本實用新型屬于機械振動與測試領(lǐng)域，特別涉及一種機床主軸軸向動剛度測試儀及測試方法。該測試儀及方法用于數(shù)控機床在實際切削狀態(tài)下的主軸軸向動態(tài)剛度的測試。

背景技術(shù)：

機床的動態(tài)性能反映機床抵抗動態(tài)外載荷的能力，與負荷能力及抗振性密切相關(guān)，直接影響機床的加工精度與零件的加工質(zhì)量，其中動剛度是衡量機床動態(tài)性能的重要指標。機床的動剛度是指機床在以一定頻率變化的正弦交變載荷作用下所表現(xiàn)出的剛度，表征機床承受交變動載荷時抵抗動態(tài)位移變化的能力，在數(shù)值上等于機床產(chǎn)生單位振幅所需的動態(tài)激振力，是衡量抗振能力的主要指標，機床動剛度越大，在動態(tài)載荷作用下振幅越小，機床抗振能力越好，加工精度越高。反之，動剛度越小，振幅越大，加工精度越低。

目前對主軸動剛度的研究主要以建模仿真、有限元分析為主，測試方法也多集中于空載運行測試和離線實驗測試法，空載運行測試工程上常用錘擊法、激振器激振、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀法和利用傳動方式減速后加載測試，該類方法均為接觸式激振和加載，不穩(wěn)定，而且常常需要復雜的輔助器械，成本高，機器磨損嚴重；離線實驗測試法一般采用液壓系統(tǒng)或電磁系統(tǒng)對主軸進行靜態(tài)加載，模擬主軸的受力狀況，不足之處在于加載裝置復雜、占用空間大、一般需要搭建專用試驗臺，將主軸拆卸下來進行離線實驗檢測，且僅適用于專用主軸，不具有通用性，這與被測主軸在實際切削狀態(tài)下的真實受力情況也有很大差距。

申請?zhí)枮?01310215687.6的中國專利公開了一種非接觸式機床主軸運轉(zhuǎn)動剛度檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括電磁加載裝置、測試棒、力傳感器及位移檢測裝置；其中，加載裝置設(shè)置在機床工作臺上，測試棒一端與主軸相連，另一端與加載裝置中的電磁鐵臨近，電磁加載裝置由電磁鐵通電產(chǎn)生電磁力并對測試棒進行加載以驅(qū)動測試棒偏轉(zhuǎn)，力傳感器和位移傳感器分別用來檢測測試棒受到的加載作用力和偏轉(zhuǎn)位移，從而得到機床主軸運轉(zhuǎn)的動剛度。該測試系統(tǒng)只能在主軸空轉(zhuǎn)運行時通過電磁加載裝置施力于測試棒，間接獲得主軸動剛度，不能用于實際切削狀態(tài)下主軸動剛度測試，且加載裝置復雜，占用空間大。

申請?zhí)?01310102571.1公開了一種數(shù)控機床整機動剛度測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括激勵子系統(tǒng)、力采集子系統(tǒng)、位移采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集前端和數(shù)據(jù)處理器，其中，激勵子系統(tǒng)的輸出端、力采集子系統(tǒng)的輸入端、位移采集子系統(tǒng)的輸入端分別與機床待測部位相連；力采集子系統(tǒng)、位移采集子系統(tǒng)的輸出端均通過數(shù)據(jù)采集前端與數(shù)據(jù)處理器相連。該測試系統(tǒng)通過信號發(fā)生器可提供穩(wěn)定的正弦激勵信號，經(jīng)功率放大器后驅(qū)動激振器產(chǎn)生動態(tài)激振力，并由激光位移傳感器測量機床主軸相對工作臺的動態(tài)位移數(shù)據(jù)，計算得到機床整機動剛度，該測試系統(tǒng)雖能測試得到動態(tài)激振力下的機床主軸相對工作臺的動態(tài)位移，由于機床加工過程中切削力會出現(xiàn)波動，測試結(jié)果易出現(xiàn)較大的誤差。

