本发明专利技术涉及一种磁粉加载式机床旋转主轴的扭转动刚度检测系统，包括：机床主轴、设于机床上的加载装置、设在该加载装置上的力传感器、光栅式扭转角位移传感器以及连接主轴的测试棒，该测试棒插入加载装置的容置腔中，由磁化的磁粉形成的磁粉链与测试棒表面产生摩擦力实现柔性加载。通过本系统检测得到的机床转动状态下的扭转动刚度比在静止状态下测得的扭转动刚度值更有实际的意义和价值，更准确的反映了机床的动态性能，得到的刚度值可用于评价机床的动态性能，识别机床的薄弱环节，有益于机床的性能改进。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于机床动态性能检测
，具体涉及一种磁粉加载式机床旋转主轴的扭转动刚度检测系统。
技术介绍
刚度是衡量被测对象抵抗变形能力的参数，刚度值越大代表被测对象在外力作用下抵抗变形的能力越强。依据所加载荷的性质，刚度可分为静刚度和动刚度两种；静刚度是给被测对象施加一个静态载荷所得的刚度值；动刚度是被测对象在动态激扰下抵抗变形的能力。按照载荷的形式，刚度亦可分为扭转刚度、弯曲刚度、拉伸刚度等。扭转刚度是机床主轴的一个重要的性能参数，代表了被测对象在扭矩作用下抵抗变形的能力，若主轴的扭转刚度过小，受力产生过大的变形，最终影响工件的加工精度。传统扭转刚度测量方法是在主轴静止的情况下通过给主轴施加一定的静态载荷，通过相应的传感器测量其扭转变形，最后得到其静刚度值的大小；动刚度则是通过给静止的主轴施加动态载荷，测量主轴的动态响应计算得到。上述所得刚度值都是基于主轴在静态条件下测量得到的，测量结果与实际加工过程中的性能有较大的差异。机床运转状态下的动刚度更能反映机床实际加工时的性能。机床主轴在运转的条件下动刚度测量的主要难点是如何给运动的主轴施加一个恒定载荷，并且能够在保证安全性的前提下避免接触式加载造成的对运转主轴的损害；此外，运转的主轴在扭转力作用下扭转变形量的测量方法也是一个难点。
技术实现思路
鉴于现有技术存在的上述不足，本专利技术提供一种磁粉加载式机床旋转主轴的扭转动刚度检测系统，该系统通过磁粉加载方式给旋转的主轴施加一定的扭矩，进而处理力传感器测出的扭矩信号和扭转角位移传感器测出的扭转角信号，获得机床主轴在运转情况下的扭转刚度。本专利技术涉及的主要原理为光栅测量原理与磁粉加载原理。光栅测量原理：将栅距均匀的两块光栅以微小的角度重叠，一束经过聚光的光线通过光栅后会产生明暗相间的条纹，称之为莫尔条纹，两块光栅产生相对运动时，莫尔条纹也会产生相应的移动，通过测量莫尔条纹的变化来获得光栅盘的相对（角）位移量是光栅测（角）位移的基本思路；实施例采用两块切向光栅，两块光栅的栅线切向相反以保证一定的夹角，且圆心均在测试棒的轴线上，此时的莫尔条纹呈同心圆弧状。磁粉加载原理：分布在空间内的磁粉被磁化后在磁场的作用下会沿着一定的方向分布，磁粉之间相互吸引，通过电磁力相互连接形成磁粉链，与磁粉接触的运动部件因此会受到磁粉的摩擦力作用；若存在一个主动件和一个从动件，且相互非接触，则主动件的运动和动力可通过磁粉的摩擦力传递给从动件，实现了柔性加载。本专利技术提供的磁粉加载式机床旋转主轴的扭转动刚度检测系统，包括：设置在机床上的主轴；设于所述机床的工作台上的加载装置，该加载装置包含定子、具有容置腔的内衬件、隔磁环、磁粉及安装于所述定子的线圈，所述内衬件设置于所述定子的内腔中，所述磁粉分布在所述内衬件的容置腔内；测试棒，该测试棒的一端与所述主轴相连，另一端插入所述加载装置中的所述容置腔，所述加载装置的线圈通直流电流后产生磁场，该磁场将位于所述容置腔内的磁粉磁化形成磁粉链，所述磁粉链与由所述主轴驱动旋转的测试棒表面产生摩擦力，实现对所述测试棒的扭矩的加载；力传感器，所述力传感器设在所述加载装置上以检测所述测试棒受到的加载作用扭矩大小；以及光栅式扭转角位移传感器，它包含设在所述机床上的主体部分和圆盘光栅，该圆盘光栅安装于所述测试棒上，以间接测量方式检测所述测试棒的扭转角。本检测系统进一步包括一个信号处理装置，用于处理所述力传感器输出的扭矩信号和所述光栅式扭转角位移传感器输出的扭转角信号，进而计算所述主轴运转情况下的扭转动刚度。其中，所述加载装置的定子还包括底座。所述加载装置中的隔磁环镶嵌在所述内衬件中，隔磁环的作用是阻隔线圈在内衬件中的磁路，使更多的磁感应线经过所述内衬件的容置腔，增加该容置腔中的磁感应强度。所述磁粉的粒径为10~40μm。所述力传感器为应变片，所述应变片设在所述加载装置的定子与内衬件的连接处。所述力传感器最好包括四个应变片，该四个应变片均分为两组，安装在所述加载装置的定子与内衬件的平键连接处，每一个平键连接处安装一个应变片。所述光栅式扭转角位移传感器的主体部分可以包括：拼接的左安装板和右安装板，依次设置于该左安装板的安装腔内发光二极管、透镜和指示光栅，以及安装在该右侧安装板对应部位的光电三极管。该指示光栅和圆盘光栅均采用切向光栅，该指示光栅和圆盘光栅的刻线相同，切线方向相反。