CN105938044B - 磨床的高精度液体静压电主轴轴心轨迹测试***及方法 - Google Patents

磨床的高精度液体静压电主轴轴心轨迹测试***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磨床的高精度液体静压电主轴轴心轨迹测试***及方法，包括测试盘、测试标准球、编码器、传感器支架、同步数据采集卡、数据处理***及若干振动位移传感器。本发明通过非接触式能够获取高精度液体静压电主轴轴心轨迹，结构简单，测试方便。

Description

磨床的高精度液体静压电主轴轴心轨迹测试***及方法
技术领域
本发明涉及一种轴心轨迹测试***及方法，具体涉及一种磨床的高精度液体静压电主轴轴心轨迹测试***及方法。
背景技术
磨削加工是一种极其重要的精密加工方式，尤其是在航空航天部件加工、精密仪器部件加工以及光学组件加工等诸多领域得到了极大的认可和广泛的应用，精密磨床是实现高精度磨削加工的关键，高精度电主轴则是精密磨床的核心，液体静压电主轴以其转速高、振动小、稳定性好等诸多方面的优点正在被越来越多的精密磨床所使用，精密磨床实现精密磨削的过程中静压电主轴的工作性能将直接决定磨削工件的尺寸精度和表面质量，因此对液体静压电主轴进行性能测试是极其必要的。目前对于电主轴性能测试方法受到诸多条件的限制，很难应用于高精度液体静压电主轴的性能测试中，主要体现在以下几方面：
1)接触式测量无法适用于电主轴动态性能测试，测试结果无法反应出极其细微的变化，并且测试结果受到测试设备反应速度的限制；
2)利用振动加速度传感器对电主轴外部进行性能测试方式受到液体静压电主轴结构特性的限制，由于液体静压电主轴的结构特性导致主轴转子的振动特性无法传递到电主轴外部，继而无法通过加速度传感器对转子运行导致的振动进行测试。
电主轴轴心轨迹测试能够较为准确地反应主轴转子运行特性，对电主轴进行轴心轨迹测试可以实现主轴运行状态的实时监控，更能准确反映出主轴转子的故障特征，并且电主轴轴心轨迹测试是利用非接触式振动位移传感器对电主轴进行测试的方式，因此对高精度液体静压电主轴进行轴心轨迹测试是较为合理的测试方式，然而目前的电主轴轴心轨迹测试***具有以下几方面的不足：
1)测试***能够实现的测试转速和测试精度都较低，无法适用于高速高精度液体静压电主轴的性能测试要求；
2)现有电主轴轴心轨迹性能测试***结构复杂，在测试的过程中引入了较多的外界因素影响，导致测试结果中蕴含了结构配合、加工误差多种复杂因素，因此测试结果不能准确反映电主轴的动态性能；
3)目前已有的测试***在对电主轴进行轴心轨迹时其准确度受到被测表面圆度轮廓的影响，得到的测试结果对被测试表面的依赖程度较高，无法满足液体静压电主轴轴心轨迹的高精度测试需要。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种磨床的高精度液体静压电主轴轴心轨迹测试***及方法，该***及方法通过非接触式能够获取高精度液体静压电主轴轴心轨迹，结构简单，测试方便。
为达到上述目的，本发明所述的磨床的高精度液体静压电主轴轴心轨迹测试***包括测试盘、测试标准球、编码器、传感器支架、同步数据采集卡、数据处理***及若干振动位移传感器；
待测高精度液体静压电主轴中主轴转子的前端面开设有测试盘安装接口，测试盘的一端套接于所述测试盘安装接口内，测试盘的另一端开设有测试标准球安装接口，测试标准球内嵌于所述测试标准球安装接口内，传感器支架固定于待测高精度液体静压电主轴的前端面上，各振动位移传感器固定于传感器支架上，各振动位移传感器均正对测试标准球的球心，各振动位移传感器在同一径向平面内，测试标准球与各振动位移传感器之间有间隙，编码器安装于待测高精度液体静压电主轴中主轴转子的后端部；
各振动位移传感器的输出端及编码器的输出端均通过同步数据采集卡与数据处理***的输入端相连接。
