一种电主轴动态加载振动测试系统及测试方法技术方案

本发明专利技术公开了一种电主轴动态加载振动测试系统及测试方法，包括工作台、电主轴、主轴刀柄、加载盘、三向测力仪、电磁加载装置、振动加速度传感器、激光位移传感器、传感器支架组件、数据采集卡、加速度信号调理器、PC机、主轴支架、可调恒流源和变频器。本发明专利技术采用电磁加载并在材料及加载装置结构进行改进，实现径向‑切向加载且加载值可调，同时减小涡流对主轴振动测试的影响。本系统采用两种传感器同时检测主轴加速度和盘面位移信号，且激光位移传感器检测点位可调，扩大了检测分析方法的选择自由度，便于采集多组数据，大幅提高电主轴振动测试的精确度。

【技术实现步骤摘要】
一种电主轴动态加载振动测试系统及测试方法
本专利技术涉及一种电主轴动态加载振动测试系统及测试方法，尤其在非接触式动态加载工况下测试电主轴振动的系统及测试方法。
技术介绍
随着机械制造朝着微型化、高端化发展，机械零部件的加工要求越来越高，尤其是尺寸精度。目前，零件加工大多由数控机床完成，且电主轴因其结构紧凑、机械效率高、回转速度及精度较高、噪声低、振动小等优点广泛应用于机床领域。对机床来说，加工时电主轴的振动特性决定了零件的加工精度。因此，电主轴需要模拟测试在不同状况下是否运作良好，以保证合格的加工条件。振动测试一般在电主轴轴承座上嵌入传感器，如振动加速度传感器、位移传感器等，以测试主轴振动特性。此方法较为简单，但在高速主轴中未必十分精确。在高速旋转主轴动态特性的测试过程中，如何对主轴进行加载则是最大的难点。目前主要有接触式和非接触式加载两种：接触式加载，如采用弹性联轴器、啮合齿轮等方式连接加载电主轴和被测电主轴，结构简单，操作方便，但不能实现高转速下的可变加载，且测量不准确，尤其是主轴频响函数的测量会存在较大的误差；非接触式加载，如电磁加载，原理简单且可模拟工况，但会产生涡流发热影响主轴自身特性，如何减小涡流是一大改进方向。
技术实现思路
为解决上述测试问题，本专利技术提供了一种电主轴非接触式动态加载振动测试系统及测试方法，采用电磁加载并依据电磁原理改进加载装置结构及材料以减小涡流，使用两种传感器同时测试电主轴振动。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种电主轴动态加载振动测试系统，其特征在于，包括：安装于主轴支架上的电主轴，安装于电主轴末端的加载盘以及安装于电主轴前轴承座上的安装孔的振动加速度传感器，安装于工作台上的三向测力仪和传感器支架组件，安装于传感器支架组件上的激光位移传感器，还包括数据采集卡、加速度信号调理器、PC机、可调恒流源，以及变频器；三向测力仪连接工作台，电磁加载装置固定于三向测力仪上，加载盘插入电磁加载装置中；三向测力仪间接检测主轴受力；变频器调整电主轴转速，可调恒流源调节电磁加载装置中励磁电流值；三向测力仪测得加载盘的力信号，振动加速度传感器测得主轴轴承的加速度信号，加速度信号经加速度信号调理器处理，并利用数据采集卡采集力信号及加速度信号，传输到PC机进行数据分析，位移信号为加载盘表面位移信号；激光位移传感器测得加载盘表面位移信号，通过配套电缆将数据传输到PC机上。位移信号传输路径：激光位移传感器-PC机。可调恒流源为电磁加载装置供电，并控制加载值；三向测力仪检测加载盘的力信号且连接到数据采集卡进行信号采集，并传输到PC机进行数据处理；振动加速度传感器(检测振动信号)与加速度信号调理器(调理振动信号)连接，且再连接到数据采集卡进行信号采集，并传输到PC机进行数据处理。所述电磁加载装置包括：四个沿圆周均匀分布的U型铁芯、缠绕于铁芯上的线圈、位于加载盘与铁芯之间的气隙；加载盘插于铁芯环绕的中心孔中；铁芯磁极为圆弧形。