本發(fā)明涉及機(jī)床動態(tài)性能檢測領(lǐng)域，特別是涉及一種徑-軸向復(fù)合非接觸式加載器及機(jī)床主軸剛度測試系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

高速化、加工高精度化是機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展方向，而工件加工精度的提高依賴于對切削加工精度影響因素的研究。目前，制約機(jī)床切削加工精度的主要原因是振動，包括主軸的質(zhì)量不平衡引起的受迫振動、切削過程中較易產(chǎn)生的再生型顫振、以及機(jī)外振源等。對于機(jī)床主軸受迫振動的預(yù)測是提高切削精度的重要途徑，而預(yù)測的精度往往受限于未能考慮主軸剛度、阻尼等因素在運(yùn)動狀態(tài)下的變化。機(jī)床主軸在轉(zhuǎn)動時由于離心力的影響，主軸與刀柄結(jié)合面的壓力會減弱，結(jié)合面的接觸剛度減弱，從而會削弱主軸部件的彎曲剛度，此外，由于軸承是主軸部件剛度的薄弱環(huán)節(jié)，主軸轉(zhuǎn)動時兩端軸承在內(nèi)外離心力以及陀螺力矩的作用下，軸承剛度也會變化，從而也會影響主軸部件的彎曲剛度。主軸在轉(zhuǎn)動過程中溫升對主軸彎曲剛度的影響也不容忽視。

如上所述，機(jī)床主軸部件在運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下彎曲剛度值是變化的，而影響彎曲剛度主要因素有：轉(zhuǎn)速、溫度等。由于在機(jī)床切削加工過程中主軸受徑向、軸向、切向三向切削力，研究發(fā)現(xiàn)，主軸所受的軸向動態(tài)切削力會增強(qiáng)刀柄與主軸結(jié)合面的接觸剛度和阻尼，對機(jī)床主軸運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的彎曲剛度產(chǎn)生較大的影響，如何測試轉(zhuǎn)動的機(jī)床主軸受到徑-軸向復(fù)合切削力時，機(jī)床主軸彎曲剛度的變化是亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的就是解決如何測試轉(zhuǎn)動的機(jī)床主軸受到徑-軸向復(fù)合切削力時，機(jī)床主軸彎曲剛度的變化這一難題。

本發(fā)明的技術(shù)問題通過以下的技術(shù)方案予以解決：

一種徑-軸向復(fù)合非接觸式加載器，包括蓋板、底座、安裝板、徑向加載部分和軸向加載部分，所述徑向加載部分和軸向加載部分分別設(shè)置在底座上，所述蓋板與所述徑向加載部分連接，所述安裝板與軸向加載部分連接，所述徑向加載部分和軸向加載部分安裝在所述底座上。

本發(fā)明的技術(shù)問題還通過以下的技術(shù)方案予以解決：

一種機(jī)床主軸剛度測試系統(tǒng)，包括機(jī)床工作臺、徑-軸向復(fù)合非接觸式加載器、測試棒、位移傳感器組件、三向測力儀；所述徑-軸向復(fù)合非接觸式加載器安裝在所述機(jī)床工作臺上，所述測試棒設(shè)置在所述徑-軸向復(fù)合非接觸式加載器的內(nèi)腔，所述位移傳感器組件、所述三向測力儀均安裝在所述機(jī)床工作臺上。

優(yōu)選地，所述徑向加載部分包括徑向線圈、徑向鐵芯和機(jī)座，所述徑向線圈位于所述徑向鐵芯中，所述徑向鐵芯安裝在所述機(jī)座上。

優(yōu)選地，所述徑向線圈包括分立的四部分，所述徑向線圈安裝在所述徑向鐵芯內(nèi)；

所述徑向鐵芯用第一固定件在所述機(jī)座上；所述第一固定件是平鍵；

所述徑向鐵芯由硅鋼片疊成，所述硅鋼片間互相絕緣。

優(yōu)選地，所述軸向加載部分包括軸向線圈、軸向鐵芯和軸向安裝板，所述軸向線圈固定在軸向鐵芯內(nèi)，所述軸向鐵芯安裝在所述軸向安裝板上。

優(yōu)選地，所述軸向鐵芯與所述徑向鐵芯分別為盤類零件。

優(yōu)選地，所述軸向鐵芯的加載面為平面，所述徑向鐵芯的加載面為具有一定曲率的內(nèi)圓弧面。

優(yōu)選地，所述位移傳感器組件包括位移傳感器、位移傳感器安裝板、微調(diào)平臺、微調(diào)平臺安裝板，所述微調(diào)平臺用于精確調(diào)節(jié)位移傳感器的位置，所述位移傳感器安裝在所述位移傳感器安裝板上，所述位移傳感器安裝板安裝在所述微調(diào)平臺上，所述微調(diào)平臺安裝在所述微調(diào)平臺安裝板上，所述微調(diào)平臺安裝板安裝在機(jī)床工作臺上。

