一种机床主轴刚度测试方法及其系统与流程

本发明涉及机床动态性能检测领域，特别是涉及一种径-轴向复合非接触式加载器及机床主轴刚度测试系统。

背景技术：

高速化、加工高精度化是机械制造业的发展方向，而工件加工精度的提高依赖于对切削加工精度影响因素的研究。目前，制约机床切削加工精度的主要原因是振动，包括主轴的质量不平衡引起的受迫振动、切削过程中较易产生的再生型颤振、以及机外振源等。对于机床主轴受迫振动的预测是提高切削精度的重要途径，而预测的精度往往受限于未能考虑主轴刚度、阻尼等因素在运动状态下的变化。机床主轴在转动时由于离心力的影响，主轴与刀柄结合面的压力会减弱，结合面的接触刚度减弱，从而会削弱主轴部件的弯曲刚度，此外，由于轴承是主轴部件刚度的薄弱环节，主轴转动时两端轴承在内外离心力以及陀螺力矩的作用下，轴承刚度也会变化，从而也会影响主轴部件的弯曲刚度。主轴在转动过程中温升对主轴弯曲刚度的影响也不容忽视。

如上所述，机床主轴部件在运转的情况下弯曲刚度值是变化的，而影响弯曲刚度主要因素有：转速、温度等。由于在机床切削加工过程中主轴受径向、轴向、切向三向切削力，研究发现，主轴所受的轴向动态切削力会增强刀柄与主轴结合面的接触刚度和阻尼，对机床主轴运转情况下的弯曲刚度产生较大的影响，如何测量及评价转动的机床主轴受到径-轴向复合切削力时，机床主轴弯曲刚度的变化的的问题。

技术实现要素：

本发明目的就是解决如何测量及评价转动的机床主轴受到径-轴向复合切削力时，机床主轴弯曲刚度的变化这一难题。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种机床主轴刚度测试系统的测试方法，包括以下步骤：

S1、不同转速时，在仅施加径向力情况下测量机床主轴的弯曲变形；

S2、不同转速时，同时施加径向力与轴向力情况下测量机床主轴的弯曲变形；

S3、根据S1、S2的测量结果分析轴向力值的变化以及速度变化对主轴弯曲刚度的影响。

本发明的技术问题还通过以下的技术方案予以解决：

一种机床主轴刚度测试系统，包括加载器、测试棒、位移传感器组件、三向测力仪、信号采集与调理系统；所述测试棒的工作部分设置在所述径-轴向复合非接触式加载器的内腔，所述位移传感器组件用于调节位移传感器与所述测试棒之间的间距；所述三向测力仪用于测量所述测试棒的受力情况；所述信号采集与调理系统分别与所述位移传感器、三向测力仪相连，所述信号采集与调理系统用于接收位移传感器和三向测力仪的信号，并将采集到的数据传输到计算机中进行处理。

优选地，步骤S1中，将机床主轴的转速由0r/min逐渐的调至n₁r/min,空转一定时间后给径向线圈通电，改变径向线圈中电流值的大小，通过信号采集与调理系统获得多组径向力和径向位移值{F_w1k},{δ_w1k}，k＝1,2,3....m，对{F_w1k},{δ_w1k}序列分别进行离散傅里叶变换，可得：{F_w1k(w)},{δ_w1k(w)}，k＝1,2,3....m力与位移的比值：F_w1k(w)/δ_w1k(w)即为频域下的刚度值，即：K_w1k(w)＝F_w1k(w)/δ_w1k(w),k＝1,2,3...m。

优选地，分布均匀各个速度测量点的间距，测量范围涵盖常用切削速度段。

优选地，步骤S2中，将机床主轴的转速由0r/min逐渐的调至n1r/min,空转一定时间后给径向线圈和轴向线圈同时通电，因为刀具切削过程中径向力与轴向力的变化是一致的，所以当给轴向线圈通以一定的电流值时获得轴向力值为M1，改变径向线圈的电流以获得不同幅值和频率的径向力，径向力的频率与轴向力的频率保持一致，设此时的弯轴向复合系数为测量可得：(M₁,F_f11k,δ_11k),k＝1,2,3...m，对{F_f11k}{δ_11k}，i＝1,2,3...m进行离散傅里叶变换可得{F_f11k(w)}{δ_11k(w)}，k＝1,2,3...m，计算频域下的刚度可得：

