專利名稱：高速主軸非接觸式磁力耦合動態(tài)測試裝置及其測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高速軸加載動態(tài)測試裝置，是一種高速主軸非接觸式磁力 耦合動態(tài)測試裝置及其測試方法。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，對高速傳動及加工技術(shù)也提出了更高的要求， 對高速主軸的性能要求也日益提高，特別是在高速加工技術(shù)領(lǐng)域，高速主軸的 動態(tài)性能已成為高速加工的核心技術(shù)。而當(dāng)前國內(nèi)對高速主軸性能的研究主要 集中在高速主軸的結(jié)構(gòu)與高速主軸軸承的改進(jìn)、高速電機(jī)與傳動機(jī)構(gòu)對主軸箱 體的振動和提高軸承剛度的研究上。對高速加工精度最直接、最重要的影響因 素即高速旋轉(zhuǎn)主軸在機(jī)、電、磁強耦合行為下的動態(tài)性能，由于缺乏相關(guān)的 動態(tài)測試設(shè)備和儀器， 一直很少有人涉及且進(jìn)展不大。相對于普通的機(jī)床主軸， 因其主軸轉(zhuǎn)速比較低，采用傳統(tǒng)的接觸式加載測量足以滿足主軸的動態(tài)性能測 試要求，但對高速主軸這種復(fù)雜的機(jī)、電、磁強耦合系統(tǒng)，傳統(tǒng)的接觸式加載 測試己經(jīng)無法適應(yīng)。這是因為主軸在高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，采用傳統(tǒng)的機(jī)械加載不 僅控制與測試難度大，而且為了防止主軸高速運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的大量摩擦熱和機(jī)械磨 損，不得不額外引入復(fù)雜的冷卻與潤滑系統(tǒng)。即便如此，也很難做到無損加載， 從而使得測試精度降低，控制難度加大，所引入的潤滑系統(tǒng)給環(huán)境和測試儀器 都帶來了嚴(yán)重的污染。
因此，需要發(fā)明一種新型的高速主軸加載動態(tài)測試裝置，可連續(xù)穩(wěn)定加載 和實時測量，在能夠保證測試精度的同時，又能避免摩擦生熱與機(jī)械磨損，以 及因冷卻和潤滑導(dǎo)致的環(huán)境污染。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種高速主軸非接觸式磁力耦合動態(tài)測試 裝置及其測試方法，采用磁力實現(xiàn)強度大的非接觸式加載，可連續(xù)穩(wěn)定加載和 實時測量，測量精度高，能夠避免摩擦生熱與機(jī)械磨損，以及因冷卻和潤滑導(dǎo) 致的環(huán)境污染。
本發(fā)明的高速主軸非接觸式磁力耦合動態(tài)測試裝置，包括基座、高速主軸、
加載系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；
加載系統(tǒng)包括與高速主軸同軸固定連接的絕緣測試棒，所述絕緣測試棒外 圓周固定設(shè)置導(dǎo)磁圓環(huán)，端部固定設(shè)置導(dǎo)磁塊，在絕緣測試棒的徑向外側(cè)與導(dǎo)
磁塊對應(yīng)設(shè)置電磁鐵i，在絕緣測試棒端面外側(cè)與導(dǎo)磁塊對應(yīng)設(shè)置電磁鐵n, 電磁鐵i設(shè)置力傳感器i，電磁鐵n設(shè)置力傳感器n,用于采集電磁鐵i和電 磁鐵n的受力狀態(tài)信號；與導(dǎo)磁圓環(huán)和導(dǎo)磁塊對應(yīng)設(shè)置位移傳感器n和位移傳
感器I ，分別用于采集導(dǎo)磁圓環(huán)的軸向位移和導(dǎo)磁塊的徑向位移信號；
控制系統(tǒng)包括工控機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器，所述A/D轉(zhuǎn)換器信號輸出 端與工控機(jī)信號輸入端相連，D/A轉(zhuǎn)換器信號輸入端與工控機(jī)控制信號輸出端相 連；D/A轉(zhuǎn)換器信號輸出端分別連接高速主軸的驅(qū)動系統(tǒng)以及電磁鐵I和電磁鐵 II的電源；A/D轉(zhuǎn)換器的信號輸入端分別連接力傳感器I 、力傳感器II、位移傳 感器I和位移傳感器II。
進(jìn)一步，所述導(dǎo)磁塊分為固定設(shè)置在絕緣測試棒端面的導(dǎo)磁圓盤和固定套 在絕緣測試棒外圓周的導(dǎo)磁環(huán)I ，位移傳感器I設(shè)置在導(dǎo)磁環(huán)I的徑向外側(cè)， 位移傳感器II設(shè)置在導(dǎo)磁圓環(huán)軸向側(cè)面；
所述電磁鐵I與位移傳感器I設(shè)置于導(dǎo)磁環(huán)I徑向相對的兩側(cè)；電磁鐵II 與導(dǎo)磁圓盤對應(yīng)設(shè)置；
