专利名称：高速电主轴非接触加载力及扭矩测试装置及测试方法
技术领域：
本 发明属于检测设备技术领域，涉及一种高速电主轴非接触加载力及扭矩测试装 置，本发明还涉及一种利用该装置进行加载力及扭矩的测试方法。
背景技术：
以高速电主轴为核心的高速机床已广泛用于加工制造业，大大提高了数控机床的 加工速度和精度。为保证高速数控机床加工精度和可靠性，需要完成高速电主轴负载时的 性能分析试验，以研究、改进高速电主轴结构设计，优化相关设计参数；性能分析试验主要 有可靠性试验和动态特性分析试验，性能分析试验需要解决高速电主轴加载及加载量检测 问题，以检测的加载力力及扭矩为电主轴系统的输入，完成电主轴系统的可靠性及动态特 性分析。目前，高速电主轴力、扭矩测试存在的问题有(1)传统主轴加载只能通过测功机 实现扭矩加载，测试的主要参数为扭矩，较少涉及加载力，相关加载力测试方法的研究较 少，而高速电主轴加工过程中主轴切削力的检测需使用昂贵的多向力传感器，故此测试方 法不宜用于高速电主轴特性分析试验中加载力的检测；(2)接触式扭矩测试有采用电阻应 变片检测扭矩时传感器输出引线需经滑环导出，磨损太大，采用与高速电主轴同轴连接的 扭矩传感器检测扭矩时，无法保证同轴度，采用多向力传感器检测扭矩时，测试成本过高等 问题；(3)非接触式扭矩检测必须在主轴上增加复杂的无线信号传输装置或光电设备，会 使高速电主轴出现不平衡，甚至改变了主轴的运动状态，而基于特殊扭矩敏感材料的非接 触扭矩检测装置成熟产品不多，测试设备机械结构复杂，体积较大，材料较难获得，相关技 术有待完善等问题；以上存在的问题说明高速电主轴加载力及扭矩的检测需要采用非接触 式测试方法，而现有的力、扭矩测试方法均不宜用于高速电主轴性能分析试验中加载量的 检测。

发明内容
本发明的目的是提供一种高速电主轴非接触加载力及扭矩测试装置，解决了现有 技术中高速电主轴加载力及扭矩测试需要复杂测试设备、成本过高等问题。本发明的另一目的是提供一种利用上述装置进行加载力及扭矩的测试方法。本发明所采用的技术方案是，一种高速电主轴非接触加载力及扭矩测试装置，在 工作台上设置有固定座和整体支架，固定座通过四个拉压力传感器安装在工作台上，四个 拉压力传感器分布在固定座下表面的四角，固定座上表面固定有支撑座，支撑座上设置有 电主轴，电主轴的一个轴端套装有加载圆盘，加载圆盘与整体支架位于同一竖直面内；四个 拉压力传感器同时与滤波放大电路连接，滤波放大电路与数据采集板卡连接，数据采集板 卡与工控机连接，工控机与显示、打印及键盘输入设备连接。本发明所采用的另一技术方案是，一种高速电主轴非接触加载力及扭矩测试方 法，该方法利用一种非接触加载装置，其结构是，在工作台上设置有固定座和整体支架，固 定座通过四个拉压力传感器安装在工作台上，四个拉压力传感器分布在固定座下表面的四角，固定座上表面固定有支撑座，支撑座上设置有电主轴，电主轴的一个轴端套装有加载圆 盘，加载圆盘与整体支架位于同一竖直面内；四个拉压力传感器同时与滤波放大电路连接， 滤波放大电路与数据采集板卡连接，数据采集板卡接入到工控机的PCI插槽中，工控机与 显示、打印及键盘输入设备连接；所述的整体支架环绕加载圆盘设置，在整体支架下部，在加载圆盘竖直方向下方 安装有径向力加载电磁铁，径向力加载电磁铁为U形电磁铁，两端分别缠绕有直流励磁线 圈；加载圆盘轴心水平两侧的整体支架上对称安装有左扭矩加载电磁铁和右扭矩加载电磁 铁，该两组电磁铁均为直铁芯，分别绕有直流励磁线圈，直流励磁线圈的轴线与加载圆盘的 水平直径线为同一条直线，本方法利用上述装置，按照以下步骤实施，步骤1)非接触加载装置未接通电源时，根据拉压力传感器的检测值得到电主轴、 固定底座、支撑座及加载圆盘的静态重量值，在非接触加载装置接通电源后，拉压力传感器 