因此，需要發(fā)明一種新型內(nèi)置式主軸動剛度測試裝置，檢測在實際切削狀態(tài)下主軸的受力及形變情況，以滿足實際工況下的主軸動剛度測試要求，為主軸智能感知、智能檢測、智能調(diào)整控制參數(shù)提供依據(jù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種機床主軸軸向動剛度測試儀及測試方法。該測試儀由內(nèi)置于主軸的力傳感器和位移傳感器實時測量機床在實際切削狀態(tài)下的軸向受力及形變，經(jīng)數(shù)據(jù)處理部分計算得到主軸的軸向動剛度，解決了機床主軸的動態(tài)特性在實際切削狀態(tài)下難以測試的問題，并為將來主軸智能感知、智能檢測、智能調(diào)整控制參數(shù)、參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。該測試方法簡單可靠、便于操作，不需要專門的驅(qū)動、傳動、控制等單元的操作，易于上手，解決了機床主軸的動態(tài)特性在實際切削狀態(tài)下難以測試的問題，實現(xiàn)了機床在實際切削狀態(tài)下主軸動剛度的測試。

本實用新型是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種機床主軸軸向動剛度測試儀，其特征在于該測試儀包括力傳感器套筒、軸向位移傳感器、前置器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)處理端、力傳感器和磁力座；所述力傳感器套筒套裝在主軸上，且位于主軸上前部和中部的兩個軸承之間，力傳感器套筒為圓環(huán)狀，在圓環(huán)內(nèi)側(cè)面上，沿圓周方向均勻分布有四個應變片，相鄰兩個應變片的受力類型相反，即一個應變片水平布置，相鄰的應變片豎直布置；四個應變片按照全橋電路方式進行連接，構(gòu)成一個力傳感器，全橋電路的輸出端從力傳感器套筒側(cè)面引出，并通過信號線與放置在工作臺上的電荷放大器的輸入端連接，電荷放大器的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡連接；所述軸向位移傳感器通過支架安裝于主軸前端面，支架由磁力座固定吸附在止推法蘭盤上，軸向位移傳感器的探頭朝向主軸的前端面；軸向位移傳感器的輸出端通過信號線與放置在工作臺上的前置器的輸入端相連，前置器的輸出端也與數(shù)據(jù)采集卡連接，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端與數(shù)據(jù)處理端連接；所述數(shù)據(jù)處理端內(nèi)加載有動剛度測試軟件。

一種機床主軸軸向動剛度測試方法，該測試方法使用上述的測試儀，具體步驟是：

1)按照上述連接方式連接測試儀各部分，四個應變片安裝在力傳感器套筒內(nèi)，軸向位移傳感器的探頭朝向主軸的前端面，調(diào)節(jié)軸向位移傳感器的探頭與主軸前端面的相對位置，使軸向位移傳感器的探頭對準主軸的前端面光潔測試帶，并確保軸向位移傳感器在有效量程范圍內(nèi)；啟動測試儀中所有部件，使其處于正常工作狀態(tài)；

2)運行數(shù)控機床，按待加工件的工藝流程加工工件；

3)在數(shù)控機床切削加工過程中，用戶根據(jù)需要設(shè)置采樣頻率、采樣點數(shù)、緩沖區(qū)數(shù)量、采集通道、最高電壓值和最低電壓值，設(shè)置好上述參數(shù)后，啟動采集按鈕；軸向位移傳感器采集軸向位移信號，并通過前置器傳輸至數(shù)據(jù)采集卡中，得到主軸軸向的動態(tài)位移信號x(t)；力傳感器采集壓力信號，并通過電荷放大器放大后傳輸至數(shù)據(jù)采集卡中，得到主軸軸向的動態(tài)應力信號f(t)，并將力信號、位移信號顯示于動剛度測試軟件中的波形顯示界面中；

4)數(shù)據(jù)處理端中動剛度測試軟件將采集得到的力信號f(t)和位移信號x(t)按照式(1)和式(2)進行傅里葉變換，得到頻域信號，并在界面顯示；

式中：X(ω)為動態(tài)位移信號x(t)的傅里葉變換，F(xiàn)(ω)為動態(tài)應力信號f(t)的傅里葉變換，根據(jù)計算得到數(shù)控機床主軸軸向的動剛度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是：

本實用新型機床主軸軸向動剛度測試儀的力傳感器采用內(nèi)置方式，即將四個應變片安裝在力傳感器套筒中，四個應變片構(gòu)成力傳感器，該力傳感器套筒可以套在主軸上即內(nèi)置于主軸機箱中，能夠有效避免測試儀、導線等對機床加工過程的影響，起軸向定位作用，能夠?qū)崿F(xiàn)在實際切削工件狀態(tài)下完成對主軸動剛度的測量；在機床實際切削狀態(tài)下利用力傳感器測試出主軸所受到的軸向應力，同時利用軸向位移傳感器測試出軸向應力對應的軸向位移大小，進而通過動剛度測試軟件分析得出機床在實際切削狀態(tài)下的主軸軸向動剛度。