進(jìn)一步，絕緣測試棒外圓周與導(dǎo)磁環(huán)I和導(dǎo)磁圓環(huán)并列固定設(shè)置導(dǎo)磁環(huán)II，
所述導(dǎo)磁環(huán)n徑向外側(cè)設(shè)置位移傳感器m和位移傳感器iv，導(dǎo)磁環(huán)i徑向外側(cè)
還設(shè)置位移傳感器V，所述移傳感器III和位移傳感器IV之間以及位移傳感器I
和位移傳感器V之間在圓周方向上的距離為1/4圓?。凰鑫灰苽鞲衅鱅II、位移 傳感器IV和位移傳感器V分別與A/D轉(zhuǎn)換器的信號輸入端連接；
進(jìn)一步，所述導(dǎo)磁圓盤為槽狀，扣合在絕緣測試棒端面；所述槽狀導(dǎo)磁圓 盤徑向外側(cè)設(shè)置位移傳感器VI與位移傳感器W，所述位移傳感器W和位移傳感 器W之間在圓周方向上的距離為1/4圓??；所述位移傳感器W和位移傳感器VD分
別與A/D轉(zhuǎn)換器的信號輸入端連接；
進(jìn)一步，還包括支架，所述電磁鐵I、電磁鐵II、力傳感器I、力傳感器
II、位移傳感器I、位移傳感器II、位移傳感器III、位移傳感器IV、位移傳感
器v、位移傳感器vi和位移傳感器vn設(shè)置在支架上；
進(jìn)一步，還包括導(dǎo)軌，所述支架以可軸向移動的方式設(shè)置在導(dǎo)軌上，支架
上設(shè)置可相對支架軸向移動的橫臂梁；
進(jìn)一步，所述位移傳感器I和位移傳感器VI的功能可通過設(shè)置一個位移傳
感器根據(jù)測試項目沿導(dǎo)軌移動支架和沿支架移動橫臂梁完成；位移傳感器n和 位移傳感器m的功能可通過設(shè)置一個位移傳感器根據(jù)測試項目移動導(dǎo)軌以及拆
裝位移傳感器完成；位移傳感器V和位移傳感器W的功能可通過設(shè)置一個位移
傳感器根據(jù)測試項目移動導(dǎo)軌完成。
進(jìn)一步，所述支架包括分別獨立的支架i和支架n，所述電磁鐵i、電磁 鐵n、力傳感器i和力傳感器n設(shè)置在支架i上，位移傳感器i、位移傳感器 n 、位移傳感器m、位移傳感器iv、位移傳感器v、位移傳感器vi和位移傳感 器vn設(shè)置在支架n上；絕緣測試棒為陶瓷測試棒；
本發(fā)明還公開了利用高速主軸非接觸式磁力耦合動態(tài)測試裝置的測試方
法，包括以下步驟
a檢査高速主軸的附屬設(shè)備是否正常，如果附屬設(shè)備正常，則開啟主軸并 啟動勵磁電源；
b確定是否同時測量主軸的徑向和軸向剛度，如果是，則接通位移傳感器
i、位移傳感器n和力傳感器i、力傳感器n的電源；開啟數(shù)據(jù)接收功能，為
位移和力的數(shù)據(jù)接收和儲存做準(zhǔn)備；接通電磁鐵I和電磁鐵II電源；逐步加大
電磁鐵i和電磁鐵n的電流，對比主軸電流與主軸額定電流，如果主軸電流小 于主軸的額定電流，則繼續(xù)加大電磁鐵i和電磁鐵n的電流；如果主軸電流大 于或等于主軸的額定電流，則斷開電磁鐵i和電磁鐵n電源，計算并繪制主軸
徑向和軸向剛度曲線；
如果只測量主軸的徑向剛度，則接通位移傳感器I和力傳感器I的電源； 開啟數(shù)據(jù)接收功能，為位移和力的數(shù)據(jù)接收和儲存做準(zhǔn)備；接通電磁鐵I電源; 逐步加大電磁鐵I的電流，對比主軸電流與主軸額定電流，如果主軸電流小于 主軸的額定電流，則繼續(xù)加大電磁鐵I的電流；如果主軸電流大于或等于主軸 的額定電流，則斷開電磁鐵I電源，計算并繪制主軸徑向剛度曲線；
如果只測量主軸的軸向剛度，則接通位移傳感器II和力傳感器II的電源； 開啟數(shù)據(jù)接收功能，為位移和力的數(shù)據(jù)接收和儲存做準(zhǔn)備；接通電磁鐵II電源;
逐步加大電磁鐵n的電流，對比主軸電流與主軸額定電流，如果主軸電流小于 主軸的額定電流，則繼續(xù)加大電磁鐵n的電流；如果主軸電流大于或等于主軸 的額定電流，貝嘶開電磁鐵n電源，計算并繪制主軸軸向剛度曲線；
c確定是否進(jìn)行下一項目測試，如果否，則關(guān)閉主軸和輔助設(shè)備。 進(jìn)一步，所述步驟C中，還進(jìn)行角度擺動和徑向跳動/軸向竄動測試；
角度擺動測試具體包括以下步驟-
ci規(guī)定位移傳感器i和位移傳感器ni為x軸方向上的位移，位移傳感器iv 和位移傳感器v為Y軸方向上的位移，并接通位移傳感器i、位移傳感器m、 位移傳感器iv和位移傳感器v電源，分別計算主軸在x軸和y軸方向上的擺動
量，計算并繪出主軸在X軸和Y軸方向上的轉(zhuǎn)速一角度擺動曲線； 徑向跳動/軸向竄動測試具體包括以下步驟
c2規(guī)定位移傳感器II為Z軸方向上的位移，位移傳感器VI和位移傳感器V1I分別 為X軸和Y軸方向上的位移，并接通位移傳感器II、位移傳感器VI和位移傳感
