【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及超精密主轴刚度测量，具体而言，涉及基于非接触电磁力加载的超精密主轴工作刚度测量装置及方法。
技术介绍
1、超精密主轴是现代精加工加床的核心功能部件，主要用于高转速小切量的加工工序。超精密主轴的刚度直接决定着主轴的加工精度和动态性能等重要指标，对主轴的刚度进行准确测量有利于从加工层面对机床加工过程进行预测和补偿，从而有效指导加工，提高零件的加工精度和表面质量。
2、主轴刚度通常分为静止状态时的静刚度和高速转动状态时的动刚度。由于动刚度测试方法存在诸多局限，静刚度测试技术相对更加成熟且易于采用，目前工程中对主轴刚度的检测更多的是采用静刚度测试方法。然而静刚度无法真实反映主轴在高速转动时的动态承载特性，因此，为了更加准确的分析主轴的动态性能，需要研究更加准确的动刚度测试方法。
3、对主轴动刚度进行测量需要考虑两个问题，其一是加载方法，即如何进行加载才能准确模拟主轴真实工作状态下的受力；其二为位移测量方法，即如何准确地对高速转动时的主轴刚度进行测量和计算。
4、目前常见的主轴旋转状态下的加载方式有两种：接触式加载和非接触式加载。
5、接触式加载通常是在主轴轴端或虚拟刀具上安装一个滚动轴承，利用液压装置等方式对滚动轴承进行加载从而进一步达到对主轴进行加载的目的；接触式加载存在诸多问题，例如轴承在高速转动时加载容易产生剧烈的摩擦热、震动及噪声，并且轴承容易因温度急剧升高而出现故障甚至安全隐患，不能长时间运行，难以达到理想的实验效果。
6、目前的非接触式加载主要有两种：
7、目前的位移测量普遍都是通过各类位移传感器进行测量，但是在基于电磁力加载方案的前提下现有的测量方法都存在共性上的不足。由于电磁力加载的特点，电磁力最终作用于加载棒的合力的方向、作用点和作用横截面难以确定，通过现有的各种位移传感器直接进行主轴位移的测量会导致测量的位移难以与加载的等效作用力相统一，因此加载力大小很难换算成位移检测点上的等效载荷，导致动刚度的测量结果存在较大的误差。
8、有鉴于此，特提出本申请。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是无法准确提供能够模拟超精密主轴工作过程中受到的动态高频切削力，且现有位移传感器直接进行主轴位移测量的位移难以与加载的等效作用力相统一，加载力大小很难换算成位移检测点上的等效载荷，导致动刚度的测量结果存在较大的误差，目的在于提供基于非接触电磁力加载的超精密主轴工作刚度测量装置及方法，不仅可以准确模拟主轴在多种受力情况下的真实工作状态，同时通过两组位移传感器对加载棒上两个不同截面上相隔90°的两个检测点进行偏移量的测量，可以准确的计算被测超精密主轴在不同工作状态时的轴向刚度、径向刚度和角刚度。
2、本专利技术通过下述技术方案实现：
3、一方面，本专利技术提供基于非接触电磁力加载的超精密主轴工作刚度测量装置，包括安装在检测平台上的电磁加载模块与位移测量模块，所述电磁加载模块包括安装于超精密主轴输出端刀柄上的加载棒，与超精密主轴轴心共线的轴向加载单元、与超精密主轴轴线垂直的径向加载单元；
4、所述位移测量模块包括测量加载棒上截面a位移的第一位移传感器和第二位移传感器以及测量加载棒上截面b位移的第三位移传感器和第四位移传感器；
5、所述截面a与截面b平行且与超精密主轴的轴线垂直。
6、在某一具体实施方式中，第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器和第四位移传感器均为非接触式位移传感器，通过位移传感器支架安装在检测平台上。采用非接触式位移传感器可以避免在测量主轴动刚度的过程中主轴旋转时位移传感器与加载棒间持续摩擦。
7、在某一具体实施方式中，所述第一位移传感器与第二位移传感器相互垂直安装，即第一位移传感器与第二位移传感器的轴线在位移传感器支架上的位置相互正交，具体安装位置为未加载状态下第一位移传感器水平指向加载棒的轴心，第二位移传感器竖直指向加载棒的轴心；
8、所述第三位移传感器与第四位移传感器相互垂直安装，即第三位移传感器与第四位移传感器的轴线在位移传感器支架上的位置相互正交，具体安装位置为未加载状态下第三位移传感器水平指向加载棒轴心，第四位移传感器竖直指向加载棒轴心。本专利技术采用两组位移传感器分别测量加载棒上两个不同截面a和截面b上角度相差90°位置处的两点的位移变化量。
9、在某一具体实施方式中，所述位移测量模块还包括安装在加载棒上刀柄一侧用于测量超精密主轴角位移的圆形光栅编码器，所述圆形光栅编码器包括圆光栅和读数头，所述圆光栅安装在加载棒与刀柄连接的端面，所述读数头通过读数头支架安装在检测平台上。
10、在某一具体实施方式中，所述加载棒采用硅钢材质，并且要求加载棒质量分布均匀、具有较高的表面加工精度和圆柱度，所述加载棒呈中间为圆柱两端为圆台的结构，截面a和截面b分别位于加载棒两端的圆台结构。
11、在某一具体实施方式中，所述轴向加载单元包括轴向加载铁芯和缠绕其上的轴向加载线圈；所述径向加载单元包括径向加载铁芯和缠绕其上的径向加载线圈。
12、在某一具体实施方式中，所述轴向加载铁芯和径向加载铁芯均为复合结构，内部为工业纯铁，外部包覆硅钢，这种复合结构能使铁芯具有较低的矫顽力和较高的磁通率的优点，保证加载单元对超精密主轴加载的可靠性。