所述信号处理装置包含：配置信号采集卡的计算机，连接于该信号采集卡相应输入端的放大器和信号处理器，连接于计算机的加载力信号输出端的驱动器，该驱动器输出连接所述加载装置的线圈，所述放大器输入连接所述力传感器，所述信号处理器输入连接所述光栅式扭转角位移传感器。为了便于测量，本专利技术具体实施中忽略了一些次要因素的影响，简化了物理模型。由于机床的主轴的一端是通过与别的零件接触获得转矩（如通过齿轮传动传递运动与动力到主轴），另一端与测试棒相连，而测试棒在加载装置内是受到柔性加载，因此，测试棒端变形容易，认为主轴的变形可以通过仅测量测试棒端的变形得到；由于测试对象是主轴的扭转刚度，为了便于力的加载同时保护主轴，测试过程中使用了圆柱形标准测试棒，为了降低测试棒在测试过程中的扭转变形对测试结果的影响，应选用静态扭转刚度和固有频率均较高的测试棒，且测试棒的长度在满足测试要求的情况下尽量取短。此外，为了保证加载的有效性，该圆柱形测试棒进入加载装置中容置腔的部分的表面应保证有较大的摩擦系数，可以通过用砂纸打磨测试棒的该部分，使该部分的摩擦系数为0.12-0.18即可；所述圆柱形测试棒的连接所述主轴的一端为带自锁螺纹的锥形部，方便准确可靠连接。本专利技术的角位移传感器采用间接的方法测量主轴的扭转角位移：主轴空转的情况下测出时间段内主轴的角位移量；在时间段内给主轴施加一个扭矩，扭矩值由0逐渐增加到，测出主轴在这一时间段内的角位移量；即为在扭矩最大值为情况下的扭转位移量；改变扭矩的值，重复上面的过程，可测得多组数据。在上述检测系统中对机床旋转主轴磁粉加载的方法，包括以下步骤：将测试棒一端与机床的主轴连接；该测试棒的另一端插入加载装置中的容置腔，施加直流电流到该加载装置的线圈产生磁场，该磁场磁化位于所述容置腔内的磁粉形成磁粉链，该磁粉链与由所述主轴驱动旋转的测试棒表面产生摩擦力，对所述测试棒的扭矩的加载；所述测试棒另一端的摩擦系数为0.12-0.18。所述磁粉的粒径为10~40μm。加载装置结构确定后,所述摩擦力大小主要通过调节施加到所本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种磁粉加载式机床旋转主轴的扭转动刚度检测系统，所述主轴设置在机床上，其特征在于进一步包括：设于所述机床的工作台上的加载装置，该加载装置包含定子、具有容置腔的内衬件、隔磁环、磁粉及安装于所述定子的线圈，所述内衬件设置于所述定子的内腔中，所述磁粉分布在所述内衬件的容置腔内；测试棒，该测试棒的一端与所述主轴相连，另一端插入所述加载装置中的所述容置腔，所述加载装置的线圈通直流电流后产生磁场，该磁场将位于所述容置腔内的磁粉磁化形成磁粉链，所述磁粉链与由所述主轴驱动旋转的测试棒表面产生摩擦力，实现对所述测试棒的扭矩的加载；力传感器，所述力传感器设在所述加载装置上以检测所述测试棒受到的加载作用的扭矩大小；以及光栅式扭转角位移传感器，它包含设在所述机床上的主体部分和圆盘光栅，该圆盘光栅安装于所述测试棒上，以间接测量方式检测所述测试棒的扭转角。
【技术特征摘要】
1.一种磁粉加载式机床旋转主轴的扭转动刚度检测系统，所述主轴设置在机床上，其
特征在于进一步包括：
设于所述机床的工作台上的加载装置，该加载装置包含定子、具有容置腔的内衬件、隔
磁环、磁粉及安装于所述定子的线圈，所述内衬件设置于所述定子的内腔中，所述磁粉分布
在所述内衬件的容置腔内；
测试棒，该测试棒的一端与所述主轴相连，另一端插入所述加载装置中的所述容置腔，
所述加载装置的线圈通直流电流后产生磁场，该磁场将位于所述容置腔内的磁粉磁化形成
磁粉链，所述磁粉链与由所述主轴驱动旋转的测试棒表面产生摩擦力，实现对所述测试棒
的扭矩的加载；
力传感器，所述力传感器设在所述加载装置上以检测所述测试棒受到的加载作用的扭
矩大小；以及
光栅式扭转角位移传感器，它包含设在所述机床上的主体部分和圆盘光栅，该圆盘光
栅安装于所述测试棒上，以间接测量方式检测所述测试棒的扭转角。
2.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述加载装置的定子还包括底座。
3.根据权利要求1或2所述的检测系统，其特征在于，所述加载装置中的隔磁环镶嵌在
所述内衬件中，该隔磁环用于阻隔所述线圈在所述内衬件中的磁路。
4.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述力传感器为应变片，所述应变片
设在所述加载装置的定子与内衬件的连接处。
5.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述力传感器包括四个应变片，该四
个应变片均分为两组，安装...
【专利技术属性】
技术研发人员：许超，冯平法，周凯，吴志军，张建富，马荣梅，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44
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