器vn電源，分別計算主軸在x軸、Y軸和z軸方向上的位移量，繪制出主軸在XYZ軸方向上的轉(zhuǎn)速一徑向跳動/軸向竄動曲線。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的高速主軸非接觸式磁力耦合動態(tài)測試裝置 及其測試方法，采用磁力實現(xiàn)強度大的非接觸式加載，可連續(xù)穩(wěn)定加載和實時 測量，實現(xiàn)主軸在高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的非接觸式動態(tài)加載與實時測量方法，能夠 避免摩擦生熱以及因冷卻和潤滑導(dǎo)致的環(huán)境污染；控制系統(tǒng)采用數(shù)字控制和測 量子系統(tǒng)，加載部分采用電磁加載機(jī)構(gòu)，從而可以在磁場下實現(xiàn)力磁耦合的非 接觸式連續(xù)加載，測量精度高，控制方便，并配以專門開發(fā)的分析軟件，可以 方便地完成數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲、分析、運算、控制、觸發(fā)等各種功能；位 移傳感器和電磁鐵設(shè)置在可在導(dǎo)軌上移動的支架上，而且傳感器以可拆裝的方 式設(shè)置在支架上，根據(jù)測試項目不同，移動支架或拆裝傳感器，使傳感器的功 能得到充分利用，使用方便，并且使裝置結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)約使用成本。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。 圖l為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明角度擺動測試結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為圖2沿A-A向剖視圖4為本發(fā)明軸向竄動與徑向跳動測試結(jié)構(gòu)示意圖;
圖5為圖4沿B-B向剖視圖6為本發(fā)明電磁加載測試方法框圖7為本發(fā)明角度擺動測試方法框圖8為本發(fā)明徑向跳動和軸向竄動測試方法框圖。
具體實施例方式
以下實施例中，測試、分析軟件采用自主開發(fā)的虛擬測試、分析軟件。 圖l為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示本實施例的高速主軸非接觸式磁力
耦合動態(tài)測試裝置，包括基座1和高速主軸2，本實施例中高速主軸2為電主軸;
還包括加載系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；
加載系統(tǒng)包括與電主軸2同軸固定連接的絕緣測試棒3，本實施例中，絕緣 測試棒3為陶瓷測試棒，本實施例中絕緣測試棒3為陶瓷測試棒，陶瓷測試棒3 外圓周加工環(huán)狀突起，環(huán)狀突起上以卡合的方式固定設(shè)置含鐵等金屬材料的導(dǎo) 磁圓環(huán)4，陶瓷測試棒3端部固定設(shè)置含鐵等金屬材料的導(dǎo)磁塊，導(dǎo)磁塊分為固 定設(shè)置在陶瓷測試棒3端面的含鐵等金屬材料的導(dǎo)磁圓盤14和以過盈的方式固 定套在陶瓷測試棒3外圓周的含鐵等金屬材料的導(dǎo)磁環(huán)I 15，導(dǎo)磁圓盤14為槽 狀，導(dǎo)磁圓盤14的槽狀結(jié)構(gòu)端部向內(nèi)折彎，扣合在陶瓷測試棒3端面設(shè)置的環(huán) 形槽21內(nèi)；在陶瓷測試棒3的徑向外側(cè)與導(dǎo)磁環(huán)I15對應(yīng)設(shè)置電磁鐵I5，在 陶瓷測試棒3端面外側(cè)與導(dǎo)磁圓盤14對應(yīng)設(shè)置電磁鐵II6;
還包括支架23和導(dǎo)軌24，支架23包括分別獨立的支架I 231和支架II232， 支架I 231和支架I1232以可軸向移動的方式設(shè)置在導(dǎo)軌24上，電磁鐵I 5和電 磁鐵116設(shè)置在支架I 231上，支架I 231上與電磁鐵I 5對應(yīng)設(shè)置力傳感器I 7， 與電磁鐵II6對應(yīng)設(shè)置力傳感器I18，用于采集電磁鐵I 5和電磁鐵I16的受力狀 態(tài)信號；支架II232上與導(dǎo)磁圓環(huán)4和導(dǎo)磁環(huán)I 15對應(yīng)以可拆裝的方式設(shè)置位 移傳感器II 10和位移傳感器I 9，位移傳感器II 10設(shè)置在導(dǎo)磁圓環(huán)4的軸向側(cè) 面，位移傳感器I9設(shè)置在導(dǎo)磁環(huán)I15徑向外側(cè)，位移傳感器II10和位移傳感 器I 9分別用于采集陶瓷測試棒3的軸向位移和徑向位移信號；電磁鐵I5與位 移傳感器I 9設(shè)置于導(dǎo)磁環(huán)I 15徑向相對的兩側(cè)，電磁鐵116與導(dǎo)磁圓盤14對 應(yīng)設(shè)置；所有位移傳感器與力傳感器均由電源28供電。
