專利名稱：高速主軸非接觸式磁力耦合動態測試裝置及其測試方法
技術領域：
本發明涉及一種高速軸加載動態測試裝置，是一種高速主軸非接觸式磁力 耦合動態測試裝置及其測試方法。
背景技術：
隨著科學技術的高速發展，對高速傳動及加工技術也提出了更高的要求， 對高速主軸的性能要求也日益提高，特別是在高速加工技術領域，高速主軸的 動態性能已成為高速加工的核心技術。而當前國內對高速主軸性能的研究主要 集中在高速主軸的結構與高速主軸軸承的改進、高速電機與傳動機構對主軸箱 體的振動和提高軸承剛度的研究上。對高速加工精度最直接、最重要的影響因 素即高速旋轉主軸在機、電、磁強耦合行為下的動態性能，由于缺乏相關的 動態測試設備和儀器， 一直很少有人涉及且進展不大。相對于普通的機床主軸， 因其主軸轉速比較低，采用傳統的接觸式加載測量足以滿足主軸的動態性能測 試要求，但對高速主軸這種復雜的機、電、磁強耦合系統，傳統的接觸式加載 測試己經無法適應。這是因為主軸在高速運轉狀態下，采用傳統的機械加載不 僅控制與測試難度大，而且為了防止主軸高速運轉產生的大量摩擦熱和機械磨 損，不得不額外引入復雜的冷卻與潤滑系統。即便如此，也很難做到無損加載， 從而使得測試精度降低，控制難度加大，所引入的潤滑系統給環境和測試儀器 都帶來了嚴重的污染。
因此，需要發明一種新型的高速主軸加載動態測試裝置，可連續穩定加載 和實時測量，在能夠保證測試精度的同時，又能避免摩擦生熱與機械磨損，以 及因冷卻和潤滑導致的環境污染。
發明內容
有鑒于此，本發明的目的是提供一種高速主軸非接觸式磁力耦合動態測試 裝置及其測試方法，采用磁力實現強度大的非接觸式加載，可連續穩定加載和 實時測量，測量精度高，能夠避免摩擦生熱與機械磨損，以及因冷卻和潤滑導 致的環境污染。
本發明的高速主軸非接觸式磁力耦合動態測試裝置，包括基座、高速主軸、
加載系統和控制系統；
加載系統包括與高速主軸同軸固定連接的絕緣測試棒，所述絕緣測試棒外 圓周固定設置導磁圓環，端部固定設置導磁塊，在絕緣測試棒的徑向外側與導
磁塊對應設置電磁鐵i，在絕緣測試棒端面外側與導磁塊對應設置電磁鐵n, 電磁鐵i設置力傳感器i，電磁鐵n設置力傳感器n,用于采集電磁鐵i和電 磁鐵n的受力狀態信號；與導磁圓環和導磁塊對應設置位移傳感器n和位移傳
感器I ，分別用于采集導磁圓環的軸向位移和導磁塊的徑向位移信號；
控制系統包括工控機、A/D轉換器和D/A轉換器，所述A/D轉換器信號輸出 端與工控機信號輸入端相連，D/A轉換器信號輸入端與工控機控制信號輸出端相 連；D/A轉換器信號輸出端分別連接高速主軸的驅動系統以及電磁鐵I和電磁鐵 II的電源；A/D轉換器的信號輸入端分別連接力傳感器I 、力傳感器II、位移傳 感器I和位移傳感器II。
進一步，所述導磁塊分為固定設置在絕緣測試棒端面的導磁圓盤和固定套 在絕緣測試棒外圓周的導磁環I ，位移傳感器I設置在導磁環I的徑向外側， 位移傳感器II設置在導磁圓環軸向側面；
所述電磁鐵I與位移傳感器I設置于導磁環I徑向相對的兩側；電磁鐵II 與導磁圓盤對應設置；
進一步，絕緣測試棒外圓周與導磁環I和導磁圓環并列固定設置導磁環II，
所述導磁環n徑向外側設置位移傳感器m和位移傳感器iv，導磁環i徑向外側
還設置位移傳感器V，所述移傳感器III和位移傳感器IV之間以及位移傳感器I
