CN107389340A - 高速主轴***动力学特性非接触测试装置及测试方法 - Google Patents

高速主轴***动力学特性非接触测试装置及测试方法 Download PDF

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刘献礼
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Abstract

高速主轴***动力学特性非接触测试装置及测试方法。激振装置采用固定安装形式无法实现多个不同测试点的激励。本发明组成包括：测试位置变换装置（28）、测试***（33）和激励***（32），所述的测试位置变换装置安装在所述的龙门数控铣削加工中心的工作台（20）上，所述的测试***和所述的激励***分别安装在所述的龙门数控铣削加工中心上，所述的测试位置变换装置包括水平X方向的测试位置移动装置（29）、绕Z周向测试位置移动装置（30）和竖直Z方向的测试位置移动装置（31）。本发明用于高速主轴***动力学特性非接触测试装置及测试方法。

Description

高速主轴***动力学特性非接触测试装置及测试方法
技术领域：
本发明涉及一种高速主轴***动力学特性非接触测试装置及测试方法。
背景技术：
高速铣削加工技术具有铣削力较小、柔性好、污染小，且加工精度一般可以达到工件最终工艺的要求，大幅提高加工效率，因此，广泛的应用于工件机械加工中，尤其对于一些硬度高、曲面特征复杂、轮廓尺寸大的加工难度比较大的工件，常会应用龙门数控高速铣削加工中心。
然而铣削过程易发生颤振，这是导致加工工件表面品质恶化的主要原因之一，铣削过程中的颤振数控铣削加工中心动力学特性密切相关，因此，若要有效控制铣削加工过程的颤振，进行铣削颤振稳定性预测，绘制铣削稳定域极限叶图，则须要获得准确的数控铣削加工中心的动力学特性。
数控铣削加工中心在主轴高速旋转的情况下，会产生离心力、陀螺效应、刚度软化作用以及热变形，在此影响下主轴的轴承支撑刚度有所降低，主轴-刀柄-刀具结合面的接触刚度也会有所降低，这将直接导致主轴***的动力学特性发生很大的变化，所以，若按照传统方法在主轴静止的状态下进行数控铣削加工中心动力学特性测试，在此基础上进行主轴旋转切削状态下的铣削颤振稳定性预测，则其预测的结果将存在着很大的误差，可见，在主轴高速旋转的状态下进行其动力学特性测试对加工状态下动力学特性分析评价和准确预测铣削颤振稳定性具有重要意义。
在进行数控铣削加工中心主轴***模态试验测试时，很多时候采用多点激励单点响应的方法，相对于单点激励，多点激励方法在测试中模态丢失的可能性较小，运用整体频响函数信息，故而参数识别精度较高，识别能力较强，多点激励方法需要在主轴***的周向和轴向均匀布置n多个激励点，激振装置要对每个测点进行激励，如果对激振装置采用固定安装形式则无法实现多个不同位置测试点的激励。
发明内容：
本发明的目的是解决在主轴静态下进行动力学特性测试结果与主轴实际铣削加工状态下的动力学特性存在较大误差，激振装置采用固定安装形式无法实现多个不同位置测试点的激励的问题，提供一种可以实现激振装置在水平X、Y方向、竖直Z方向及绕Z周向的位置变换，且结构简单、操作方便、稳定可靠的一种高速主轴***动力学特性非接触测试装置及测试方法。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种高速主轴***动力学特性非接触测试装置，其组成包括：测试位置变换装置、测试***和激励***，所述的测试位置变换装置安装在所述的龙门数控铣削加工中心的工作台上，所述的测试***和所述的激励***分别安装在所述的龙门数控铣削加工中心上，所述的测试位置变换装置包括水平X方向的测试位置移动装置、绕Z周向测试位置移动装置和竖直Z方向的测试位置移动装置。
所述的高速主轴***动力学特性非接触测试装置，所述的水平X方向的测试位置移动装置包括第一底座，所述的第一底座与所述的工作台通过螺栓连接，所述的第一底座上安装有丝杠，所述的丝杠的前后两端分别安装有导轨，所述的导轨与所述的丝杠平行并列布置，滑台套在所述的丝杠上与所述的丝杠形成丝杠螺母机构配合，所述的滑台的前后两端安装在所述的导轨上，所述的丝杠的一端安装有手柄。