本實用新型測試方法是在機床實際切削工件過程中，直接測試切削過程中的軸向壓力信號及軸向位移信號，并經(jīng)信號處理分析后得出機床主軸的動剛度，能夠真實反映主軸在實際加工過程中的動態(tài)特性(動態(tài)性能主要是指它抵抗振動的能力，包括抗振性和穩(wěn)定性兩方面，動剛度既能反映抗振性又可以間接反映加工過程中切削是穩(wěn)定的還是不穩(wěn)定狀態(tài)或者切削是從穩(wěn)定到不穩(wěn)定狀態(tài)的發(fā)展)，即能測試或間接判斷主軸的抗振能力，所以通過本實用新型測試儀及方法測得的動剛度比在激振或靜態(tài)加載狀態(tài)下測得的機床動剛度更能科學地反映主軸的動態(tài)特性。

本實用新型不需要任何加載裝置，不會對機床結(jié)構(gòu)造成破壞，此外該測試儀中內(nèi)置力傳感器可以根據(jù)主軸軸徑尺寸大小及配合精度要求設(shè)置不同內(nèi)外徑尺寸的力傳感器套筒，配置在主軸上前部和中部的兩個軸承之間，可代替現(xiàn)有主軸系統(tǒng)中的軸套，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，易于控制，使用范圍寬，測試精度高，更能滿足實際測試要求。該測試儀結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、占用空間小，能夠真實反映主軸在實際切削狀態(tài)下受力及形變情況。

附圖說明

圖1為本實用新型機床主軸軸向動剛度測試儀的連接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型機床主軸軸向動剛度測試儀中力傳感器套筒1的的主視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖2中沿A-A向剖視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本實用新型機床主軸軸向動剛度測試儀中力傳感器套筒中力傳感器安裝位置示意圖；

圖5為本實用新型機床主軸軸向動剛度測試儀中力傳感器的全橋式連接電路示意圖；

圖6為本實用新型機床主軸軸向動剛度測試儀中軸向位移傳感器安裝示意圖；

圖7為本實用新型機床主軸軸向動剛度測試儀的一種實施例的動剛度測試軟件的軟件流程圖；

圖中：1、力傳感器套筒，2、軸承，3、止推法蘭盤，4、主軸，5、軸向位移傳感器，6、前置器，7、電荷放大器，8、數(shù)據(jù)采集卡，9、數(shù)據(jù)處理端，10、應變片，11、磁力座。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例及附圖進一步描述本實用新型，但并不以此作為對本申請權(quán)利要求保護范圍的限定。

本實用新型機床主軸軸向動剛度測試儀(簡稱測試儀，參見圖1-6)包括力傳感器套筒1、軸向位移傳感器5、前置器6、電荷放大器7、數(shù)據(jù)采集卡8、數(shù)據(jù)處理端9、力傳感器10和磁力座11；所述力傳感器套筒1套裝在主軸4上，且位于主軸上前部和中部的兩個軸承2之間，力傳感器套筒1為圓環(huán)狀，在圓環(huán)內(nèi)側(cè)面上，沿圓周方向均勻分布有四個應變片10，相鄰兩個應變片的受力類型相反，即一個應變片水平布置，相鄰的應變片豎直布置；四個應變片按照全橋電路方式進行連接，構(gòu)成一個力傳感器，全橋電路的輸出端從力傳感器套筒1側(cè)面引出，并通過信號線與放置在工作臺上的電荷放大器7的輸入端連接，電荷放大器7的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡8連接；所述軸向位移傳感器5通過支架安裝于主軸前端面，支架由磁力座11固定吸附在止推法蘭盤3上，軸向位移傳感器5的探頭朝向主軸的前端面；軸向位移傳感器5的輸出端通過信號線與放置在工作臺上的前置器6的輸入端相連，前置器6的輸出端也與數(shù)據(jù)采集卡8連接，數(shù)據(jù)采集卡8的輸出端與數(shù)據(jù)處理端9連接；所述數(shù)據(jù)處理端9內(nèi)加載有動剛度測試軟件。

力傳感器套筒一方面代替主軸系統(tǒng)中的軸套，起軸向定位作用，另一方面作為檢測裝置，用來實時檢測機床在實際切削狀態(tài)下主軸軸向力。

所述數(shù)據(jù)處理端9為臺式機、筆記本電腦或ipad、智能手機等。

本實用新型的進一步特征在于所述軸向位移傳感器5采用85811系列探頭直徑為25的電渦流傳感器，量程為10mm，靈敏度為0.8mv/μm，分辨率為10μm，工作頻率為0-4000Hz，線性度為1.5％FS。