控制系統(tǒng)包括工控機(jī)11、 A/D轉(zhuǎn)換器12和D/A轉(zhuǎn)換器13，所述A/D轉(zhuǎn)換器 12信號輸出端與工控機(jī)11信號輸入端相連，D/A轉(zhuǎn)換器13信號輸入端與工控 機(jī)11控制信號輸出端相連；D/A轉(zhuǎn)換器13信號輸出端分別連接高速主軸2的驅(qū)
動系統(tǒng)以及電磁鐵I 5和電磁鐵116的電源28; A/D轉(zhuǎn)換器12的信號輸入端分 別連接力傳感器I7、力傳感器I18、位移傳感器I9和位移傳感器IU0。
圖2為本發(fā)明角度擺動測試結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為圖2沿A-A向剖視圖，如 圖所示圖中省略了電磁加載測試結(jié)構(gòu)，陶瓷測試棒3外圓周通過過盈配合有 導(dǎo)磁環(huán)I 15和導(dǎo)磁環(huán)IU6，導(dǎo)磁環(huán)II16徑向外側(cè)設(shè)置位移傳感器III17和位移傳 感器IV18,導(dǎo)磁環(huán)I 15徑向外側(cè)還設(shè)置位移傳感器V19，所述位移傳感器I1117 和位移傳感器IV18之間以及位移傳感器I 9和位移傳感器V19之間在圓周方向 上的距離為l/4圓弧；位移傳感器ini7、位移傳感器IV18和位移傳感器V19分 別與A/D轉(zhuǎn)換器12的信號輸入端連接；位移傳感器IIln、位移傳感器IV18、位 移傳感器I 9和位移傳感器V19均由勵磁電源28供電，并且以可拆裝的方式設(shè) 置在支架II232上；支架II232的橫臂梁帶刻度，可以準(zhǔn)確確定位移傳感器ni17/ 位移傳感器IV18與位移傳感器I 9/位移傳感器V19之間的距離;導(dǎo)軌24帶刻度， 與支架II232結(jié)合，可以方便的確定各位移傳感器到主軸2端面的距離。
角度擺動測試結(jié)構(gòu)中，位移傳感器I 9為本結(jié)構(gòu)和電磁加載測試結(jié)構(gòu)共用， 位移傳感器I1117可通過位移傳感器II10的拆裝和沿導(dǎo)軌24移動支架II232代替 完成其功能。
圖4為本發(fā)明軸向竄動與徑向跳動測試結(jié)構(gòu)示意圖，圖5為圖4沿B-B向 剖視圖，如圖所示圖中省略了電磁加載測試結(jié)構(gòu)和角度擺動測試結(jié)構(gòu)，槽狀 導(dǎo)磁圓盤14徑向外側(cè)設(shè)置位移傳感器VI20和位移傳感器VH22，兩者處于與主軸 垂直的同一平面內(nèi)，且在圓周方向的位移為1/4圓弧，位移傳感器II10設(shè)置在 導(dǎo)磁圓環(huán)4的軸向側(cè)面；位移傳感器VI20和位移傳感器VH22分別與A/D轉(zhuǎn)換器 12的信號輸入端連接；位移傳感器VI20和位移傳感器W22以可拆裝的方式設(shè)置 在支架II232上，且都由勵磁電源28供電；
軸向竄動與徑向跳動測試結(jié)構(gòu)中，位移傳感器II 10為本結(jié)構(gòu)與電磁加載測 試結(jié)構(gòu)共用，位移傳感器VI20可通過沿導(dǎo)軌24移動支架II232由位移傳感器I 9代替完成其功能，位移傳感器VI122的功能可通過沿導(dǎo)軌24移動支架I1232由
位移傳感器V19完成；
圖6為本發(fā)明電磁加載測試方法框圖，圖7為本發(fā)明角度擺動測試方法框
圖，圖8為本發(fā)明徑向跳動和軸向竄動測試方法框圖，如圖所示高速主軸非 接觸式磁力耦合動態(tài)測試裝置的測試方法，包括以下步驟
a檢査高速主軸的附屬設(shè)備是否正常，如果附屬設(shè)備正常，則開啟主軸并 啟動勵磁電源；
b確定是否同時測量主軸的徑向和軸向剛度，如果是，則接通位移傳感器 19、位移傳感器II10和力傳感器I7、力傳感器II8的電源；開啟數(shù)據(jù)接收功 能，為位移和力的數(shù)據(jù)接收和儲存做準(zhǔn)備；接通電磁鐵I 5和電磁鐵I16的電源； 逐步加大電磁鐵I5和電磁鐵II6的電流，對比主軸電流與主軸額定電流，如果 主軸電流小于主軸的額定電流，則繼續(xù)加大電磁鐵I5和電磁鐵II6的電流；如 果主軸電流大于或等于主軸的額定電流，則斷開電磁鐵I 5和電磁鐵I16電源， 計算并繪制主軸徑向和軸向剛度曲線；
如果只測量主軸的徑向剛度，則接通位移傳感器I 9和力傳感器I 7的電源； 開啟數(shù)據(jù)接收功能，為位移和力的數(shù)據(jù)接收和儲存做準(zhǔn)備；接通電磁鐵I 5電源； 逐步加大電磁鐵I5的電流，對比主軸電流與主軸額定電流，如果主軸電流小于 主軸的額定電流，則繼續(xù)加大電磁鐵I5的電流；如果主軸電流大于或等于主軸 的額定電流，則斷開電磁鐵I5電源，計算并繪制主軸徑向剛度曲線；
