一种主轴转子动刚度性能测试系统的制作方法

本发明涉及主轴动刚度测试技术领域，具体涉及一种主轴转子动刚度性能测试系统。

背景技术：

高档数控机床是高精度数字化制造的基础装备，是反应国家制造水平的重要指标。高速高精密主轴是高档数控机床的核心功能部件，主轴的动态特性将直接影响加工效率和加工精度。主轴动态特性与主轴设计和加工水平有直接的关系，因此，要想改善主轴的动态特性就必须提高主轴的设计加工制造能力，通过主轴测试手段可以实现主轴动态特性的检测，并且反推设计加工水平，有效提高主轴的加工制造水平。动刚度是反应主轴动态特性的重要参数，对其进行测试具有重要意义。

主轴交付给用户以后，用户会结合被加工件的加工要求和主轴的加工能力进行加工参数的设置，由于没有动刚度参数，用户无法判断主轴抵抗切削激励力的能力，设置过大的加工量会造成主轴振动过大、发热严重等问题，严重缩短主轴寿命；设置过小的加工量则会严重限制加工效率。由此可见，动刚度参数对于客户正常使用电主轴进行工作具有重大意义，是必须要考虑和提供给客户的重要参数。

主轴行业现有的成熟刚度测试设备都是针对静刚度展开的，其原理是对主轴施加恒定载荷，通过传感器或千分表拾取转子系统对应位置的位移量，然后求取力与变形量的比值来表示静刚度。由于主轴动态情况下难以无干扰加载，所以给主轴动刚度测试造成了困难，现有滚轮施加载荷的方式会对主轴转子表面造成磨损，且有转速损失，影响测试精度；电磁加载方式虽然实现了非接触式加载，但是由于结构复杂，大批量应用存在一定的困难。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种主轴转子动刚度性能测试系统，实现主轴径向动刚度的测试，能够有效的解决主轴动态加载问题和动态变形量拾取问题，提高主轴的设计加工水平。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种主轴转子动刚度性能测试系统，包括主轴减震夹持试验台2，主轴减震夹持试验台2下方连接有减震装置1，主轴减震夹持试验台2上方连接有可移动式主轴夹持装置3，可移动式主轴夹持装置3夹持的主轴转子6上通过过盈配合套装有载荷传递装置9，载荷传递装置9处连接有电涡流式位移传感器，电涡流式位移传感器的信号输出端通过第一信号调理模块5-1和四通道数据采集卡10的第一输入端连接；

主轴减震夹持试验台2通过垂直安装的方式安装有加载气缸13，加载气缸13的前端连接有力传感器11，加载气缸13的输出轴顶端通过施力顶尖12和载荷传递装置9配合，通过施力顶尖12施加力到载荷传递装置9上，力传感器11的信号输出端通过第二信号调理模块5-2和四通道数据采集卡10的第二输入端连接；

四通道数据采集卡10的输出端和中控工作台14的输入端连接，中控工作台14上搭载有信号采集分析软件，信号采集分析软件集成了信号采集、信号剔除算法、傅里叶变换以及刚度计算的程序。

所述的载荷传递装置9包括圆柱滚子轴承9-2，圆柱滚子轴承9-2的外侧连接有载荷传递装置内环9-3，载荷传递装置内环9-3的外侧设置有通过紧固螺钉9-4连接成一体的载荷装置外环9-1，圆柱滚子轴承9-2比主轴支撑轴承角接触球轴承的刚度大一个数量级。

一种主轴转子动刚度性能测试系统的测试方法，包括以下步骤：

1)调节可移动式主轴夹持装置3与加载气缸13之间的距离，将被测主轴安装在可移动式主轴夹持装置3上，将载荷传递装置9安装到主轴转子6前端，使得载荷传递装置9的载荷装置外环9-1正对着施力顶尖12，载荷传递装置9在安装之前应首先测试得到其质量m；

2)将电涡流位移传感器安装在载荷传递装置9对应的测试位置，微调电涡流位移传感器至量程内，连接好信号调理模块、采集卡10和中控工作台14；开始测试时，中控工作台14通过控制加载气缸13施加一个预载荷F＝mg给载荷传递装置9，保证产生的摩擦力在径向上能够抵消圆柱滚子轴承9-2的启动摩擦力矩，通过中控工作台14控制采集到力信号F₁和电涡流位移传感器位置的位移信号S₁(t)，控制被测主轴在测试转速下运转，继续控制加载气缸13施加载荷至F₂，同步采集位移信号S₂(t)；