的检测值需减去上述几部分的静态重量值，才能用于进行后续的计算处理；步骤2、接通电主轴的变频器电源，并接通左扭矩加载电磁铁和右扭矩加载电磁 铁的直流励磁电源，左扭矩加载电磁铁和右扭矩加载电磁铁产生的磁场与旋转的加载圆盘 相互作用形成加载扭矩M，根据拉压力传感器检测的拉、压力值，对静态重量值修正后经过 数据处理，即得到加载扭矩M的测试值，实现加载扭矩M的检测；步骤；3)接通电主轴的变频器电源，并接通径向力加载电磁铁的直流励磁电源，径 向力加载电磁铁产生的磁场与导磁的加载圆盘相互作用形成竖直方向径向加载力F，根据 拉压力传感器检测的拉、压力值，对静态重量值修正后经过数据处理，即得到径向加载力F 的测试值，实现径向加载力F的检测；步骤4)接通电主轴的变频器电源，并同时接通径向力加载电磁铁、左扭矩加载电 磁铁和右扭矩加载电磁铁的直流励磁电源，该三个加载电磁铁产生的磁场与旋转的导磁加 载圆盘相互作用形成竖直径向加载力F及加载扭矩M，根据拉压力传感器检测的拉、压力 值，对静态重量值修正后经过数据处理，即得到径向加载力F及加载扭矩M的测试值，同时 实现径向加载力F及加载扭矩M的检测。本发明的有益效果是，采用拉压力传感器实现了高速电主轴非接触加载力及扭矩 的测试，该测试方法有效地解决了高速电主轴非接触加载力及扭矩测试装置复杂、成本过 高等问题，简化了测试装置结构，大大降低了测试设备成本，测试方法简便、精度高、易于实 现，具有显著的经济效益。


图1为本发明装置结构示意图；图2为本发明装置主体结构右视图；图3为图1中沿A-A向剖面图；图4为本发明装置加载力及扭矩作用示意图；图5为本发明装置电主轴及固定座整体受力分析示意图；图6为图5中径向力F单独作用的B向受力示意图；图7为图5中扭矩M单独作用的C向受力示意图。
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图中，1.电主轴，2.加载圆盘，3.整体支架，4.径向力加载电磁铁，5.工控机， 6.数据采集板卡，7.滤波放大电路，8.工作台，9.拉压力传感器，10.固定座，11.支撑座， 12.左扭矩加载电磁铁，13.右扭矩加载电磁铁。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。如图1、图2，本发明中被测力及扭矩加载和测试装置的机械部分结构是，在工作 台8上设置有电主轴的固定底座10和整体支架3，固定座10通过四个S型单向的拉压力传 感器9安装在工作台8上，四个拉压力传感器9分布在固定座10下表面的四角，见图3，固 定座10上表面固定有支撑座11，支撑座11上设置有电主轴1，电主轴1的轴端安装有加载 圆盘2，加载圆盘2与整体支架3位于同一竖直面内。参照图2，整体支架3为精密加工的框架结构，整体支架3满足对称性要求，在整体 支架3中安装有径向力加载电磁铁4、左扭矩加载电磁铁12和右扭矩加载电磁铁13 ；径向 力加载电磁铁4位于加载圆盘2的正下方，该电磁铁产生的磁场与加载圆盘2相互作用，在 加载圆盘2上产生径向电磁加载力F ；左扭矩加载电磁铁12和右扭矩加载电磁铁13位于 加载圆盘2左、右两侧，该组电磁铁产生的磁场与加载圆盘2相互作用，在加载圆盘2上产 生电磁加载扭矩M。参照图1、图3，本发明的测试装置电路部分结构是，四个拉压力传感器9同时与滤 波放大电路7连接，选用蛘埠天光传感器公司生产的拉压力传感器，型号为T几-1，该型传 感器为单向电阻应变式力传感器，采用S型剪切梁结构，可承受拉、压力，滤波放大电路7选 用天光公司生产的与拉压力传感器9配套的多路精密型放大器，滤波放大电路7与数据采 集(A/D转换)板卡6连接，数据采集板卡6选用台湾研华公司生产的12位A/D卡，型号为 PCI1713，该数据采集板卡为PCI总线的隔离高速模拟量输入卡，可直接插装到工控机5的 PCI扩展插槽中，与工控机5通过PCI总线进行数据传输，数据采集板卡6输入的非接触加 载力F及扭矩M检测值通过PCI总线传输到工控机5中，采用图形化编程技术在工控机5 中生成图形界面，以图形化方式实时显示非接触加载力F及扭矩M的检测值，工控机5还可 实现人机交互，选用台湾研华公司生产的工业控制计算机，型号为IPC-610P。