[發明專利]一種磁粉加載式機床旋轉主軸的扭轉動剛度檢測系統

有效

• 申請號: 201610163806.1
• 申請日: 2016-03-22
• 公開（公告）號: CN105823613B
• 公開（公告）日: 2018-01-16
• 發明（設計）人: 許超;馮平法;周凱;吳志軍;張建富;馬榮梅
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳研究生院
• 主分類號: G01M5/00
• 分類號: G01M5/00;G01M13/04
• 代理公司: 深圳市匯力通專利商標代理有限公司44257
• 代理人: 王鎖林,茅秀彬

技術領域

本發明屬于機床動態性能檢測技術領域，具體涉及一種磁粉加載式機床旋轉主軸的扭轉動剛度檢測系統。

背景技術

剛度是衡量被測對象抵抗變形能力的參數，剛度值越大代表被測對象在外力作用下抵抗變形的能力越強。依據所加載荷的性質，剛度可分為靜剛度和動剛度兩種；靜剛度是給被測對象施加一個靜態載荷所得的剛度值；動剛度是被測對象在動態激擾下抵抗變形的能力。按照載荷的形式，剛度亦可分為扭轉剛度、彎曲剛度、拉伸剛度等。扭轉剛度是機床主軸的一個重要的性能參數，代表了被測對象在扭矩作用下抵抗變形的能力，若主軸的扭轉剛度過小，受力產生過大的變形，最終影響工件的加工精度。傳統扭轉剛度測量方法是在主軸靜止的情況下通過給主軸施加一定的靜態載荷，通過相應的傳感器測量其扭轉變形，最后得到其靜剛度值的大小；動剛度則是通過給靜止的主軸施加動態載荷，測量主軸的動態響應計算得到。上述所得剛度值都是基于主軸在靜態條件下測量得到的，測量結果與實際加工過程中的性能有較大的差異。機床運轉狀態下的動剛度更能反映機床實際加工時的性能。

機床主軸在運轉的條件下動剛度測量的主要難點是如何給運動的主軸施加一個恒定載荷，并且能夠在保證安全性的前提下避免接觸式加載造成的對運轉主軸的損害；此外，運轉的主軸在扭轉力作用下扭轉變形量的測量方法也是一個難點。

發明內容

鑒于現有技術存在的上述不足，本發明提供一種磁粉加載式機床旋轉主軸的扭轉動剛度檢測系統，該系統通過磁粉加載方式給旋轉的主軸施加一定的扭矩，進而處理力傳感器測出的扭矩信號和扭轉角位移傳感器測出的扭轉角信號，獲得機床主軸在運轉情況下的扭轉剛度。

本發明涉及的主要原理為光柵測量原理與磁粉加載原理。光柵測量原理：將柵距均勻的兩塊光柵以微小的角度重疊，一束經過聚光的光線通過光柵后會產生明暗相間的條紋，稱之為莫爾條紋，兩塊光柵產生相對運動時，莫爾條紋也會產生相應的移動，通過測量莫爾條紋的變化來獲得光柵盤的相對（角）位移量是光柵測（角）位移的基本思路；實施例采用兩塊切向光柵，兩塊光柵的柵線切向相反以保證一定的夾角，且圓心均在測試棒的軸線上，此時的莫爾條紋呈同心圓弧狀。磁粉加載原理：分布在空間內的磁粉被磁化后在磁場的作用下會沿著一定的方向分布，磁粉之間相互吸引，通過電磁力相互連接形成磁粉鏈，與磁粉接觸的運動部件因此會受到磁粉的摩擦力作用；若存在一個主動件和一個從動件，且相互非接觸，則主動件的運動和動力可通過磁粉的摩擦力傳遞給從動件，實現了柔性加載。

本發明提供的磁粉加載式機床旋轉主軸的扭轉動剛度檢測系統，包括：

設置在機床上的主軸；

設于所述機床的工作臺上的加載裝置，該加載裝置包含定子、具有容置腔的內襯件、隔磁環、磁粉及安裝于所述定子的線圈，所述內襯件設置于所述定子的內腔中，所述磁粉分布在所述內襯件的容置腔內；

測試棒，該測試棒的一端與所述主軸相連，另一端插入所述加載裝置中的所述容置腔，所述加載裝置的線圈通直流電流后產生磁場，該磁場將位于所述容置腔內的磁粉磁化形成磁粉鏈，所述磁粉鏈與由所述主軸驅動旋轉的測試棒表面產生摩擦力，實現對所述測試棒的扭矩的加載；

力傳感器，所述力傳感器設在所述加載裝置上以檢測所述測試棒受到的加載作用扭矩大小；以及

光柵式扭轉角位移傳感器，它包含設在所述機床上的主體部分和圓盤光柵，該圓盤光柵安裝于所述測試棒上，以間接測量方式檢測所述測試棒的扭轉角。

本檢測系統進一步包括一個信號處理裝置，用于處理所述力傳感器輸出的扭矩信號和所述光柵式扭轉角位移傳感器輸出的扭轉角信號，進而計算所述主軸運轉情況下的扭轉動剛度。

其中，所述加載裝置的定子還包括底座。所述加載裝置中的隔磁環鑲嵌在所述內襯件中，隔磁環的作用是阻隔線圈在內襯件中的磁路，使更多的磁感應線經過所述內襯件的容置腔，增加該容置腔中的磁感應強度。所述磁粉的粒徑為10~40μm。

所述力傳感器為應變片，所述應變片設在所述加載裝置的定子與內襯件的連接處。

所述力傳感器最好包括四個應變片，該四個應變片均分為兩組，安裝在所述加載裝置的定子與內襯件的平鍵連接處，每一個平鍵連接處安裝一個應變片。

所述光柵式扭轉角位移傳感器的主體部分可以包括：拼接的左安裝板和右安裝板，依次設置于該左安裝板的安裝腔內發光二極管、透鏡和指示光柵，以及安裝在該右側安裝板對應部位的光電三極管。該指示光柵和圓盤光柵均采用切向光柵，該指示光柵和圓盤光柵的刻線相同，切線方向相反。