专利名称：一种基于三向电磁力加载的高速电主轴动静刚度测试装置及方法
技术领域：
本发明属于高速电主轴测试分析技术领域，涉及一种基于三向电磁力加载的高速电主轴动静刚度测试装置及方法。
背景技术：
高速电主轴在高速加工机床上的应用促进了高速加工等先进制造技术的发展，已成为高速加工机床的核心功能部件，它的性能在一定程度上决定了加工机床的整体发展水平。因此高速加工机床对高速电主轴的技术指标有着苛刻要求,使其不同于传统的主轴系统，其安全性、可靠性以及动静刚度等动态性能成为结构设计和机床运行中的首要问题。其刚度特性在很大程度上决定了高速加工中心的加工质量，也是影响其加工精度的重要因素。因此，深入研究主轴部件的刚度特性，对于进一步提高加工中心的工作性能具有十分重要的意义。通过对高速电主轴的加载实验，能够掌握该高速电主轴的动静刚度等相关参数，这些参数在相关操作人员的使用过程中将起到重大的作用，使用户能在生产实践中根据不同的生产实际情况更好地优化该设备各项技术参数，从而给使用厂家、用户带来直接显著的经济效益。刚度包括两方面的含义:抵抗恒定载荷的能力和抵抗交变载荷的能力。前者常称为静刚度，后者则称为动刚度。过去，车床静刚度的测定是在非切削状态下，模拟切削时受力情况，对机床施加静载荷，测得各部件在不同载荷下的变形，做出相应的刚度特性曲线，并计算出机床的静刚度。目前，机床静刚度的测定方法有单向加载测定法和三向加载测定法。前者是传统的测量方法，缺点是不符合机床加工时承受三向切削分力的情况，一般只能用于比较机床部件刚度的大小；后者采用三向加载测定法更接近切削时的真实情况，但测量时施加载荷的大小和位移量的值是由千分表显示的，人工处理数据、绘制机床静刚度特性曲线的测量方法，具 有测量效率低、误差大等缺点；动刚度是衡量机床抗振能力的主要指标，它在数值上等于产生单位振幅所需的交变力。因此，对机床施加激振力，可同时测得响应位移，其传递函数即为单位力的位移量，即动柔度。它实际上是动刚度的倒数，同样反映了机床抵抗外界干扰的能力，动柔度愈大，即单位力作用下的系统产生的位移量大，动刚度就越小。而动刚度的测试方法比较简单，研究进展缓慢，通常是通过接触式加载进行动刚度的测试分析，由于高速电主轴的转速较高，接触式加载会产生大量的摩擦热及磨损，严重影响测试精度，虽然有些研究人员利用电磁激振器或开发的电磁铁实现了非接触式加载，但是针对的主要是径向方向或轴向的加载测试，与实际工况中三向受力的情况不符。

发明内容
本发明解决的问题在于提供一种高速电主轴非接触式三向电磁力加载及动静刚度测试装置，能够模拟高速电主轴在工作过程中三向(轴向、径向和切向)受载情况，解决了现有技术中高速电主轴动静刚度分析测试中难以准确在线施加载荷及检测的问题。本发明是通过以下技术方案来实现:一种基于三向电磁力加载的高速电主轴动静刚度测试装置，包括底座，底座上设有两个相对设置的径向加载电磁铁和一个轴向加载电磁铁；与高速电主轴相连接的加载测试棒设置在径向加载电磁铁和轴向加载电磁铁之间，加载测试棒与径向加载电磁铁、轴向加载电磁铁之间均留有一定的间隙；加载测试棒包括实心加载测试棒和外周开槽的加载测试棒两种，所述的外周开槽的加载测试棒中所开设的槽中设有绕阻导线，绕阻导线连接外置电源；
