CN108507785B - 一种主轴回转状态下的动态特性测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主轴回转状态下的动态特性测试装置及方法,该装置包括主轴、机架和固定套等;其中,主轴安装在机架上,主轴固定套的一端安装在机架上,另一端与连接支架的一端连接,端盖安装在连接支架的另一端;刀柄组件包括刀柄以及由内至外依次套装在刀柄上的轴承和轴承盒,刀柄组件套装在连接支架和主轴固定套内,刀柄的一端与主轴的转子连接,另一端的刀尖伸出至端盖外;作动器组件包括压电作动器,连接支架的侧面垂直于主轴轴向方向依次开设有三个安装孔,作动器组件的压电作动器以及加速度传感器和位移传感器分别安装在三个安装孔。该方法采用压电作动器施加激励、刀柄组件实现加载,可以准确方便地测试主轴在回转过程中的动态特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种主轴回转状态下的动态特性测试装置及方法,采用压电作动器施加激励、刀柄组件实现加载,可以准确方便地测试主轴在回转过程中的动态特性。
背景技术
机床主轴是超精密机床的核心构件之一,其动态特性及稳定性很大程度上决定了机床的加工性能和加工效率,并且对整个加工***的寿命、可靠性和安全性有着重要影响,因此对电主轴的动态特性进行研究显得十分重要。工程上测试主轴动态特性的方法通常是在主轴静止时采用激振器激振或力锤敲击的办法进行,但主轴在实际工作情况中,由于受到切削力、转速、工作温升和热膨胀、离心力和陀螺力矩的影响,动态特性会产生变化。因此,测试主轴实际回转过程中的动态特性具有重要意义。常规的力锤激励和激振器激励方法只能用于主轴静止状态下的测试,在旋转状态下很难实现加载。
目前国内外有部分学者通过改进实验方案或设计新型实验装置来测试主轴回转状态下的动态特性。主要加载方式有力锤激励、电磁激励和气膜力加载。Ozturk等[Investigation of spindle bearing preload on dynamics and stability limit inmilling]在主轴前端安装一个标准件来代替实际刀具,通过敲击标准件来测试主轴在不同预紧下的动态特性。但采用标准件代替刀具进行测试,会使最终结果产生一定的误差,并且由于力锤激励的能量和频带范围有限,尤其是对于大型机床,往往无法激发机床的所有模态。英国伯明翰大学的Chowdhury等[Determination of the dynamic characteristicsof machine tool structures]最早采用电磁加载装置对车床主轴在低转速下进行了测试,证明主轴动态特性受转速、激励幅值和预载荷的影响。日本京都大学的Sawamura等[Development of Dynamic Loading Device for Rotating Spindle of Machine Tools]采用一种电磁加载装置测试了铣床主轴在不同转速下的静刚度,由于电磁场容易在被测主轴表面诱发产生电涡流,因此对测试结果有一定影响。此外,北京科技大学的冯明等[高速主轴非接触气膜加载刚度测试台的研制]设计了利用静压气膜对电主轴加载的装置,采用空气轴承和空气静压止推轴承实现对主轴旋转状态下的加载,但只能对主轴施加静载荷或缓变载荷,且所施加的载荷力较小,因此应用有限。
总体看来,目前关于主轴回转状态下的动态特性测试的研究相对较少,各种测试方法都存在一定的问题,难以实现对主轴回转状态下动态特性的准确测试。
发明内容
本发明的目的在于提供一种主轴回转状态下的动态特性测试装置及方法,采用压电作动器进行激励、带滚动轴承的刀柄组件实现加载,将压电力传感器安装在压电作动器后端进行激振力的测试,并利用连接支架将加载和测量装置固定在主轴上,形成一体化的测试。
本发明采用如下技术方案来实现的:
一种主轴回转状态下的动态特性测试装置,包括主轴、机架、固定套、连接支架、端盖、刀柄组件、作动器组件、加速度传感器和位移传感器;其中,
主轴安装在机架上,主轴固定套的一端安装在机架上,另一端与连接支架的一端连接,端盖安装在连接支架的另一端;刀柄组件包括刀柄以及由内至外依次套装在刀柄上的轴承和轴承盒,刀柄组件套装在连接支架和主轴固定套内,刀柄的一端与主轴的转子连接,另一端的刀尖伸出至端盖外;
作动器组件包括压电作动器,连接支架的侧面垂直于主轴轴向方向依次开设有三个安装孔,作动器组件的压电作动器以及加速度传感器和位移传感器分别安装在三个安装孔。
