[发明专利]一种测试高速机床主轴动态特性的装置及方法

权利要求书

1.一种测试高速机床主轴动态特性的装置，其特征在于，包括：测试系统以及采集系统：

测试系统包括：安装于机床主轴(1)上的虚拟刀具(3)，以及安装于机床工作台(8)上的三向测力仪(11)和磁力表座(7)；其中，三向测力仪(11)上安装有电磁加载装置，且虚拟刀具(3)插入电磁加载装置中，电磁加载装置的底部开设有与电磁力的方向相同的通槽；磁力表座(7)设置于三向测力仪(11)的两侧，磁力表座(7)上安装有激光位移传感器(6)，激光位移传感器(6)的光斑能够穿过通槽；

采集系统包括：功率放大器(17)、电荷放大器(12)、力信号数据采集系统(13)、以及位移信号数据采集系统(15)；直流电流信号、交流电流信号通过功率放大器(17)放大后通入电磁加载装置，三向测力仪(11)测得的虚拟刀具(3)的力信号，并将力信号通过电荷放大器(12)后，利用力信号数据采集系统(13)进行信号采集，激光位移传感器(6)利用位移信号数据采集系统(15)进行信号采集，分别得到虚拟刀具(3)受到的力信号和虚拟刀具(3)端部的位移信号。

2.根据权利要求1所述的一种测试高速机床主轴动态特性的装置，其特征在于，所述电磁加载装置包括：若干铁芯(9)，铁芯(9)上缠绕有线圈(10)，铁芯(9)外壁设置有冷却水套(5)，冷却水套(5)上安装有外壳(4)，虚拟刀具(3)插于铁芯(9)中，且铁芯(9)的轴线与虚拟刀具(3)的轴线重合。

3.根据权利要求2所述的一种测试高速机床主轴动态特性的装置，其特征在于，所述电磁加载装置中设置有八个铁芯(9)，相邻线圈为一组线圈组，四组线圈组对称分布。

4.根据权利要求2或3所述的一种测试高速机床主轴动态特性的装置，其特征在于，所述铁芯(9)由硅钢片叠加形成。

5.根据权利要求2所述的一种测试高速机床主轴动态特性的装置，其特征在于，所述铁芯(9)与虚拟刀具(3)之间设置有间隙，且间隙距离为1mm。

6.根据权利要求2所述的一种测试高速机床主轴动态特性的装置，其特征在于，所述冷却水套(5)上开设有螺旋切槽。

7.根据权利要求1所述的一种测试高速机床主轴动态特性的装置，其特征在于，所述虚拟刀具(3)为导磁性材料制成，虚拟刀具(3)的表面开有均匀分布的环形切槽。

8.根据权利要求1所述的一种测试高速机床主轴动态特性的装置，其特征在于，所述激光位移传感器(6)分辨率为0.1微米，分别对称布置在虚拟刀具(3)径向受载方向的两侧，同时测量正向和反向的位移信号。

9.根据权利要求1所述的一种测试高速机床主轴动态特性的装置，其特征在于，所述虚拟刀具(3)通过主轴刀柄(2)安装于机床主轴(1)上。

10.一种基于权利要求3所述的高速机床主轴动态特性的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)静刚度的测量：将虚拟刀具(3)连接到机床主轴(1)上，给定机床主轴1任一转速，然后给其中一组线圈组供直流电I_D，其余线圈组断电，调整直流电流I_D的大小，测量记录不同电流下的力信号F，同时测量在加载方向上的两个激光位移传感器的位移信号X₁与X₂，将两个位移信号相减，得到机床主轴(1)在受载情况下的实际位移对力信号F及位移信号X进行计算处理，得到机床主轴(1)的静刚度；

2)频响函数的测量：将虚拟刀具连接到机床主轴上，给对称分布的两组线圈组分别通入直流电与交流电的叠加，其中一组线圈组通入直流电I_D和交流电I_A的叠加，另一组线圈组通入相同大小的直流电I_D和相同大小的反相交流电I_A1的叠加，其中，I_A1＝-I_A，其余线圈不通电，改变交流电I_A的频率，同时测量记录不同频率下的力信号F，以及在加载方向上的两个激光位移传感器的位移信号X₁与X₂，将两个位移信号相减，得到机床主轴(1)在受载情况下的实际位移对力信号F及位移信号X进行处理，得到主轴的频响函数曲线、动刚度曲线。