和位移傳感器V之間在圓周方向上的距離為1/4圓弧；所述位移傳感器III、位移 傳感器IV和位移傳感器V分別與A/D轉換器的信號輸入端連接；
進一步，所述導磁圓盤為槽狀，扣合在絕緣測試棒端面；所述槽狀導磁圓 盤徑向外側設置位移傳感器VI與位移傳感器W，所述位移傳感器W和位移傳感 器W之間在圓周方向上的距離為1/4圓弧；所述位移傳感器W和位移傳感器VD分
別與A/D轉換器的信號輸入端連接；
進一步，還包括支架，所述電磁鐵I、電磁鐵II、力傳感器I、力傳感器
II、位移傳感器I、位移傳感器II、位移傳感器III、位移傳感器IV、位移傳感
器v、位移傳感器vi和位移傳感器vn設置在支架上；
進一步，還包括導軌，所述支架以可軸向移動的方式設置在導軌上，支架
上設置可相對支架軸向移動的橫臂梁；
進一步，所述位移傳感器I和位移傳感器VI的功能可通過設置一個位移傳
感器根據測試項目沿導軌移動支架和沿支架移動橫臂梁完成；位移傳感器n和 位移傳感器m的功能可通過設置一個位移傳感器根據測試項目移動導軌以及拆
裝位移傳感器完成；位移傳感器V和位移傳感器W的功能可通過設置一個位移
傳感器根據測試項目移動導軌完成。
進一步，所述支架包括分別獨立的支架i和支架n，所述電磁鐵i、電磁 鐵n、力傳感器i和力傳感器n設置在支架i上，位移傳感器i、位移傳感器 n 、位移傳感器m、位移傳感器iv、位移傳感器v、位移傳感器vi和位移傳感 器vn設置在支架n上；絕緣測試棒為陶瓷測試棒；
本發明還公開了利用高速主軸非接觸式磁力耦合動態測試裝置的測試方
法，包括以下步驟
a檢査高速主軸的附屬設備是否正常，如果附屬設備正常，則開啟主軸并 啟動勵磁電源；
b確定是否同時測量主軸的徑向和軸向剛度，如果是，則接通位移傳感器
i、位移傳感器n和力傳感器i、力傳感器n的電源；開啟數據接收功能，為
位移和力的數據接收和儲存做準備；接通電磁鐵I和電磁鐵II電源；逐步加大
電磁鐵i和電磁鐵n的電流，對比主軸電流與主軸額定電流，如果主軸電流小 于主軸的額定電流，則繼續加大電磁鐵i和電磁鐵n的電流；如果主軸電流大 于或等于主軸的額定電流，則斷開電磁鐵i和電磁鐵n電源，計算并繪制主軸
徑向和軸向剛度曲線；
如果只測量主軸的徑向剛度，則接通位移傳感器I和力傳感器I的電源； 開啟數據接收功能，為位移和力的數據接收和儲存做準備；接通電磁鐵I電源; 逐步加大電磁鐵I的電流，對比主軸電流與主軸額定電流，如果主軸電流小于 主軸的額定電流，則繼續加大電磁鐵I的電流；如果主軸電流大于或等于主軸 的額定電流，則斷開電磁鐵I電源，計算并繪制主軸徑向剛度曲線；
如果只測量主軸的軸向剛度，則接通位移傳感器II和力傳感器II的電源； 開啟數據接收功能，為位移和力的數據接收和儲存做準備；接通電磁鐵II電源;
逐步加大電磁鐵n的電流，對比主軸電流與主軸額定電流，如果主軸電流小于 主軸的額定電流，則繼續加大電磁鐵n的電流；如果主軸電流大于或等于主軸 的額定電流，貝嘶開電磁鐵n電源，計算并繪制主軸軸向剛度曲線；
c確定是否進行下一項目測試，如果否，則關閉主軸和輔助設備。 進一步，所述步驟C中，還進行角度擺動和徑向跳動/軸向竄動測試；
角度擺動測試具體包括以下步驟-
ci規定位移傳感器i和位移傳感器ni為x軸方向上的位移，位移傳感器iv 和位移傳感器v為Y軸方向上的位移，并接通位移傳感器i、位移傳感器m、 位移傳感器iv和位移傳感器v電源，分別計算主軸在x軸和y軸方向上的擺動