还包括定位螺母，定位螺母穿过待测高精度液体静压电主轴中主轴转子的侧面伸入到测试盘安装接口内且与测试盘的侧面相接触。
传感器支架通过固定螺栓固定于待测高精度液体静压电主轴的前端面上。
各振动位移传感器的输出端均通过信号调理器与同步数据采集卡相连接。
信号调理器通过数据传输线缆与同步数据采集卡的输入端相连接。
振动位移传感器的数量为3个，传感器支架上设有三个传感器安装孔，其中，一个振动位移传感器位于一个传感器安装孔内，三个振动位移传感器中任意两个振动位移传感器的轴线均相交。
测试盘的侧面沿周向设有若干用于安装平衡配重的平衡配重孔。
测试标准球的直径大于10倍振动位移传感器探头的直径。
三个传感器安装孔处于测试标准球球心所在平面，且传感器安装孔之间的夹角依次为0°、45°及96.5°。
本发明所述的磨床的高精度液体静压电主轴轴心轨迹测试方法包括以下步骤：
高精度液体静压电主轴在工作过程中，各振动位移传感器检测高精度液体静压电主轴的振动位移信号，并经高精度液体静压电主轴的振动位移信号发送至同步数据采集卡中，编码器根据高精度液体静压电主轴的转动周期产生脉冲信号，并将所述脉冲信号转发至同步数据采集卡中，同步数据采集卡同步接收所述高精度液体静压电主轴的振动位移信号及所述脉冲信号，并将接收到的所述高精度液体静压电主轴的振动位移信号及脉冲信号转发至中控计算机中，中控计算机根据高精度液体静压电主轴的振动位移信号及脉冲信号绘制磨床的高精度液体静压电主轴轴心轨迹，并显示磨床的高精度液体静压电主轴轴心轨迹。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的磨床的高精度液体静压电主轴轴心轨迹测试***包括测试盘、测试标准球、编码器、传感器支架及若干振动位移传感器，测试盘安装于待测高精度液体静压电主轴中主轴转子的测试盘安装口中，测试标准球位于所述测试标准球安装接口内，振动位移传感器通过传感器支架固定于待测高精度液体静压电主轴的前端面，同时测试标准球与各振动位移传感器之间有间隙，从而实现通过非接触方式实现对液体静压电主轴的振动位移信号的检测，与传统方法中支架与主轴分离的方式相比，本发明消除了机床其他部件运动导致的主轴与支架间的相对运动，提高了测试的精度。本发明所述的磨床的高精度液体静压电主轴轴心轨迹测试方法在操作时，通过同步数据采集卡采集各振动位移传感器检测的振动位移信号以及编码器产生的脉冲信号，同步性较好，中控计算机再根据所述振动位移信号及脉冲信号绘制高精度液体静压电主轴轴心轨迹，操作较为简单，测试的精度较高。
进一步，定位螺母穿过待测高精度液体静压电主轴中主轴转子的侧面伸入到测试盘安装接口内且与测试盘的侧面相接触，通过所述定位螺母调整测试盘的位置，使得测试盘与主轴转子具有良好的同心度，从而有效的提高测试的精度。
进一步，测试盘的侧面沿周向设有若干用于安装平衡配重的平衡配重孔，用以平衡定位螺母位置变化导致的主轴转子不平衡，降低由于附加测试盘产生的不平衡而影响主轴测试精度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的电路原理图；
图3为本发明中振动位移传感器11与测试标准球14的位置关系图。
其中，1为传感器安装孔、2为高精度液体静压电主轴、3为主轴转子、4为编码器、5为测试盘、6为定位螺母、7为中控计算机、8为同步数据采集卡、9为传感器支架、10为固定螺栓、11为振动位移传感器、12为信号调理器、13为数据传输线缆、14为测试标准球。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1、图2及图3，本发明所述的磨床的高精度液体静压电主轴轴心轨迹测试***包括测试盘5、测试标准球14、编码器4、传感器支架9、同步数据采集卡8、数据处理***及若干振动位移传感器11；待测高精度液体静压电主轴2中主轴转子3的前端面开设有测试盘安装接口，测试盘5的一端套接于所述测试盘安装接口内，测试盘5的另一端开设有测试标准球安装接口，测试标准球14内嵌于所述测试标准球安装接口内，传感器支架9固定于待测高精度液体静压电主轴2的前端面上，各振动位移传感器11固定于传感器支架9上，各振动位移传感器11均正对测试标准球14的球心，各振动位移传感器11在同一径向平面内，测试标准球14与各振动位移传感器11之间有间隙，编码器4安装于待测高精度液体静压电主轴2中主轴转子3的后端部；各振动位移传感器11的输出端及编码器4的输出端均通过同步数据采集卡8与数据处理***的输入端相连接。