如果只測量主軸的軸向剛度，則接通位移傳感器II10和力傳感器I18的電 源；開啟數(shù)據(jù)接收功能，為位移和力的數(shù)據(jù)接收和儲存做準(zhǔn)備；接通電磁鐵I16 電源；逐步加大電磁鐵II6的電流，對比主軸電流與主軸額定電流，如果主軸電 流小于主軸的額定電流，則繼續(xù)加大電磁鐵II6的電流；如果主軸電流大于或等 于主軸的額定電流，則斷開電磁鐵II6電源，計算并繪制主軸軸向剛度曲線；
c確定是否進(jìn)行下一項目測試，本實施例中，需要進(jìn)行角度擺動和徑向跳 動/軸向竄動測試，因此暫不關(guān)閉主軸和輔助設(shè)備。
工控機(jī)通過D/A轉(zhuǎn)換器向電主軸的潤滑系統(tǒng)25和冷卻系統(tǒng)26發(fā)出開啟指
令，啟動變頻電源27驅(qū)動電主軸2，使其在指定頻率下高速運轉(zhuǎn)，主軸運轉(zhuǎn)穩(wěn) 定后，工控機(jī)中的測試軟件根據(jù)電主軸2的功率、轉(zhuǎn)速計算出電主軸2在額定 負(fù)載狀態(tài)下所受到的徑向力K和軸向力&，然后將徑向力和軸向力換算成電磁
鐵I 5和電磁鐵I16中所允許通過的額定電流15N或I6N，并將相應(yīng)命令送入數(shù)據(jù)
總線，D/A轉(zhuǎn)換器從數(shù)據(jù)總線讀取指令并通過勵磁電源28分別向電磁鐵I 5和 電磁鐵II6供電；此時，導(dǎo)磁環(huán)I15會受到電磁鐵I5對它的磁場力的作用，使 絕緣測試棒3產(chǎn)生徑向變形《；同時，導(dǎo)磁圓盤14也會受到電磁鐵II6對它的 磁場力的作用，使絕緣測試棒3產(chǎn)生軸向變形《；導(dǎo)磁環(huán)I15和導(dǎo)磁圓盤14所 受到的力的大小將分別通過力傳感器I 7和力傳感器I18測得，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器 送入工控機(jī)的數(shù)據(jù)總線，測試軟件根據(jù)反饋回的徑向力F/和軸向力《，分別與
徑向力《和軸向力&進(jìn)行比較，根據(jù)差值分別對電磁鐵I 5和電磁鐵I16的勵磁 電流的大小進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，從而組成主軸徑向力和軸向力非接觸式加載的閉環(huán) 控制系統(tǒng)；其控制過程如下如果主軸電流l3《Iw (Iw為高速主軸的額定電流)， 且電磁鐵的電流15<1^或I6<I6N，則工控機(jī)令勵磁電源28根據(jù)差值分別對電磁鐵 15和電磁鐵II6的勵磁電流的大小進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整；如果13>&，則立即令電磁鐵 15和電磁鐵II6斷電，使主軸脫離負(fù)載，此時所測的數(shù)據(jù)即為主軸所能承受的 實際剛度，此時說明該主軸的剛度低于其額定值。另外，徑向變形《與軸向變 形《分別由非接觸式位移傳感器I 9和位移傳感器II 10經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器傳回工控
機(jī)的數(shù)據(jù)總線上，工控機(jī)中的測試、分析軟件從數(shù)據(jù)總線上的相應(yīng)端口獲得《、 《，并根據(jù)同步獲得的徑向力《和軸向力《分別繪制出徑向力《與徑向變形《、
軸向力Fg與軸向變形&的動態(tài)剛度曲線，并將結(jié)果顯示在圖形界面上。
圖7為本發(fā)明角度擺動測試方法框圖，如圖所示進(jìn)行角度擺動測試，具 體包括以下步驟
cl規(guī)定位移傳感器I 9和位移傳感器I1117為X軸方向上的位移，位移傳感 器IV18和位移傳感器V19為Y軸方向上的位移，并接通位移傳感器I9、位移傳感器I1117、位移傳感器IV18和位移傳感器V19電源，分別計算主軸在X軸和 Y軸方向上的擺動量，計算并繪出主軸在X軸和Y軸方向上的轉(zhuǎn)速一角度擺動 曲線；
非接觸式位移傳感器ni17、位移傳感器IV18、位移傳感器I 9和位移傳感器 V19分別安裝在支架232上，支架232可以在導(dǎo)軌24上自由滑動和定位，位移 傳感器ni17可通過電磁加載測試結(jié)構(gòu)中的位移傳感器II10在支架232的不同部 位拆裝后構(gòu)成；因此以上位移傳感器可以由支架自由定位，位移傳感器III17和 位移傳感器IV18處于與主軸垂直的同一平面內(nèi)，且在圓周方向的位移為1/4圓 弧，位移傳感器I9和位移傳感器V19也處于與主軸垂直的同一平面內(nèi)，且在 圓周方向的位移同樣為1/4圓?。辉陔娭鬏S空載、穩(wěn)定運行條件下，位移傳感器 11117、位移傳感器IV18、位移傳感器I9和位移傳感器V19將所測得的信號經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換器傳入工控機(jī)的數(shù)據(jù)總線，測試軟件從數(shù)據(jù)總線上獲取實測位移數(shù)據(jù) 后，自動將位移傳感器III17與位移傳感器I9的數(shù)據(jù)歸入主軸Y方向位移，將 位移傳感器IV18與位移傳感器V19的數(shù)據(jù)歸入主軸X方向的位移，然后軟件的 分析模塊通過計算得到主軸軸線分別在X、 Y兩垂直方向的角度擺動量，并由 軟件的繪圖模塊根據(jù)速度與該速度下的角度擺動量繪制出主軸在不同轉(zhuǎn)速下的 "轉(zhuǎn)速——角度擺動量"曲線，并將結(jié)果顯示在圖形界面上。