径向加载电磁铁后方均设有至少两个径向力传感器，轴向加载电磁铁的下方设有轴向力传感器；径向位移传感器和轴向位移传感器分别通过位移传感器支架设置在加载测试棒的径向和轴向方向上，并留有一定间隙；位移传感器支架上还分别设有扭矩传感器和角位移传感器；径向加载电磁铁、轴向加载电磁铁上的线圈分别与功率放大器相连接，与计算处理单元相连接的信号输出与采集模块接收其发出的信号后，发送给功率放大器；信号输出与米集模块还分别与径向力传感器、轴向力传感器、径向位移传感器、轴向位移传感器、扭矩传感器和角位移传感器相连接，采集位移信号和力信号并将其发送给计算处理单元；计算处理单元根据所接收的位移信号和力信号经运算处理，得到动静刚度曲线。所述的轴向加载电磁铁通过第一压板和第一固定板固定在底座上，轴向力传感器固定在底座与第一固定板之间；径向加载电磁铁通过第二压板和第二固定板固定在底座上，第二固定板与底座之间还设有固定块，径向力传感器固定在固定块与第二固定板之间。所述的位移传感器支架包括与机床工作台相连接的支撑座，支撑座上设有可供加载测试棒穿过的固定框；径向位移传感器和轴向位移传感器设置在固定框上，径向位移传感器分布在加载测试棒不同的径向上。所述的径向位移传感器至少包括三个，分别设置在固定框相互垂直的边框上；径向力传感器为偶数个，其沿径向加载电磁铁的磁极面两侧对称分布。所述的底座设置在机床工作台上并且其位置可调；径向加载电磁铁的磁极面所对应的中心线，与加载测试棒的轴心线相重合；加载测试棒为导磁性良好的金属棒。所述加载测试棒通过与高速电主轴刀柄相匹配的连接部与高速电主轴相连接。所述的径向力传感器、轴向力传感器均采用压电式力传感器或应变式拉压力传感器；测静态力及低频动态力时采用应变式拉压力传感器，测高频动态力时采用压电式力传感器。一种基于所述装置的三向电磁力加载的高速电主轴动静刚度测试的方法，包括以下步骤:I)轴向动刚度的测试:在高速电主轴上连接实心加载测试棒，接通轴向加载电磁铁的电源，由计算处理单元向信号输出与采集模块发出控制信号，再通过功率放大器给轴向电磁铁输入一直流偏移与某一频率正弦信号的叠加，或者输入扫频信号与直流偏移的叠加；轴向加载电磁铁产生的磁场与加载测试棒相互作用形成轴向动态加载力，由轴向力传感器和轴向位移传感器测得力信号和位移信号，并经过信号输出与采集模块传递给计算处理单元，经过数据处理得到轴向加载的动刚度曲线；2)轴向静刚度的测试:在高速电主轴上连接实心加载测试棒，接通轴向加载电磁铁的电源，由计算处理单元向信号输出与采集模块发出控制信号，经功率放大器改变输入给轴向加载电磁铁的直流偏移量的大小来得到不同大小的轴向静态力，加载测试棒产生相应的位移，轴向力传感器和轴向位移传感器测得力信号和位移信号，并经过信号输出与采集模块传递给计算处理单元，经过运算处理得到轴向加载的静刚度曲线；3)径向动刚度的测试:在高速电主轴上连接实心加载测试棒，接通两个径向加载电磁铁的电源，进行差动激磁，由计算处理单元向信号输出与采集模块发出控制信号，再通过功率放大器对两个径向加载电磁铁中的一个通以偏置电流Ici与控制电流ix之和Ifix激磁，而另一个则利用二者之差icrix激磁，然后作用在加载测试棒上的合力为某一频率的正弦力信号或者为扫频力信号；径向力传感器和径向位移传感器将测得力信号和位移信号，经过信号输出与采集模块传递给计算处理单元，经过数据处理得到径向加载的动刚度曲线.