需要说明的是，本发明还包括定位螺母6，定位螺母6穿过待测高精度液体静压电主轴2中主轴转子3的侧面伸入到测试盘安装接口内且与测试盘5的侧面相接触；传感器支架9通过固定螺栓10固定于待测高精度液体静压电主轴2的前端面上；各振动位移传感器11的输出端均通过信号调理器12与同步数据采集卡8相连接；信号调理器12通过数据传输线缆13与同步数据采集卡8的输入端相连接。
振动位移传感器11的数量为3个，传感器支架9上设有三个传感器安装孔1，其中，一个振动位移传感器11位于一个传感器安装孔1内，三个振动位移传感器11中任意两个振动位移传感器11的轴线均相交；测试盘5的侧面沿周向设有若干用于安装平衡配重的平衡配重孔；测试标准球14的直径大于10倍振动位移传感器11探头的直径；三个传感器安装孔1处于测试标准球14球心所在平面，且传感器安装孔之间的夹角依次为0°、45°及96.5°。
本发明所述的磨床的高精度液体静压电主轴轴心轨迹测试方法包括以下步骤：
高精度液体静压电主轴2在工作过程中，各振动位移传感器11检测高精度液体静压电主轴2的振动位移信号，并经高精度液体静压电主轴2的振动位移信号发送至同步数据采集卡8中，编码器4根据高精度液体静压电主轴2的转动周期产生脉冲信号，并将所述脉冲信号转发至同步数据采集卡8中，同步数据采集卡8同步接收所述高精度液体静压电主轴2的振动位移信号及所述脉冲信号，并将接收到的所述高精度液体静压电主轴2的振动位移信号及脉冲信号转发至中控计算机7中，中控计算机7根据高精度液体静压电主轴2的振动位移信号及脉冲信号绘制磨床的高精度液体静压电主轴2轴心轨迹，并显示磨床的高精度液体静压电主轴2轴心轨迹。
所述高精度液体静压电主轴2为精密磨床进行磨削作业的主轴，无需从机床上将磨床的高精度液体静压电主轴2轴心轨迹拆卸至专门的实验环境下再对其进行轴心轨迹性能测试，实现了高精度液体静压电主轴2在作业现场环境下的轴心轨迹性能测试。
高精度液体静压电主轴2固定于精密磨床上，在对其进行轴心轨迹性能测试时，首先将测试盘5通过测试盘安装接口安装在高精度液体静压电主轴2的主轴转子3上，通过调整定位螺母6调节测试盘5的位置，进而提高测试精度，所述测试盘5的侧面具有多个平衡配重孔，所述平衡配重孔设有内螺纹，通过给所述平衡配重孔中添加平衡配重平衡由于定位螺母6位置变化导致的主轴转子3不平衡，降低由于附加测试盘5产生的不平衡而影响高精度液体静压电主轴2的测试精度，所述平衡配重孔的个数为大于4的偶数，且在测试盘5的同一半径位置均匀分布。
所述测试盘5的质量与高精度液体静压电主轴2在磨削加工状态下所使用的砂轮质量相同，准确模拟实际加工过程中高精度液体静压电主轴2的运行状态。
所述测试标准球14表面的圆度轮廓误差小于50nm，所述测试标准球14直径为振动位移传感器11探头直径的10倍以上，以保证振动位移传感器11测量值在有效传感范围内；振动位移传感器11的端面与测试标准球14之间的距离位于振动位移传感器11的有效测试范围内，所述振动位移传感器11的分辨率Ir<25nm。
所述编码器4与主轴转子3同步旋转，每周产生一个脉冲信号，利用所述脉冲信号上升沿或者下降沿作为触发对振动位移信号的初始相位进行判断。
所述同步数据采集卡8采用NI公司的USB-4432信号采集卡，所述同步数据采集卡8能够实现5通道24位同步数据采集功能。