所述的高速主轴***动力学特性非接触测试装置，所述的绕Z周向测试位置移动装置包括转盘底座，所述的转盘底座与所述的滑台通过螺栓连接，所述的转盘底座上安装有挡板，所述的挡板上具有横向设置的狭缝，所述的转盘底座上分别安装有固定外环、固定内盘，所述的固定外环呈圆环形，所述的固定外环的内径大于所述的固定内盘的直径，所述的固定内盘放在所述的固定外环的内部与所述的固定外环同心布置。
所述的高速主轴***动力学特性非接触测试装置，所述的竖直Z方向的测试位置移动装置包括第二底座，所述的第二底座的下端与一组夹紧螺栓的一端固定连接，所述的夹紧螺栓的另一端卡在所述的固定外环和所述的固定内盘之间的环形轨道内，所述的第二底座上安装有四个导向杆，托盘上的固定夹套在所述的导向杆上与所述的导向杆通过夹紧螺栓连接，所述的托盘上安装有定位块。
所述的高速主轴***动力学特性非接触测试装置，所述的激励***包括信号发生器，所述的信号发生器与驱动器电连接，所述的驱动器与非接触激振器电连接，所述的非接触激振器安装在所述的定位块上。
所述的高速主轴***动力学特性非接触测试装置，所述的测试***包括计算机，所述的计算机与数据采集***电连接，所述的数据采集***与激光位移传感器电连接，所述的激光位移传感器安装在磁力表座支架上，所述的磁力表座支架与所述的龙门数控铣削加工中心的主轴箱的下端固定连接。
一种高速主轴***动力学特性非接触测试装置的测试方法，该方法包括如下步骤：测试时，首先选定主轴转速，将数控加工中心调至该转速下运转，采用多点激励单点响应的方法，通过非接触式激振器对激励点施加激励，通过激光位移传感器检测获得龙门数控铣削加工中心的主轴***的振动响应，激励的波形和频率通过信号发生器进行调节，通过测试位置变换装置改变激励点的位置，重复相同的测试，可以获得不同激励点的测试数据，之后应用频响函数识别法进行分析计算，可以得到该转速下的数控加工中心高速主轴***的动力学特性参数，即频响函数、固有频率、阻尼比、刚度和阵型等，改变主轴转速，经过同样的测试分析过程，即可以获得不同主轴转速下的高速主轴***的动力学特性参数。
有益效果：
1.本发明是一种高速主轴***动力学特性非接触测试装置及测试方法，在采用多点激励单点响应的方法时可以实现激振装置在水平X、Y方向、竖直Z方向及绕Z周向360°周向位置的变换，适用于多点激励方法进行主轴***动力学测试，且结构简单、操作方便、稳定可靠。
本发明采用激励***，非接触激振器方向正对龙门数控铣削加工中心的主轴***位置施加激振，通过信号发生器控制激振的频率和波形，通过驱动器进行信号放大并给激振器驱动信号，
3.本发明采用测试***，激光位移传感器的位置正对龙门数控铣削加工中心的主轴***待测量响应位置，用于测试主轴***振动响应，激光位移传感器与数据采集***的信号输入端相连接，数据采集***的数据传输到计算机。
本发明的转盘底座上固定有挡板，挡板位于激光位移传感器和被测装置之间，用于抵挡激振器对于激光位移传感器的力干扰，挡板上有一条横向的狭缝，可以通过激光位移传感器发出及反射回的光束进行龙门数控铣削加工中心的主轴***端部振动响应的测试。
本发明的第二底座上安装有四个导向杆，托盘上的固定夹套在导向杆上与导向杆通过夹紧螺栓连接，放松托盘固定夹上的夹紧螺栓，托盘可以上下移动，调整好位置后再旋紧夹紧螺栓固定位置，以实现测试位置在竖直Z方向上的变换。
本发明采用非接触式激振器代替传统的接触式激振器或冲击力锤，激振信号不需要通过直接与被测***直接接触进行传递，既可以对静止的主轴***动力学特性进行动力学特性测试实验，亦能对转动的主轴***进行动力学特性测试实验。
本发明可以在主轴***旋转状态下进行动力学特性测试，其测试结果比传统的静止状态下的测试结果更接近与工件实际铣削状态下主轴***动力学特性，对准确进行加工状态下动力学特性分析评价和准确预测铣削颤振稳定性具有重要意义。
附图说明：
附图1是本发明的原理图；
附图2是本发明的结构示意图；
附图3是本发明的水平X方向的测试位置移动装置的结构示意图；
附图4是本发明的竖直Z方向的测试位置移动装置的结构示意图；
附图5是本发明的绕Z周向测试位置移动装置的结构示意图；
附图6是本发明的流程图；
附图7是龙门数控铣削加工中心的结构示意图；