4)径向静刚度的测试:在高速电主轴上连接实心加载测试棒,接通加载测试棒一侧的径向加载电磁铁的电源，另一侧的径向加载电磁铁保持断电，由计算处理单元控制信号输出与采集模块，通过功率放大器为通电的径向电磁铁通以不同的直流偏移来得到不同大小的力，加载测试棒产 生相应的位移；计算处理单元对通电侧径向加载电磁铁的径向位移传感器和径向力传感器测量到的数据进行处理，得到径向加载的静刚度曲线。还包括切向的检测:5)切向动刚度、切向静刚度的测试:在高速电主轴上连接外周开槽的加载测试棒，并将绕阻导线与外置电源接通，在绕阻导线通入电信号；接通两个径向加载电磁铁的电源，产生电磁场，加载测试棒会受到扭矩作用并产生角位移；扭矩传感器和角位移传感器测得的切向力信号和角位移信号，并经过信号输出与采集模块传递给计算处理单元；经过数据处理得到切向动刚度曲线和静刚度曲线。在上述测试时，启动高速电主轴，测试高速电主轴在工作状态不同转速下的三向动刚度和静刚度；关闭高速电主轴，测试高速电主轴在非工作状态下的三向动刚度和静刚度。与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果:本发明提供的基于三向电磁力加载的高速电主轴动静刚度测试装置及方法，模拟高速电主轴在工作过程中三向(轴向、径向和切向)受载情况，可以对电主轴三向施加静态力和一定频率范围的动态力，进而测试得到主轴的静刚度和动刚度特性，解决了现有技术中高速电主轴动静刚度分析测试中难以准确在线施加载荷及检测的问题，可以实现三向力在线加载及检测。本发明提供的基于三向电磁力加载的高速电主轴动静刚度测试装置及方法，其径向加载电磁铁相对设置，实现差动激磁，加载控制与普通加载方式相比更加精确、稳定；本发明提供的基于三向电磁力加载的高速电主轴动静刚度测试装置及方法，可以在目标机床上直接进行加载测试，只是需要针对不同型号的机床刀柄来订做不同规格的加载试验棒而不受限制于专门固定的电主轴试验台，具有更好的通用性，有利于在实际工程中推广应用。
本发明提供的基于三向电磁力加载的高速电主轴动静刚度测试装置及方法，控制信号输出与采集，将得到的力信号和位移信号进行数据处理得到动刚度曲线和静刚度曲线，测试精度高，易于控制，分析系统采用编程软件编制了控制分析程序，充分发挥了计算机的能力，有强大的数据处理功能，根据自己的需要定义和制造了动静刚度测试分析控制仪器，具有较强的灵活性、专用性、便携性。本发明提供的基于三向电磁力加载的高速电主轴动静刚度测试装置及方法，采用的开槽加载测试棒，利用了电机转子的相关理论，突破了传统思维的限制，实现了转矩(即切向力)的加载。


图1为本发明的结构示意图；图2为本发明的加载装置结构示意图；图3为本发明的测试棒的连接示意图；图4为切向的扭矩加载测试原理示意图。其中，I为功率放大器，2为机床工作台，3为位移传感器支架，4为底座，5为径向力传感器，6为径向加载电磁铁,7为径向位移传感器,8为高速电主轴,9为加载测试棒，10为轴向位移传感器，11为轴向加载电磁铁，12为轴向力传感器，13为信号输出与米集系统,14为计算单元，15为吊环螺钉,16为第一固定板,17为第一压板,18为第二固定板,19为第二压板，20为固定圆块。