3)中控工作台14采集到的位移信号为时域信号，信号采集分析软件对其进行FFT变换得到频域幅值S₁(ω)和S₂(ω)，则在该测试转速下的动刚度改变测试转速即得到随转速分布的动刚度曲线。

本发明的有益效果为：加载气缸13给载荷传递装置9施加载荷，通过电涡流位移传感器、力传感器11及中控工作台14实现主轴径向动刚度的测试，本发明能够有效的解决主轴动态加载问题和动态变形量拾取问题，提高主轴的设计加工水平。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的载荷传递单元结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的阐述。

参照图1，一种主轴转子动刚度性能测试系统，包括主轴减震夹持试验台2，主轴减震夹持试验台2下方连接有减震装置1，主轴减震夹持试验台2上方连接有可移动式主轴夹持装置3，可移动式主轴夹持装置3通过螺栓与主轴减震夹持试验台2表面沟槽连接，可以调节不同型号主轴与测试加载部分的位置调节；可移动式主轴夹持装置3夹持的主轴转子6上通过过盈配合套装有载荷传递装置9，并由调节套筒8和锁紧螺母7实现载荷传递装置9在主轴转子6上的径向定位，载荷传递装置9的两侧及正上方通过磁座连接有第一电涡流式位移传感器4-1、第二电涡流式位移传感器4-2以及第三电涡流式位移传感器4-3，第一电涡流式位移传感器4-1、第二电涡流式位移传感器4-2以及第三电涡流式位移传感器4-3的信号输出端通过第一信号调理模块5-1和四通道数据采集卡10的第一输入端连接，采用三只电涡流式位移传感器可以采集载荷传递装置9左中右三项数据，通过信号处理取最有用的信号进行计算；

主轴减震夹持试验台2的中孔处通过垂直安装的方式安装有加载气缸13，加载气缸13的前端连接有力传感器11，加载气缸13的输出轴顶端通过施力顶尖12和载荷传递装置9配合，通过施力顶尖12施加力到载荷传递装置9上，加载气缸13施加预载荷的方式抵消载荷传递装置9自身的重力，使得测试载荷更加准确，力传感器11的信号输出端通过第二信号调理模块5-2和四通道数据采集卡10的第二输入端连接；

四通道数据采集卡10的输出端和中控工作台14的输入端连接，中控工作台14上搭载有信号采集分析软件，信号采集分析软件集成了信号采集、信号剔除算法、傅里叶变换以及刚度计算的程序。

参照图2，所述的载荷传递装置9包括圆柱滚子轴承9-2，圆柱滚子轴承9-2的外侧连接有载荷传递装置内环9-3，载荷传递装置内环9-3的外侧设置有通过紧固螺钉9-4连接成一体的载荷装置外环9-1，圆柱滚子轴承9-2比主轴支撑轴承角接触球轴承的刚度大一个数量级，这种连接可以调节圆柱滚子轴承9-2游隙，便于力的有效传递。

一种主轴转子动刚度性能测试系统的测试方法，包括以下步骤：

1)调节可移动式主轴夹持装置3与加载气缸13之间的距离，将被测主轴安装在可移动式主轴夹持装置3上，将载荷传递装置9利用压入法安装到主轴转子6前端，使得载荷传递装置9的载荷装置外环9-1正对着施力顶尖12，然后安装对应的调整套筒8和锁紧螺母7，需要注意的是，载荷传递装置9在安装之前应首先测试得到其质量m，以备后续计算使用；载荷装置外环9-1的下表面需要做粗糙化处理，以便于增大摩擦力来抵消圆柱滚子轴承9-2的转动摩擦力矩，载荷装置外环9-1的上表面做精磨处理提高表面光洁度，并且要求平面度达到2μm，保证测试精度；

2)用磁座将三个电涡流位移传感器安装在载荷传递装置9对应的测试位置，微调电涡流位移传感器至量程内，连接好信号调理模块、采集卡10和中控工作台14；开始测试时，中控工作台14通过控制加载气缸13施加一个预载荷F＝mg给载荷传递装置9，保证产生的摩擦力在径向上能够抵消圆柱滚子轴承9-2的启动摩擦力矩，通过中控工作台14控制采集到力信号F₁和三个电涡流位移传感器位置的位移信号S₁(t)，利用变频器控制被测主轴在测试转速下运转，继续控制加载气缸13施加载荷至F₂，同步采集位移信号S₂(t)；

3)中控工作台14采集到的位移信号为时域信号，信号采集分析软件对其进行FFT变换得到频域幅值S₁(ω)和S₂(ω)，则在该测试转速下的动刚度改变测试转速即得到随转速分布的动刚度曲线。