图中：1、主轴箱；2、龙门数控铣削加工中心；3、磁力表座支架； 5、定位块；6、非接触激振器；8、激光位移传感器；9、托盘；10、第二底座；11、固定外环；12、手柄；13、丝杠；14、导轨；15、挡板；16、滑台；17、导向杆；18、转盘底座；19、第一底座；20、工作台；21、驱动器；22、信号发生器；23、数据采集***；24、计算机；25、狭缝；26、固定内盘； 28、测试位置变换装置；29、水平X方向的测试位置移动装置；30、绕Z周向测试位置移动装置；31、竖直Z方向的测试位置移动装置；32、激励***；33、测试***。
具体实施方式：
实施例1：
一种高速主轴***动力学特性非接触测试装置，其组成包括：测试位置变换装置28、测试***33和激励***32，所述的测试位置变换装置安装在所述的龙门数控铣削加工中心的工作台20上，所述的测试***和所述的激励***分别安装在所述的龙门数控铣削加工中心上，所述的测试位置变换装置包括水平X方向的测试位置移动装置29、绕Z周向测试位置移动装置30和竖直Z方向的测试位置移动装置31。
实施例2：
所述的高速主轴***动力学特性非接触测试装置，所述的水平X方向的测试位置移动装置包括第一底座19，所述的第一底座与所述的工作台通过螺栓连接，所述的第一底座上安装有丝杠13，所述的丝杠的前后两端分别安装有导轨14，所述的导轨与所述的丝杠平行并列布置，滑台16套在所述的丝杠上与所述的丝杠形成丝杠螺母机构配合，所述的滑台的前后两端安装在所述的导轨上，所述的丝杠的一端安装有手柄12，当操作手柄旋转丝杆时，滑台沿着导轨作直线运动，从而实现水平X方向位置移动。
实施例3：
所述的高速主轴***动力学特性非接触测试装置，所述的绕Z周向测试位置移动装置包括转盘底座18，所述的转盘底座与所述的滑台通过螺栓连接，所述的转盘底座上安装有挡板15，所述的挡板上具有横向设置的狭缝25，所述的转盘底座上分别安装有固定外环11、固定内盘26，所述的固定外环呈圆环形，所述的固定外环的内径大于所述的固定内盘的直径，所述的固定内盘放在所述的固定外环的内部与所述的固定外环同心布置，夹紧螺栓的一端卡嵌在圆形轨道中，可以在圆形轨道中活动，从而实现测试位置在绕Z周向方向转动。
实施例4：
所述的高速主轴***动力学特性非接触测试装置，所述的竖直Z方向的测试位置移动装置包括第二底座10，所述的第二底座的下端与一组夹紧螺栓的一端固定连接，所述的夹紧螺栓的另一端卡在所述的固定外环和所述的固定内盘之间的环形轨道内，所述的第二底座上安装有四个导向杆17，托盘9上的固定夹套在所述的导向杆上与所述的导向杆通过夹紧螺栓连接，所述的托盘上安装有定位块5，放松托盘固定夹上的夹紧螺栓，托盘可以上下移动，调整好位置后再旋紧夹紧螺栓固定位置，以实现测试位置在竖直方向上的变换。
实施例5：
所述的高速主轴***动力学特性非接触测试装置，所述的激励***包括信号发生器22，所述的信号发生器与驱动器21电连接，所述的驱动器与非接触激振器6电连接，所述的非接触激振器安装在所述的定位块上。
实施例6：
所述的高速主轴***动力学特性非接触测试装置，所述的测试***包括计算机24，所述的计算机与数据采集***23电连接，所述的数据采集***与激光位移传感器8电连接，所述的激光位移传感器安装在磁力表座支架3上，所述的磁力表座支架与所述的龙门数控铣削加工中心的主轴箱1的下端固定连接。
实施例7：
一种高速主轴***动力学特性非接触测试装置的测试方法，该方法包括如下步骤：测试时，首先选定主轴转速，将数控加工中心调至该转速下运转，采用多点激励单点响应的方法，通过非接触式激振器对激励点施加激励，通过激光位移传感器检测获得龙门数控铣削加工中心的主轴***的振动响应，激励的波形和频率通过信号发生器进行调节，通过测试位置变换装置改变激励点的位置，重复相同的测试，可以获得不同激励点的测试数据，之后应用频响函数识别法进行分析计算，可以得到该转速下的数控加工中心高速主轴***的动力学特性参数，即频响函数、固有频率、阻尼比、刚度和阵型等，改变主轴转速，经过同样的测试分析过程，即可以获得不同主轴转速下的高速主轴***的动力学特性参数。
水平Y方向的测试位置移动通过数控加工中心的工作台移动来实现，当工作台沿着水平Y方向移动的时候，整个测试位置变换装置沿着水平Y方向移动。

