一种机床运转状态下主轴径向力非接触加载器及加载系统的制作方法

本发明涉及一种机床运转状态下主轴径向力非接触加载系统。

背景技术：

高速、高精度是机床发展的方向之一。分析误差成因、提升加工精度是机械加工领域提升加工质量的必经途径。作为机床的核心部件之一的主轴的弯曲刚度、抗振和热变形能力对加工质量有直接影响。通常评价机床主轴弯曲刚度的方式为机床静止状态下在主轴端进行径向加载并记录主轴在相应方向上的变形量，进而得出主轴弯曲刚度。机床运转状态下，受离心力的影响，轴承支承刚度和主轴-刀柄结合面刚度均发生变化，主轴弯曲刚度亦随着变化。因此，对机床运转状态下的主轴刚度进行评估有着重要意义。已有的在机床运转状态下对机床主轴进行电磁非接触径向加载的装置，其铁芯材料为硅钢片，以减少涡流发热，铁芯截面为方形，缠绕线圈不便；施力部件和受力部件之间为非接触，受力部件发热严重，但因间隙过小而无法进行有效冷却。

技术实现要素：

本发明的目的就是优化电磁径向力非接触加载器磁路设计、解决设备和测试棒在工作过程中发热影响加载和测试等方面的问题。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种机床运转状态下主轴径向力非接触加载器，包括电磁线圈、线圈套、导磁芯轴、上导磁环、下导磁环、绝缘支座、绝缘极靴、外壳、顶盖、连接底座和安全接口；安全接口保证加载器在机床运转时开启切削液冷却的情况下保证直流电源为径向力非接触加载器安全供电；电磁线圈安装在线圈套上；线圈套安装在导磁芯轴上；导磁芯轴一端安装在绝缘极靴上，另一端安装在下导磁环上并借助上下导磁环之间的压力将其固定；绝缘极靴安装在绝缘支座上；绝缘支座安装在外壳上；顶盖压紧导磁环并安装在外壳上；外壳侧面安装安全接口；连接底座上部安装径向力非接触加载器外壳，下部安装测力仪。

在一些实施例中，本发明还包括如下技术特征：

导磁芯轴与绝缘极靴通过第一锥面连接。

绝缘极靴与绝缘支座通过角度自对中。

导磁芯轴与导磁环通过第二锥面并借助顶盖的压力实现自对中定位连接。

在第一锥面和第二锥面涂抹有液体导磁胶以最大程度减少漏磁。

导磁芯轴与测试棒之间非接触加载时的间隙≥2.5mm。

在顶盖、绝缘支座、外壳、连接板上设有流孔，冷却液可以从间隙和流孔自由通过，以实现对测试棒、导磁芯轴、电磁线圈及整个加载器的冷却。

本发明还提出一种机床运转状态下主轴径向力非接触加载系统，包括上述的径向力非接触加载器。

在本发明的一些实施例中，主轴径向力非接触加载系统还包括测试棒、测力仪、位移传感器、位移传感器支座、直流电源和计算机；直流电源为径向力非接触加载器供电，进而对测试棒产生径向力，测试棒以非接触方式接收径向力；径向力非接触加载器安装在测力仪上；测力仪可安装在机床工作台上；位移传感器安装在位移传感器支座上；位移传感器可支座安装在机床工作台上；计算机与直流电源的控制模块相连，通过控制直流电源输出电流的大小和通断进而控制径向加载力的大小和方向；计算机与位移传感器相连以测量主轴在相应方向上的位移；计算机与测力仪相连以测量主轴在相应方向上的力和力矩。

本发明还提出一种机床运转状态下主轴径向力非接触加载测试系统，包括上述的机床运转状态下主轴径向力非接触加载系统，还包括测试棒，测试棒的一端用于与机床主轴连接，另一端与径向力非接触加载器连接，测试棒为径向力感应部件。

本发明与现有技术对比的有益效果是：本发明的径向力非接触加载系统，提供了一套用于研究机床运转时径向力对主轴刚度的影响的实验装置，可以模拟机床实际切削过程中开启冷却液的情况下给主轴施加一个可靠且方向大小均可调整的非接触式径向力，进而获取主轴所受径向力对其弯曲刚度的影响，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是本发明机床运转状态下主轴径向力非接触加载系统总体构成示意图。

图2a、2b是本发明径向力非接触加载器示意图。

图3a、3b是本发明径向力非接触加载器磁路优化设计说明示意图

图4a、4b是本发明径向力非接触加载器和测试棒在测试过程中对于发热严重影响加载测试的解决方案示意图

图5是本发明径向力非接触加载器径向力加载原理示意图。

图中，各零件编号如下：

测试棒2；

径向力非接触加载器3、顶盖31、上导磁环32、绝缘极靴33、电磁线圈34、线圈套35、导磁芯轴36、下导磁环37、绝缘支座38、安全接口39、外壳301、连接底座302、第一圆锥面303、第二圆锥面304。

