主轴上，给定机床主轴1任一转速，然后 给其中一组线圈组供直流电Id，其余线圈组断电，调整直流电流Id的大小，测量记录不同电 流下的力信号F，同时测量在加载方向上的两个激光位移传感器的位移信号Xi与X2,将两个 位移信号相减，得到机床主轴在受载情况下的实际位移对力信号F及位移 信号X进行计算处理，得到机床主轴的静刚度；
[0021] 2)频响函数的测量；将虚拟刀具连接到机床主轴上，给对称分布的两组线圈组分 别通入直流电与交流电的叠加，其中一组线圈组通入直流电Id和交流电I A的叠加，另一组 线圈组通入相同大小的直流电Id和相同大小的反相交流电Im的叠加，其中，Im= -Ia，其 余线圈不通电，改变交流电Ia的频率，同时测量记录不同频率下的力信号F，W及在加载方 向上的两个激光位移传感器的位移信号Xi与X 2,将两个位移信号相减，得到机床主轴在受 载情况下的实际位移义=对力信号F及位移信号X进行处理，得到主轴的频响函 数曲线、动刚度曲线。
[0022] 与现有技术比较，本发明的有益效果为：
[0023] 本发明提供的一种测试高速机床主轴动态特性的装置及方法，能够同时对主轴径 向不同方向进行加载，不需要对加载装置进行调整，便于分析机床主轴在径向不同方向上 的静刚度及频响函数；电磁加载装置设计有冷却装置，有效地解决了目前面临的电磁加载 过程中随着加载时间的增加会产生大量的热从而影响主轴性能的问题。
[0024] 进一步的，本发明中虚拟刀具采用导磁性较好的材料，利用有限元分析技术进行 电磁场分析，对其进行优化设计，减小虚拟刀具产生的祸流，在其表面开有环形切槽，有效 地解决了目前面临的在加载过程中由导磁材料制成的虚拟刀具或测试椿产生祸流效应，其 祸流损耗会产生较多的热量进而影响主轴性能甚至使主轴损坏W及由于祸流效应产生的 反向磁场使加载力随转速的升高而下降等问题。
[0025] 进一步的，本发明中采用高精度的激光位移传感器，解决了电祸流位移传感器在 实际测量时由于受到电磁场的影响无法正常工作W及电容式位移传感器安装要求过高容 易导致在测量过程中传感器与虚拟刀具发生碰撞的问题，并使用两个激光位移传感器获取 同一时刻的位移信号，最后再做减法，有效地消除了由于主轴系统存在偏屯、质量W及虚拟 刀具的周向热膨胀导致位移信号产生的误差，使得结果更加准确。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图1为本发明的结构示意图；
[0027] 图2为本发明的电磁加载装置结构示意图；
[002引 图3为本发明的电磁加载原理图；
[0029] 图4为本发明的虚拟刀具的结构示意图；
[0030] 其中，1为机床主轴，2为主轴刀柄，3为虚拟刀具，4为电磁加载装置外壳，5为冷却 水套，6激光位移传感器，7为磁力表座，8为机床工作台，9为铁巧，10为线圈，11为=向测 力仪，12为电荷放大器，13为力信号数据采集系统，14为PC机，15为位移信号数据采集系 统，16为电流信号发生器，17为功率放大器，18为固定螺栓，19为紧定螺钉，20为冷却水输 出接口，21为冷却水输入接口。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图对本发明做详细描述。
[003引如图1. 2所示，本发明提供了一种测试高速机床主轴动态特性的装置，包括：测量 系统W及采集系统：
[0033] 测量系统包括读装于机床主轴1上的虚拟刀具3, W及安装于机床工作台8上的 S向测力仪11和磁力表座7 向测力仪11通过固定螺栓18固定安装于机床工作台8上， 其中，S向测力仪11上利用紧定螺钉19固定安装有电磁加载装置，从而可W得到作用在电 磁加载装置上的力，由于力的作用是相互的，由此可W得到作用在主轴上的力。
[0034] 虚拟刀具3插入电磁加载装置中，电磁加载装置的底部开设有与电磁力的方向相 同的通槽；磁力表座7设置于=向测力仪11的两侧，磁力表座7上安装有激光位移传感器 6,激光位移传感器6的光斑能够穿过通槽；所述虚拟刀具3为导磁性材料制成，虚拟刀具3 的表面开有均匀分布的环形切槽。
[0035] 采集系统包括：功率放大器17、电荷放大器12、力信号数据采集系统13、W及位移 信号数据采集系统15 ;电流信号发生器16产生直流电流信号、交流电流信号，直流电流信 号、交流电流信号通过功率放大器17放大后通入电磁加载装置，=向测力仪11测得的虚拟 刀具3的力信号，并将力信号通过电荷放大器12后，利用力信号数据采集系统13进行信号 采集，激光位移传感器6利用位移信号数据采集系统15进行信号采集，分别得到虚拟刀具 3受到的力信号和虚拟刀具3端部的位移信号，通过PC机14进行数据分析。