具体实施例方式下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。 参见图1、图2、图3,—种基于三向电磁力加载的高速电主轴动静刚度测试装置，包括底座4,底座4上设有两个相对设置的径向加载电磁铁6和一个轴向加载电磁铁11 ;与高速电主轴8相连接的加载测试棒9设置在径向加载电磁铁6和轴向加载电磁铁11之间，加载测试棒9与径向加载电磁铁6、轴向加载电磁铁11之间均留有一定的间隙；加载测试棒9包括实心加载测试棒和外周开槽的加载测试棒两种，所述的外周开槽的加载测试棒中所开设的槽中设有绕阻导线，绕阻导线连接外置电源；径向加载电磁铁6后方均设有至少两个径向力传感器5,轴向加载电磁铁11的下方设有轴向力传感器12 ;径向位移传感器7和轴向位移传感器10分别通过位移传感器支架3设置在加载测试棒9的径向和轴向方向上，并留有一定间隙；移传感器支架3上还分别设有扭矩传感器和角位移传感器；径向加载电磁铁6、轴向加载电磁铁11上的线圈分别与功率放大器I相连接，与计算处理单元14相连接的信号输出与采集模块13接收其发出的信号后，发送给功率放大器
I;信号输出与米集模块13还分别与径向力传感器5、轴向力传感器12、径向位移传感器7、轴向位移传感器10、扭矩传感器和角位移传感器相连接，采集位移信号和力信号并将其发送给计算处理单元14 ；计算处理单元14根据所接收的位移信号和力信号经运算处理，得到动静刚度曲线。切向力是指测量主轴扭转刚度时加的力矩的作用力，出于切向力检测的考虑，将加载测试棒中的外周开槽的加载测试棒做成一个类似电机转子的结构，即采用外周开槽的加载测试棒，并安放绕组导线，就形成了一个简易的异步电机，在绕组中通电流后就可以给加载棒施加力矩了。力矩大小和频率可以由外置电流的波形控制。参见图4所示的切向的扭矩加载测试原理示意图:当绕阻导线、径向加载电磁铁分别通电后，绕阻导线在电磁场中就产生扭矩力，进而加载到加载测试棒上，使其产生角位移；而扭矩传感器和角位移传感器分别检测到上述信号并传递给计算处理单元。具体的，所述的轴向加载电磁铁11通过第一压板17和第一固定板16固定在底座4上，轴向力传感器12固定在底 座4与第一固定板16之间；径向加载电磁铁6通过第二压板19和第二固定板18固定在底座4上，第二固定板18与底座4之间还设有固定块20，径向力传感器5固定在固定块20与第二固定板18之间。固定板、压板其材料为不导磁不锈钢,避免漏磁。进一步，所述的位移传感器支架3包括与机床工作台2相连接的支撑座，支撑座上设有可供加载测试棒9穿过的固定框；径向位移传感器7和轴向位移传感器10设置在固定框上，径向位移传感器7分布在加载测试棒9不同的径向上。而支撑底座用于固定支撑铁心及其附属结构，并通过螺纹连接固定在机床工作台上。参见图3，所述的径向位移传感器7至少包括三个，分别设置在固定框相互垂直的边框上；径向力传感器5为偶数个，其沿径向加载电磁铁6的磁极面两侧对称分布。所述的底座4设置在机床工作台2上并且其位置可调，底座4上还设有吊环螺钉15 ;径向加载电磁铁6的磁极面所对应的中心线，与加载测试棒9的轴心线相重合；加载测试棒9为导磁性良好的金属棒。在实际加载测试时，加载测试棒轴心线与两个径向电磁铁磁极面组成的圆柱面的中心线重合，并且调节加载棒端部与轴向加载电磁铁磁极面之间的间隙至设计要求值；径向、轴向电磁铁均为U形电磁铁，不同的是径向加载电磁铁磁极面为圆弧形，轴向加载电磁铁磁极面为平面，两端磁极分别缠绕励磁线圈。所述的加载测试棒9通过与高速电主轴刀柄相匹配的连接部与高速电主轴相连接。比如以BT30刀柄为基础设计加载测试棒，若为其他种类的刀柄，只需要将加载测试棒与主轴连接的部分做成与该种类刀柄一样的连接方式就可以了，而被加载及测试的部分可以统一制作成一种规格，这样本发明就具有了广泛的适应性。而针对不同规格的电主轴配置不同规格的加载测试棒，这样就可以直接在目标机床上对电主轴进行加载试验，而不受限于专用电主轴试验台。具体的所述的径向力传感器5、轴向力传感器12均采用压电式力传感器或应变式拉压力传感器；测静态力及低频动态力时采用应变式拉压力传感器，测高频动态力时采用压电式力传感器。