K_f11k(w)＝F_f11k(w)/δ_11k(w),k＝1,2,3...m

改变轴向力值为M₂，同理可得：K_f12k(w)＝F_f12k(w)/δ_12k(w),k＝1,2,3...m

优选地，步骤S2中所施加的径向力的频率、幅值、转速测量点的选择与步骤S1中相同。

优选地，步骤S3中，以K_wλk(w)为对比项，与K_fλjk(w)之作对比，分析在同一转速即λ相同时，当改变轴向力值时，两个值的大小关系。

优选地，所述位移传感器组件包括位移传感器和微调平台，所述微调平台用于精确调节位移传感器的位置，使所述位移传感器在x、y、z方向上做微小的移动，所述位移传感器的探头靠近测试棒的端部；

所述三向测力仪与径-轴向复合加载相连接，用于测量测试棒所受的径向力与轴向力。

优选地，所述加载器为径-轴向复合非接触式加载器，所述径-轴向复合非接触式加载器包括所述径向加载部分和轴向加载部分，所述所述径向加载部分包括径向线圈和径向铁芯，用于对所述测试棒施加径向力，所述轴向加载部分包括轴向线圈和轴向铁芯，用于对所述测试棒施加轴向力；

所述测试棒的一端与机床主轴相连接，另一端置于径-轴向复合加载器的内腔正中位置，与径-轴向复合加载器非接触。

优选地，所述径向铁芯的加载面与所述测试棒、所述轴向铁芯的加载面与所述测试棒间具有均匀间隙，所述间隙为0.5mm-2.5mm。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的一种机床主轴刚度测试方法及其系统，提供了一套用于研究轴向切削力对机床运转主轴弯曲刚度影响的实验方法和装置，模拟机床实际切削过程给主轴施加一个可控的非接触式轴向力，同时施加一个非接触式径向力，可以获取主轴所受动态轴向力、转速值对主轴弯曲刚度的影响，为改善机床主轴的动态性能提供了实验手段和方法。

附图说明

图1、图2是本发明机床主轴刚度测试系统的总体装配图；

图3是本发明机床主轴刚度测试系统的位移传感器安装示意图；

图4是本发明径-轴向复合非接触式加载器结构分解示意图；

图5是本发明机床主轴刚度测试系统的轴向加载结构示意图；

图6是本发明机床主轴刚度测试系统的径向装配结构示意图；

图7是本发明机床主轴刚度测试系统的径向加载原理图；

图8是本发明机床主轴刚度测试系统的轴向加载原理图；

图9是本发明机床主轴刚度测试系统的信号处理示意图；

图10是本发明机床主轴刚度测试系统的测试流程框图。

具体实施方式

本发明机床主轴刚度测试系统的总体装配图如图1、2所示，包括机床工作台5、径-轴向复合非接触式加载器4、测试棒3、位移传感器组件、三向测力仪组件7；

测试棒3的工作部分为圆柱状；

径-轴向复合加载器4安装在立式机床1的工作台5上，测试棒3的一端与机床主轴2相连，另一端置于径-轴向复合加载器4的内腔正中位置，不与径-轴向复合加载器4接触。

位移传感器组件通过传感器位移6安装在机床1的工作台5上，位移传感器6的探头应靠近测试端3的圆柱面，且尽量保证位移测量方向与测试棒所受径向力方向一致。

三向测力仪组件7一端与径-轴向复合加载器4的加载器安装板相连接，另一端固定在机床工作台5上，用于测量测试棒3所受的径向力与轴向力。

位移传感器组件如图3所示，包括：位移传感器安装板18、微调平台19、微调平台安装板20，微调平台19可以在x、y、z方向上做微小的移动，用于精确调节位移传感器6的位置，位移传感器6安装在位移传感器安装板18上，位移传感器安装板18安装在微调平台19上，微调平台19安装在微调平台安装板20上，所述微调平台安装板20安装在机床工作台5上。位移传感器6的探头靠近测试棒3的端部，测量过程中通过调节微调平台19以获得最佳的测量点。

位移传感器6为激光位移传感器。

径-轴向复合非接触式加载器4结构示意图如图4所示，包括盖板8、径向线圈9、平键10、径向铁芯11、机座12、底座13、轴向安装板14、轴向线圈15、轴向铁芯16、安装板17，径向线圈9、径向铁芯11、机座12组成径向加载部件。

盖板8、径向铁芯11、机座12、底座13、轴向安装板14、轴向线圈15、轴向铁芯16、安装板17都是盘类零件，盖板8、机座12、底座13、轴向安装板14、轴向铁芯16、安装板17上都设有安装孔，径向线圈9由相同的四部分组成，径向铁芯11内部分布有四个均布的凸出体，分别用于绕制径向线圈9，机座12为盘类零件，其内孔孔径等于径向铁芯11的外径，其上设有与盖板8连接的连接孔和与底座13连接的连接孔，底座13的两端分布有安装孔，一端与机座12相连，另一端与安装板17相连，轴向铁芯16也为盘类零件轴向线圈15绕在轴向铁芯16内部的圆柱体上，轴向铁芯16安装在轴向安装板14上。

