一种高速旋转轴系动态轴向加载刚度测试方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种高速旋转轴系动态轴向加载刚度测试方法及装置，方法包括向电磁绕组输出驱动电流，记录驱动电流以及位移传感器输出的轴向位移，确定旋转主轴的轴向位移、给旋转主轴施加的轴向磁吸力，计算给旋转主轴施加的轴向磁吸力、旋转主轴的轴向位移之间的比值作为第一动刚度和/或计算前述两者的傅里叶变换结果之间的比值作为第二动刚度；装置包括定子固定座和转子夹具，定子固定座上设有容置孔、位移传感器以及相对转子夹具对称布置的两个电磁绕组单元，转子夹具布置于容置孔中，转子夹具的外壁上设有转盘，转盘布置于两个电磁绕组单元之间。本发明专利技术具有测量精度高、适用性强、测量方便、能耗低、能实现稳定线性加载的优点。

A dynamic axial loading stiffness test method and device for high speed rotating shafting

The invention discloses a testing method and device for dynamic axial loading stiffness of high-speed rotating shaft system. The method includes outputting driving current to electromagnetic winding, recording driving current and axial displacement output by displacement sensor, determining axial displacement of rotating spindle, applying axial magnetic suction to rotating spindle, and calculating axial displacement to rotating spindle. The axial magnetic suction applied by the shaft and the ratio between the axial displacement of the rotating spindle are used as the first dynamic stiffness and/or as the second dynamic stiffness as the ratio between the Fourier transform results of the two aforementioned calculations; the device comprises a stator fixed seat and a rotor clamp, and the stator fixed seat is provided with a capacitive hole, a displacement sensor and a relative rotor clamp. Two electromagnetic winding units with symmetrical arrangement are arranged. The rotor fixture is arranged in the holding hole. A rotating disk is arranged on the outer wall of the rotor fixture and the rotating disk is arranged between the two electromagnetic winding units. The invention has the advantages of high measurement accuracy, strong applicability, convenient measurement, low energy consumption and stable linear loading.

【技术实现步骤摘要】
一种高速旋转轴系动态轴向加载刚度测试方法及装置
本专利技术涉及高速机床主轴、高速电主轴和高速电机的动刚度测试技术，具体涉及一种高速旋转轴系动态轴向加载刚度测试方法及装置，用于完成高速电主轴和高速电机的轴向非接触加载及动刚度测试。
技术介绍