中控计算机7对获取的振动位移信息进行预处理，利用编码器4同步采样的脉冲信号确定截取触发脉冲信号的鉴相位置并对振动位移信号进行数据段的截取，确保每次分析处理的采样数据起始位置一致。然后采用三点法误差分离方法对预处理后的振动位移信号进行分离，确定被测试表面圆度轮廓误差，并根据分离出的振动位移信号计算获得磨床的高精度液体静压电主轴2轴心轨迹。

Claims (6)

1.一种磨床的高精度液体静压电主轴轴心轨迹测试***，其特征在于，包括测试盘(5)、测试标准球(14)、编码器(4)、传感器支架(9)、同步数据采集卡(8)、数据处理***及若干振动位移传感器(11)；
待测高精度液体静压电主轴(2)中主轴转子(3)的前端面开设有测试盘安装接口，测试盘(5)的一端套接于所述测试盘安装接口内，测试盘(5)的另一端开设有测试标准球安装接口，测试标准球(14)内嵌于所述测试标准球安装接口内，传感器支架(9)固定于待测高精度液体静压电主轴(2)的前端面上，各振动位移传感器(11)固定于传感器支架(9)上，各振动位移传感器(11)均正对测试标准球(14)的球心，各振动位移传感器(11)在同一径向平面内，测试标准球(14)与各振动位移传感器(11)之间有间隙，编码器(4)安装于待测高精度液体静压电主轴(2)中主轴转子(3)的后端部；
各振动位移传感器(11)的输出端及编码器(4)的输出端均通过同步数据采集卡(8)与数据处理***的输入端相连接；
还包括定位螺母(6)，定位螺母(6)穿过待测高精度液体静压电主轴(2)中主轴转子(3)的侧面伸入到测试盘安装接口内且与测试盘(5)的侧面相接触，通过定位螺母(6)调整测试盘(5)的位置，使得测试盘(5)与主轴转子(3)具有良好的同心度；
传感器支架(9)通过固定螺栓(10)固定于待测高精度液体静压电主轴(2)的前端面上；
各振动位移传感器(11)的输出端均通过信号调理器(12)与同步数据采集卡(8)相连接；
信号调理器(12)通过数据传输线缆(13)与同步数据采集卡(8)的输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的磨床的高精度液体静压电主轴轴心轨迹测试***，其特征在于，振动位移传感器(11)的数量为3个，传感器支架(9)上设有三个传感器安装孔(1)，其中，一个振动位移传感器(11)位于一个传感器安装孔(1)内，三个振动位移传感器(11)中任意两个振动位移传感器(11)的轴线均相交。
3.根据权利要求1所述的磨床的高精度液体静压电主轴轴心轨迹测试***，其特征在于，测试盘(5)的侧面沿周向设有若干用于安装平衡配重的平衡配重孔。
4.根据权利要求1所述的磨床的高精度液体静压电主轴轴心轨迹测试***，其特征在于，测试标准球(14)的直径大于10倍振动位移传感器(11)探头的直径。
5.根据权利要求2所述的磨床的高精度液体静压电主轴轴心轨迹测试***，其特征在于，三个传感器安装孔(1)处于测试标准球(14)球心所在平面，且传感器安装孔之间的夹角依次为0°、45°及96.5°。
6.一种磨床的高精度液体静压电主轴轴心轨迹测试方法，基于权利要求1所述的磨床的高精度液体静压电主轴轴心轨迹测试***，包括以下步骤：
高精度液体静压电主轴(2)在工作过程中，各振动位移传感器(11)检测高精度液体静压电主轴(2)的振动位移信号，并经高精度液体静压电主轴(2)的振动位移信号发送至同步数据采集卡(8)中，编码器(4)根据高精度液体静压电主轴(2)的转动周期产生脉冲信号，并将所述脉冲信号转发至同步数据采集卡(8)中，同步数据采集卡(8)同步接收所述高精度液体静压电主轴(2)的振动位移信号及所述脉冲信号，并将接收到的所述高精度液体静压电主轴(2)的振动位移信号及脉冲信号转发至中控计算机(7)中，中控计算机(7)根据高精度液体静压电主轴(2)的振动位移信号及脉冲信号绘制磨床的高精度液体静压电主轴(2)轴心轨迹，并显示磨床的高精度液体静压电主轴(2)轴心轨迹。
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