本发明进一步的改进在于,作动器组件包括压电作动器、压电力传感器、预紧螺钉以及呈U型状的作动器支架,其中,压电作动器和压电力传感器依次设置在作动器支架的中心处,预紧螺钉与作动器支架螺纹连接,其一端穿过作动器支架并与压电力传感器的一端接触,压电力传感器的另一端与压电作动器的尾端采用螺钉连接,压电作动器首端伸入至连接支架侧面的安装孔内,并与轴承盒接触。
本发明进一步的改进在于,连接支架的侧面上周向均匀开设有若干组安装孔,每组安装孔均包括三个安装孔。
一种主轴回转状态下的动态特性测试方法,该方法基于上述一种主轴回转状态下的动态特性测试装置,包括以下步骤:
1)首先按上述步骤连接好主轴回转状态下的动态特性测试装置,并启动主轴,使主轴的转子产生固定的转速,并带动刀柄组件中的刀柄和轴承的内环以相同转速转动,刀柄组件中的轴承的外环和轴承盒保持静止;
2)由信号发生器产生正弦扫频的信号,信号输出给功率放大器,并控制压电作动器产生正弦扫频振动,并作用于刀柄组件的轴承盒上,进而对刀柄组件的刀柄产生激励,此时刀柄产生相应的振动响应;
3)压电作动器产生正弦扫频振动时,其前端对轴承盒产生的作用力与后端对压电力传感器产生的作用力相等,此时利用数据采集器和计算机对压电力传感器测量到的激励力信号进行记录;
利用位移传感器和加速度传感器测量刀柄由于压电作动器激励而产生的振动信号,并利用数据采集器和计算机对信号进行记录;
4)在计算机中采用vold-kalman滤波进行阶次跟踪提取,滤除刀柄回转产生的振动信号,得到由压电作动器激励产生的力信号和响应信号,对力信号和响应信号进行计算,得到主轴在回转状态下的频响函数。
本发明具有如下有益的技术效果:
1)在激励方式上,选择压电作动器作为激励元件,压电作动器具有体积小、响应速度快、精度高、功耗低等特点,因此加载***刚度大、加载精确高效、加载力的幅值和频率范围大。
2)利用刀柄组件实现接触式加载,解决了主轴回转时加载困难的问题,压电作动器的激励力可以准确施加到刀柄上,并且不会产生其他干扰,因此可以在主轴任意转速下进行加载;
3)将压电力传感器固定在压电作动器尾部,解决了力传感器难以安装的问题,并具有很高的测量精度;
4)采用连接支架将加载装置与测试装置进行固定,与主轴形成一个整体,因此加载***刚度高,测试***干扰少,可随时进行测试。
综上所述,本发明采用压电作动器进行激励,具有刚度大、加载精确高效、激励力的形式多样、激励力的幅值和频率范围大的特点;利用带有滚动轴承的刀柄组件实现对主轴的加载,可以实现主轴回转时的加载,并且加载效率高、干扰较少;将压电力传感器固定在压电作动器后端,实现激振力的测量,具有很高的测量精度;采用连接支架将加载装置与测试装置集成为一体,使加载***刚度高、测试***干扰少,并且可以随时进行测试。
附图说明
图1是本发明的流程示意图;
图2是本发明的结构示意图;
图3是本发明的刀柄组件结构图;
图4是本发明的压电作动器组件结构图;
图中:1-主轴,2-机架,3-主轴固定套,4-连接支架,5-端盖,6-刀柄组件,7-作动器组件,8-加速度传感器,9-位移传感器;
601-刀柄,602-轴承,603-轴承盒;
701-压电作动器,702-压电力传感器,703-作动器支架,704-预紧螺钉。
图5是本发明的主轴转速4000r·min-1时的电压信号时频关系;
图6是本发明的主轴转速4000r·min-1时的激振力信号,其中(a)为测量得到的原始信号,(b)为滤波之后的信号;
图7是本发明的主轴转速4000r·min-1时的加速度响应信号,其中(a)为测量得到的原始信号,(b)为滤波之后的信号;
图8是本发明的主轴转速4000r·min-1时频响及相干函数,其中(a)为根据原始信号计算得到的频响及相干函数,(b)为根据滤波之后的信号计算得到的频响及相干函数;
图9是本发明的主轴不同转速下的频响函数;
图10是本发明的主轴转速-固有频率关系。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。
如图1至图4所示,本发明提供的一种主轴回转状态下的动态特性测试装置,包括主轴1、机架2、固定套3、连接支架4、端盖5、刀柄组件6、作动器组件7、加速度传感器8和位移传感器9;其中,主轴1安装在机架2上,主轴固定套3的一端安装在机架2上,另一端与连接支架4的一端连接,端盖5安装在连接支架4的另一端;刀柄组件6包括刀柄601以及由内至外依次套装在刀柄601上的轴承602和轴承盒603,刀柄组件6套装在连接支架4和主轴固定套3内,刀柄601的一端与主轴1的转子连接,另一端的刀尖伸出至端盖5外;作动器组件7包括压电作动器701,连接支架4的侧面上周向均匀开设有若干组安装孔,每组安装孔均包括三个安装孔,作动器组件7的压电作动器701以及加速度传感器8和位移传感器9分别安装在三个安装孔。