13、在某一具体实施方式中，所述轴向加载铁芯的末端设置有轴向加载单元支撑座，轴向加载单元支撑座与轴向加载铁芯之间安装有轴向测力传感器；所述径向加载铁芯的末端设置有径向加载单元支撑座，径向加载单元支撑座与径向加载铁芯之间安装有径向测力传感器，用于检测轴向、径向电磁力的大小。
14、在某一具体实施方式中，所述轴向加载铁芯和径向加载铁芯的下方均安装有支撑滑块和支撑滑轨，能够支撑铁芯重量的同时，也更方便调节加载单元与加载棒之间的间隙。
15、本专利技术通过将加载棒通过刀柄安装在待测超精密主轴上，再利用轴向加载单元与径向加载单元分别对加载棒施加载荷，通过两组位移传感器对加载棒上两个不同截面上相隔90°的两个检测点进行偏移量的测量，根据测量结果可以分别计算被测超精密主轴在不同工作状态时的轴向刚度、径向刚度和角刚度。加载单元可以通过调节输入信号模拟主轴在不同工作状态下的受载情况，同时，通过更加准确的位移测量和计算方法，可以测算出更加准确的工作刚读数值，具有更高的参考价值。
16、另一方面，本专利技术提供一种根据上述超精密主轴工作刚度测量装置实现的测量方法本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于非接触电磁力加载的超精密主轴工作刚度测量装置，包括电磁加载模块与位移测量模块，其特征在于，所述电磁加载模块包括安装于超精密主轴(15)输出端刀柄(14)上的加载棒(2)，与超精密主轴(15)轴心共线的轴向加载单元、与超精密主轴(15)轴线垂直的径向加载单元；
2.根据权利要求1所述的基于非接触电磁力加载的超精密主轴工作刚度测量装置，其特征在于，所述第一位移传感器(1)与第二位移传感器(11)相互垂直安装，安装位置为未加载状态下第一位移传感器(1)水平指向加载棒(2)的轴心，第二位移传感器(11)竖直指向加载棒(2)的轴心；
3.根据权利要求1所述的基于非接触电磁力加载的超精密主轴工作刚度测量装置，其特征在于，第一位移传感器(1)、第二位移传感器(11)、第三位移传感器(3)和第四位移传感器(7)均为非接触式位移传感器，通过位移传感器支架(20)安装在检测平台(23)上。
4.根据权利要求1所述的基于非接触电磁力加载的超精密主轴工作刚度测量装置，其特征在于，所述位移测量模块还包括安装在加载棒(2)上刀柄(14)一侧用于测量超精密主轴(15
5.根据权利要求1所述的基于非接触电磁力加载的超精密主轴工作刚度测量装置，其特征在于，所述加载棒(2)采用硅钢材质，所述加载棒(2)呈中间为圆柱两端为圆台的结构，截面A和截面B分别位于加载棒(2)两端的圆台结构。
6.根据权利要求1所述的基于非接触电磁力加载的超精密主轴工作刚度测量装置，其特征在于，所述轴向加载单元包括轴向加载铁芯(6)和缠绕其上的轴向加载线圈(4)；
7.根据权利要求6所述的基于非接触电磁力加载的超精密主轴工作刚度测量装置，其特征在于，所述轴向加载铁芯(6)和径向加载铁芯(10)均为复合结构，内部为工业纯铁，外部包覆硅钢。
8.根据权利要求6所述的基于非接触电磁力加载的超精密主轴工作刚度测量装置，其特征在于，所述轴向加载铁芯(6)的末端设置有轴向加载单元支撑座(18)，轴向加载单元支撑座(18)与轴向加载铁芯(6)之间安装有轴向测力传感器(5)；
9.根据权利要求6所述的基于非接触电磁力加载的超精密主轴工作刚度测量装置，其特征在于，所述轴向加载铁芯(6)和径向加载铁芯(10)的下方均安装有支撑滑块(17)和支撑滑轨(19)。
10.一种根据权利要求1～9任一所示超精密主轴工作刚度测量装置实现的测量方法，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.基于非接触电磁力加载的超精密主轴工作刚度测量装置，包括电磁加载模块与位移测量模块，其特征在于，所述电磁加载模块包括安装于超精密主轴(15)输出端刀柄(14)上的加载棒(2)，与超精密主轴(15)轴心共线的轴向加载单元、与超精密主轴(15)轴线垂直的径向加载单元；
2.根据权利要求1所述的基于非接触电磁力加载的超精密主轴工作刚度测量装置，其特征在于，所述第一位移传感器(1)与第二位移传感器(11)相互垂直安装，安装位置为未加载状态下第一位移传感器(1)水平指向加载棒(2)的轴心，第二位移传感器(11)竖直指向加载棒(2)的轴心；
3.根据权利要求1所述的基于非接触电磁力加载的超精密主轴工作刚度测量装置，其特征在于，第一位移传感器(1)、第二位移传感器(11)、第三位移传感器(3)和第四位移传感器(7)均为非接触式位移传感器，通过位移传感器支架(20)安装在检测平台(23)上。
4.根据权利要求1所述的基于非接触电磁力加载的超精密主轴工作刚度测量装置，其特征在于，所述位移测量模块还包括安装在加载棒(2)上刀柄(14)一侧用于测量超精密主轴(15)角位移的圆形光栅编码器，所述圆形光栅编码器包括圆光栅(12)和读数头(13)，所述圆光栅(12)安装在加载棒(2)与刀柄(14)连接的端面，所述读数头(13)通过读数头...
【专利技术属性】
技术研发人员：杜坤，余泓宇，夏仰球，韩林，何韬，李强，宋洪睿，滕强，陈衡，石纯标，许耀宇，袁明记，黄晓明，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，
类型：发明
国别省市：
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