優(yōu)選地，所述位移傳感器為激光位移傳感器，所述微調(diào)平臺可以使所述位移傳感器在x、y、z方向上做微小的移動，所述位移傳感器的探頭靠近測試棒的端部。

優(yōu)選地，所述三向測力儀一端與徑-軸向復(fù)合加載相連接，另一端固定在機(jī)床工作臺上與所述加載器安裝板相連，用于測量測試棒所受的徑向力與軸向力。

優(yōu)選地，所述測試棒的一端與機(jī)床主軸相連接，另一端置于徑-軸向復(fù)合加載器的內(nèi)腔正中位置，與徑-軸向復(fù)合加載器非接觸。

優(yōu)選地，所述徑向鐵芯的加載面與所述測試棒、所述軸向鐵芯的加載面與所述測試棒間具有均勻間隙，所述間隙為0.8mm-1.2mm。

優(yōu)選地，所述機(jī)床主軸剛度測試系統(tǒng)還包括信號采集與調(diào)理系統(tǒng)，所述信號采集與調(diào)理系統(tǒng)分別與所述位移傳感器、三向測力儀相連，所述信號采集與調(diào)理系統(tǒng)接收位移傳感器和三向測力儀的信號，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中進(jìn)行處理。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對比的有益效果是：

本發(fā)明的一種徑-軸向復(fù)合非接觸式加載器及機(jī)床主軸剛度測試系統(tǒng)，提供了一套用于研究軸向切削力對機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)主軸彎曲剛度影響的實驗裝置，模擬機(jī)床實際切削過程給主軸施加一個可控的非接觸式軸向力，同時施加一個非接觸式徑向力，可以獲取主軸所受動態(tài)軸向力、轉(zhuǎn)速值對主軸彎曲剛度的影響，為改善機(jī)床主軸的動態(tài)性能提供了實驗手段和方法。

附圖說明

圖1、圖2是本發(fā)明機(jī)床主軸剛度測試系統(tǒng)的總體裝配圖；

圖3是本發(fā)明機(jī)床主軸剛度測試系統(tǒng)的位移傳感器安裝示意圖；

圖4是本發(fā)明徑-軸向復(fù)合非接觸式加載器結(jié)構(gòu)分解示意圖；

圖5是本發(fā)明機(jī)床主軸剛度測試系統(tǒng)的軸向加載結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明機(jī)床主軸剛度測試系統(tǒng)的徑向裝配結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明機(jī)床主軸剛度測試系統(tǒng)的徑向加載原理圖；

圖8是本發(fā)明機(jī)床主軸剛度測試系統(tǒng)的軸向加載原理圖；

圖9是本發(fā)明機(jī)床主軸剛度測試系統(tǒng)的信號處理示意圖；

圖10是本發(fā)明機(jī)床主軸剛度測試系統(tǒng)的測試流程框圖。

具體實施方式

本發(fā)明機(jī)床主軸剛度測試系統(tǒng)的總體裝配圖如圖1、2所示，包括機(jī)床工作臺5、徑-軸向復(fù)合非接觸式加載器4、測試棒3、位移傳感器組件、三向測力儀組件7；

測試棒3的工作部分為圓柱狀；

徑-軸向復(fù)合加載器4安裝在立式機(jī)床1的工作臺5上，測試棒3的一端與機(jī)床主軸2相連，另一端置于徑-軸向復(fù)合加載器4的內(nèi)腔正中位置，不與徑-軸向復(fù)合加載器4接觸。

位移傳感器組件通過傳感器位移6安裝在機(jī)床1的工作臺5上，位移傳感器6的探頭應(yīng)靠近測試端3的圓柱面，且盡量保證位移測量方向與測試棒所受徑向力方向一致。

