[发明专利]一种电主轴转动状态下的刚度建模和间接检测方法

说明书

本发明公开了一种电主轴转动状态下的刚度建模和间接检测方法，主要针对难以直接检测在转动状态下的电主轴刚度问题，给出了一种电主轴刚度的间接检测方法。该方法采用小挠度微分方程和虎克定律分别建立转轴、轴承、定制刀柄和主轴刀柄结合面的变形方程；运用叠加原理，得到转轴、轴承、主轴刀柄结合面、定制刀柄等组成的电主轴系统的刚度模型。基于加载装置、主轴回转误差分析仪组成的检测系统，对电主轴静止状态下的转轴、主轴刀柄结合面和定制刀柄的刚度值进行辨识，再对电主轴转动状态下的轴承刚度值进行辨识，最后基于电主轴刚度模型，计算电主轴的真实刚度。该方法可准确检测电主轴刚度，可用于电主轴性能测试试验。

技术领域

本发明涉及电主轴性能检测领域，具体涉及电主轴在转动状态下的刚度建模和间接检测方法。

背景技术

电主轴技术的快速发展使高速数控加工技术得到广泛应用。电主轴通过将数控机床主轴和主轴电机融为一体，使数控机床的主轴部件从机床的传动系统和整体结构中独立出来，具有结构紧凑、重量轻、惯性小、转速高、精度高、噪声低、响应快等优点。目前，电主轴不仅需要精确地高速运行，而且还要具有高刚度。电主轴的运动精度和刚度直接影响数控机床的加工精度和工件的表面质量。电主轴在转动状态下的刚度过低通常会导致颤振，刀片过度倾斜和不需要的回切。因此，为了保证最佳的加工工艺和可靠的操作，需要对电主轴的刚度进行检测，并评估其在转动状态下的性能。

电主轴的刚度可以分为静态刚度和旋转条件下的刚度。由于电主轴在高速转动时，无法在电主轴的前端同时施加力和检测施加力方向的变形量，因此对于电主轴的刚度检测一般在静止状态下进行检测。但由于数控机床在加工时，电主轴处于旋转状态，因此检测电主轴处于旋转状态下的刚度，更能准确评估电主轴刚度。此外，由于电主轴在旋转时会产生离心力和回转力矩，导致电主轴内部元件之间的位置和间隙发生改变，从而使电主轴刚度发生变化。因此需要对电主轴在旋转状态下的刚度进行检测。

本发明提出一种电主轴转动状态下的刚度建模和间接检测方法，针对电主轴在旋转状态下刚度无法直接检测的问题，首先通过变形方程和叠加原理，建立电主轴系统的刚度模型，并分别在电主轴静止状态下和转动状态下，辨识电主轴系统刚度模型中的参数，最终经过模型转换得到电主轴在不同转速下的刚度值。本发明方法可应用在电主轴的性能测试，可对电主轴的刚度进行准确地检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种电主轴转动状态下的刚度建模和间接检测方法，主要用来解决电主轴转动刚度难以直接检测的问题。

本发明的技术方案如下：

一种主轴转动状态下的刚度建模和间接检测方法，所述的电主轴包括前轴承、后轴承和转轴；电主轴、定制刀柄、主轴刀柄结合面和标准球目标共同组成电主轴系统，其特征在于，所述的刚度建模和检测方法包括如下步骤：

1)将电主轴系统中的转轴和定制刀柄简化为两根相接的简支梁，并基于小挠度微分方程，建立转轴和定制刀柄的变形方程：

其中，w₁(z)是所述的转轴和定制刀柄所组成的简支梁的变形量，F是施加在定制刀柄上的外力，z是转轴和定制刀柄组成的简支梁上的点距后轴承的长度，l₁是前轴承距后轴承的长度，l₂是电主轴最前端距前轴承的长度，l₃是定制刀柄的长度，k₁、k₂分别表示转轴、定制刀柄的刚度，C₁,C₂,C₃,C₄,D₁,D₂,D₃和D₄是常量，由主轴系统的内部结构确定；

2)基于虎克定律，建立电主轴系统中的前轴承和后轴承的变形方程：