具体实施方式

下面对照附图对本发明作进一步详细说明，应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施拟提供一种机床运转状态下主轴径向力非接触加载系统，包括：机床、测试棒、径向力非接触加载器、测力仪、位移传感器、位移传感器支座、直流电源和计算机。如图1。

测试棒的一端与机床主轴连接，另一端与径向力非接触加载器连接，测试棒为径向力感应部件。直流电源为径向力非接触加载器供电进而对测试棒产生径向力，测试棒以非接触方式接收径向力。径向力非接触加载器安装在测力仪上。测力仪安装在机床工作台上。位移传感器安装在位移传感器支座上。位移传感器支座安装在机床工作台上。计算机与直流电源控制模块相连，通过控制直流电源输出电流的大小和通断进而控制径向加载力的大小和方向。计算机与位移传感器相连以测量主轴在相应方向上的位移。计算机与测力仪相连以测量主轴在相应方向上的力和力矩。

径向力非接触加载器爆炸示意图如图2a、2b所示。包括：顶盖、上导磁环、绝缘极靴、电磁线圈、线圈套、导磁芯轴、下导磁环、绝缘支座、安全接口、外壳、连接底座。径向力非接触加载器中，电磁线圈安装在线圈套上；线圈套安装在导磁芯轴306上；导磁芯轴一端安装在绝缘极靴上，另一端安装在上导磁环和下导磁环之间并借助上导磁环的压力将其固定；下导磁环和绝缘极靴安装在绝缘支座上；绝缘支座安装在外壳上；顶盖压紧导磁环并借助螺钉安装在外壳上；外壳侧面安装安全接口；外壳安装在连接板上。电磁线圈的材料为漆包线，导磁芯轴、导磁环为导磁铁氧体，线圈套、绝缘支座、绝缘极靴、外壳、顶盖和连接底座材料均为非导磁材料。安全接口为8芯航空接头。安全接口为保证加载器在机床运转时开启切削液冷却的情况下保证直流电源为径向力非接触加载器安全供电而设计。

测试棒材料为合金钢或者碳素钢。测试棒材料对最终加载的径向力的大小有很大影响。

径向力非接触加载器中，电磁线圈安装在线圈套上；线圈套安装在导磁芯轴上；导磁芯轴一端安装在绝缘极靴上，另一端安装在导磁环上并借助导磁环的压力将其固定；绝缘极靴安装在绝缘支座上；下导磁环和绝缘支座安装在外壳上；顶盖压紧上导磁环并用螺钉安装在外壳上；外壳侧面安装安全接口；连接板上部安装径向力非接触加载器外壳，下部安装测力仪。如图2a、2b。

电磁径向力非接触加载器磁路的优化设计包括：导磁芯轴与绝缘极靴通过锥面(简称锥面一)连接；导磁芯轴与导磁环通过锥面(简称锥面二)并借助顶盖的压力实现自对中定位连接；安装时需要在锥面一和锥面二涂抹液体导磁胶以最大程度减少漏磁。如图3a、3b。

设备和测试棒在工作过程中发热严重影响加载测试的解决方案包括：加大导磁芯轴与测试棒之间非接触加载时的间隙(≥2.5mm)，在顶盖、绝缘支座、外壳、连接板等零件上设计流道，冷却液可以从加载间隙和流道自由通过实现对测试棒、导磁芯轴、电磁线圈及整个加载器的冷却。如图4a、4b。

径向力非接触加载器径向力加载示意图如图5所示，当电磁线圈通电时，导磁环、导磁芯轴、测试棒、测试棒和导磁芯轴之间的间隙共同构成闭合磁路，各导磁芯轴上的磁通量分别为a、b、c和d。在不考虑漏磁的情况下有a＝b+c+d。每根导磁芯轴均与测试棒因电磁感应而产生电磁力。电磁力的大小与磁通量的大小成正比。故整体上，径向力非接触加载器对测试棒产生向右的径向力。

径向力非接触加载器内部走线是采用8芯航空接头做的安全接口，分别连接4个电磁线圈的输入输出线，主要为保证加载器在机床运转时开启切削液冷却的情况下保证直流电源为径向力非接触加载器安全供电而设计。

径向力非接触加载系统磁路优化设计说明示意图如图3a、3b所示。现有技术导磁环与导磁芯轴为圆柱面连接甚至是平面连接，导磁芯轴与绝缘极靴为圆柱面甚至是平面连接，本发明中均为锥面连接，可最大程度减少漏磁。现有技术中未对连接结合面作处理，本发明要求涂抹导磁胶，可减少漏磁。

径向力非接触加载系统和测试棒在测试过程中对于发热严重影响加载测试的解决方案示意图如图4a、4b所示。较前人将间隙控制在1mm以下的设计而言，本发明通过加大导磁芯轴与测试棒之间非接触加载时的间隙(≥2.5mm)，在顶盖、绝缘支座、外壳、连接板等零件上设计流道，冷却液可以从加载间隙和流道自由通过实现对测试棒、导磁芯轴、电磁线圈及整个加载器的冷却。