本實用新型中的數(shù)據(jù)處理端9內(nèi)加載的動剛度測試軟件可以使用現(xiàn)有的動剛度測試軟件，也可以按照本申請中所述的動剛度測試軟件，該軟件界面包括數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)回放部分、數(shù)據(jù)處理部分，其中數(shù)據(jù)采集部分接收數(shù)據(jù)采集卡8中所輸出的力傳感器和位移傳感器的壓力信號和位移信號，并將采集的數(shù)據(jù)進行保存；其中數(shù)據(jù)采集部分包括采集參數(shù)設(shè)置界面、控制采集按鈕、波形顯示界面和數(shù)據(jù)存儲界面，采集參數(shù)設(shè)置界面中可以對采樣頻率、采樣點數(shù)、緩沖區(qū)數(shù)量、采集通道、最高電壓值、最低電壓值進行選擇；用戶設(shè)置好上述參數(shù)后就可以啟動采集按鈕，并將采集的力傳感器信號、位移傳感器信號顯示于波形顯示界面中；點擊保存按鈕就可以將數(shù)據(jù)存成數(shù)據(jù)處理端9中的數(shù)據(jù)文件，支持的格式為文本文件*.txt和Excel文件*.xls；數(shù)據(jù)回放部分用來讀取已存儲的數(shù)據(jù)文件，將數(shù)據(jù)以波形形式或數(shù)組形式顯示給用戶查看，進行后期離線統(tǒng)計分析；選擇需要調(diào)用的已存儲數(shù)據(jù)文件，點擊回放按鈕，就可以在波形顯示界面中看到數(shù)據(jù)文件的波形，同時在數(shù)組顯示中以二維表格形式顯示數(shù)據(jù)，供用戶后期離線統(tǒng)計分析；數(shù)據(jù)處理部分中將采集得到的力信號和位移信號作FFT分析(快速傅氏變換)，分別得到力-頻率和位移-頻率圖(連續(xù)的時域信號經(jīng)傅里葉變換后得到離散的頻率幅值圖)，并在界面顯示，計算得到主軸軸向動剛度。

本實用新型所述的動剛度測試軟件的軟件流程(參見圖7)是：

1)開始，檢查數(shù)控機床設(shè)備是否正常？，若正常，開啟機床；若異常，進行診斷并處理，繼續(xù)檢查數(shù)控機床設(shè)備是否正常？；

2)啟動數(shù)據(jù)處理端、力傳感器、軸向位移傳感器、前置器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡，并測試數(shù)據(jù)處理端、力傳感器、軸向位移傳感器、前置器、電荷放大器和數(shù)據(jù)采集卡是否處于正常工作狀態(tài)？，若正常工作，則進入步驟3)，若不正常工作，則進行調(diào)整、修正，繼續(xù)判斷其是否處于正常工作狀態(tài)？；

3)設(shè)定機床切削參數(shù)、輸入機床切削程序代碼，在數(shù)據(jù)處理端中分別設(shè)置力傳感器、軸向位移傳感器的采樣模式、采集通道、采樣頻率、緩沖區(qū)數(shù)量等，再判斷是否觸發(fā)采集，若觸發(fā)采集則進入步驟4)，若不觸發(fā)，則返回設(shè)置力傳感器、軸向位移傳感器的采樣模式、采集通道、采樣頻率、緩沖區(qū)數(shù)量等；

4)進行切削加工，并在動剛度測試軟件界面中顯示采集的位移信號、力信號，并繪制軸向位移-時間曲線和力-時間曲線；

5)判斷保存按鈕是否按下？，若保存按鈕已經(jīng)按下，將采集的數(shù)據(jù)保存為*.txt或*.xls文件格式，供后續(xù)離線處理；再判斷是否按下回放按鈕？，若按下，則調(diào)用已存儲的數(shù)據(jù)文件，進入步驟6)，若沒按下，則繼續(xù)判斷是否按下回放按鈕？；若保存按鈕沒有按下，則進入步驟6)；