[0036] 所述电磁加载装置包括：若干铁巧9,铁巧9由娃钢片叠加形成，铁巧9上缠绕有 线圈10,铁巧9外壁设置有冷却水套5,冷却水套5上安装有外壳4,虚拟刀具3插于铁巧9 中，且铁巧9的轴线与虚拟刀具3的轴线重合，铁巧9与虚拟刀具3之间设置有间隙，且间隙 距离为1mm，外壳4上设置有与冷却水套5连接的冷却水输出接口 20和为冷却水输入接口 21 ;如图3所示，图3中的线圈组a为例，介绍电磁加载的原理：给a组线圈通入电流，将产 生图3中所示方向的电磁场，根据电磁理论的相关知识，线圈组a将对主轴产生电磁力F。， 方向如图3中所示。可W利用不同的线圈组分别实现各个方向上的电磁力加载。
[0037] 虚拟刀具3通过主轴刀柄2安装在机床主轴1上，冷却水套5上开设有螺旋切槽； 示例性的，本发明中电磁加载装置包括八个线圈，每两个相邻的线圈组成一组，与对称位置 上的一组线圈共同产生电磁力对主轴进行加载或激励，分别提供X方向与Y方向的电磁力； 铁巧9的外部有冷却水套，通入冷却水对电磁加载装置进行冷却，避免产生的热量过多地 传递给机场主轴1。具体的，铁巧9和线圈10的外部有环状的冷却水套5和外壳4,其材料 为导磁性较差的不诱钢材料，减少漏磁。
[003引本发明中=向测力仪11利用压板或螺钉固定在机床工作台上，其分辨率可W达 到0.01N，可W实时地得到=个方向上的力；电磁加载装置可W利用螺栓固定在=向测力 仪上，从而可W得到作用在电磁加载装置上的力，由于力的作用是相互的，由此可W得到作 用在主轴上的S个方向的力；
[0039] 具体的，如图4所示，虚拟刀具由导磁性较好的金属材料仿照刀具的接口形式制 成，在其表面加工有均匀分布的环形切槽，减少虚拟刀具产生的祸流效应，从而一方面避免 电磁力随主轴转速的升高而下降，另一方面减少祸流损耗导致的温升，进而避免主轴温度 过高。
[0040] 激光位移传感器6有两个，分辨率为0. 1微米，分别布置在主轴轴端径向受载方向 的两侧，在冷却水套5的下部的圆周上开有4个与线圈10产生电磁力方向相同的孔，激光 位移传感器6的光束可W穿过该些孔照射到主轴轴端，调整激光位移传感器6的位置使其 位于量程范围内，调整光束使其垂直于主轴轴端圆周的轴线。
[0041] 本发明还提供了一种测试高速机床主轴动态特性的测试方法，包括W下步骤：
[0042] 1)静刚度的测量；W测量图3中所示的Y方向上的静刚度为例，将虚拟刀具3连 接到机床主轴1上，然后给其中一组线圈组a或线圈组C供直流电Id,其余线圈组断电，调 整直流电流Id的大小，测量记录不同电流下的力信号F，同时测量在加载方向上的两个激光 位移传感器的位移信号Xi与X 2,将两个位移信号相减，得到机床主轴1在受载情况下的实 际位移X =义义2对力信号F及位移信号X进行计算处理，得到机床主轴1的静刚度；
[0043] 所述的静刚度的测量中产生加载力F的原理为：
[0044] 当线圈通过电流时，铁巧对虚拟刀具产生的吸引力为，
[0045] (1)
[0046] 其中，B为线圈产生的磁感强度，A为位于磁场中的导磁体的截面积，y。为磁导率。
[0047] 当给其中一组线圈供直流电Id时，将产生稳定的电磁场，式1中的磁感应强度不 变，则产生的电磁力也不变，从而实现稳定载荷的加载。
[0048] 。频响函数的测量；W测量图3中所示的Y方向上的频响函数为例，将虚拟刀 具连接到机床主轴上，给对称分布的线圈a和线圈C分别通入直流电与交流电的叠加，其 中线圈组a通入直流电Id和交流电I A的叠加，线圈组C通入相同大小的直流电Id和与交 流电Ia大小相同的反相交流电Iai的叠加，其中，Iai= -Ia，其余线圈不通电，改变交流电 Ia的频率，同时测量记录不同频率下的力信号F，W及在加载方向上的两个激光位移传感 器的位移信号Xi与X 2,将两个位移信号相减，得到机床主轴（1)在受载情况下的实际位移 对力信号F及位移信号X进行处理，得到主轴的频响函数曲线、动刚度曲线。
[0049] 所述的频响函数的测量中产生加载力F的原理为；
[0050] 当给对称分布的两组线圈通入直流电Id和交流电Ia的叠加、直流电Id和相同大小 的反相交流电Iai的叠加时，直流电Id产生稳定的电磁场，设磁感强度为Bd，交流电Ia产生 交变的电磁场，设磁感强度为BAsinot，Ba为磁感强度的峰值，由于I M= -I A，则交流电Iai 产生的电磁场的磁感强度为-BAsinot。