轴向加载部件结构如图5所示，包括轴向安装板14、轴向线圈15、轴向铁芯16，轴向线圈15套入轴向铁芯16，并用环氧树脂胶固定轴向线圈15，将套好轴向线圈15的轴向铁芯16通过安装孔安装在轴向安装板14上，轴向安装板14固定在底座13上，底座13安装在安装板17上；径向线圈9绕进径向铁芯11然后将径向铁芯11套入机座12中，平键10用于防止径向铁芯11在机座12中的相对转动，盖板8安装在机座12上，再将机座12安装到底座13上。

装配顺序是先将加载器安装板17安装在三向测力仪7上，再将轴向安装板14安装在底座13上，轴向线圈15套入轴向铁芯16，并用环氧树脂胶固定，将套好轴向线圈15的轴向铁芯16按照如图所示方向安装在轴向安装板14上，再将底座13安装在加载器安装板17上；上述完成了轴向加载部分的安装，下面是径向加载部分的安装：将径向线圈9绕进径向铁芯11然后将径向铁芯11套入机座12中，平键10用以防止径向铁芯11在机座12中的相对转动，再将机座12安装到底座13上，最后将盖板8安装在机座12上。

径向线圈9绕进径向铁芯11，用以施加径向力；轴向线圈15套在轴向铁芯16上，用以施加轴向力；径向铁芯11的加载面为具有一定曲率的内圆弧面，轴向铁芯16的加载面为平面。

图6是径向加载结构示意图，如图所示，测试棒3伸入径向铁芯11中，两者之间保持均匀间隙。由于间隙值是影响电磁加载力大小的一个重要因素，过大会导致电磁加载力太小，过小会导致对中困难。

为了保证加载有效，径向铁芯9的加载面与测试棒3的间距应在0.8mm-1.2mm，为保证间隙的均匀，铁芯与测试棒3相对的表面应加工有一定的弧度。当给径向线圈9通电时，径向铁芯11、间隙、测试棒3形成一束闭合的磁力线22。如图7所示，径向铁芯11与测试棒3之间产生一个径向的磁力F_r，模拟机床主轴2在实际切削中所受的径向切削力。

轴向线圈15绕在轴向铁芯16上，轴向铁芯16的加载面与测试棒3的轴端平面间的距离亦要控制在0.5mm-2.5mm。当给轴向线圈15通电时，轴向铁芯16、间隙、测试棒3之间形成一束闭合的磁力线21，轴向铁芯16与测试棒3之间产生一个轴向的磁力F_a，磁力的方向如图8所示，模拟机床主轴2在实际切削中所受的轴向切削力。

由于在变化的磁场内会产生涡流效应产生，径向铁芯11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铁芯11的转速，此外磁场在高温的环境中亦会变的不稳定，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，径向铁芯11的受力表面应用硅钢片叠成，钢片间互相绝缘。

为了使测试棒3与径向与轴向复合加载及测量装置4之间能够产生磁力，测试棒需选用铁磁材料(铁、钴、镍或其合金)。

可根据不同的主轴类型选择标准检验芯棒，即测试棒3，其常见类型有：BT、HSK、SK等，本次选用BT测试棒。要求测试棒具有较高的圆度和同心度。

主轴刚度测试系统的信号处理示意图如图9所示，数据采集与处理系统23分别与激光位移传感器6、三向力测力仪7相连，采集力信号和位移信号并输入到计算机24中进行数据处理以测量轴向力、主轴转速对主轴弯曲变形的影响。

激光位移传感器与三向力测量仪的信号通过数据传输线接到数据采集与处理系统23，对信号进行采集和处理，通过驱动连接测试系统的软件部分和硬件部分，将采集到的数据传输到计算机24中处理。

机床主轴刚度测试系统的测试流程图如图10所示，包括以下步骤：

S1、给径-轴向复合非接触式加载器通电；

S2、通电后在径向线圈、径向铁芯、测度棒之间形成一闭合磁路，产生径向电磁力，在轴向线圈、轴向铁芯、测度棒之间形成另一闭合磁路，产生轴向电磁力；同时进行S3、S4两步；