圖8為本發(fā)明徑向跳動和軸向竄動測試方法框圖，徑向跳動/軸向竄動測試 具體包括以下步驟
c2規(guī)定位移傳感器II10為Z軸方向上的位移，位移傳感器VI20為X方向 上的位移，位移傳感器VH22分別為Y軸方向上的位移，并接通位移傳感器IIIO、 位移傳感器VI20和位移傳感器VE22電源，分別計算主軸在X軸、Y軸和Z軸方 向上的位移量，繪制出主軸在XYZ軸方向上的轉(zhuǎn)速一徑向跳動/軸向竄動量曲 線。
非接觸式位移傳感器VI20、位移傳感器II10和位移傳感器W22均安裝在支 架232上，支架232可以在導(dǎo)軌24上自由滑動和定位，因此，移動支架232，
使位移傳感器I 9到達(dá)位移傳感器VI20的位置，用位移傳感器I 9代替位移傳感 器VI20，可以使裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于操作，節(jié)約成本；位移傳感器VI20、位移 傳感器VU22與導(dǎo)磁圓盤14的徑向距離以及位移傳感器II10與導(dǎo)磁圓環(huán)4的軸 向距離控制在0.5~1.0mm之間，其中位移傳感器VI20和位移傳感器VI122處于與 電主軸垂直的同一平面內(nèi)，所測得的位移信號為主軸在Y、 X兩垂直方向上的 徑向跳動量；位移傳感器II10所測得的信號為電主軸的軸向竄動量；位移傳感 器將所測得的信號通過A/D轉(zhuǎn)換器傳入工控機(jī)的數(shù)據(jù)總線，測試軟件從數(shù)據(jù)總 線上獲取所測得的信號，并與轉(zhuǎn)速結(jié)合，繪制"轉(zhuǎn)速——徑向跳動"曲線與"轉(zhuǎn) 速——軸向竄動"曲線，并將結(jié)果顯示在圖形界面上。
最后，確定是否還需進(jìn)行測試，如果不需進(jìn)行其他項目的測試，則關(guān)閉主 軸以及附屬設(shè)備。
最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管 參照較佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解， 可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的 宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中；如在主軸徑向剛度測 試中，若導(dǎo)磁環(huán)I 15對電磁鐵I 5所產(chǎn)生的磁場的感生電流足以影響位移傳感 器I9的測量精度時，則在不影響測量精度的前提下，須在導(dǎo)磁環(huán)I15的前后 另置不受電磁鐵I 5磁場影響的導(dǎo)磁環(huán)，使位移傳感器I 9處在導(dǎo)磁環(huán)的等效位 置；或停止對電磁鐵I16的供電，使位移傳感器I 9處在位移傳感器VI20的位置。
權(quán)利要求
1.一種高速主軸非接觸式磁力耦合動態(tài)測試裝置，包括基座(1)和高速主軸(2)，其特征在于包括加載系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；加載系統(tǒng)包括與高速主軸(2)同軸固定連接的絕緣測試棒(3)，所述絕緣測試棒(3)外圓周固定設(shè)置導(dǎo)磁圓環(huán)(4)，端部固定設(shè)置導(dǎo)磁塊，在絕緣測試棒(3)的徑向外側(cè)與導(dǎo)磁塊對應(yīng)設(shè)置電磁鐵I(5)，在絕緣測試棒(3)端面外側(cè)與導(dǎo)磁塊對應(yīng)設(shè)置電磁鐵II(6)，電磁鐵I(5)設(shè)置力傳感器I(7)，電磁鐵II(6)設(shè)置力傳感器II(8)，用于采集電磁鐵I(5)和電磁鐵II(6)的受力狀態(tài)信號；與導(dǎo)磁圓環(huán)(4)和導(dǎo)磁塊對應(yīng)設(shè)置位移傳感器II(10)和位移傳感器I(9)，分別用于采集絕緣測試棒(3)的軸向位移和徑向位移信號；控制系統(tǒng)包括工控機(jī)(11)、A/D轉(zhuǎn)換器(12)和D/A轉(zhuǎn)換器(13)，所述A/D轉(zhuǎn)換器(12)信號輸出端與工控機(jī)(11)信號輸入端相連，D/A轉(zhuǎn)換器(13)信號輸入端與工控機(jī)(11)控制信號輸出端相連；D/A轉(zhuǎn)換器(13)信號輸出端分別連接高速主軸(2)的驅(qū)動系統(tǒng)以及電磁鐵I(5)和電磁鐵II(6)的電源(28)；A/D轉(zhuǎn)換器(12)的信號輸入端分別連接力傳感器I(7)、力傳感器II(8)、位移傳感器I(9)和位移傳感器II(10)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速主軸非接觸式磁力耦合動態(tài)測試裝置，其特 