其中,作动器组件7包括压电作动器701、压电力传感器702、预紧螺钉704以及呈U型状的作动器支架703,其中,压电作动器701和压电力传感器702依次设置在作动器支架703的中心处,预紧螺钉704与作动器支架703螺纹连接,其一端穿过作动器支架703并与压电力传感器702的一端接触,压电力传感器702的另一端与压电作动器701的尾端采用螺钉连接,压电作动器701首端伸入至连接支架4侧面的安装孔内,并与轴承盒603接触。
本发明提供的一种主轴回转状态下的动态特性测试方法,包括以下步骤:
1)首先按上述步骤连接好主轴回转状态下的动态特性测试装置,并启动主轴1,使主轴1的转子产生固定的转速,并带动刀柄组件6中的刀柄601和轴承602的内环以相同转速转动,刀柄组件6中的轴承602的外环和轴承盒603保持静止;
2)由信号发生器产生正弦扫频的信号,信号输出给功率放大器,并控制压电作动器产生正弦扫频振动,并作用于刀柄组件的轴承盒603上,进而对刀柄组件的刀柄601产生激励,此时刀柄601产生相应的振动响应;
3)压电作动器701产生正弦扫频振动时,其前端对轴承盒603产生的作用力与后端对压电力传感器702产生的作用力相等,此时利用数据采集器和计算机对压电力传感器702测量到的激励力信号进行记录;
利用位移传感器和加速度传感器测量刀柄由于压电作动器激励而产生的振动信号,并利用数据采集器和计算机对信号进行记录;
4)由于刀柄601的振动包含了刀柄601回转产生的振动和压电作动器701激励产生的振动,因此测量得到的力信号和加速度、位移响应信号都含有干扰成分,这会影响最终的计算结果。在计算机中采用vold-kalman滤波进行阶次跟踪提取,滤除刀柄601回转产生的振动信号,得到由压电作动器701激励产生的力信号和响应信号,对力信号和响应信号进行计算,得到主轴在回转状态下的频响函数。
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明:
1)按顺序搭建主轴回转状态下动态特性测试装置,包括加载***、测试***和信号分析***,具体的安装顺序为:首先安装连接支架,然后安装刀柄组件和端盖,接下来安装压电作动器组件和加速度、位移传感器,最后将信号分析***进行连接,并调试整个***。
2)按照图1所示,主轴在某一固定转速下,利用信号发生器产生正弦扫频信号,使压电作动器对主轴产生相应的激励,并利用压电力传感器采集力信号、加速度传感器和位移传感器采集相应的响应信号,并传输到数据采集器;
开始时主轴保持静止,按照以上方法测试主轴的频响函数,之后主轴转速每增加2000r·min-1测试一次,最高测试转速为20000r·min-1。采用偏置1.5V、幅值3V的正弦信号进行扫频激励,扫频范围为1μHz至1500Hz,扫频时间120s,扫频方式为线性扫频;
3)在计算机中进行扫频激励信号和响应信号的滤波提取,并利用常规的频响函数计算方法求解主轴在特定转速下的频响函数。
由于主轴在回转时会对测试***产生很大的干扰,使采集的力信号和响应信号具有很大的噪声,影响最终求解精度。本发明采用vold-kalman滤波方法进行激励和响应信号的提取,可以将正弦扫频激励所产生的激励力信号与响应信号提取出来,滤除不需要的干扰信号。由于vold-kalman滤波是根据给定的时频关系进行阶次跟踪滤波的,因此需要分析扫频信号的时频关系。由于信号发生器产生的控制电压信号中噪声较少,因此本发明通过分析电压信号得到扫频信号的时频关系,从而对信号进行跟踪滤波。具体方法是:首先对输入的电压信号进行短时傅里叶变换(STFT)得到扫频信号的时频关系,如图5所示;然后将频率-时间函数输入vold-kalman滤波算法,在每个时间点处提取对应频率的响应信号,该时间点处其他频率成分的干扰信号则被过滤掉,因此最终只得到由正弦扫频激励所产生的力信号和响应信号,而过滤掉了冲击与谐波等干扰成分。如图6是主轴在4000r·min-1时激振力的原始信号和滤波之后的信号,图7是加速度响应的原始信号和滤波之后的信号,可以看到滤波之后的信号干扰较少。图8是分别根据主轴在4000r·min-1时的原始信号和滤波之后的信号计算得到的频响函数与相干函数,可以看到滤波之后的频响函数噪声很少,且相干函数较为理想,证明vold-kalman滤波算法可以很好地提取正弦扫频信号。
