CN108031870A - 一种数控机床主轴加载性能测试装置及测试评价方法 - Google Patents

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迟玉伦
李郝林
黎康顺
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Abstract

本发明提供了一种数控机床主轴加载性能测试装置及测试评价方法，其中，数控机床主轴加载性能测试装置，具有这样的特征，包括：测试棒；两个加速度传感器，分别用于检测机床主轴的X方向和Y方向的加速度时域信号；加载部，包括用于向测试棒施加加载力的电磁铁和用于控制电磁铁的电流的电磁加载控制器；三向力传感器，安装在工作台上，用于检测电磁铁对测试棒加载的电磁加载力；数据采集卡，用于接收加速度传感器及三向力传感器的检测信号；数据分析部，用于对加速度时域信号进行处理得到机床主轴的振动轴心轨迹；以及显示输入部，用于显示振动轴心轨迹，并让用户输入电磁铁的设定电流、机床主轴的设定转速和加速度传感器的设定采集频率。

Description

一种数控机床主轴加载性能测试装置及测试评价方法
技术领域
本发明涉及一种数控机床主轴加载性能测试装置及测试评价方法。
背景技术
机床主轴作为数控机床的核心部件，它的性能直接影响数控机床的加工精度和生产效率，决定着国产数控机床的整体发展水平。目前我国数控机床的高性能主轴国产化程度较差，同一型号的主轴性能往往存在较大差异，主轴的优劣成为影响着我国高速数控机床发展的关键部件之一，生产装配质量稳定可靠的高性能机床主轴已经成为国内机床厂家追求的目标。
目前数控机床主轴加载性能测试装置及测试评价方法大多利用位移传感器直接测量机床主轴精度、刚度，但是上述这些装置和方法存在安装过程复杂、难以实施加载测量，在对大批量机床主轴性能进行测试评价有很大局限性，国内在此方面尚没有统一的标准。因此开发容易安装测量、加载方便的数控机床主轴性能测试与评价***成为企业亟待解决的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种数控机床主轴加载性能测试装置及测试评价方法。
本发明提供了一种数控机床主轴加载性能测试装置，具有这样的特征，包括：测试棒，通过刀柄竖直地安装在机床主轴上；两个加速度传感器，安装在机床主轴上，分别用于检测机床主轴的X方向和Y方向的加速度时域信号；加载部，包括用于向测试棒施加加载力的电磁铁和用于控制电磁铁的电流的电磁加载控制器；三向力传感器，通过夹具安装在工作台上，用于检测电磁铁对测试棒加载的电磁加载力；数据采集卡，用于接收加速度传感器及三向力传感器的检测信号；数据分析部，用于对加速度时域信号进行处理得到机床主轴的振动轴心轨迹；以及显示输入部，用于显示振动轴心轨迹，并让用户输入电磁铁的设定电流、机床主轴的设定转速和加速度传感器的设定采集频率。
在本发明提供的数控机床主轴加载性能测试装置中，还可以具有这样的特征：其中，两个加速度传感器的检测方向与工作台的台面相平行。
在本发明提供的数控机床主轴加载性能测试装置中，还可以具有这样的特征：其中，X方向和Y方向相互垂直。
本发明提供了一种数控机床主轴加载性能测试评价方法，具有这样的特征，包括以下步骤：
步骤1，用户通过移动工作台调整电磁铁与测试棒之间的非接触距离L，并采用显示输入部让用户输入电磁铁的设定电流，采用电磁加载控制器控制电磁铁的加载力，以及采用三向力传感器检测电磁铁对测试棒施加的电磁加载力；
步骤2，采用显示输入部让用户输入机床主轴的设定转速N，根据式(1)得到机床主轴的转动频率fn，
fn＝N/60 (1)；
步骤3，显示输入部让用户根据转动频率fn输入加速度传感器的设定采集频率fk，并采用加速度传感器检测机床主轴的X方向和Y方向的每秒钟的加速度时域信号a(i)(i＝0,1,...,N-1)；
步骤4，采用数据采集卡接收三向力传感器及加速度传感器的检测信号；
步骤5，根据式(2)和式(3)，采用数据分析部对加速度时域信号a(i)进行分析，分别获得加速度传感器的振动速度时域信号b(j)和振动幅值时域信号x(n)，