征在于所述導(dǎo)磁塊分為固定設(shè)置在絕緣測試棒(3)端面的導(dǎo)磁圓盤(14)和 固定套在絕緣測試棒(3)外圓周的導(dǎo)磁環(huán)I (15)，位移傳感器I (9)設(shè)置在 導(dǎo)磁環(huán)I (15)的徑向外側(cè)，位移傳感器II (10)設(shè)置在導(dǎo)磁圓環(huán)(4)軸向側(cè) 面；所述電磁鐵I (5)與位移傳感器I (9)設(shè)置于導(dǎo)磁環(huán)I (15)徑向相對 的兩側(cè)，電磁鐵II (6)與導(dǎo)磁圓盤(14)對應(yīng)設(shè)置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高速主軸非接觸式磁力耦合動態(tài)測試裝置，其特 征在于絕緣測試棒(3)外圓周與導(dǎo)磁環(huán)I (15)和導(dǎo)磁圓環(huán)(4)并列固定 設(shè)置導(dǎo)磁環(huán)n (16)，所述導(dǎo)磁環(huán)n (16)徑向外側(cè)設(shè)置位移傳感器ni (n)和位移傳感器IV (18)，導(dǎo)磁環(huán)I (15)徑向外側(cè)還設(shè)置位移傳感器V (19)，所 述位移傳感器III (17)和位移傳感器IV (18)之間以及位移傳感器I (9)和位移傳感器v(i9)之間在圓周方向上的距離為i/4圓??；所述位移傳感器ni(n)、位移傳感器IV (18)和位移傳感器V (19)分別與A/D轉(zhuǎn)換器(12)的信號輸 入端連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高速主軸非接觸式磁力耦合動態(tài)測試裝置，其特 征在于所述導(dǎo)磁圓盤(14)為槽狀，扣合在絕緣測試棒(3)端面；所述槽狀 導(dǎo)磁圓盤(14)徑向外側(cè)設(shè)置位移傳感器VI (20)和位移傳感VE (22)，所述位 移傳感器VI (20)和位移傳感器VII (22)之間在圓周方向上的距離為1/4圓??； 所述位移傳感器VI (20)和位移傳感器VH (22)分別與A/D轉(zhuǎn)換器(12)的信 號輸入端連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的高速主軸非接觸式磁力耦合動態(tài)測試裝置，其特 征在于還包括支架(23)，所述電磁鐵I (5)、電磁鐵II (6)、力傳感器I (7)、力傳感器n (s)、位移傳感器i (9)、位移傳感器n (io)、位移傳感器ni (n)、位移傳感器IV (18)、位移傳感器V (19)、位移傳感器VI (20)和位移傳感器 VII (22)設(shè)置在支架(23)上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的高速主軸非接觸式磁力耦合動態(tài)測試裝置，其特 征在于還包括導(dǎo)軌(24)，所述支架(23)以可軸向移動的方式設(shè)置在導(dǎo)軌(24) 上，支架(23)上設(shè)置可相對支架(23)軸向移動的橫臂梁(29)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的高速主軸非接觸式磁力耦合動態(tài)測試裝置，其特 征在于所述位移傳感器I (9)和位移傳感器VI (20)的功能可通過設(shè)置一個 位移傳感器根據(jù)測試項目沿導(dǎo)軌移動支架(23)和沿支架(23)移動橫臂梁(29) 完成；位移傳感器II (10)和位移傳感器III (17)的功能可通過設(shè)置一個位移 傳感器根據(jù)測試項目移動導(dǎo)軌以及拆裝位移傳感器完成；位移傳感器V (19) 和位移傳感器VII (22)的功能可通過設(shè)置一個位移傳感器根據(jù)測試項目移動導(dǎo)軌完成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的高速主軸非接觸式磁力耦合動態(tài)測試裝置，其特 征在于所述支架(23)包括分別獨立的支架I (231)和支架II (232)，所述 電磁鐵I (5)、電磁鐵II (6)、力傳感器I (7)和力傳感器II (8)設(shè)置在支 架I (231)上，位移傳感器I (9)、位移傳感器II (10)、位移傳感器III (17)、 位移傳感器IV (18)、位移傳感器V (19)、位移傳感器VI (20)和位移傳感器 W (22)設(shè)置在支架II (232)上；所述絕緣測試棒(3)為陶瓷測試棒。