所述电磁加载原理为：励磁电流通入电磁加载装置后，U型电磁铁激发气隙磁场，由于加载盘的磁导率远大于气隙磁导率，圆盘与气隙分界面上将产生磁张力，即为径向力的加载；当加载盘以角速度ω旋转时，其表面所经历的外磁场N,S极交替变化，形成周期性交变磁场，加载盘中产生涡流，从而产生切向电磁力，与电主轴转向相反。因此，不同位置铁芯线圈组合通电后可实现径向力和切向力的可变加载。所述铁芯磁极为圆弧形，铁芯由薄硅钢片叠成，叠片之间绝缘处理；铁芯两侧线圈差动串接，每侧线圈各绕七千匝；可调恒流源为电磁加载装置提供励磁电流，调节励磁电流值可改变对电主轴的径向和切向加载值。所述加载盘仿制刀具的接口形式，上端通过主轴刀柄安装在电主轴上，加载盘的盘体插入电磁加载装置中；盘体选用高磁导率、低电导率的铁镍合金材料，同轴度及盘面与轴线的垂直度预先标定；盘体几何尺寸放大主轴振动，且盘面标有两种刻度，辅助电主轴振动测试。所述传感器支架组件包括：安装在工作台上的传感器支座，以螺旋副连接的滚珠丝杠和丝杠螺母，手轮(手轮与滚珠丝杠一端过盈配合)，与滚珠丝杠端部过渡配合的双沟球轴承(即滚珠丝杆与双沟球轴承过渡配合并安装在传感器支座上)，利用螺栓固定在丝杠螺母上的安装座。所述安装座开有两孔，用于安装激光位移传感器。所述手轮一侧带有圆柱形把手，且与手轮旋转轴线有一定的偏心距；另一侧开有内孔，与丝杠过盈配合。转动手轮可左右移动安装座，实现调节激光位移传感器检测点位的功能。传感器支架组件位于三向测力仪的左侧。所述激光位移传感器安装在传感器支架组件的安装座上，测试加载盘面的特定点位的振动。振动加速度传感器利用螺栓固定在电主轴前轴承座上，即所述振动加速度传感器利用螺纹锁紧的形式固定在电主轴前轴承座安装孔上。激光位移传感器和振动加速度传感器同时检测电主轴振动，激光位移传感器的光束打在加载盘表面，且激光位移传感器在加载盘上的检测点位可调。采用电主轴动态加载振动测试系统的测试方法，包括如下步骤：1)空载振动测试：调节加载盘相位及传感器支架组件中安装座位置，使得激光位移传感器的检测光束打在加载盘的Φ20mm圆的零刻度线上；设定变频器输出电流频率，启动电主轴，采集盘面位移及加速度信号；保持变频器输出电流频率及加载盘起始相位不变，调节激光位移传感器的检测点位，采集盘面位移及加速度信号；调节变频器输出电流频率，采集不同转速下电主轴的振动数据；PC机处理不同转速下多组盘面位移及加速度信号，分析机床主轴频响函数，评估电主轴性能；2)加载振动测试：需开启可调恒流源；测试过程中，改变可调恒流源输出的励磁电流以调整径向-轴向电磁加载，通过三向测力仪测量电磁加载装置受力，估算作用在电主轴上的径向-切向加载值；在不同转速不同加载下采集盘面位移、作用力及加速度信号；PC机综合处理盘面位移、主轴受力及加速度数据，分析机床主轴频响函数，评估电主轴性能。与现有技术比较，本专利技术的有益效果为：本专利技术提供的一种电主轴动态加载振动测试系统，可改变主轴径向和切向的加载值，在不同负载不同转速下分析机床主轴频响函数。另外，电磁加载装置及加载盘依据电磁场原理设计改进，选用优质材料且改进加载装置结构，能更好地聚集磁力线和导通气隙磁场，且减少加载盘的感应涡流，大幅降低温升，减小电磁加载对主轴性能的影响。进一步的，本专利技术中采用高精度的激光位移传感器，检测加载盘表面特定点位的位移。其中，盘面几何尺寸可以放大主轴的振动，盘面刻度可辅助测试；另有振动加速度传感器检测主轴轴承振动，采集多种振动数据评估主轴实际回转性能。