上式中，
步骤6，数据分析部根据振动速度时域信号b(j)和振动幅值时域信号x(n)得到机床主轴的振动轴心轨迹，并采用显示输入部显示振动轴心轨迹；
步骤7，重复步骤1至步骤6，得到机床主轴在不同设定转速N的条件下的空载振动轴心轨迹ai和加载振动轴心轨迹ao，通过对比空载振动轴心轨迹ai和加载振动轴心轨迹ao对机床主轴的动态性能进行评价。
在本发明提供的数控机床主轴加载性能测试评价方法中，还可以具有这样的特征：其中，L≦1mm。
在本发明提供的数控机床主轴加载性能测试评价方法中，还可以具有这样的特征：其中，fn-k<fk<fn+k。
在本发明提供的数控机床主轴加载性能测试评价方法中，还可以具有这样的特征：其中，k为5Hz～20Hz。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的数控机床主轴加载性能测试装置及测试评价方法，通过加载部向测试棒进行加载，采用数据采集卡接收三向力传感器及加速度传感器的检测信号，从而分别得到电磁加载力和机床主轴的X方向和Y方向的每秒钟的加速度时域信号，使得数据分析部能够分析得到机床主轴在加载前和加载后的振动轴心轨迹(即空载振动轴心轨迹ai和加载振动轴心轨迹ao)，通过对比空载振动轴心轨迹ai和加载振动轴心轨迹ao对机床主轴的动态性能进行评价。
本发明所涉及的数控机床主轴加载性能测试装置及测试评价方法易操作，有很强的实用性，能够准确反映机床主轴运行状态。另外，与传统轴心轨迹测试提取研究方法不同，本发明采用的是信号数据理论和方法，能够对不同机床主轴的振动轴心轨迹进行分析研究，适用于国内各机床厂家的机床主轴性能加载测试与性能评价，对机床生产厂家控制机床主轴运行的可靠性具有很重要的意义。
附图说明
图1是本发明的实施例中数控机床主轴加载性能测试装置的结构示意图；
图2是本发明的实施例中数控机床主轴加载性能测试评价方法的流程图；
图3是本发明的实施例中机床主轴的电磁加载力的测试图；
图4是本发明的实施例中机床主轴的振动轴心轨迹图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
<实施例>
图1是本发明的实施例中数控机床主轴加载性能测试装置的结构示意图。
如图1所示，数控机床主轴加载性能测试装置100安装在机床主轴1和机床的工作台2上，包括测试棒10、两个加速度传感器20、加载部30、三向力传感器40、数据采集卡50、数据分析部(图中未示出)和显示输入部60。
测试棒10通过刀柄竖直地安装在机床主轴1上。在本实施例中，用户需转动测试棒10检查其偏心量，确保测试棒10的偏心量小于5um。
两个加速度传感器20安装在机床主轴1上，分别用于检测机床主轴1的X方向和Y方向的加速度时域信号。在本实施例中，用户需调整加速度传感器20使其测量方向与工作台2的台面相平行，其中，X方向和Y方向相互垂直。
加载部30包括电磁铁31和电磁加载控制器32。
电磁铁31用于向测试棒10施加加载力。
电磁加载控制器32，与电磁铁31连接，用于控制电磁铁31的电流，从而控制电磁铁31的加载力。
三向力传感器40通过夹具41安装在工作台2上，用于检测电磁铁31对测试棒10加载的电磁加载力。在本实施例中，电磁铁31设置在三向力传感器40上，用户通过移动工作台2调整电磁铁31与测试棒10之间的非接触距离L(L≦1mm)，并采用电磁加载控制器32控制电磁铁31的加载力。
数据采集卡50，同时与加速度传感器20及三向力传感器40连接，用于接收三向力传感器40及加速度传感器20的检测信号，从而得到电磁铁31与测试棒10之间的电磁加载力和机床主轴1的X方向和Y方向的每秒钟的加速度时域信号。
数据分析部用于对加速度时域信号进行处理得到机床主轴1的振动轴心轨迹。
显示输入部60用于显示振动轴心轨迹，并让用户输入电磁铁31的设定电流、机床主轴1的设定转速和加速度传感器20的设定采集频率。
图2是本发明的实施例中数控机床主轴加载性能测试评价方法的流程图。
对数控机床主轴加载性能测试装置100进行安装(如图1所示)，数控机床主轴加载性能测试评价方法如图2所示。