本发明装置测试前的准备工作包括，如图2，安装加载圆盘2及直流加载电磁铁4、 12、13，调整整体支架3及直流加载电磁铁4、12、13的位置，使直流加载电磁铁4、12、13与 加载圆盘2间的气隙均为1mm。接通径向力加载电磁铁4、左扭矩加载电磁铁12和右扭矩 加载电磁铁13的直流励磁电源，径向力加载电磁铁4产生的磁场与加载圆盘2相互作用， 在加载圆盘2上形成径向电磁加载力F ；左扭矩加载电磁铁12和右扭矩加载电磁铁13产 生的磁场与加载圆盘2相互作用，在加载圆盘2上形成电磁加载扭矩M。本发明装置加载量的测试原理是，见图1、图2，非接触加载装置在加载圆盘2上产 生的径向力F及扭矩M通过主轴传递到轴承座，由轴承座经电主轴1的支撑座11传递到固 定座10上。如图3，为测试该固定底座10上的力，设置四个同型号拉压力传感器9作为固 定底座10底面的四个支点。四个拉压力传感器9的作用有一是固定、支撑电主轴的固定 底座10 ；二是将底座平面上的力集中到四个支点上；三是测试四个支点竖直方向单向拉、 压力。
参照图4，被测径向电磁加载力F及加载扭矩M作用在加载圆盘2的中心轴上，力口 载力F及加载扭矩M在四个测力支点1'、2'、3'、4'上产生支反力，由于本加载装置产生 的加载力F及加载扭矩M正交，各支点总支反力为加载力F及加载扭矩M产生的支反力之 和，其值由四个拉压力传感器9检测；根据所测支反力值，按力/扭矩平衡关系式反求，即可 得到加载圆盘2径向加载力F及加载扭矩M的测试值，同时完成加载力F及加载扭矩M的 检测。 本发明装置非接触电磁加载量测试过程为(1)非接触加载装置未接通电源，见图1，根据拉压力传感器9的检测值得到电主 轴1、固定底座10、支撑座11及加载圆盘2几部分的重量，在非接触加载装置接通电源后， 拉压力传感器9的检测值需减去上述几部分的重量值，才能最终得到径向加载力F及加载 扭矩M的测试值；(2)接通电主轴1变频器电源，并接通左扭矩加载电磁铁12和右扭矩加载电磁铁 13的直流励磁电源，见图2，左扭矩加载电磁铁12和右扭矩加载电磁铁13产生的磁场与旋 转的加载圆盘2相互作用形成加载扭矩M，根据拉压力传感器9检测的拉、压力值，经反求可 得到加载扭矩M的测试值，实现加载扭矩M的检测；(3)接通电主轴1变频器电源，并接通径向力加载电磁铁4的直流励磁电源，见图 2，径向力加载电磁铁4产生的磁场与导磁的加载圆盘2相互作用形成竖直方向径向加载力 F，根据拉压力传感器9检测的拉、压力值，经反求可得到径向加载力F的测试值，实现径向 加载力F的检测；(4)接通电主轴1变频器电源，并同时接通径向力加载电磁铁4、左扭矩加载电磁 铁12和右扭矩加载电磁铁13的直流励磁电源，如图2，加载电磁铁4、12和13产生的磁场 与旋转的导磁加载圆盘2相互作用形成竖直径向加载力F及加载扭矩M,根据拉压力传感 器9检测的拉、压力值，经反求可同时得到径向加载力F及加载扭矩M的测试值，同时实现 径向加载力F及加载扭矩M的检测。如图5，作为测力支点的四个拉压力传感器9对电主轴1、加载圆盘2及固定座的 整体结构作用四个固定约束，四个固定支点1'、2'、3'、4'受到的外力为加载圆盘2上 的竖直径向电磁加载力F、加载扭矩M及工作台8作用的四个支反力，竖直加载力F及加载 扭矩M正交、不耦合，根据力的可分离原理，加载力F及加载扭矩M别在四个固定点1'、 2'、3'、4'上形成了支反力，四个拉压力传感器9检测的拉、压力即为各固定支点的支反 力，根据电主轴整体受力分析，建立力/扭矩平衡方程，代入所测拉、压力值，求解方程即可 反求出被测竖直径向加载力F及加载扭矩M。