[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

说明书

本发明涉及一种内置式机床主轴轴向动刚度测试装置及测试方法，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。

技术领域

本发明属于机械振动与测试领域，特别涉及一种内置式机床主轴轴向动刚度测试装置及测试方法。该装置及方法用于数控机床在实际切削状态下的主轴轴向动态刚度的测试。

背景技术

机床的动态性能反映机床抵抗动态外载荷的能力，与负荷能力及抗振性密切相关，直接影响机床的加工精度与零件的加工质量，其中动刚度是衡量机床动态性能的重要指标。机床的动刚度是指机床在以一定频率变化的正弦交变载荷作用下所表现出的刚度，表征机床承受交变动载荷时抵抗动态位移变化的能力，在数值上等于机床产生单位振幅所需的动态激振力，是衡量抗振能力的主要指标，机床动刚度越大，在动态载荷作用下振幅越小，机床抗振能力越好，加工精度越高。反之，动刚度越小，振幅越大，加工精度越低。

目前对主轴动刚度的研究主要以建模仿真、有限元分析为主，测试方法也多集中于空载运行测试和离线实验测试法，空载运行测试工程上常用锤击法、激振器激振、转矩转速仪法和利用传动方式减速后加载测试，该类方法均为接触式激振和加载，不稳定，而且常常需要复杂的辅助器械，成本高，机器磨损严重；离线实验测试法一般采用液压系统或电磁系统对主轴进行静态加载，模拟主轴的受力状况，不足之处在于加载装置复杂、占用空间大、一般需要搭建专用试验台，将主轴拆卸下来进行离线实验检测，且仅适用于专用主轴，不具有通用性，这与被测主轴在实际切削状态下的真实受力情况也有很大差距。

申请号为201310215687.6的中国专利公开了一种非接触式机床主轴运转动刚度检测系统，该系统包括电磁加载装置、测试棒、力传感器及位移检测装置；其中，加载装置设置在机床工作台上，测试棒一端与主轴相连，另一端与加载装置中的电磁铁临近，电磁加载装置由电磁铁通电产生电磁力并对测试棒进行加载以驱动测试棒偏转，力传感器和位移传感器分别用来检测测试棒受到的加载作用力和偏转位移，从而得到机床主轴运转的动刚度。该测试系统只能在主轴空转运行时通过电磁加载装置施力于测试棒，间接获得主轴动刚度，不能用于实际切削状态下主轴动刚度测试，且加载装置复杂，占用空间大。

申请号201310102571.1公开了一种数控机床整机动刚度测试系统，该系统包括激励子系统、力采集子系统、位移采集子系统、数据采集前端和数据处理器，其中，激励子系统的输出端、力采集子系统的输入端、位移采集子系统的输入端分别与机床待测部位相连；力采集子系统、位移采集子系统的输出端均通过数据采集前端与数据处理器相连。该测试系统通过信号发生器可提供稳定的正弦激励信号，经功率放大器后驱动激振器产生动态激振力，并由激光位移传感器测量机床主轴相对工作台的动态位移数据，计算得到机床整机动刚度，该测试系统虽能测试得到动态激振力下的机床主轴相对工作台的动态位移，由于机床加工过程中切削力会出现波动，测试结果易出现较大的误差。

因此，需要发明一种新型内置式主轴动刚度测试装置，检测在实际切削状态下主轴的受力及形变情况，以满足实际工况下的主轴动刚度测试要求，为主轴智能感知、智能检测、智能调整控制参数提供依据。

发明内容