步骤1，用户通过移动工作台2调整电磁铁31与测试棒10之间的非接触距离L(L≦1mm)，并采用显示输入部60让用户输入电磁铁31的设定电流，采用电磁加载控制器32控制电磁铁31的加载力，以及采用三向力传感器40检测电磁铁31对测试棒10施加的电磁加载力。
图3是本发明的实施例中机床主轴的电磁加载力的测试图。
如图3所示，在本实施例中，三向力传感器40检测到的电磁铁31对测试棒10的实际电磁加载力为52N。
步骤2，采用显示输入部60让用户输入机床主轴1的设定转速N，根据式(1)得到机床主轴1的转动频率fn，
fn＝N/60 (1)。
在本实施例中，输入机床主轴1的设定转速N为N1。
步骤3，显示输入部60让用户根据转动频率fn输入加速度传感器20的设定采集频率fk，并采用加速度传感器20检测机床主轴1的X方向和Y方向的每秒钟的加速度时域信号a(i)(i＝0,1,...,N-1)。在本实施例中，fn-k<fk<fn+k，k为5Hz～20Hz。
步骤4，采用数据采集卡50接收三向力传感器40及加速度传感器20的检测信号。
步骤5，根据式(2)和式(3)，采用数据分析部对加速度时域信号a(i)进行分析，分别获得加速度传感器的振动速度时域信号b(j)和振动幅值时域信号x(n)，
上式中，
步骤6，数据分析部根据振动速度时域信号b(j)和振动幅值时域信号x(n)得到机床主轴的振动轴心轨迹，并采用显示输入部60显示振动轴心轨迹。
图4是本发明的实施例中机床主轴的振动轴心轨迹图。
在本实施例中，在电磁加载力为52N，设定转速N为N1时的振动轴心轨迹如图4所示，该振动轴心轨迹位于上限和下限之间，说明机床主轴1运行正常。
步骤7，重复步骤1至步骤6，得到机床主轴1在不同设定转速N的条件下的空载振动轴心轨迹ai和加载振动轴心轨迹ao，通过对比空载振动轴心轨迹ai和加载振动轴心轨迹ao对机床主轴1的动态性能进行评价。
在本实施例中，如表1所示，重复步骤1至步骤6可得到机床主轴1在不同设定转速N(N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8、N9和N10)的条件下的空载振动轴心轨迹ai(ai1、ai2、ai3、ai4、ai5、ai6、ai7、ai8、ai9和ai10)以及对应的加载振动轴心轨迹ao(ao1、ao2、ao3、ao4、ao5、ao6、ao7、ao8、ao9和ao10)。通过对比空载振动轴心轨迹ai和加载振动轴心轨迹ao可对机床主轴的动态性能进行评价。
表1机床主轴不同转速下的加载前/后的振动轴心轨迹结果
设定转速(r/min) 空载振动轴心轨迹(um) 加载振动轴心轨迹(um)
N1 ai1 ao1
N2 ai2 ao2
N3 ai3 ao3
N4 ai4 ao4
N5 ai5 ao5
N6 ai6 ao6
N7 ai7 ao7
N8 ai8 ao8
N9 ai9 ao9
N10 ai10 ao10
在本实施例中，数控机床主轴加载性能测试装置及测试评价方法是通过对同一机床主轴1在不同设定转速N的条件下的空载振动轴心轨迹ai和加载振动轴心轨迹ao进行对比，从而分析得到机床主轴1的动态性能。但是，上述装置及测试评价方法也可以对不同机床主轴的振动轴心轨迹进行分析研究。
实施例的作用与效果
根据本实施例提供的数控机床主轴加载性能测试装置及测试评价方法，通过加载部向测试棒进行加载，采用数据采集卡接收三向力传感器及加速度传感器的检测信号，从而分别得到电磁加载力和机床主轴的X方向和Y方向的每秒钟的加速度时域信号，使得数据分析部能够分析得到机床主轴在加载前和加载后的振动轴心轨迹(即空载振动轴心轨迹ai和加载振动轴心轨迹ao)，通过对比空载振动轴心轨迹ai和加载振动轴心轨迹ao对机床主轴的动态性能进行评价。