三向測力儀組件7一端與徑-軸向復(fù)合加載器4的加載器安裝板相連接，另一端固定在機(jī)床工作臺5上，用于測量測試棒3所受的徑向力與軸向力。

位移傳感器組件如圖3所示，包括：位移傳感器安裝板18、微調(diào)平臺19、微調(diào)平臺安裝板20，微調(diào)平臺19可以在x、y、z方向上做微小的移動，用于精確調(diào)節(jié)位移傳感器6的位置，位移傳感器6安裝在位移傳感器安裝板18上，位移傳感器安裝板18安裝在微調(diào)平臺19上，微調(diào)平臺19安裝在微調(diào)平臺安裝板20上，所述微調(diào)平臺安裝板20安裝在機(jī)床工作臺5上。位移傳感器6的探頭靠近測試棒3的端部，測量過程中通過調(diào)節(jié)微調(diào)平臺19以獲得最佳的測量點。

位移傳感器6為激光位移傳感器。

徑-軸向復(fù)合非接觸式加載器4結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，包括蓋板8、徑向線圈9、平鍵10、徑向鐵芯11、機(jī)座12、底座13、軸向安裝板14、軸向線圈15、軸向鐵芯16、安裝板17，徑向線圈9、徑向鐵芯11、機(jī)座12組成徑向加載部件。

蓋板8、徑向鐵芯11、機(jī)座12、底座13、軸向安裝板14、軸向線圈15、軸向鐵芯16、安裝板17都是盤類零件，蓋板8、機(jī)座12、底座13、軸向安裝板14、軸向鐵芯16、安裝板17上都設(shè)有安裝孔，徑向線圈9由相同的四部分組成，徑向鐵芯11內(nèi)部分布有四個均布的凸出體，分別用于繞制徑向線圈9，機(jī)座12為盤類零件，其內(nèi)孔孔徑等于徑向鐵芯11的外徑，其上設(shè)有與蓋板8連接的連接孔和與底座13連接的連接孔，底座13的兩端分布有安裝孔，一端與機(jī)座12相連，另一端與安裝板17相連，軸向鐵芯16也為盤類零件軸向線圈15繞在軸向鐵芯16內(nèi)部的圓柱體上，軸向鐵芯16安裝在軸向安裝板14上。

軸向加載部件結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括軸向安裝板14、軸向線圈15、軸向鐵芯16，軸向線圈15套入軸向鐵芯16，并用環(huán)氧樹脂膠固定軸向線圈15，將套好軸向線圈15的軸向鐵芯16通過安裝孔安裝在軸向安裝板14上，軸向安裝板14固定在底座13上，底座13安裝在安裝板17上；徑向線圈9繞進(jìn)徑向鐵芯11然后將徑向鐵芯11套入機(jī)座12中，平鍵10用于防止徑向鐵芯11在機(jī)座12中的相對轉(zhuǎn)動，蓋板8安裝在機(jī)座12上，再將機(jī)座12安裝到底座13上。

裝配順序是先將加載器安裝板17安裝在三向測力儀7上，再將軸向安裝板14安裝在底座13上，軸向線圈15套入軸向鐵芯16，并用環(huán)氧樹脂膠固定，將套好軸向線圈15的軸向鐵芯16按照如圖所示方向安裝在軸向安裝板14上，再將底座13安裝在加載器安裝板17上；上述完成了軸向加載部分的安裝，下面是徑向加載部分的安裝：將徑向線圈9繞進(jìn)徑向鐵芯11然后將徑向鐵芯11套入機(jī)座12中，平鍵10用以防止徑向鐵芯11在機(jī)座12中的相對轉(zhuǎn)動，再將機(jī)座12安裝到底座13上，最后將蓋板8安裝在機(jī)座12上。

徑向線圈9繞進(jìn)徑向鐵芯11，用以施加徑向力；軸向線圈15套在軸向鐵芯16上，用以施加軸向力；徑向鐵芯11的加載面為具有一定曲率的內(nèi)圓弧面，軸向鐵芯16的加載面為平面。

圖6是徑向加載結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，測試棒3伸入徑向鐵芯11中，兩者之間保持均勻間隙。由于間隙值是影響電磁加載力大小的一個重要因素，過大會導(dǎo)致電磁加載力太小，過小會導(dǎo)致對中困難。

為了保證加載有效，徑向鐵芯9的加載面與測試棒3的間距應(yīng)在0.8mm-1.2mm，為保證間隙的均勻，鐵芯與測試棒3相對的表面應(yīng)加工有一定的弧度。當(dāng)給徑向線圈9通電時，徑向鐵芯11、間隙、測試棒3形成一束閉合的磁力線22。如圖7所示，徑向鐵芯11與測試棒3之間產(chǎn)生一個徑向的磁力F_r，模擬機(jī)床主軸2在實際切削中所受的徑向切削力。