量，計算并繪出主軸在X軸和Y軸方向上的轉速一角度擺動曲線； 徑向跳動/軸向竄動測試具體包括以下步驟
c2規定位移傳感器II為Z軸方向上的位移，位移傳感器VI和位移傳感器V1I分別 為X軸和Y軸方向上的位移，并接通位移傳感器II、位移傳感器VI和位移傳感
器vn電源，分別計算主軸在x軸、Y軸和z軸方向上的位移量，繪制出主軸在XYZ軸方向上的轉速一徑向跳動/軸向竄動曲線。
本發明的有益效果是本發明的高速主軸非接觸式磁力耦合動態測試裝置 及其測試方法，采用磁力實現強度大的非接觸式加載，可連續穩定加載和實時 測量，實現主軸在高速運轉狀態下的非接觸式動態加載與實時測量方法，能夠 避免摩擦生熱以及因冷卻和潤滑導致的環境污染；控制系統采用數字控制和測 量子系統，加載部分采用電磁加載機構，從而可以在磁場下實現力磁耦合的非 接觸式連續加載，測量精度高，控制方便，并配以專門開發的分析軟件，可以 方便地完成數據采集、顯示、存儲、分析、運算、控制、觸發等各種功能；位 移傳感器和電磁鐵設置在可在導軌上移動的支架上，而且傳感器以可拆裝的方 式設置在支架上，根據測試項目不同，移動支架或拆裝傳感器，使傳感器的功 能得到充分利用，使用方便，并且使裝置結構緊湊，節約使用成本。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述。 圖l為本發明結構示意圖； 圖2為本發明角度擺動測試結構示意圖； 圖3為圖2沿A-A向剖視圖4為本發明軸向竄動與徑向跳動測試結構示意圖;
圖5為圖4沿B-B向剖視圖6為本發明電磁加載測試方法框圖7為本發明角度擺動測試方法框圖8為本發明徑向跳動和軸向竄動測試方法框圖。
具體實施例方式
以下實施例中，測試、分析軟件采用自主開發的虛擬測試、分析軟件。 圖l為本發明結構示意圖，如圖所示本實施例的高速主軸非接觸式磁力
耦合動態測試裝置，包括基座1和高速主軸2，本實施例中高速主軸2為電主軸;
還包括加載系統和控制系統；
加載系統包括與電主軸2同軸固定連接的絕緣測試棒3，本實施例中，絕緣 測試棒3為陶瓷測試棒，本實施例中絕緣測試棒3為陶瓷測試棒，陶瓷測試棒3 外圓周加工環狀突起，環狀突起上以卡合的方式固定設置含鐵等金屬材料的導 磁圓環4，陶瓷測試棒3端部固定設置含鐵等金屬材料的導磁塊，導磁塊分為固 定設置在陶瓷測試棒3端面的含鐵等金屬材料的導磁圓盤14和以過盈的方式固 定套在陶瓷測試棒3外圓周的含鐵等金屬材料的導磁環I 15，導磁圓盤14為槽 狀，導磁圓盤14的槽狀結構端部向內折彎，扣合在陶瓷測試棒3端面設置的環 形槽21內；在陶瓷測試棒3的徑向外側與導磁環I15對應設置電磁鐵I5，在 陶瓷測試棒3端面外側與導磁圓盤14對應設置電磁鐵II6;
還包括支架23和導軌24，支架23包括分別獨立的支架I 231和支架II232， 支架I 231和支架I1232以可軸向移動的方式設置在導軌24上，電磁鐵I 5和電 磁鐵116設置在支架I 231上，支架I 231上與電磁鐵I 5對應設置力傳感器I 7， 與電磁鐵II6對應設置力傳感器I18，用于采集電磁鐵I 5和電磁鐵I16的受力狀 態信號；支架II232上與導磁圓環4和導磁環I 15對應以可拆裝的方式設置位 移傳感器II 10和位移傳感器I 9，位移傳感器II 10設置在導磁圓環4的軸向側 面，位移傳感器I9設置在導磁環I15徑向外側，位移傳感器II10和位移傳感 器I 9分別用于采集陶瓷測試棒3的軸向位移和徑向位移信號；電磁鐵I5與位 移傳感器I 9設置于導磁環I 15徑向相對的兩側，電磁鐵116與導磁圓盤14對 應設置；所有位移傳感器與力傳感器均由電源28供電。
