[发明专利]一种内置式机床主轴轴向动刚度测试装置及测试方法

权利要求书

1.一种内置式机床主轴轴向动刚度测试装置，其特征在于该装置包括力传感器套筒、轴向位移传感器、前置器、电荷放大器、数据采集卡、数据处理端、力传感器和磁力座；所述力传感器套筒套装在主轴上，且位于主轴上前部和中部的两个轴承之间，力传感器套筒为圆环状，在圆环内侧面上，沿圆周方向均匀分布有四个应变片，相邻两个应变片的受力类型相反，即一个应变片水平布置，相邻的应变片竖直布置；四个应变片按照全桥电路方式进行连接，构成一个力传感器，全桥电路的输出端从力传感器套筒侧面引出，并通过信号线与放置在工作台上的电荷放大器的输入端连接，电荷放大器的输出端与数据采集卡连接；所述轴向位移传感器通过支架安装于主轴前端面，支架由磁力座固定吸附在止推法兰盘上，轴向位移传感器的探头朝向主轴的前端面；轴向位移传感器的输出端通过信号线与放置在工作台上的前置器的输入端相连，前置器的输出端也与数据采集卡连接，数据采集卡的输出端与数据处理端连接；所述数据处理端内加载有动刚度测试软件；

数据处理端内加载的动刚度测试软件的软件流程是：

1)开始，检查数控机床设备是否正常，若正常，开启机床；若异常，进行诊断并处理，继续检查数控机床设备是否正常；

2)启动数据处理端、力传感器、轴向位移传感器、前置器、电荷放大器和数据采集卡，并测试数据处理端、力传感器、轴向位移传感器、前置器、电荷放大器和数据采集卡是否处于正常工作状态，若正常工作，则进入步骤3)，若不正常工作，则进行调整、修正，继续判断其是否处于正常工作状态；

3)设定机床切削参数、输入机床切削程序代码，在数据处理端中分别设置力传感器、轴向位移传感器的采样模式、采集通道、采样频率和缓冲区数量，再判断是否触发采集，若触发采集则进入步骤4)，若不触发，则返回设置力传感器、轴向位移传感器的采样模式、采集通道、采样频率和缓冲区数量；

4)进行切削加工，并在动刚度测试软件界面中显示采集的位移信号、力信号，并绘制轴向位移-时间曲线和力-时间曲线；

5)判断保存按钮是否按下，若保存按钮已经按下，将采集的数据保存为*.txt或*.xls文件格式，供后续离线处理；再判断是否按下回放按钮，若按下，则调用已存储的数据文件，进入步骤6)，若没按下，则继续判断是否按下回放按钮；若保存按钮没有按下，则进入步骤6)；

6)将采集的轴向位移信号、力信号分别进行傅里叶变换，得到位移-频率图和力-频率图，并在动刚度测试软件中显示；

7)计算得到主轴轴向动刚度；

8)再判断是否更改切削参数及采集参数继续实验，若更改切削参数及采集参数继续实验，则转回到步骤3)；若不需要更改切削参数及采集参数，则关闭测试装置及数控机床，结束测试。

2.根据权利要求1所述的内置式机床主轴轴向动刚度测试装置，其特征在于所述数据处理端为台式机、笔记本电脑、ipad或智能手机。

3.根据权利要求1所述的内置式机床主轴轴向动刚度测试装置，其特征在于所述轴向位移传感器采用85811系列探头直径为25的电涡流传感器。

4.一种内置式机床主轴轴向动刚度测试方法，该测试方法使用权利要求1-3任一所述的测试装置，具体步骤是：

1)按照上述连接方式连接装置各部分，四个应变片安装在力传感器套筒内，轴向位移传感器的探头朝向主轴的前端面，调节轴向位移传感器的探头与主轴前端面的相对位置，使轴向位移传感器的探头对准主轴的前端面光洁测试带，并确保轴向位移传感器在有效量程范围内；启动测试装置中所有部件，使其处于正常工作状态；

2)运行数控机床，按待加工件的工艺流程加工工件；

3)在数控机床切削加工过程中，用户根据需要设置采样频率、采样点数、缓冲区数量、采集通道、最高电压值和最低电压值，设置好上述参数后，启动采集按钮；轴向位移传感器采集轴向位移信号，并通过前置器传输至数据采集卡中，得到主轴轴向的动态位移信号x(t)；力传感器采集压力信号，并通过电荷放大器放大后传输至数据采集卡中，得到主轴轴向的动态应力信号f(t)，并将力信号、位移信号显示于动刚度测试软件中的波形显示界面中；

4)数据处理端中动刚度测试软件将采集得到的力信号f(t)和位移信号x(t)按照式(1)和式(2)进行傅里叶变换，得到频域信号，并在界面显示；

式中：X(ω)为动态位移信号x(t)的傅里叶变换，F(ω)为动态应力信号f(t)的傅里叶变换，根据计算得到数控机床主轴轴向的动刚度。