高速机床主轴是现代机床的核心功能部件，其作用是带动刀具(砂轮)或工件旋转，实现高速精密加工。随着现代工业对机床加工精度和加工效率要求的不断提高，机床对主轴性能的要求也越来越高。刚度是衡量高速机床主轴性能的重要指标之一。主轴刚度包括静止状态下的静刚度和高速运转时的动刚度。目前工程上可行且被广泛采用的刚度检测方法是静刚度测试方法。但是静刚度无法真实反映主轴在高速运转时承受切削载荷条件下抵抗变形的能力，只有动刚度才能科学反映主轴的动态承载特性。而目前工程上的采用的动刚度测试方法由于存在各种各样的局限，很难推广使用。目前工程上动刚度测试方法有：1、非接触气浮轴承加载式测量装置，其优点在于，与主轴无接触，利于在高速旋转状态下加载。其缺点在于：a.气浮轴承的刚度较小，加载力有限；b.气浮加载式测量装置占用空间也大，受主轴伸出端空间的制约；c.加载过程中很难始终保持气浮状态，气膜的厚度只有微米量级，加载过程中，容易因为加载偏置发生气膜轴承与主轴被测面的碰磨事故。2、非接触液体悬浮加载式测量装置，其加载能力高于气浮加载，但是结构复杂，容易发生液体泄漏，受加载空间的制约，仅对特定的试验主轴适用。3、“皮带式”接触测量装置，其优点是容易操作，对主轴空间无特殊要求。其不足是“皮带”与主轴直接摩擦，发热严重且易磨损，不适用于主轴高速时使用。4、挂重物加载测量装置，即在轴伸端套装滚动轴承，在滚动轴承上挂重物。该方法的不足之处在于：(1)只能测量垂直方向的刚度；(2)主轴尺寸较大时，轴承尺寸大，受振动限制，只适宜于主轴转速较低情况下使用。5、滚动轴承式加载测量装置，即直接用滚动轴承外圆作用于主轴悬伸端的外圆。该方法的不足之处在于：(1)加载轴承随主轴高速旋转，噪音大，振动大，加载轴承容易发热并损坏；(2)轴承与主轴外圆是光滑法向接触，加载接触点的位置容易发生偏移，导致测试结果不准确。6、单向电磁加载式测量装置，其不足之处在于，(1)电磁力与轴颈位移成非线性关系，难于准确标定，测试结果容易发生误差；(2)被测表面不导磁时，测量方法不适用；(3)轴承与主轴外圆是光滑法向接触，加载接触点的位置容易发生偏移，导致测试结果不准确；(4)当磁轴承定子与转子表面距离较近时，由于电磁吸力迅速增加，很容易发生粘连，在主轴高速旋转的状态下，很容易发生摩擦发热烧毁甚至安全事故。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种测量精度高、适用性强、测量方便、能耗低、能实现稳定线性加载的高速旋转轴系动态轴向加载刚度测试方法及装置。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：本专利技术提供一种高速旋转轴系动态轴向加载刚度测试方法，实施步骤包括：1)预先在被测试高速旋转轴系的旋转主轴上安装转子、法兰上安装用于通过转子给旋转主轴施加轴向磁吸力的两个电磁绕组单元以及至少一个用于检测旋转主轴轴向位移的位移传感器，所述电磁绕组单元包括至少一个电磁绕组，两个电磁绕组单元相对转子对称布置；在进行测试时向一个电磁绕组单元输出的驱动电流为i0+ix、向另一个电磁绕组单元输出的驱动电流为i0-ix，其中i0为基准电流，ix为控制电流，记录随时间的变化驱动电流以及位移传感器输出的轴向位移，并跳转执行下一步；2)根据位移传感器输出的轴向位移确定旋转主轴的轴向位移；3)根据驱动电流、旋转主轴的轴向位移确定给旋转主轴施加的轴向磁吸力；4)计算给旋转主轴施加的轴向磁吸力、旋转主轴的轴向位移之间的比值作为测试得到的第一动刚度输出；和/或计算给旋转主轴施加的轴向磁吸力的傅里叶变换结果、旋转主轴的轴向位移的傅里叶变换结果之间的比值作为测试得到的第二动刚度输出。优选地，步骤1)中向电磁绕组单元输出驱动电流具体是指：向一个电磁绕组单元输出的驱动电流为i0+ix、向另一个电磁绕组单元输出的驱动电流为i0-ix，其中i0为基准电流，ix为控制电流；步骤3)中确定给旋转主轴施加的轴向磁吸力的函数表达式如式(1)所示：式(1)中，fx(t)为给旋转主轴施加的轴向磁吸力，ki为两个电磁绕组单元之间的电流比例系数，ks为两个电磁绕组单元之间的位移比例系数，ix为控制电流，x为旋转主轴的轴向位移，k为电磁绕组的比例系数，i0为基准电流，s0为旋转主轴的基准位移。优选地，步骤1)中位移传感器的数量为两个以上，步骤2)中根据位移传感器输出的轴向位移确定旋转主轴的轴向位移时具体是指由各个位移传感器输出的轴向位移取平均值得到。本专利技术还提供一种用于应用本专利技术前述高速旋转轴系动态轴向加载刚度测试方法的测试装置，包括定子固定座和转子夹具，所述定子固定座上设有容置孔、位移传感器以及相对转子夹具对称布置的两个电磁绕组单元，所述转子夹具布置于容置孔中，所述转子夹具的外壁上设有转盘，所述转盘布置于两个电磁绕组单元之间，任意一个所述电磁绕组单元包括至少一个电磁绕组。优选地，所述两个电磁绕组单元具有公共的驱动单元，所述驱动单元包括加法电路、减法电路、第一放大电路以及第二放大电路，所述加法电路、减法电路两者均一个输入端与为基准电流相连、另一个输入度与控制电流相连，所述加法电路的输出端通过第一放大电路与一个电磁绕组单元相连，所述减法电路的输出端通过第二放大电路与另一个电磁绕组单元相连。优选地，任意一个所述电磁绕组单元由间隙布置的第一电磁绕组和第二电磁绕组组成，所述转盘位于第一电磁绕组和第二电磁绕组之间。