軸向線圈15繞在軸向鐵芯16上，軸向鐵芯16的加載面與測試棒3的軸端平面間的距離亦要控制在0.5mm-2.5mm。當(dāng)給軸向線圈15通電時，軸向鐵芯16、間隙、測試棒3之間形成一束閉合的磁力線21，軸向鐵芯16與測試棒3之間產(chǎn)生一個軸向的磁力F_a，磁力的方向如圖8所示，模擬機(jī)床主軸2在實際切削中所受的軸向切削力。

由于在變化的磁場內(nèi)會產(chǎn)生渦流效應(yīng)產(chǎn)生，徑向鐵芯11受力面會形成電渦流，電渦流所形成的磁場不但會削弱原磁場，且它的熱效應(yīng)會限制徑向鐵芯11的轉(zhuǎn)速，此外磁場在高溫的環(huán)境中亦會變的不穩(wěn)定，導(dǎo)磁材料可能會瞬間突然失去磁性。考慮到上述種種的原因，徑向鐵芯11的受力表面應(yīng)用硅鋼片疊成，鋼片間互相絕緣。

為了使測試棒3與徑向與軸向復(fù)合加載及測量裝置4之間能夠產(chǎn)生磁力，測試棒需選用鐵磁材料(鐵、鈷、鎳或其合金)。

可根據(jù)不同的主軸類型選擇標(biāo)準(zhǔn)檢驗芯棒，即測試棒3，其常見類型有：BT、HSK、SK等，本次選用BT測試棒。要求測試棒具有較高的圓度和同心度。

主軸剛度測試系統(tǒng)的信號處理示意圖如圖9所示，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)23分別與激光位移傳感器6、三向力測力儀7相連，采集力信號和位移信號并輸入到計算機(jī)24中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以測量軸向力、主軸轉(zhuǎn)速對主軸彎曲變形的影響。

激光位移傳感器與三向力測量儀的信號通過數(shù)據(jù)傳輸線接到數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)23，對信號進(jìn)行采集和處理，通過驅(qū)動連接測試系統(tǒng)的軟件部分和硬件部分，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)24中處理。

機(jī)床主軸剛度測試系統(tǒng)的測試流程圖如圖10所示，包括以下步驟：

S1、給徑-軸向復(fù)合非接觸式加載器通電；

S2、通電后在徑向線圈、徑向鐵芯、測度棒之間形成一閉合磁路，產(chǎn)生徑向電磁力，在軸向線圈、軸向鐵芯、測度棒之間形成另一閉合磁路，產(chǎn)生軸向電磁力；同時進(jìn)行S3、S4兩步；

S3、三向測力儀檢測機(jī)床主軸徑-軸向的力值；

S4、轉(zhuǎn)動狀態(tài)下的機(jī)床主軸產(chǎn)生形變，位移傳感器檢測機(jī)床主軸的徑向位移值；

S5、根據(jù)檢測到的徑-軸向的力值、徑向位移值，按照剛度計算公式進(jìn)行計算，得到主軸彎曲剛度。

下面具體描述根據(jù)本發(fā)明實施例的徑-軸向復(fù)合非接觸式加載器及機(jī)床主軸剛度測試系統(tǒng)中軸向力對彎曲變形影響的評估方法。

其中，需要說明的是，評估方法是機(jī)床性能評估的關(guān)鍵步驟，評估方式和實驗過程所采用的具體方案密切相關(guān)。

首先，測試棒3在實際使用過程中都不可能是一個理想的圓柱，它自身總會存在一定的凹凸不平的表面，且在實際回轉(zhuǎn)過程中總會存在一定的回轉(zhuǎn)誤差，而這些問題都會造成測試過程中的測量誤差。一般激光位移傳感器的精度都比較高(一般分辨率在幾個微米)，足以測出其中凹凸不平的特征，但需要進(jìn)行相應(yīng)的計算來消除制造和安裝誤差。此外，為了減小機(jī)床主軸熱應(yīng)力對實驗結(jié)果的影響，測量數(shù)據(jù)前需要對機(jī)床主軸進(jìn)行30min左右的空轉(zhuǎn)預(yù)熱。

本實驗步驟主要分為兩個部分：1)不同轉(zhuǎn)速情況下，僅加徑向力情況下機(jī)床主軸彎曲變形的測量；2)不同轉(zhuǎn)速情況下，同時施加徑向力與軸向力時機(jī)床主軸彎曲變形的測量。