S3、三向测力仪检测机床主轴径-轴向的力值；

S4、转动状态下的机床主轴产生形变，位移传感器检测机床主轴的径向位移值；

S5、根据检测到的径-轴向的力值、径向位移值，按照刚度计算公式进行计算，得到主轴弯曲刚度。

下面具体描述根据本发明实施例的径-轴向复合非接触式加载器及机床主轴刚度测试系统中轴向力对弯曲变形影响的评估方法。

其中，需要说明的是，评估方法是机床性能评估的关键步骤，评估方式和实验过程所采用的具体方案密切相关。

首先，测试棒3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。一般激光位移传感器的精度都比较高(一般分辨率在几个微米)，足以测出其中凹凸不平的特征，但需要进行相应的计算来消除制造和安装误差。此外，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。

本实验步骤主要分为两个部分：1)不同转速情况下，仅加径向力情况下机床主轴弯曲变形的测量；2)不同转速情况下，同时施加径向力与轴向力时机床主轴弯曲变形的测量。

1)不同转速情况下，仅加径向力情况下机床主轴弯曲变形的测量

将机床主轴的转速由0r/min逐渐的调至n₁r/min,空转30min后给线圈(径向)通电，为了获得多组数据，改变线圈(径向)电流值的大小，以给主轴施加不同幅值和频率的径向力，通过信号采集与调理系统获得多组径向力和径向位移值{F_w1k},{δ_w1k}，k＝1,2,3....m，采样频率要大于信号频率的2倍，一般取5-10倍，下面亦同；对{F_w1k},{δ_w1k}序列分别进行离散傅里叶变换(DTFT)，可得：

{F_w1k(w)},{δ_w1k(w)}，k＝1,2,3....m力与位移的比值：F_w1k(w)/δ_w1k(w)即为频率域下的刚度值，即：K_w1k(w)＝F_w1k(w)/δ_w1k(w),k＝1,2,3...m

改变改变转速值，当转速为n₂时重复上面的测量可得K_w2k(w)＝F_w2k(w)/δ_w2k(w),k＝1,2,3...m；需要注意的是，各个速度测量点的间距要分布均匀，测量范围涵盖常用切削速度段。本次实验选择5个速度测量点，可得：

{F_wλk(w)},{δ_wλk(w)}，λ＝1,2,3,4,5,k＝1,2,3....m相应的刚度值为：

K_wλk(w)＝F_w2k(w)/δ_w2k(w),λ＝1,2,3,4,5,k＝1,2,3...m

2)不同转速情况下，同时施加径向力与轴向力时机床主轴弯曲变形的测量

同理，将机床主轴的转速由0r/min逐渐的调至n₁r/min,空转30min后给线圈(径向)和线圈(轴向)同时通电，为了研究轴向力对弯曲变形的影响，并且考虑到刀具切削过程中径向力与轴向力的变化是一致的，所以当给线圈(轴向)通以一定的电流值时获得轴向力值为M₁改变线圈(径向)的电流以获得不同幅值和频率的径向力，径向力的频率与轴向力的频率保持一致，设此时的弯轴向复合系数为测量可得：(M₁,F_f11k,δ_11k),k＝1,2,3...m，对{F_f11k}{δ_11k}，i＝1,2,3...m进行DTFT变换可得{F_f11k(w)}{δ_11k(w)}，k＝1,2,3...m，计算频域下的刚度可得：

K_f11k(w)＝F_f11k(w)/δ_11k(w),k＝1,2,3...m

改变轴向力值为M₂，同理可得：K_f12k(w)＝F_f12k(w)/δ_12k(w),k＝1,2,3...m

测量5组数据可得：K_f1jk(w)＝F_f1jk(w)/δ_1jk(w),j＝1,2,3,4,5,k＝1,2,3...m

需要注意的是，为了与1)具有可对比性，2)所施加的径向力的频率与幅值以及转速测量点的选择与1)相同；同理，当转速为n₂、施加同样的轴向力情况下，可得：K_f2jk(w)＝F_f2jk(w)/δ_2jk(w),j＝1,2,3,4,5,k＝1,2,3...m依次测量5组数据可得：K_fλjk(w)＝F_fλjk(w)/δ_λjk(w),λ＝1,2,3,4,5,j＝1,2,3,4,5,k＝1,2,3...m

以K_wλk(w)为对比项，与K_fλjk(w)之作对比，分析在同一转速下(即同λ)，当改变轴向力值(即变动_j值)时，两个值的大小关系，可以发现K_wλk(w)≤K_fλjk(w)即可得出轴向力增强了弯曲刚度，减小了弯曲变形，同时可以研究分析轴向力值的变化以及速度变化对这种增强作用的影响。

总而言之，本发明实施例的径-轴向复合非接触式加载器及机床主轴刚度测试系统提供了一套解决机床主轴轴向力对主轴弯曲变形影响的实验装置，可以测得主轴转速、施加轴向力值对主轴弯曲变形的影响，有利于机床动态性能的改善。

以上内容是结合具体的/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施例做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。