[0化1] 由Id和I A叠加的电流将产生叠加的电磁场，磁感强度为：
[0052] Bi= Bo+BAsinot (2)
[005引将式似带入式（1)中，可得到电磁力为：
[0054] (3)
[005引同理，由Id和I A遣加的电流产生的叠加的电磁场的磁感强度为：
[0056] B2= B D-BAsin?t (4)
[0057] 将式（4)带入式（1)中，可得到电磁力为：
[005引 (5)
[0化9] 则作用在虚拟刀具上的电磁力为Fi和F2的合力，其表达式为：
[0060]
【权利要求】
1. 一种测试高速机床主轴动态特性的装置，其特征在于，包括：测试系统以及采集系 统： 测试系统包括：安装于机床主轴（1)上的虚拟刀具（3)，以及安装于机床工作台（8) 上的三向测力仪（11)和磁力表座（7);其中，三向测力仪（11)上安装有电磁加载装置，且 虚拟刀具⑶插入电磁加载装置中，电磁加载装置的底部开设有与电磁力的方向相同的通 槽；磁力表座（7)设置于三向测力仪（11)的两侧，磁力表座（7)上安装有激光位移传感器 (6)，激光位移传感器（6)的光斑能够穿过通槽； 采集系统包括：功率放大器（17)、电荷放大器（12)、力信号数据采集系统（13)、以及位 移信号数据采集系统（15);直流电流信号、交流电流信号通过功率放大器（17)放大后通入 电磁加载装置，三向测力仪（11)测得的虚拟刀具⑶的力信号，并将力信号通过电荷放大 器（12)后，利用力信号数据采集系统（13)进行信号采集，激光位移传感器（6)利用位移信 号数据采集系统（15)进行信号采集，分别得到虚拟刀具（3)受到的力信号和虚拟刀具（3) 端部的位移信号。
2. 根据权利要求1所述的一种测试高速机床主轴动态特性的装置，其特征在于，所述 电磁加载装置包括：若干铁芯（9)，铁芯（9)上缠绕有线圈（10)，铁芯（9)外壁设置有冷却 水套（5)，冷却水套（5)上安装有外壳（4)，虚拟刀具⑶插于铁芯（9)中，且铁芯（9)的轴 线与虚拟刀具（3)的轴线重合。
3. 根据权利要求2所述的一种测试高速机床主轴动态特性的装置，其特征在于，所述 电磁加载装置中设置有八个铁芯（9)，相邻线圈为一组线圈组，四组线圈组对称分布。
4. 根据权利要求2或3所述的一种测试高速机床主轴动态特性的装置，其特征在于，所 述铁芯（9)由硅钢片叠加形成。
5. 根据权利要求2所述的一种测试高速机床主轴动态特性的装置，其特征在于，所述 铁芯（9)与虚拟刀具（3)之间设置有间隙，且间隙距离为1mm。
6. 根据权利要求2所述的一种测试高速机床主轴动态特性的装置，其特征在于，所述 冷却水套（5)上开设有螺旋切槽。
7. 根据权利要求1所述的一种测试高速机床主轴动态特性的装置，其特征在于，所述 虚拟刀具（3)为导磁性材料制成，虚拟刀具（3)的表面开有均匀分布的环形切槽。
8. 根据权利要求1所述的一种测试高速机床主轴动态特性的装置，其特征在于，所述 激光位移传感器（6)分辨率为0. 1微米，分别对称布置在虚拟刀具（3)径向受载方向的两 侦牝同时测量正向和反向的位移信号。
9. 根据权利要求1所述的一种测试高速机床主轴动态特性的装置，其特征在于，所述 虚拟刀具（3)通过主轴刀柄（2)安装于机床主轴（1)上。
10. -种基于权利要求3所述的高速机床主轴动态特性的测试方法，其特征在于，包括 以下步骤： 1)静刚度的测量：将虚拟刀具⑶连接到机床主轴⑴上，给定机床主轴1任一转速， 然后给其中一组线圈组供直流电ID，其余线圈组断电，调整直流电流Id的大小，测量记录不 同电流下的力信号F，同时测量在加载方向上的两个激光位移传感器的位移信号&与X2，将
及位移信号X进行计算处理，得到机床主轴（1)的静刚度； 2)频响函数的测量：将虚拟刀具连接到机床主轴上，给对称分布的两组线圈组分别通 入直流电与交流电的叠加，其中一组线圈组通入直流电Id和交流电IA的叠加，另一组线圈 组通入相同大小的直流电Id和相同大小的反相交流电Iai的叠加，其中，Iai= -Ia，其余线 圈不通电，改变交流电Ia的频率，同时测量记录不同频率下的力信号F，以及在加载方向上 的两个激光位移传感器的位移信号&与X2，将两个位移信号相减，得到机床主轴（1)在受
【文档编号】G01M13/04GK104502102SQ201410722897
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月2日 优先权日:2014年12月2日
【发明者】苏文军, 洪军, 万少可, 张进华, 李小虎, 邱志惠, 刘光辉, 马劭航 申请人:西安交通大学