位移传感器采用非接触式传感器，如电涡流位移传感器、激光位移传感器或光纤传感器。在进行动静刚度测试时，先对测试装置进行安装:将两个径向加载电磁铁和一个轴向加载电磁铁、固定板、压板、传感器等安装到底座支撑上，将底座通过螺纹连接固定在工作台上，通过底座在工作台上的位置，给出径向电磁铁形成的圆柱面的中心线的位置坐标，为数控机床主轴编写坐标指令，将加载棒移动到要求位置，保证加载棒轴心线与给出的径向电磁铁形成的圆的中心线对中，具体的径向加载电磁铁和轴向加载电磁铁与加载棒的间隙为初始设计0.5mm。下面给出基于所述装置的三向电磁力加载的高速电主轴动静刚度测试的方法，包括以下步骤:I)轴向动刚度的测试:在高速电主轴上连接实心加载测试棒，接通轴向加载电磁铁的电源，由计算处理单元向信号输出与采集模块发出控制信号，再通过功率放大器给轴向电磁铁输入一直流偏移与某一频率正弦信号的叠加，或者输入扫频信号与直流偏移的叠加；轴向加载电磁铁产生的磁场与加载测试棒相互作用形成轴向动态加载力，由轴向力传感器和轴向位移传感器测得力信号和位移信号，并经过信号输出与采集模块传递给计算处理单元，经过数据处理(计算频响函数得到动柔度曲线，再求倒数)得到轴向加载的动刚度曲线；2)轴向静刚度的测试:在高速电主轴上连接实心加载测试棒，接通轴向加载电磁铁的电源，由计算处理单元向信号输出与采集模块发出控制信号，经功率放大器改变输入给轴向加载电磁铁的直流偏移量的大小来得到不同大小的轴向静态力，加载测试棒产生相应的位移，轴向力传感器和轴向位移传感器测得力信号和位移信号，并经过信号输出与采集模块传递给计算处理单元，经过运算处理(计算单位位移下的作用力)得到轴向加载的静刚度曲线；3)径向动刚度的测试:在高速电主轴上连接实心加载测试棒，接通两个径向加载电磁铁的电源，进行差动激磁，由计算处理单元向信号输出与采集模块发出控制信号，再通过功率放大器对两个径向加载电磁铁中的一个通以偏置电流Ici与控制电流ix之和Ifix激磁，而另一个则利用二者之差icrix激磁，然后作用在加载测试棒上的合力为某一频率的正弦力信号或者为扫频力信号；径向力传感器和径向位移传感器将测得力信号和位移信号，经过信号输出与采集模块传递给计算处理单元，经过数据处理(进行频响函数分析，得到动柔度曲线，再求倒数)得到径向加载的动刚度曲线；4)径向静刚度的测试:在高速电主轴上连接实心加载测试棒,接通加载测试棒一侧的径向加载电磁铁的电源，另一侧的径向加载电磁铁保持断电，由计算处理单元控制信号输出与采集模块，通过功率放大器为通电的径向电磁铁通以不同的直流偏移来得到不同大小的力，加载测试棒产生相应的位移；计算处理单元对通电侧径向加载电磁铁的径向位移传感器和径向力传感器测量到的数据进行处理(计算单位位移下的作用力)，得到径向加载的静刚度曲线。再进行切向的检测:5)切向动刚度、切向静刚度的测试:在高速电主轴上连接外周开槽的加载测试棒，并将绕阻导线与外置电源接通，在绕阻导线通入电信号；接通两个径向加载电磁铁的电源，产生电磁场，加载测试棒会受到扭矩作用并产生角位移；扭矩传感器和角位移传感器测得的切向力信号和角位移信号，并经过信号输出与采集模块传递给计算处理单元；经过数据处理得到切向动刚度曲线和静刚度曲线。具体的计算处 理单元根据切向力信号和角位移信号计算频响函数得到动柔度曲线，再求倒数，得到动刚度曲线；计算处理单元根据切向力信号和角位移信号进行数据处理，得到单位位移下的作用力，得到切向静刚度曲线。在上述测试时，启动高速电主轴，测试高速电主轴在工作状态不同转速下的三向动刚度和静刚度；关闭高速电主轴，测试高速电主轴在非工作状态下的三向动刚度和静刚
度。 ·
权利要求
