[發明專利]一種電主軸轉動狀態下的剛度建模和間接檢測方法

有效

• 申請號: 201810355005.4
• 申請日: 2018-04-19
• 公開（公告）號: CN108303251B
• 公開（公告）日: 2020-03-06
• 發明（設計）人: 王立平;吳軍;張彬彬;趙欽志
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01M13/02
• 分類號: G01M13/02;G01M5/00
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

本發明公開了一種電主軸轉動狀態下的剛度建模和間接檢測方法，主要針對難以直接檢測在轉動狀態下的電主軸剛度問題，給出了一種電主軸剛度的間接檢測方法。該方法采用小撓度微分方程和虎克定律分別建立轉軸、軸承、定制刀柄和主軸刀柄結合面的變形方程；運用疊加原理，得到轉軸、軸承、主軸刀柄結合面、定制刀柄等組成的電主軸系統的剛度模型。基于加載裝置、主軸回轉誤差分析儀組成的檢測系統，對電主軸靜止狀態下的轉軸、主軸刀柄結合面和定制刀柄的剛度值進行辨識，再對電主軸轉動狀態下的軸承剛度值進行辨識，最后基于電主軸剛度模型，計算電主軸的真實剛度。該方法可準確檢測電主軸剛度，可用于電主軸性能測試試驗。

技術領域

本發明涉及電主軸性能檢測領域，具體涉及電主軸在轉動狀態下的剛度建模和間接檢測方法。

背景技術

電主軸技術的快速發展使高速數控加工技術得到廣泛應用。電主軸通過將數控機床主軸和主軸電機融為一體，使數控機床的主軸部件從機床的傳動系統和整體結構中獨立出來，具有結構緊湊、重量輕、慣性小、轉速高、精度高、噪聲低、響應快等優點。目前，電主軸不僅需要精確地高速運行，而且還要具有高剛度。電主軸的運動精度和剛度直接影響數控機床的加工精度和工件的表面質量。電主軸在轉動狀態下的剛度過低通常會導致顫振，刀片過度傾斜和不需要的回切。因此，為了保證最佳的加工工藝和可靠的操作，需要對電主軸的剛度進行檢測，并評估其在轉動狀態下的性能。

電主軸的剛度可以分為靜態剛度和旋轉條件下的剛度。由于電主軸在高速轉動時，無法在電主軸的前端同時施加力和檢測施加力方向的變形量，因此對于電主軸的剛度檢測一般在靜止狀態下進行檢測。但由于數控機床在加工時，電主軸處于旋轉狀態，因此檢測電主軸處于旋轉狀態下的剛度，更能準確評估電主軸剛度。此外，由于電主軸在旋轉時會產生離心力和回轉力矩，導致電主軸內部元件之間的位置和間隙發生改變，從而使電主軸剛度發生變化。因此需要對電主軸在旋轉狀態下的剛度進行檢測。

本發明提出一種電主軸轉動狀態下的剛度建模和間接檢測方法，針對電主軸在旋轉狀態下剛度無法直接檢測的問題，首先通過變形方程和疊加原理，建立電主軸系統的剛度模型，并分別在電主軸靜止狀態下和轉動狀態下，辨識電主軸系統剛度模型中的參數，最終經過模型轉換得到電主軸在不同轉速下的剛度值。本發明方法可應用在電主軸的性能測試，可對電主軸的剛度進行準確地檢測。

發明內容

本發明的目的是提供一種電主軸轉動狀態下的剛度建模和間接檢測方法，主要用來解決電主軸轉動剛度難以直接檢測的問題。

本發明的技術方案如下：

一種主軸轉動狀態下的剛度建模和間接檢測方法，所述的電主軸包括前軸承、后軸承和轉軸；電主軸、定制刀柄、主軸刀柄結合面和標準球目標共同組成電主軸系統，其特征在于，所述的剛度建模和檢測方法包括如下步驟：

1)將電主軸系統中的轉軸和定制刀柄簡化為兩根相接的簡支梁，并基于小撓度微分方程，建立轉軸和定制刀柄的變形方程：

其中，w₁(z)是所述的轉軸和定制刀柄所組成的簡支梁的變形量，F是施加在定制刀柄上的外力，z是轉軸和定制刀柄組成的簡支梁上的點距后軸承的長度，l₁是前軸承距后軸承的長度，l₂是電主軸最前端距前軸承的長度，l₃是定制刀柄的長度，k₁、k₂分別表示轉軸、定制刀柄的剛度，C₁,C₂,C₃,C₄,D₁,D₂,D₃和D₄是常量，由主軸系統的內部結構確定；

2)基于虎克定律，建立電主軸系統中的前軸承和后軸承的變形方程：