见图5，根据竖直径向力F的方向可知固定点Γ、4'上产生竖直方向的拉力，固 定点2'、3'上产生竖直方向的压力；根据扭矩M的方向可知固定点1'、2'上产生竖直方 向的压力，固定点3'、4'上产生竖直方向的拉力。如图6，F为竖直径向电磁加载力，4,为图5中1'、4'点受力的合力，由于电 主轴1和固定座整体结构对称，1'、4'点受力为L 4,的一半；同理，图5中2'、3'点受
力为f2, 3'的一半。如图7，M为电磁加载扭矩，2,为图5中1'、2'点受力的合力，由于电主轴1和 固定座整体结构对称，1'、2'点受力为2,的一半；同理，图5中3'、4'点受力为f3, 4,的一半。通过受力分析可确定各固定支点的支反力，经验算可知四个固定支点所受支反力 的合力即为竖直径向力F，各固定支点所受支反力乘以力臂I1U2U3即为各支点扭矩值，其 和为扭矩M。四个拉压力传感器9所测的竖直方向拉、压力值即为各固定支点所受支反力值， 列力/扭矩平衡方程，该方程中的支反力为已知量(拉压力传感器的检测值)，求解方程可 得到被测加载量F和M,这种 方法仅由F和M产生的单向拉、压力检测值便可完成高速电主 轴非接触加载量F和M的测试。本发明的测试方法使用单向力传感器同时完成了多个加载量的检测，测试方法及 测试装置简单、成本低，不失为高速电主轴非接触加载力及扭矩测试的重要方法。本测试方法的发明基于以下考虑(1)不需要扭矩传感器，直接通过四个拉压力 传感器测得电主轴固定支座的支反力，利用所测支反力反求得到被测加载扭矩；(2)不需 增加测试装置即可同时完成径向电磁加载力的测试；(3)测试装置结构简单，易于操作。本发明的装置，通过使用拉压力传感器测量固定支点的拉、压力，反求可获得主轴 实际所受的径向加载力F及加载扭矩M，解决了高速电主轴非接触式扭矩测量需要复杂测 试装置的问题，同时解决了高速电主轴径向力测试高成本问题，大大降低了测试成本，测试 方法简单、易行整体测试装置结构简单，可靠性高，便于安装、使用，完全满足高速电主轴特 性分析试验的测试需要。
权利要求
1.一种高速电主轴非接触加载力及扭矩测试装置，其特征在于在工作台(8)上设置 有固定座(10)和整体支架(3)，固定座(10)通过四个拉压力传感器(9)安装在工作台(8) 上，四个拉压力传感器(9)分布在固定座(10)下表面的四角，固定座(10)上表面固定有支 撑座(11)，支撑座(11)上设置有电主轴(1)，电主轴(1)的一个轴端套装有加载圆盘0)， 加载圆盘O)与整体支架C3)位于同一竖直面内；四个拉压力传感器(9)同时与滤波放大电路(7)连接，滤波放大电路(7)与数据采集 板卡(6)连接，数据采集板卡(6)与工控机( 连接，工控机( 与显示、打印及键盘输入 设备连接。
2.根据权利要求1所述高速电主轴非接触加载力及扭矩测试装置，其特征在于所述 的整体支架C3)环绕加载圆盘( 设置，在整体支架C3)下部，在加载圆盘( 竖直方向下 方安装有径向力加载电磁铁G)，径向力加载电磁铁⑷为U形电磁铁，两端分别缠绕有直 流励磁线圈；加载圆盘( 轴心水平两侧的整体支架( 上对称安装有左扭矩加载电磁铁 (12)和右扭矩加载电磁铁(13)，该两组电磁铁均为直铁芯，分别绕有直流励磁线圈，直流 励磁线圈的轴线与加载圆盘O)的水平直径线为同一条直线。
3.根据权利要求1所述的高速电主轴非接触加载力及扭矩测试装置，其特征在于所 述拉压力传感器(9)选用电阻应变式力传感器，四个拉压力传感器(9)均为S型单向力传 感器，型号相同，采用S型剪切梁结构，内部贴有电阻应变片。
