[发明专利]一种磁粉加载式机床旋转主轴的扭转动刚度检测系统

说明书

技术领域

本发明属于机床动态性能检测技术领域，具体涉及一种磁粉加载式机床旋转主轴的扭转动刚度检测系统。

背景技术

刚度是衡量被测对象抵抗变形能力的参数，刚度值越大代表被测对象在外力作用下抵抗变形的能力越强。依据所加载荷的性质，刚度可分为静刚度和动刚度两种；静刚度是给被测对象施加一个静态载荷所得的刚度值；动刚度是被测对象在动态激扰下抵抗变形的能力。按照载荷的形式，刚度亦可分为扭转刚度、弯曲刚度、拉伸刚度等。扭转刚度是机床主轴的一个重要的性能参数，代表了被测对象在扭矩作用下抵抗变形的能力，若主轴的扭转刚度过小，受力产生过大的变形，最终影响工件的加工精度。传统扭转刚度测量方法是在主轴静止的情况下通过给主轴施加一定的静态载荷，通过相应的传感器测量其扭转变形，最后得到其静刚度值的大小；动刚度则是通过给静止的主轴施加动态载荷，测量主轴的动态响应计算得到。上述所得刚度值都是基于主轴在静态条件下测量得到的，测量结果与实际加工过程中的性能有较大的差异。机床运转状态下的动刚度更能反映机床实际加工时的性能。

机床主轴在运转的条件下动刚度测量的主要难点是如何给运动的主轴施加一个恒定载荷，并且能够在保证安全性的前提下避免接触式加载造成的对运转主轴的损害；此外，运转的主轴在扭转力作用下扭转变形量的测量方法也是一个难点。

发明内容

鉴于现有技术存在的上述不足，本发明提供一种磁粉加载式机床旋转主轴的扭转动刚度检测系统，该系统通过磁粉加载方式给旋转的主轴施加一定的扭矩，进而处理力传感器测出的扭矩信号和扭转角位移传感器测出的扭转角信号，获得机床主轴在运转情况下的扭转刚度。

本发明涉及的主要原理为光栅测量原理与磁粉加载原理。光栅测量原理：将栅距均匀的两块光栅以微小的角度重叠，一束经过聚光的光线通过光栅后会产生明暗相间的条纹，称之为莫尔条纹，两块光栅产生相对运动时，莫尔条纹也会产生相应的移动，通过测量莫尔条纹的变化来获得光栅盘的相对（角）位移量是光栅测（角）位移的基本思路；实施例采用两块切向光栅，两块光栅的栅线切向相反以保证一定的夹角，且圆心均在测试棒的轴线上，此时的莫尔条纹呈同心圆弧状。磁粉加载原理：分布在空间内的磁粉被磁化后在磁场的作用下会沿着一定的方向分布，磁粉之间相互吸引，通过电磁力相互连接形成磁粉链，与磁粉接触的运动部件因此会受到磁粉的摩擦力作用；若存在一个主动件和一个从动件，且相互非接触，则主动件的运动和动力可通过磁粉的摩擦力传递给从动件，实现了柔性加载。

本发明提供的磁粉加载式机床旋转主轴的扭转动刚度检测系统，包括：

设置在机床上的主轴；

设于所述机床的工作台上的加载装置，该加载装置包含定子、具有容置腔的内衬件、隔磁环、磁粉及安装于所述定子的线圈，所述内衬件设置于所述定子的内腔中，所述磁粉分布在所述内衬件的容置腔内；

测试棒，该测试棒的一端与所述主轴相连，另一端插入所述加载装置中的所述容置腔，所述加载装置的线圈通直流电流后产生磁场，该磁场将位于所述容置腔内的磁粉磁化形成磁粉链，所述磁粉链与由所述主轴驱动旋转的测试棒表面产生摩擦力，实现对所述测试棒的扭矩的加载；

力传感器，所述力传感器设在所述加载装置上以检测所述测试棒受到的加载作用扭矩大小；以及

光栅式扭转角位移传感器，它包含设在所述机床上的主体部分和圆盘光栅，该圆盘光栅安装于所述测试棒上，以间接测量方式检测所述测试棒的扭转角。

本检测系统进一步包括一个信号处理装置，用于处理所述力传感器输出的扭矩信号和所述光栅式扭转角位移传感器输出的扭转角信号，进而计算所述主轴运转情况下的扭转动刚度。

其中，所述加载装置的定子还包括底座。所述加载装置中的隔磁环镶嵌在所述内衬件中，隔磁环的作用是阻隔线圈在内衬件中的磁路，使更多的磁感应线经过所述内衬件的容置腔，增加该容置腔中的磁感应强度。所述磁粉的粒径为10~40μm。

所述力传感器为应变片，所述应变片设在所述加载装置的定子与内衬件的连接处。

所述力传感器最好包括四个应变片，该四个应变片均分为两组，安装在所述加载装置的定子与内衬件的平键连接处，每一个平键连接处安装一个应变片。

所述光栅式扭转角位移传感器的主体部分可以包括：拼接的左安装板和右安装板，依次设置于该左安装板的安装腔内发光二极管、透镜和指示光栅，以及安装在该右侧安装板对应部位的光电三极管。该指示光栅和圆盘光栅均采用切向光栅，该指示光栅和圆盘光栅的刻线相同，切线方向相反。