[发明专利]一种基于三向电磁力加载的高速电主轴动静刚度测试装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于高速电主轴测试分析技术领域，涉及一种基于三向电磁力加载的高速电主轴动静刚度测试装置及方法。

背景技术

高速电主轴在高速加工机床上的应用促进了高速加工等先进制造技术的发展，已成为高速加工机床的核心功能部件，它的性能在一定程度上决定了加工机床的整体发展水平。因此高速加工机床对高速电主轴的技术指标有着苛刻要求，使其不同于传统的主轴系统，其安全性、可靠性以及动静刚度等动态性能成为结构设计和机床运行中的首要问题。其刚度特性在很大程度上决定了高速加工中心的加工质量，也是影响其加工精度的重要因素。因此，深入研究主轴部件的刚度特性，对于进一步提高加工中心的工作性能具有十分重要的意义。

通过对高速电主轴的加载实验，能够掌握该高速电主轴的动静刚度等相关参数，这些参数在相关操作人员的使用过程中将起到重大的作用，使用户能在生产实践中根据不同的生产实际情况更好地优化该设备各项技术参数，从而给使用厂家、用户带来直接显著的经济效益。

刚度包括两方面的含义：抵抗恒定载荷的能力和抵抗交变载荷的能力。前者常称为静刚度,后者则称为动刚度。过去，车床静刚度的测定是在非切削状态下，模拟切削时受力情况，对机床施加静载荷，测得各部件在不同载荷下的变形，做出相应的刚度特性曲线，并计算出机床的静刚度。目前，机床静刚度的测定方法有单向加载测定法和三向加载测定法。前者是传统的测量方法，缺点是不符合机床加工时承受三向切削分力的情况，一般只能用于比较机床部件刚度的大小；后者采用三向加载测定法更接近切削时的真实情况，但测量时施加载荷的大小和位移量的值是由千分表显示的，人工处理数据、绘制机床静刚度特性曲线的测量方法，具有测量效率低、误差大等缺点；

动刚度是衡量机床抗振能力的主要指标，它在数值上等于产生单位振幅所需的交变力。因此，对机床施加激振力，可同时测得响应位移，其传递函数即为单位力的位移量，即动柔度。它实际上是动刚度的倒数，同样反映了机床抵抗外界干扰的能力，动柔度愈大，即单位力作用下的系统产生的位移量大，动刚度就越小。而动刚度的测试方法比较简单，研究进展缓慢，通常是通过接触式加载进行动刚度的测试分析，由于高速电主轴的转速较高，接触式加载会产生大量的摩擦热及磨损，严重影响测试精度，虽然有些研究人员利用电磁激振器或开发的电磁铁实现了非接触式加载，但是针对的主要是径向方向或轴向的加载测试，与实际工况中三向受力的情况不符。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种高速电主轴非接触式三向电磁力加载及动静刚度测试装置，能够模拟高速电主轴在工作过程中三向（轴向、径向和切向）受载情况，解决了现有技术中高速电主轴动静刚度分析测试中难以准确在线施加载荷及检测的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于三向电磁力加载的高速电主轴动静刚度测试装置，包括底座，底座上设有两个相对设置的径向加载电磁铁和一个轴向加载电磁铁；与高速电主轴相连接的加载测试棒设置在径向加载电磁铁和轴向加载电磁铁之间，加载测试棒与径向加载电磁铁、轴向加载电磁铁之间均留有一定的间隙；加载测试棒包括实心加载测试棒和外周开槽的加载测试棒两种，所述的外周开槽的加载测试棒中所开设的槽中设有绕阻导线，绕阻导线连接外置电源；

径向加载电磁铁后方均设有至少两个径向力传感器，轴向加载电磁铁的下方设有轴向力传感器；径向位移传感器和轴向位移传感器分别通过位移传感器支架设置在加载测试棒的径向和轴向方向上，并留有一定间隙；位移传感器支架上还分别设有扭矩传感器和角位移传感器；

径向加载电磁铁、轴向加载电磁铁上的线圈分别与功率放大器相连接，与计算处理单元相连接的信号输出与采集模块接收其发出的信号后，发送给功率放大器；信号输出与采集模块还分别与径向力传感器、轴向力传感器、径向位移传感器、轴向位移传感器、扭矩传感器和角位移传感器相连接，采集位移信号和力信号并将其发送给计算处理单元；

计算处理单元根据所接收的位移信号和力信号经运算处理，得到动静刚度曲线。

所述的轴向加载电磁铁通过第一压板和第一固定板固定在底座上，轴向力传感器固定在底座与第一固定板之间；

径向加载电磁铁通过第二压板和第二固定板固定在底座上，第二固定板与底座之间还设有固定块，径向力传感器固定在固定块与第二固定板之间。

所述的位移传感器支架包括与机床工作台相连接的支撑座，支撑座上设有可供加载测试棒穿过的固定框；径向位移传感器和轴向位移传感器设置在固定框上，径向位移传感器分布在加载测试棒不同的径向上。