1.一种基于三向电磁力加载的高速电主轴动静刚度测试装置，其特征在于，包括底座(4),底座(4)上设有两个相对设置的径向加载电磁铁(6)和一个轴向加载电磁铁(11);与高速电主轴(8)相连接的加载测试棒(9)设置在径向加载电磁铁(6)和轴向加载电磁铁(11)之间，加载测试棒(9 )与径向加载电磁铁(6 )、轴向加载电磁铁(11)之间均留有一定的间隙；加载测试棒(9)包括实心加载测试棒和外周开槽的加载测试棒两种，所述的外周开槽的加载测试棒中所开设的槽中设有绕阻导线，绕阻导线连接外置电源； 径向加载电磁铁(6)后方均设有至少两个径向力传感器(5),轴向加载电磁铁(11)的下方设有轴向力传感器(12);径向位移传感器(7)和轴向位移传感器(10)分别通过位移传感器支架(3)设置在加载测试棒(9)的径向和轴向方向上，并留有一定间隙；位移传感器支架(3)上还分别设有扭矩传感器和角位移传感器； 径向加载电磁铁(6)、轴向加载电磁铁(11)上的线圈分别与功率放大器(I)相连接,与计算处理单元(14)相连接的信号输出与采集模块(13)接收其发出的信号后，发送给功率放大器(I);信号输出与米集模块(13)还分 别与径向力传感器(5)、轴向力传感器(12)、径向位移传感器(7)、轴向位移传感器(10)、扭矩传感器和角位移传感器相连接，采集位移信号和力信号并将其发送给计算处理单元(14)； 计算处理单元(14)根据所接收的位移信号和力信号经运算处理，得到动静刚度曲线。
2.如权利要求1所述的基于三向电磁力加载的高速电主轴动静刚度测试装置，其特征在于，所述的轴向加载电磁铁(11)通过第一压板(17)和第一固定板(16)固定在底座(4)上，轴向力传感器(12)固定在底座(4)与第一固定板(16)之间； 径向加载电磁铁(6)通过第二压板(19)和第二固定板(18)固定在底座(4)上，第二固定板(18)与底座(4)之间还设有固定块(20),径向力传感器(5)固定在固定块(20)与第二固定板(18)之间。
3.如权利要求1所述的基于三向电磁力加载的高速电主轴动静刚度测试装置，其特征在于，所述的位移传感器支架(3)包括与机床工作台(2)相连接的支撑座，支撑座上设有可供加载测试棒(9)穿过的固定框；径向位移传感器(7)和轴向位移传感器(10)设置在固定框上，径向位移传感器(7)分布在加载测试棒(9)不同的径向上。
4.如权利要求3所述的基于三向电磁力加载的高速电主轴动静刚度测试装置，其特征在于，所述的径向位移传感器(7)至少包括三个，分别设置在固定框相互垂直的边框上； 径向力传感器(5)为偶数个，其沿径向加载电磁铁(6)的磁极面两侧对称分布。
5.如权利要求1所述的基于三向电磁力加载的高速电主轴动静刚度测试装置，其特征在于，所述的底座(4)设置在机床工作台(2)上并且其位置可调，底座(4)上还设有吊环螺钉(15);径向加载电磁铁(6)的磁极面所对应的中心线，与加载测试棒(9)的轴心线相重合；加载测试棒(9)为导磁性良好的金属棒。
6.如权利要求1所述的基于三向电磁力加载的高速电主轴动静刚度测试装置，其特征在于，加载测试棒(9)通过与高速电主轴刀柄相匹配的连接部与高速电主轴相连接。
7.如权利要求1所述的基于三向电磁力加载的高速电主轴动静刚度测试装置，其特征在于，所述的径向力传感器(5)、轴向力传感器(12)均采用压电式力传感器或应变式拉压力传感器；测静态力及低频动态力时采用应变式拉压力传感器，测高频动态力时采用压电式力传感器。