本发明所涉及的数控机床主轴加载性能测试装置及测试评价方法易操作，有很强的实用性，能够准确反映机床主轴运行状态。另外，与传统轴心轨迹测试提取研究方法不同，本发明采用信号数据理论和方法，能够对不同机床主轴的振动轴心轨迹进行分析研究，适用于国内各机床厂家的机床主轴性能加载测试与性能评价，对机床生产厂家控制机床主轴运行的可靠性具有很重要的意义。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种数控机床主轴加载性能测试装置，其特征在于，包括：
测试棒，通过刀柄竖直地安装在机床主轴上；
两个加速度传感器，安装在所述机床主轴上，分别用于检测所述机床主轴的X方向和Y方向的加速度时域信号；
加载部，包括用于向所述测试棒施加加载力的电磁铁和用于控制所述电磁铁的电流的电磁加载控制器；
三向力传感器，通过夹具安装在工作台上，用于检测所述电磁铁对所述测试棒加载的电磁加载力；
数据采集卡，用于接收所述加速度传感器及所述三向力传感器的检测信号；
数据分析部，用于对所述加速度时域信号进行处理得到所述机床主轴的振动轴心轨迹；以及
显示输入部，用于显示所述振动轴心轨迹，并让用户输入所述电磁铁的设定电流、所述机床主轴的设定转速和所述加速度传感器的设定采集频率。
2.根据权利要求1所述的数控机床主轴加载性能测试装置，其特征在于：
其中，两个所述加速度传感器的检测方向与所述工作台的台面相平行。
3.根据权利要求1所述的数控机床主轴加载性能测试装置，其特征在于：
其中，所述X方向和所述Y方向相互垂直。
4.一种数控机床主轴加载性能测试评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，用户通过移动工作台调整电磁铁与测试棒之间的非接触距离L，并采用显示输入部让所述用户输入所述电磁铁的设定电流，采用电磁加载控制器控制所述电磁铁的加载力，以及采用三向力传感器检测所述电磁铁对所述测试棒施加的电磁加载力；
步骤2，采用所述显示输入部让所述用户输入机床主轴的设定转速N，根据式(1)得到所述机床主轴的转动频率fn，
fn＝N/60 (1)；
步骤3，所述显示输入部让所述用户根据所述转动频率fn输入加速度传感器的设定采集频率fk，并采用所述加速度传感器检测所述机床主轴的X方向和Y方向的每秒钟的加速度时域信号a(i)(i＝0,1,...,N-1)；
步骤4，采用数据采集卡接收所述三向力传感器及所述加速度传感器的检测信号；
步骤5，根据式(2)和式(3)，采用数据分析部对所述加速度时域信号a(i)进行分析，分别获得所述加速度传感器的振动速度时域信号b(j)和振动幅值时域信号x(n)，
<mrow> <mi>b</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mi>j</mi> </munderover> <mi>a</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> <mo>,</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>...</mn> <mo>,</mo> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
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上式中，
步骤6，所述数据分析部根据所述振动速度时域信号b(j)和振动幅值时域信号x(n)得到所述机床主轴的振动轴心轨迹，并采用所述显示输入部显示所述振动轴心轨迹；
步骤7，重复所述步骤1至所述步骤6，得到所述机床主轴在不同设定转速N的条件下的空载振动轴心轨迹ai和加载振动轴心轨迹ao，通过对比所述空载振动轴心轨迹ai和所述加载振动轴心轨迹ao对所述机床主轴的动态性能进行评价。
5.根据权利要求4所述的数控机床主轴加载性能测试评价方法，其特征在于：
其中，L≦1mm。
6.根据权利要求4所述的数控机床主轴加载性能测试评价方法，其特征在于：
其中，fn-k<fk<fn+k。
7.根据权利要求6所述的数控机床主轴加载性能测试评价方法，其特征在于：
其中，k为5Hz～20Hz。
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