9. 一種利用權(quán)利要求1所述的高速主軸非接觸式磁力耦合動態(tài)測試裝置的測試方法，其特征在于包括以下步驟a檢査高速主軸的附屬設(shè)備是否正常，如果附屬設(shè)備正常，則開啟主軸并 啟動勵磁電源；b確定是否同時測量主軸的徑向和軸向剛度，如果是，則接通位移傳感器 I (9)、位移傳感器II (10)和力傳感器I (7)、力傳感器II (8)的電源；開 啟數(shù)據(jù)接收功能，為位移和力的數(shù)據(jù)接收和儲存做準(zhǔn)備；接通電磁鐵I (5)和 電磁鐵II (6)電源；逐步加大電磁鐵I (5)和電磁鐵II (6)的電流，對比主 軸電流與主軸額定電流，如果主軸電流小于主軸的額定電流，則繼續(xù)加大電磁 鐵I (5)和電磁鐵II (6)的電流；如果主軸電流大于或等于主軸的額定電流， 則斷開電磁鐵I (5)和電磁鐵II (6)電源，計算并繪制主軸徑向和軸向剛度 曲線；如果只測量主軸的徑向剛度，則接通位移傳感器I (9)和力傳感器I (7) 的電源；開啟數(shù)據(jù)接收功能，為位移和力的數(shù)據(jù)接收和儲存做準(zhǔn)備；接通電磁 鐵I (5)電源；逐步加大電磁鐵I (5)的電流，對比主軸電流與主軸額定電 流，如果主軸電流小于主軸的額定電流，則繼續(xù)加大電磁鐵I (5)的電流；如 果主軸電流大于或等于主軸的額定電流，則斷開電磁鐵I (5)電源，計算并繪 制主軸徑向剛度曲線；如果只測量主軸的軸向剛度，則接通位移傳感器II (IO)和力傳感器II (8)的電源；開啟數(shù)據(jù)接收功能，為位移和力的數(shù)據(jù)接收和儲存做準(zhǔn)備；接通電磁 鐵II (6)電源；逐步加大電磁鐵II (6)的電流，對比主軸電流與主軸額定電 流，如果主軸電流小于主軸的額定電流，則繼續(xù)加大電磁鐵II (6)的電流；如 果主軸電流大于或等于主軸的額定電流，則斷開電磁鐵II (6)電源，計算并繪 制主軸軸向剛度曲線；c確定是否進(jìn)行下一項目測試，如果否，則關(guān)閉主軸和輔助設(shè)備。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的利用高速主軸非接觸式磁力耦合動態(tài)測試裝置的 測試方法，其特征在于所述步驟c中，還進(jìn)行角度擺動和徑向跳動/軸向竄動 測試；角度擺動測試具體包括以下步驟cl規(guī)定位移傳感器I (9)和位移傳感器III (17)為X軸方向上的位移， 位移傳感器IV (18)和位移傳感器V (19)為Y軸方向上的位移，并接通位移 傳感器I (9)、位移傳感器III (17)、位移傳感器IV (18)和位移傳感器V (19) 電源，分別計算主軸在X軸和Y軸方向上的擺動量，計算并繪出主軸在X軸和 Y軸方向上的轉(zhuǎn)速一角度擺動曲線；徑向跳動/軸向竄動測試具體包括以下步驟c2規(guī)定位移傳感器n (10)為Z軸方向上的位移，位移傳感器VI (20)和 位移傳感器VE(22)分別為X軸和Y軸方向上的位移，并接通位移傳感器II (10)、 位移傳感器VI (20)和位移傳感器W (22)電源，分別計算主軸在X軸、Y軸 和Z軸方向上的位移量，繪制出主軸在XYZ軸方向上的轉(zhuǎn)速一徑向跳動/軸向 竄動曲線。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高速主軸非接觸式磁力耦合動態(tài)測試裝置及其測試方法，包括基座和高速主軸，還包括加載系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，電磁加載系統(tǒng)采用磁力實現(xiàn)非接觸式加載，從而可以在磁場下實現(xiàn)力磁耦合的非接觸式連續(xù)加載，測量精度高，控制方便，可連續(xù)穩(wěn)定加載和實時測量，實現(xiàn)軸在高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的非接觸式動態(tài)加載與實時測量方法，能夠避免摩擦生熱以及因冷卻和潤滑導(dǎo)致的環(huán)境污染。
文檔編號G01M13/04GK101344457SQ20081007019
公開日2009年1月14日 申請日期2008年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月27日
發(fā)明者康輝民, 繆瑩赟, 陳小安 申請人:重慶大學(xué)