旋转主轴频响函数测试装置及测试方法

本发明涉及主轴测试，具体地，涉及一种旋转主轴频响函数测试装置及测试方法。

背景技术：

1、数控机床主轴端部的频响函数是主轴动态性能的量化指标之一。无论是车削、铣削还是磨削加工，主轴前端的频响函数对于加工参数的选择具有重要指导意义，因此主轴前端频响函数的获取是一项有价值的工作。

2、在模态试验中，非旋转部件频响函数通常采用力锤激励、振动传感器测量振动响应的方式进行测量，该方法也可以运用到静态主轴端部频响函数的测试。然而，加工过程中旋转主轴的动力学特性相比于静态主轴发生了变化，导致静止状态下测量的主轴频响函数已无法准确预测加工过程中主轴的稳定性。因此，为了能准确预测主轴加工的稳定域图，需要获取旋转状态下主轴端部的频响函数。

3、现有公开号为cn106503318b的中国专利申请文献，其公开了一种机床主轴工作状态下的刀具端频响函数辨识方法，包括以下步骤：在主轴旋转状态下，对两把长度不同的刀具的光杆部分进行模态锤击，获得主轴头刀具的跨点频响函数；在主轴旋转状态下，对主轴头进行模态锤击，得到主轴头的频响函数；对刀具进行子结构划分，对子结构a进行有限元分析得到频响函数；利用上述函数进行反rcsa算法，得到的子结构b的频响函数；利用rcsa算法结合有限元及辨识的子结构b的频响函数，得到最终刀具端在主轴旋转状态下的频响函数。

4、现有技术中通常采用人手操作力锤对旋转主轴进行激励的试验方法存在安全隐患，且人工锤击旋转状态下的主轴难以保证重复测量过程中锤击位置和锤击力的一致性，存在待改进之处。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种旋转主轴频响函数测试装置及测试方法。

2、根据本发明提供的一种旋转主轴频响函数测试装置,包括：工作台：作为测试装置的安装基础；主轴安装系统：包括主轴测试棒和主轴安装座，所述主轴安装座用于安装测试主轴，所述主轴测试棒与测试主轴固定连接；传感器系统：包括第一位移传感器、第二位移传感器以及传感器移动装置，所述传感器移动装置调整第一位移传感器和第二位移传感器的空间位置；激励力锤系统：包括撞击所述主轴测试棒的激励力锤；检测控制系统：控制传感器系统空间位置的调整，控制测试主轴的旋转、控制激励力锤系统对主轴测试棒的撞击；且能够采集激励力锤的激振力信号、第一位移传感器的振动位移信号以及第二位移传感器的振动位移信号，并处理得到频响函数。

3、优选地，所述传感器位移装置包括位移传感器水平移动装置和位移传感器垂直移动装置，所述位移传感器水平移动装置带动位移传感器垂直移动装置在水平方向上运动；所述第一位移传感器和第二位移传感器二者均安装在位移传感器垂直移动装置上，所述位移传感器垂直移动装置带动第一位移传感器和第二位移传感器二者在竖直方向上运动。

4、优选地，所述激励力锤系统在主测试棒上的激励点位于第一位移传感器的测量线上。

5、优选地，激励力锤系统还包括激励力锤储能装置、激励力锤平动装置以及激励力锤蓄能装置，所述激励力锤安装在激励力锤平动装置上；所述激励力锤蓄能装置向激励力锤储能装置施加力的作用使激励力锤储能装置储能；所述激励力锤储能装置释放储存的能量驱动激励力锤平动装置向靠近主轴测试棒的方向运动，直至激励力锤与主轴测试棒发生碰撞。

6、优选地，所述激励力锤蓄能装置包括电磁铁目标块和电磁铁，所述激励力锤储能装置包括储能弹簧，所述电磁铁目标块与储能弹簧相对固定连接；所述电磁铁通电后，所述电磁铁目标块向靠近电磁铁的方向运动并使储能弹簧储能；所述电磁铁断电后，所述储能弹簧释放能量带动激励力锤平动装置向靠近主轴测试棒的方向运动，直至激励力锤与主轴测试棒发生碰撞。

7、优选地，所述检测控制系统包括：工控机：控制主轴安装系统、传感器系统以及激励力锤系统启动或关闭；信号调理仪：采集激励力锤的激振力信号、第一位移传感器的振动位移信号以及第二位移传感器的振动位移信号，并处理后输送至数据采集器；数据采集器：将获取的信号转化为时域力数字信号和时域位移数字信号，并将转化后的信号传输至工控机的数据分析软件进行频谱分析得到频域力信号和频域位移信号，最后通过频域位移信号与频域力信号作除法即得到频响函数。