4.一种高速电主轴非接触加载力及扭矩测试方法，其特征在于该方法利用一种非接 触加载装置，其结构是，在工作台(8)上设置有固定座(10)和整体支架(3)，固定座(10)通 过四个拉压力传感器(9)安装在工作台⑶上，四个拉压力传感器(9)分布在固定座(10) 下表面的四角，固定座(10)上表面固定有支撑座(11)，支撑座(11)上设置有电主轴(1)， 电主轴(1)的一个轴端套装有加载圆盘O)，加载圆盘( 与整体支架C3)位于同一竖直面 内；四个拉压力传感器(9)同时与滤波放大电路(7)连接，滤波放大电路(7)与数据采集 板卡(6)连接，数据采集板卡(6)接入到工控机(5)的PCI插槽中，工控机( 为整体工业 控制计算机，与显示、打印及键盘输入设备连接；所述的整体支架⑶环绕加载圆盘⑵设置，在整体支架⑶下部，在加载圆盘⑵竖 直方向下方安装有径向力加载电磁铁G)，径向力加载电磁铁(4)为U形电磁铁，两端分别 缠绕有直流励磁线圈；加载圆盘( 轴心水平两侧的整体支架( 上对称安装有左扭矩加 载电磁铁(1 和右扭矩加载电磁铁(13)，该两组电磁铁均为直铁芯，分别绕有直流励磁线 圈，直流励磁线圈的轴线与加载圆盘O)的水平直径线为同一条直线，本方法利用上述装置，按照以下步骤实施，步骤1)非接触加载装置未接通电源时，根据拉压力传感器(9)的检测值得到电主轴 (1)、固定底座(10)、支撑座(11)及加载圆盘(2)的静态重量值，在非接触加载装置接通电 源后，拉压力传感器(9)的检测值需减去上述几部分的静态重量值，才能用于进行后续的 计算处理；步骤2)接通电主轴(1)的变频器电源，并接通左扭矩加载电磁铁(1 和右扭矩加载 电磁铁(1 的直流励磁电源，左扭矩加载电磁铁(1 和右扭矩加载电磁铁(1 产生的磁 场与旋转的加载圆盘( 相互作用形成加载扭矩M，根据拉压力传感器(9)检测的拉、压力值，对静态重量值修正后经过数据处理，即得到加载扭矩M的测试值，实现加载扭矩M的检 测；步骤3)接通电主轴(1)的变频器电源，并接通径向力加载电磁铁的直流励磁电 源，径向力加载电磁铁(4)产生的磁场与导磁的加载圆盘( 相互作用形成竖直方向径向 加载力F，根据拉压力传感器(9)检测的拉、压力值，对静态重量值修正后经过数据处理，即 得到径向加载力F的测试值，实现径向加载力F的检测；步骤4)接通电主轴(1)的变频器电源，并同时接通径向力加载电磁铁G)、左扭矩加 载电磁铁(1 和右扭矩加载电磁铁(1 的直流励磁电源，该三个加载电磁铁产生的磁场 与旋转的导磁加载圆盘( 相互作用形成竖直径向加载力F及加载扭矩M，根据拉压力传感 器(9)检测的拉、压力值，对静态重量值修正后经过数据处理，即得到径向加载力F及加载 扭矩M的测试值，同时实现径向加载力F及加载扭矩M的检测。
5.根据权利要求4所述的高速电主轴非接触加载力及扭矩测试方法，其特征在于所 述拉压力传感器(9)选用电阻应变式力传感器，四个拉压力传感器(9)均为单向力传感器， 型号相同，采用S型剪切梁结构，内部贴有电阻应变片。
全文摘要
本发明公开了一种高速电主轴非接触加载力及扭矩测试装置，在工作台上设置有固定座和整体支架，固定座通过四个拉压力传感器安装在工作台上，四个拉压力传感器分布在固定座下表面的四角，固定座上表面固定有支撑座，支撑座上设置有电主轴，电主轴的一个轴端套装有加载圆盘；四个拉压力传感器同时与滤波放大电路连接，滤波放大电路与数据采集板卡连接，数据采集板卡与工控机连接，工控机与显示、打印及键盘输入设备连接。本发明还公开了利用前述装置进行径向加载力及加载扭矩的检测方法。本发明装置及方法解决了高速电主轴特性分析试验中加载量难测试问题。
文档编号G01N3/22GK102128697SQ20101058742
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者何强, 刘宏昭, 原大宁, 周训通, 邱荣华 申请人:西安理工大学