1)不同轉(zhuǎn)速情況下，僅加徑向力情況下機(jī)床主軸彎曲變形的測量

將機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速由0r/min逐漸的調(diào)至n₁r/min,空轉(zhuǎn)30min后給線圈(徑向)通電，為了獲得多組數(shù)據(jù)，改變線圈(徑向)電流值的大小，以給主軸施加不同幅值和頻率的徑向力，通過信號采集與調(diào)理系統(tǒng)獲得多組徑向力和徑向位移值{F_w1k},{δ_w1k}，k＝1,2,3····m，采樣頻率要大于信號頻率的2倍，一般取5-10倍，下面亦同；對{F_w1k},{δ_w1k}序列分別進(jìn)行離散傅里葉變換(DTFT)，可得：

{F_w1k(w)},{δ_w1k(w)}，k＝1,2,3····m力與位移的比值：F_w1k(w)/δ_w1k(w)即為頻率域下的剛度值，即：K_w1k(w)＝F_w1k(w)/δ_w1k(w),k＝1,2,3...m改變改變轉(zhuǎn)速值，當(dāng)轉(zhuǎn)速為n₂時重復(fù)上面的測量可得K_w2k(w)＝F_w2k(w)/δ_w2k(w),k＝1,2,3...m；需要注意的是，各個速度測量點的間距要分布均勻，測量范圍涵蓋常用切削速度段。本次實驗選擇5個速度測量點，可得：

{F_wλk(w)},{δ_wλk(w)}，λ＝1,2,3,4,5,k＝1,2,3····m相應(yīng)的剛度值為：

K_wλk(w)＝F_w2k(w)/δ_w2k(w),λ＝1,2,3,4,5,k＝1,2,3...m

2)不同轉(zhuǎn)速情況下，同時施加徑向力與軸向力時機(jī)床主軸彎曲變形的測量同理，將機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速由0r/min逐漸的調(diào)至n₁r/min,空轉(zhuǎn)30min后給線圈(徑向)和線圈(軸向)同時通電，為了研究軸向力對彎曲變形的影響，并且考慮到刀具切削過程中徑向力與軸向力的變化是一致的，所以當(dāng)給線圈(軸向)通以一定的電流值時獲得軸向力值為M₁改變線圈(徑向)的電流以獲得不同幅值和頻率的徑向力，徑向力的頻率與軸向力的頻率保持一致，設(shè)此時的彎軸向復(fù)合系數(shù)為測量可得：(M₁,F_f11k,δ_11k),k＝1,2,3···m，對{F_f11k}{δ_11k}，i＝1,2,3···m進(jìn)行DTFT變換可得{F_f11k(w)}{δ_11k(w)}，k＝1,2,3···m，計算頻域下的剛度可得：

K_f11k(w)＝F_f11k(w)/δ_11k(w),k＝1,2,3...m

改變軸向力值為M₂，同理可得：K_f12k(w)＝F_f12k(w)/δ_12k(w),k＝1,2,3...m

測量5組數(shù)據(jù)可得：K_f1jk(w)＝F_f1jk(w)/δ_1jk(w),j＝1,2,3,4,5,k＝1,2,3...m

需要注意的是，為了與1)具有可對比性，2)所施加的徑向力的頻率與幅值以及轉(zhuǎn)速測量點的選擇與1)相同；同理，當(dāng)轉(zhuǎn)速為n₂、施加同樣的軸向力情況下，可得：K_f2jk(w)＝F_f2jk(w)/δ_2jk(w),j＝1,2,3,4,5,k＝1,2,3...m依次測量5組數(shù)據(jù)可得：K_fλjk(w)＝F_fλjk(w)/δ_λjk(w),λ＝1,2,3,4,5,j＝1,2,3,4,5,k＝1,2,3...m

以K_wλk(w)為對比項，與K_fλjk(w)之作對比，分析在同一轉(zhuǎn)速下(即同λ)，當(dāng)改變軸向力值(即變動_j值)時，兩個值的大小關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)K_wλk(w)≤K_fλjk(w)即可得出軸向力增強(qiáng)了彎曲剛度，減小了彎曲變形，同時可以研究分析軸向力值的變化以及速度變化對這種增強(qiáng)作用的影響。

總而言之，本發(fā)明實施例的徑-軸向復(fù)合非接觸式加載器及機(jī)床主軸剛度測試系統(tǒng)提供了一套解決機(jī)床主軸軸向力對主軸彎曲變形影響的實驗裝置，可以測得主軸轉(zhuǎn)速、施加軸向力值對主軸彎曲變形的影響，有利于機(jī)床動態(tài)性能的改善。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的/優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，其還可以對這些已描述的實施例做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。