8、优选地，所述第一位移传感器和第二位移传感器二者沿主轴测试棒的长度方向呈间隔设置。

9、优选地，所述主轴测试棒的形状与加工用刀具的形状相同或相似。

10、根据本发明提供的一种旋转主轴频响函数测试方法，测试方法包括如下步骤：

11、s1、安装并调整测试装置；

12、s2、使测试主轴以设定的转速运转；

13、s3、使激励力锤系统的激励力锤撞击主轴测试棒；

14、s4、检测控制系统对采集到的激励力锤的激振力信号、第一位移传感器的振动位移信号以及第二位移传感器的振动位移信号进行处理得到频响函数。

15、优选地，激励力锤在储能弹簧的作用下进行往复衰减振动，直至回到初始位置并停止运动，重复步骤s4即可得到多次重复测量的频响函数结果，将多次重复测量的结果进行平均后得到稳定可靠的频响函数测量结果。

16、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

17、1、本发明通过检测控制系统控制激励力锤系统撞击主轴测试棒，检测控制系统采集激励力锤的激振力信号、第一位移传感器的振动位移信号以及第二位移传感器的振动位移信号，并处理得到频响函数，一方面能够满足对不同转速下的主轴测试棒进行激励所需要的能量，另一方面实现了自动控制，无需人手操作，不会存在安全隐患，而且重复测量过程也变得简单可靠。

18、2、本发明通过第一位移传感器测量的响应数据和激励信号可以计算驱动点频响函数，第二位移传感器测量的响应数据和激励信号可以计算跨点频响函数，实现不同型号主轴，在不同的转速下，其驱动点和跨点频响函数的自动、稳定及可靠测试。

19、3、本发明通过位移传感器水平移动装置和位移传感器垂直移动装置，可以改变第一位移传感器和第二位移传感器的位置，保证位移传感器处于最佳测量位置，同时还可以实现对不同型号主轴的测试。

技术特征：

1.一种旋转主轴频响函数测试装置，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的旋转主轴频响函数测试装置，其特征在于，所述传感器位移装置包括位移传感器水平移动装置和位移传感器垂直移动装置，所述位移传感器水平移动装置带动位移传感器垂直移动装置在水平方向上运动；

3.如权利要求1所述的旋转主轴频响函数测试装置，其特征在于，所述激励力锤系统在主测试棒上的激励点位于第一位移传感器的测量线上。

4.如权利要求1所述的旋转主轴频响函数测试装置，其特征在于，激励力锤系统还包括激励力锤储能装置、激励力锤平动装置以及激励力锤蓄能装置，所述激励力锤安装在激励力锤平动装置上；

5.如权利要求4所述的旋转主轴频响函数测试装置，其特征在于，所述激励力锤蓄能装置包括电磁铁目标块和电磁铁，所述激励力锤储能装置包括储能弹簧，所述电磁铁目标块与储能弹簧相对固定连接；

6.如权利要求1所述的旋转主轴频响函数测试装置，其特征在于，所述检测控制系统包括：

7.如权利要求1所述的旋转主轴频响函数测试装置，其特征在于，所述第一位移传感器和第二位移传感器二者沿主轴测试棒的长度方向呈间隔设置。

8.如权利要求1所述的旋转主轴频响函数测试装置，其特征在于，所述主轴测试棒的形状与加工用刀具的形状相同或相似。

9.一种旋转主轴频响函数测试方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的旋转主轴频响函数测试装置，测试方法包括如下步骤：

10.如权利要求9所述的旋转主轴频响函数测试方法，其特征在于，激励力锤在储能弹簧的作用下进行往复衰减振动，直至回到初始位置并停止运动，重复步骤s4即可得到多次重复测量的频响函数结果，将多次重复测量的结果进行平均后得到稳定可靠的频响函数测量结果。

技术总结
本发明提供了一种旋转主轴频响函数测试装置及测试方法，包括：工作台作为测试装置的安装基础；主轴安装系统：主轴安装座用于安装测试主轴，主轴测试棒与测试主轴固定连接；传感器系统：传感器移动装置调整第一位移传感器和第二位移传感器的空间位置；激励力锤系统：包括撞击主轴测试棒的激励力锤；检测控制系统：控制传感器系统空间位置的调整，控制测试主轴的旋转、控制激励力锤系统对主轴测试棒的撞击；且能够采集激励力锤的激振力信号、第一位移传感器的振动位移信号以及第二位移传感器的振动位移信号，并处理得到频响函数。重复测量过程简单可靠，实现不同型号主轴，在不同的转速下，驱动点和跨点频响函数的自动、稳定及可靠测试。

技术研发人员：姚振强,汤振荣,庄博文,陈俊生,徐正松
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15