控制系統包括工控機11、 A/D轉換器12和D/A轉換器13，所述A/D轉換器 12信號輸出端與工控機11信號輸入端相連，D/A轉換器13信號輸入端與工控 機11控制信號輸出端相連；D/A轉換器13信號輸出端分別連接高速主軸2的驅
動系統以及電磁鐵I 5和電磁鐵116的電源28; A/D轉換器12的信號輸入端分 別連接力傳感器I7、力傳感器I18、位移傳感器I9和位移傳感器IU0。
圖2為本發明角度擺動測試結構示意圖，圖3為圖2沿A-A向剖視圖，如 圖所示圖中省略了電磁加載測試結構，陶瓷測試棒3外圓周通過過盈配合有 導磁環I 15和導磁環IU6，導磁環II16徑向外側設置位移傳感器III17和位移傳 感器IV18,導磁環I 15徑向外側還設置位移傳感器V19，所述位移傳感器I1117 和位移傳感器IV18之間以及位移傳感器I 9和位移傳感器V19之間在圓周方向 上的距離為l/4圓弧；位移傳感器ini7、位移傳感器IV18和位移傳感器V19分 別與A/D轉換器12的信號輸入端連接；位移傳感器IIln、位移傳感器IV18、位 移傳感器I 9和位移傳感器V19均由勵磁電源28供電，并且以可拆裝的方式設 置在支架II232上；支架II232的橫臂梁帶刻度，可以準確確定位移傳感器ni17/ 位移傳感器IV18與位移傳感器I 9/位移傳感器V19之間的距離;導軌24帶刻度， 與支架II232結合，可以方便的確定各位移傳感器到主軸2端面的距離。
角度擺動測試結構中，位移傳感器I 9為本結構和電磁加載測試結構共用， 位移傳感器I1117可通過位移傳感器II10的拆裝和沿導軌24移動支架II232代替 完成其功能。
圖4為本發明軸向竄動與徑向跳動測試結構示意圖，圖5為圖4沿B-B向 剖視圖，如圖所示圖中省略了電磁加載測試結構和角度擺動測試結構，槽狀 導磁圓盤14徑向外側設置位移傳感器VI20和位移傳感器VH22，兩者處于與主軸 垂直的同一平面內，且在圓周方向的位移為1/4圓弧，位移傳感器II10設置在 導磁圓環4的軸向側面；位移傳感器VI20和位移傳感器VH22分別與A/D轉換器 12的信號輸入端連接；位移傳感器VI20和位移傳感器W22以可拆裝的方式設置 在支架II232上，且都由勵磁電源28供電；
軸向竄動與徑向跳動測試結構中，位移傳感器II 10為本結構與電磁加載測 試結構共用，位移傳感器VI20可通過沿導軌24移動支架II232由位移傳感器I 9代替完成其功能，位移傳感器VI122的功能可通過沿導軌24移動支架I1232由
位移傳感器V19完成；
圖6為本發明電磁加載測試方法框圖，圖7為本發明角度擺動測試方法框
圖，圖8為本發明徑向跳動和軸向竄動測試方法框圖，如圖所示高速主軸非 接觸式磁力耦合動態測試裝置的測試方法，包括以下步驟
a檢査高速主軸的附屬設備是否正常，如果附屬設備正常，則開啟主軸并 啟動勵磁電源；
b確定是否同時測量主軸的徑向和軸向剛度，如果是，則接通位移傳感器 19、位移傳感器II10和力傳感器I7、力傳感器II8的電源；開啟數據接收功 能，為位移和力的數據接收和儲存做準備；接通電磁鐵I 5和電磁鐵I16的電源； 逐步加大電磁鐵I5和電磁鐵II6的電流，對比主軸電流與主軸額定電流，如果 主軸電流小于主軸的額定電流，則繼續加大電磁鐵I5和電磁鐵II6的電流；如 果主軸電流大于或等于主軸的額定電流，則斷開電磁鐵I 5和電磁鐵I16電源， 計算并繪制主軸徑向和軸向剛度曲線；