根据滤波得到的激励和响应信号,计算得到主轴在不同转速下的频响函数,如图9所示。表1是主轴不同转速下的频响函数第三阶固有频率值,其整体规律如图10所示,可以看到随着转速增加其第三阶固有频率呈现逐渐减小的趋势,尤其是在12000r·min-1之后,固有频率呈现快速下降的趋势,在18000r·min-1之后趋势有所减缓。并且可以看到,20000r·min-1时的固有频率比0r·min-1时的固有频率小55.2Hz,也证明了主轴回转状态下的动态特性与静止时有很大差别。
表1主轴不同转速下测试的固有频率
根据以上实例可以看到,本发明提出的方法能够很好地测试主轴回转状态下的动态特性,具有高效快速、精确度高的特点,并可以根据实际需求随时进行测试,具有很好的应用前景。
Claims (3)
1.一种主轴回转状态下的动态特性测试装置,其特征在于,包括主轴(1)、机架(2)、固定套(3)、连接支架(4)、端盖(5)、刀柄组件(6)、作动器组件(7)、加速度传感器(8)和位移传感器(9);其中,
主轴(1)安装在机架(2)上,主轴固定套(3)的一端安装在机架(2)上,另一端与连接支架(4)的一端连接,端盖(5)安装在连接支架(4)的另一端;刀柄组件(6)包括刀柄(601)以及由内至外依次套装在刀柄(601)上的轴承(602)和轴承盒(603),刀柄组件(6)套装在连接支架(4)和主轴固定套(3)内,刀柄(601)的一端与主轴(1)的转子连接,另一端的刀尖伸出至端盖(5)外;
作动器组件(7)包括压电作动器(701),连接支架(4)的侧面垂直于主轴(1)轴向方向依次开设有三个安装孔,作动器组件(7)的压电作动器(701)以及加速度传感器(8)和位移传感器(9)分别安装在三个安装孔;作动器组件(7)还包括压电力传感器(702)、预紧螺钉(704)以及呈U型状的作动器支架(703),其中,压电作动器(701)和压电力传感器(702)依次设置在作动器支架(703)的中心处,预紧螺钉(704)与作动器支架(703)螺纹连接,其一端穿过作动器支架(703)并与压电力传感器(702)的一端接触,压电力传感器(702)的另一端与压电作动器(701)的尾端采用螺钉连接,压电作动器(701)首端伸入至连接支架(4)侧面的安装孔内,并与轴承盒(603)接触;
工作时,压电作动器(701)产生正弦扫频振动时,其前端对轴承盒(603)产生的作用力与后端对压电力传感器(702)产生的作用力相等,此时利用数据采集器和计算机对压电力传感器(702)测量到的激励力信号进行记录;利用位移传感器和加速度传感器测量刀柄由于压电作动器激励而产生的振动信号,并利用数据采集器和计算机对信号进行记录;在计算机中采用vold-kalman滤波进行阶次跟踪提取,滤除刀柄(601)回转产生的振动信号,得到由压电作动器(701)激励产生的力信号和响应信号,对力信号和响应信号进行计算,得到主轴在回转状态下的频响函数。
2.根据权利要求1所述的一种主轴回转状态下的动态特性测试装置,其特征在于,连接支架(4)的侧面上周向均匀开设有若干组安装孔,每组安装孔均包括三个安装孔。
3.一种主轴回转状态下的动态特性测试方法,其特征在于,该方法基于权利要求1所述的一种主轴回转状态下的动态特性测试装置,包括以下步骤:
1)首先按上述步骤连接好主轴回转状态下的动态特性测试装置,并启动主轴(1),使主轴(1)的转子产生固定的转速,并带动刀柄组件(6)中的刀柄(601)和轴承(602)的内环以相同转速转动,刀柄组件(6)中的轴承(602)的外环和轴承盒(603)保持静止;
2)由信号发生器产生正弦扫频的信号,信号输出给功率放大器,并控制压电作动器产生正弦扫频振动,并作用于刀柄组件的轴承盒(603)上,进而对刀柄组件的刀柄(601)产生激励,此时刀柄(601)产生相应的振动响应;
3)压电作动器(701)产生正弦扫频振动时,其前端对轴承盒(603)产生的作用力与后端对压电力传感器(702)产生的作用力相等,此时利用数据采集器和计算机对压电力传感器(702)测量到的激励力信号进行记录;
利用位移传感器和加速度传感器测量刀柄由于压电作动器激励而产生的振动信号,并利用数据采集器和计算机对信号进行记录;
4)在计算机中采用vold-kalman滤波进行阶次跟踪提取,滤除刀柄(601)回转产生的振动信号,得到由压电作动器(701)激励产生的力信号和响应信号,对力信号和响应信号进行计算,得到主轴在回转状态下的频响函数。
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