Claims (7)

1.一种高速主轴***动力学特性非接触测试装置，其组成包括：测试位置变换装置、测试***和激励***，其特征是：所述的测试位置变换装置安装在龙门数控铣削加工中心的工作台上，所述的测试***和所述的激励***分别安装在所述的龙门数控铣削加工中心上，所述的测试位置变换装置包括水平X方向的测试位置移动装置、绕Z周向测试位置移动装置和竖直Z方向的测试位置移动装置。
2.根据权利要求1所述的高速主轴***动力学特性非接触测试装置，其特征是：所述的水平X方向的测试位置移动装置包括第一底座，所述的第一底座与所述的工作台通过螺栓连接，所述的第一底座上安装有丝杠，所述的丝杠的前后两端分别安装有导轨，所述的导轨与所述的丝杠平行并列布置，滑台套在所述的丝杠上与所述的丝杠形成丝杠螺母机构配合，所述的滑台的前后两端安装在所述的导轨上，所述的丝杠的一端安装有手柄。
3.根据权利要求1或2所述的高速主轴***动力学特性非接触测试装置，其特征是：所述的绕Z周向测试位置移动装置包括转盘底座，所述的转盘底座与所述的滑台通过螺栓连接，所述的转盘底座上安装有挡板，所述的挡板上具有横向设置的狭缝，所述的转盘底座上分别安装有固定外环、固定内盘，所述的固定外环呈圆环形，所述的固定外环的内径大于所述的固定内盘的直径，所述的固定内盘放在所述的固定外环的内部与所述的固定外环同心布置。
4.根据权利要求1或2或3所述的高速主轴***动力学特性非接触测试装置，其特征是：所述的竖直Z方向的测试位置移动装置包括第二底座，所述的第二底座的下端与一组夹紧螺栓的一端固定连接，所述的夹紧螺栓的另一端卡在所述的固定外环和所述的固定内盘之间的环形轨道内，所述的第二底座上安装有四个导向杆，托盘上的固定夹套在所述的导向杆上与所述的导向杆通过夹紧螺栓连接，所述的托盘上安装有定位块。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的高速主轴***动力学特性非接触测试装置，其特征是：所述的激励***包括信号发生器，所述的信号发生器与驱动器电连接，所述的驱动器与非接触激振器电连接，所述的非接触激振器安装在所述的定位块上。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的高速主轴***动力学特性非接触测试装置，其特征是：所述的测试***包括计算机，所述的计算机与数据采集***电连接，所述的数据采集***与激光位移传感器电连接，所述的激光位移传感器安装在磁力表座支架上，所述的磁力表座支架与所述的龙门数控铣削加工中心的主轴箱的下端固定连接。
7.一种利用权利要求1-6之一所述的高速主轴***动力学特性非接触测试装置进行测试的方法，其特征是：该方法包括如下步骤：测试时，首先选定主轴转速，将数控加工中心调至该转速下运转，采用多点激励单点响应的方法，通过非接触式激振器对激励点施加激励，通过激光位移传感器检测获得龙门数控铣削加工中心的主轴***的振动响应，激励的波形和频率通过信号发生器进行调节，通过测试位置变换装置改变激励点的位置，重复相同的测试，可以获得不同激励点的测试数据，之后应用频响函数识别法进行分析计算，可以得到该转速下的数控加工中心高速主轴***的动力学特性参数，即频响函数、固有频率、阻尼比、刚度和阵型等，改变主轴转速，经过同样的测试分析过程，即可以获得不同主轴转速下的高速主轴***的动力学特性参数。
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