6)將采集的軸向位移信號、力信號分別進行傅里葉變換，得到位移-頻率圖和力-頻率圖，并在動剛度測試軟件中顯示；

7)計算得到主軸軸向動剛度；

8)再判斷是否更改切削參數(shù)及采集參數(shù)繼續(xù)實驗？，若更改切削參數(shù)及采集參數(shù)繼續(xù)實驗，則轉(zhuǎn)回到步驟3)；若不需要更改切削參數(shù)及采集參數(shù)，則關(guān)閉測試裝置(測試儀)及數(shù)控機床，結(jié)束測試。

本實用新型機床主軸軸向動剛度測試方法(簡稱方法)，該測試方法使用上述的測試儀，具體步驟是：

1)按照上述連接方式連接測試儀各部分，四個應變片安裝在力傳感器套筒內(nèi)，軸向位移傳感器5的探頭朝向主軸4的前端面，調(diào)節(jié)軸向位移傳感器5的探頭與主軸4前端面的相對位置，使軸向位移傳感器5的探頭對準主軸4的前端面光潔測試帶，并確保軸向位移傳感器5在有效量程范圍內(nèi)；啟動測試儀中所有部件，使其處于正常工作狀態(tài)；

2)運行數(shù)控機床(或機床)，按待加工件的正常工藝流程加工工件；

3)在數(shù)控機床切削加工過程中，用戶根據(jù)需要設(shè)置采樣頻率、采樣點數(shù)、緩沖區(qū)數(shù)量、采集通道、最高電壓值、最低電壓值等，設(shè)置好上述參數(shù)后就可以啟動采集按鈕，軸向位移傳感器5采集位移信號，并通過前置器6傳輸至數(shù)據(jù)采集卡8中，得到主軸軸向的動態(tài)位移信號x(t)；力傳感器采集壓力信號，并通過電荷放大器7放大后傳輸至數(shù)據(jù)采集卡8中，得到主軸軸向的動態(tài)應力信號f(t)，并將力信號、位移信號顯示于動剛度測試軟件中的波形顯示界面中；

4)數(shù)據(jù)處理端9中動剛度測試軟件將采集得到的力信號f(t)和位移信號x(t)按照式(1)和式(2)進行傅里葉變換，得到頻域信號，并在界面顯示；

式中：X(ω)為動態(tài)位移信號x(t)的傅里葉變換，F(xiàn)(ω)為動態(tài)應力信號f(t)的傅里葉變換，根據(jù)計算得到數(shù)控機床主軸軸向的動剛度，K(ω)為計算得到的機床主軸軸向的動剛度，這種方法得到的動剛度是一個隨切削激勵信號的頻率變化的函數(shù)，可以表達主軸動剛度隨頻率變化的情況，可反映機床抵抗交變載荷的能力。

本實用新型中內(nèi)置力傳感器可以根據(jù)主軸軸徑尺寸大小及配合精度要求設(shè)置不同內(nèi)外徑尺寸的力傳感器套筒，內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的四個應變片選擇全橋電路方式進行連接，精度高，線性度好，可以有效抑制漂移。四個應變片分成兩組，兩個水平布置的應變片為一組，兩個豎直布置的應變片為一組，四個應變片采用四個完全相同的應變片，四個應變片按照全橋電路方式進行連接。采用全橋式電路需要保證水平布置的一組應變片和豎直布置的一組應變片受力類型相反，即受力后一組應變片被拉伸而另一組應變片被壓縮，四個應變片在力傳感器套筒1中的安放方式如圖3和圖4所示，這樣就可以保證在力傳感器套筒受到軸向應力后，一組應變片受拉時，另一組受擠壓，兩者發(fā)生極性相反的等量變化。

本實用新型測試儀的工作原理是：在機床實際切削工件過程中，能直接測試切削過程中的軸向力信號及位移信號，并經(jīng)信號處理分析后得出機床主軸的動剛度。在機床進行切削加工時，按照正常切削的工藝流程加工工件，主軸會受到軸向應力的作用，并將軸向應力傳遞給力傳感器套筒中的應變片，主軸在軸向應力的作用下發(fā)生軸向位移形變，該位移信號由安裝在主軸前端面處的軸向位移傳感器拾取，然后由力傳感器得到的力信號和由軸向位移傳感器得到的位移信號分別通過信號線傳輸?shù)诫姾煞糯笃骱颓爸闷髦?，之后再傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡中，最后通過動剛度測試軟件分析后得出機床主軸的軸向動剛度信息，該信息為主軸在實際切削狀態(tài)下真實的受力及形變情況，該信息更加準確可靠。

本實用新型未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)，所涉及的元器件均可通過商購獲得。