8.一种基于权利要求1所述装置的三向电磁力加载的高速电主轴动静刚度测试的方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)轴向动刚度的测试:在高速电主轴上连接实心加载测试棒，接通轴向加载电磁铁的电源，由计算处理单元向信号输出与采集模块发出控制信号，再通过功率放大器给轴向电磁铁输入一直流偏移与某一频率正弦信号的叠加，或者输入扫频信号与直流偏移的叠加；轴向加载电磁铁产生的磁场与加载测试棒相互作用形成轴向动态加载力，由轴向力传感器和轴向位移传感器测得力信号和位移信号，并经过信号输出与采集模块传递给计算处理单元，经过数据处理得到轴向加载的动刚度曲线； 2)轴向静刚度的测试:在高速电主轴上连接实心加载测试棒，接通轴向加载电磁铁的电源，由计算处理单元向信号输出与采集模块发出控制信号，经功率放大器改变输入给轴向加载电磁铁的直流偏移量的大小来得到不同大小的轴向静态力，加载测试棒产生相应的位移，轴向力传感器和轴向位移传感器测得力信号和位移信号，并经过信号输出与采集模块传递给计算处理单元，经过运算处理得到轴向加载的静刚度曲线； 3)径向动刚度的测试:在高速电主轴上连接实心加载测试棒，接通两个径向加载电磁铁的电源，进行差动 激磁，由计算处理单元向信号输出与采集模块发出控制信号，再通过功率放大器对两个径向加载电磁铁中的一个通以偏置电流id与控制电流ix之和id+ix激磁，而另一个则利用二者之差icrix激磁，然后作用在加载测试棒上的合力为某一频率的正弦力信号或者为扫频力信号；径向力传感器和径向位移传感器将测得力信号和位移信号，经过信号输出与采集模块传递给计算处理单元，经过数据处理得到径向加载的动刚度曲线； 4)径向静刚度的测试:在高速电主轴上连接实心加载测试棒,接通加载测试棒一侧的径向加载电磁铁的电源，另一侧的径向加载电磁铁保持断电，由计算处理单元控制信号输出与采集模块，通过功率放大器为通电的径向电磁铁通以不同的直流偏移来得到不同大小的力，加载测试棒产生相应的位移；计算处理单元对通电侧径向加载电磁铁的径向位移传感器和径向力传感器测量到的数据进行处理，得到径向加载的静刚度曲线。
9.如权利要求8所述的基于三向电磁力加载的高速电主轴动静刚度测试的方法，其特征在于，还包括切向的检测: 5)切向动刚度、切向静刚度的测试:在高速电主轴上连接外周开槽的加载测试棒，并将绕阻导线与外置电源接通，在绕阻导线通入电信号；接通两个径向加载电磁铁的电源，产生电磁场，加载测试棒会受到扭矩作用并产生角位移；扭矩传感器和角位移传感器测得的切向力信号和角位移信号，并经过信号输出与采集模块传递给计算处理单元；经过数据处理得到切向动刚度曲线和静刚度曲线。
10.如权利要求8或9所述的基于三向电磁力加载的高速电主轴动静刚度测试的方法，其特征在于，在测试时，启动高速电主轴，测试高速电主轴在工作状态不同转速下的三向动刚度和静刚度；关闭高速电主轴，测试高速电主轴在非工作状态下的三向动刚度和静刚度。
全文摘要
本发明公开了一种基于三向电磁力加载的高速电主轴动静刚度测试装置及方法，径向加载电磁铁采用差动控制，并且可以针对不同机床进行加载测试，具有广泛的适应性。通过力传感器和位移传感器采集的加载量和位移量，由计算处理单元对力信号和位移信号进行数据处理得到动刚度曲线和静刚度曲线，操作方便、准确、专业，成功的模拟了高速电主轴在工作过程中三向(轴向、径向和切向)受载情况，进而测试得到主轴的静刚度和动刚度特性，解决了现有技术中高速电主轴动静刚度分析测试中难以准确在线施加载荷及检测的问题。
文档编号G01N3/40GK103217349SQ20131011632
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月3日 优先权日2013年4月3日
发明者陈耀龙, 王小鹏, 苏文军, 奚延辉, 刘啸 申请人:西安交通大学