优选地，所述定子固定座上设有内端盖和可拆卸的外端盖，所述电磁绕组单元分别夹持布置在内端盖和外端盖之间。优选地，所述定子固定座的内端设有安装座，所述定子固定座通过安装座安装到被测试高速旋转轴系的高速电机法兰上。优选地，所述转子夹具的外侧设有用于锁紧转子夹具的锁紧螺母，所述锁紧螺母将转子夹具锁紧并夹持到被测试高速旋转轴系的高速电机旋转主轴上。优选地，两个电磁绕组单元沿竖直方向上下布置于同一条直线上。本专利技术高速旋转轴系动态轴向加载刚度测试方法具有下述有益效果：1、本专利技术预先在被测试高速旋转轴系的旋转主轴上安装转子、法兰上安装用于通过转子给旋转主轴施加轴向磁吸力的两个电磁绕组单元以及至少一个用于检测旋转主轴轴向位移的位移传感器，电磁绕组单元包括至少一个电磁绕组，两个电磁绕组单元相对转子对称布置，向一个电磁绕组单元输出的驱动电流为i0+ix、向另一个电磁绕组单元输出的驱动电流为i0-ix，通过控制两个电磁绕组单元的电流总和不变，当电磁绕组加载、主轴颈偏移时，保证两个电磁绕组电流的变化量大小相等，根据磁吸力的作用原理，两个电磁绕组单元综合的作用力刚好保持与电流的增量成线性比例关系，如此可以消除单面电磁加载带来的非线性，实现了稳定的线性加载。2、本专利技术包括定子固定座和转子夹具，定子固定座上设有容置孔、位移传感器以及相对转子夹具对称布置的两个电磁绕组单元，转子夹具布置于容置孔中，转子夹具的外壁上设有转盘，转盘布置于两个电磁绕组单元之间，任意一个电磁绕组单元包括至少一个电磁绕组，采用该种定子与转本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速旋转轴系动态轴向加载刚度测试方法，其特征在于实施步骤包括：1)预先在被测试高速旋转轴系的旋转主轴上安装转子、法兰上安装用于通过转子给旋转主轴施加轴向磁吸力的两个电磁绕组单元以及至少一个用于检测旋转主轴轴向位移的位移传感器，所述电磁绕组单元包括至少一个电磁绕组，两个电磁绕组单元相对转子对称布置；在进行测试时向一个电磁绕组单元输出的驱动电流为i0+ix、向另一个电磁绕组单元输出的驱动电流为i0‑ix，其中i0为基准电流，ix为控制电流，记录随时间的变化驱动电流以及位移传感器输出的轴向位移，并跳转执行下一步；2)根据位移传感器输出的轴向位移确定旋转主轴的轴向位移；3)根据驱动电流、旋转主轴的轴向位移确定给旋转主轴施加的轴向磁吸力；4)计算给旋转主轴施加的轴向磁吸力、旋转主轴的轴向位移之间的比值作为测试得到的第一动刚度输出；和/或计算给旋转主轴施加的轴向磁吸力的傅里叶变换结果、旋转主轴的轴向位移的傅里叶变换结果之间的比值作为测试得到的第二动刚度输出。

【技术特征摘要】
1.一种高速旋转轴系动态轴向加载刚度测试方法，其特征在于实施步骤包括：1)预先在被测试高速旋转轴系的旋转主轴上安装转子、法兰上安装用于通过转子给旋转主轴施加轴向磁吸力的两个电磁绕组单元以及至少一个用于检测旋转主轴轴向位移的位移传感器，所述电磁绕组单元包括至少一个电磁绕组，两个电磁绕组单元相对转子对称布置；在进行测试时向一个电磁绕组单元输出的驱动电流为i0+ix、向另一个电磁绕组单元输出的驱动电流为i0-ix，其中i0为基准电流，ix为控制电流，记录随时间的变化驱动电流以及位移传感器输出的轴向位移，并跳转执行下一步；2)根据位移传感器输出的轴向位移确定旋转主轴的轴向位移；3)根据驱动电流、旋转主轴的轴向位移确定给旋转主轴施加的轴向磁吸力；4)计算给旋转主轴施加的轴向磁吸力、旋转主轴的轴向位移之间的比值作为测试得到的第一动刚度输出；和/或计算给旋转主轴施加的轴向磁吸力的傅里叶变换结果、旋转主轴的轴向位移的傅里叶变换结果之间的比值作为测试得到的第二动刚度输出。2.根据权利要求1所述的高速旋转轴系动态轴向加载刚度测试方法，其特征在于，步骤3)中确定给旋转主轴施加的轴向磁吸力的函数表达式如式(1)所示：式(1)中，fx(t)为给旋转主轴施加的轴向磁吸力，ki为两个电磁绕组单元之间的电流比例系数，ks为两个电磁绕组单元之间的位移比例系数，ix为控制电流，x为旋转主轴的轴向位移，k为电磁绕组的比例系数，i0为基准电流，s0为旋转主轴的基准位移。3.根据权利要求1所述的高速旋转轴系动态轴向加载刚度测试方法，其特征在于，步骤1)中位移传感器的数量为两个以上，步骤2)中根据位移传感器输出的轴向位移确定旋转主轴的轴向位移时具体是指由各个位移传感器输出的轴向位移取平均值得到。4.一种用于应用权利要求1～3中任一项高速旋转轴系动态轴向加载刚度测试方法的测试装置，其特征在于：包括定子固定座(1)和转子夹具(2)，所述定子固定座(1)上设有容置孔(10)、位移传感器(4)以及相对转子夹具(2)对称布置的两个电磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊万里，孙文彪，原帅，曹家明，胡灿，吕浪，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43