一种主轴切削力在线测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种主轴切削力在线测量系统及方法，通过在主轴前端安装电磁轴承施加主动电磁力，采用锤击法测量刀具刀尖切削力作用点处和主轴上的主动电磁力施加位置之间在垂直于主轴轴线方向上的位移响应的力的传递函数；利用电磁轴承对转子施加电磁力以抵消切削力引起的主轴在垂直于主轴轴线方向上振动位移；根据用以抵消切削力引起的主轴振动位移的电磁力与在该方向上力的传递函数乘积即为主轴在该方向上的切削力大小，实现了铣削加工切削力的在线间接测量，通过电磁轴承控制技术，在主动电磁力与切削力关系的基础上，所获得的切削力测量值更接近真实值。解决了传统基于测力仪实现切削力测量方法成本昂贵、难以实际工程应用的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种主轴切削力在线测量系统及方法
本专利技术属于高端智能化机床领域，主要涉及一种主轴切削力在线测量系统及方法。
技术介绍
在数控机床加工过程中，主轴加工系统的状态直接影响其加工性能与实际加工质量。因此，如何对主轴的加工状态进行感知已经成为高端主轴系统设计开发所需要面临的重要问题。目前，常见的状态感知方法主要通过在主轴内部集成传感器，测量振动、温度、声音、电流等信号，采用信号处理方式和特征指标设计实现主轴加工系统的性能监测和状态评估。在铣削加工过程中，考虑到切削力的变化直接反映了主轴的切削加工状态，因此通过切削力的监测可以对主轴加工系统的状态进行感知与分析。例如，通过实时监测切削力的变化，可以对主轴的工作(负载)状态进行感知，也可以基于切削力监测信息对铣削过程中刀具的状态进行感知与识别，具体地，对刀具的状态如刀具磨损、刀具折断和刀具崩刃等进行识别，最终有利于提高机床主轴的智能化程度。因此，切削力信号的实时测量对精准地实现铣削过程中刀具状态的感知与评估有重大意义。目前在铣削加工过程的切削力测量方面，常用的方法是使用三向测力仪等实验设本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种主轴切削力在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1，在主轴前端安装电磁轴承施加主动电磁力，采用锤击法测量刀具刀尖切削力作用点处和主轴上的主动电磁力施加位置之间在垂直于主轴轴线方向上的位移响应的力的传递函数；/nS2，通过电磁感应原理，利用电磁轴承对转子施加电磁力以抵消切削力引起的主轴在垂直于主轴轴线方向上振动位移；/nS3，根据步骤s2得到的用以抵消切削力引起的主轴振动位移的电磁力与在该方向上力的传递函数乘积即为主轴在该方向上的切削力大小。/n

【技术特征摘要】
1.一种主轴切削力在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，在主轴前端安装电磁轴承施加主动电磁力，采用锤击法测量刀具刀尖切削力作用点处和主轴上的主动电磁力施加位置之间在垂直于主轴轴线方向上的位移响应的力的传递函数；
S2，通过电磁感应原理，利用电磁轴承对转子施加电磁力以抵消切削力引起的主轴在垂直于主轴轴线方向上振动位移；
S3，根据步骤s2得到的用以抵消切削力引起的主轴振动位移的电磁力与在该方向上力的传递函数乘积即为主轴在该方向上的切削力大小。


2.根据权利要求1所述的一种主轴切削力在线测量方法，其特征在于，步骤1)中，在主轴前端位于电磁轴承一侧设置电涡流传感器，采用锤击法得到刀具刀尖切削力作用点处和安装在主轴上的电涡流传感器的测量位置处之间在垂直于主轴轴线方向上的位移响应的传递函数。


3.根据权利要求2所述的一种主轴切削力在线测量方法，其特征在于，根据振动系统传递函数特点，得到的刀具刀尖点处切削力作用点与主动电磁力施加位置处之间的力的传递函数即为该方向上的位移响应的传递函数。


4.根据权利要求1所述的一种主轴切削力在线测量方法，其特征在于，通过获取电磁轴承位置处位移反馈信号与电磁轴承控制器的输出控制电流信号计算在电磁轴承施加在主轴系统两个垂直于主轴轴线方向上的主动电磁力Fa,x和Fa,y。


5.根据权利要求4所述的一种主轴切削力在线测量方法，其特征在于，具体的，根据电磁轴承工作原理，在X方向上的电磁力：
Fa,x＝kiic+kss(1)
式中：ic——线圈控制电流/A；s——定子铁芯与转子铁芯间的气隙变化量/m；ki——电流刚度系数/N·A-1；ks——位移刚度系数/N·m-1；其中：









式中：i0——线圈偏置电流/A；c0——定子铁芯与转子铁芯间的气隙大小/m；μ0＝4π×10-7V·s/(A·m)——真空磁导率；A——磁路的横截面积/m2；N——磁极对线圈的匝数；
联立(1)-(4)式即可求得电磁轴承在x方向上输出的电磁力Fa,x，同理可求得电磁轴承在y方向上输出的电磁力Fa,y。


6.根据权利要求5所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：万少可，奚航航，李小虎，洪军，李阗岐，刘世杰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61