附图说明图1为本专利技术电主轴动态加载振动测试系统的结构示意图；图2为本专利技术中主轴加载系统的轴测图；图3为本专利技术中电磁加载装置的结构示意图；图4为本专利技术中加载盘结构示意图；图5为本专利技术中传感器支架组件的结构示意图；其中，附图标记含义如下：1工作台，2电主轴，3主轴刀柄，4加载盘，5三向测力仪，6电磁加载装置，601铁芯，602线圈,603气隙，7振动加速度传感器，8激光位移传感器，9传感器支架组件，901传感器支座，902滚珠丝杠，903丝杠螺母，904双沟球轴承，905安装座，906手轮，10数据采集卡，11加速度信号调理器，12PC机，13主轴支架，14可调恒流源，15变本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电主轴动态加载振动测试系统，其特征在于，包括：安装于主轴支架（13）上的电主轴（2），安装于电主轴（2）末端的加载盘（4）以及安装于电主轴（2）前轴承座上的安装孔的振动加速度传感器（7），安装于工作台（1）上的三向测力仪（5）和传感器支架组件（9），安装于传感器支架组件（9）上的激光位移传感器（8），还包括数据采集卡（10）、加速度信号调理器（11）、PC机（12）、可调恒流源（14），以及变频器（15）；三向测力仪（5）连接工作台（1），电磁加载装置（6）固定于三向测力仪（5）上，加载盘（4）插入电磁加载装置（6）中；三向测力仪（5）间接检测主轴（2）受力；变频器（15）调整电主轴（2）转速，可调恒流源（14）调节电磁加载装置（6）中励磁电流值；三向测力仪（5）测得加载盘（4）的力信号，振动加速度传感器（7）测得电主轴前轴承的加速度信号，加速度信号经加速度信号调理器（11）处理，然后利用数据采集卡（10）采集力信号及加速度信号，传输到PC机（12）进行数据分析；激光位移传感器（8）测得加载盘（4）表面位移信号，通过配套线缆将数据传输到PC机（12）上。

【技术特征摘要】
1.一种电主轴动态加载振动测试系统，其特征在于，包括：安装于主轴支架（13）上的电主轴（2），安装于电主轴（2）末端的加载盘（4）以及安装于电主轴（2）前轴承座上的安装孔的振动加速度传感器（7），安装于工作台（1）上的三向测力仪（5）和传感器支架组件（9），安装于传感器支架组件（9）上的激光位移传感器（8），还包括数据采集卡（10）、加速度信号调理器（11）、PC机（12）、可调恒流源（14），以及变频器（15）；三向测力仪（5）连接工作台（1），电磁加载装置（6）固定于三向测力仪（5）上，加载盘（4）插入电磁加载装置（6）中；三向测力仪（5）间接检测主轴（2）受力；变频器（15）调整电主轴（2）转速，可调恒流源（14）调节电磁加载装置（6）中励磁电流值；三向测力仪（5）测得加载盘（4）的力信号，振动加速度传感器（7）测得电主轴前轴承的加速度信号，加速度信号经加速度信号调理器（11）处理，然后利用数据采集卡（10）采集力信号及加速度信号，传输到PC机（12）进行数据分析；激光位移传感器（8）测得加载盘（4）表面位移信号，通过配套线缆将数据传输到PC机（12）上。2.根据权利要求1所述的电主轴动态加载振动测试系统，其特征在于，所述电磁加载装置包括：四个沿圆周均匀分布的U型铁芯（601）、缠绕于铁芯（601）上的线圈（602）、位于加载盘（4）与铁芯（601）之间的气隙（603）；加载盘插于四个铁芯环绕的中心孔中；铁芯（601）磁极为圆弧形。3.根据权利要求2所述的电主轴动态加载振动测试系统，其特征在于，所述铁芯（601）磁极为圆弧形，铁芯由薄硅钢片叠成，叠片之间绝缘处理；铁芯两侧线圈（602）差动串接，每侧线圈各绕七千匝；可调恒流源（14）为电磁加载装置提供励磁电流，调节励磁电流值可改变对电主轴（2）的径向和切向加载值。4.根据权利要求1所述的电主轴动态加载振动测试系统，其特征在于，所述加载盘（4）上端通过主轴刀柄（3）安装在电主轴（2）上，加载盘的盘体插入电磁加载装置（6）中；盘体选用高磁导率、低电导率的铁镍合金材料，同轴度及盘面与轴线的垂直度预先标定；盘体几何尺寸放大主轴振动，且盘面标有两种刻度，辅助电主轴振动测试。5.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐冠华，蔡颖锋，徐月同，傅建中，顾敏杰，
申请(专利权)人：浙江大学昆山创新中心，
类型：发明
国别省市：江苏,32