如果只測量主軸的徑向剛度，則接通位移傳感器I 9和力傳感器I 7的電源； 開啟數據接收功能，為位移和力的數據接收和儲存做準備；接通電磁鐵I 5電源； 逐步加大電磁鐵I5的電流，對比主軸電流與主軸額定電流，如果主軸電流小于 主軸的額定電流，則繼續加大電磁鐵I5的電流；如果主軸電流大于或等于主軸 的額定電流，則斷開電磁鐵I5電源，計算并繪制主軸徑向剛度曲線；
如果只測量主軸的軸向剛度，則接通位移傳感器II10和力傳感器I18的電 源；開啟數據接收功能，為位移和力的數據接收和儲存做準備；接通電磁鐵I16 電源；逐步加大電磁鐵II6的電流，對比主軸電流與主軸額定電流，如果主軸電 流小于主軸的額定電流，則繼續加大電磁鐵II6的電流；如果主軸電流大于或等 于主軸的額定電流，則斷開電磁鐵II6電源，計算并繪制主軸軸向剛度曲線；
c確定是否進行下一項目測試，本實施例中，需要進行角度擺動和徑向跳 動/軸向竄動測試，因此暫不關閉主軸和輔助設備。
工控機通過D/A轉換器向電主軸的潤滑系統25和冷卻系統26發出開啟指
令，啟動變頻電源27驅動電主軸2，使其在指定頻率下高速運轉，主軸運轉穩 定后，工控機中的測試軟件根據電主軸2的功率、轉速計算出電主軸2在額定 負載狀態下所受到的徑向力K和軸向力&，然后將徑向力和軸向力換算成電磁
鐵I 5和電磁鐵I16中所允許通過的額定電流15N或I6N，并將相應命令送入數據
總線，D/A轉換器從數據總線讀取指令并通過勵磁電源28分別向電磁鐵I 5和 電磁鐵II6供電；此時，導磁環I15會受到電磁鐵I5對它的磁場力的作用，使 絕緣測試棒3產生徑向變形《；同時，導磁圓盤14也會受到電磁鐵II6對它的 磁場力的作用，使絕緣測試棒3產生軸向變形《；導磁環I15和導磁圓盤14所 受到的力的大小將分別通過力傳感器I 7和力傳感器I18測得，并經A/D轉換器 送入工控機的數據總線，測試軟件根據反饋回的徑向力F/和軸向力《，分別與
徑向力《和軸向力&進行比較，根據差值分別對電磁鐵I 5和電磁鐵I16的勵磁 電流的大小進行相應調整，從而組成主軸徑向力和軸向力非接觸式加載的閉環 控制系統；其控制過程如下如果主軸電流l3《Iw (Iw為高速主軸的額定電流)， 且電磁鐵的電流15<1^或I6<I6N，則工控機令勵磁電源28根據差值分別對電磁鐵 15和電磁鐵II6的勵磁電流的大小進行相應調整；如果13>&，則立即令電磁鐵 15和電磁鐵II6斷電，使主軸脫離負載，此時所測的數據即為主軸所能承受的 實際剛度，此時說明該主軸的剛度低于其額定值。另外，徑向變形《與軸向變 形《分別由非接觸式位移傳感器I 9和位移傳感器II 10經A/D轉換器傳回工控
機的數據總線上，工控機中的測試、分析軟件從數據總線上的相應端口獲得《、 《，并根據同步獲得的徑向力《和軸向力《分別繪制出徑向力《與徑向變形《、
軸向力Fg與軸向變形&的動態剛度曲線，并將結果顯示在圖形界面上。
圖7為本發明角度擺動測試方法框圖，如圖所示進行角度擺動測試，具 體包括以下步驟
cl規定位移傳感器I 9和位移傳感器I1117為X軸方向上的位移，位移傳感 器IV18和位移傳感器V19為Y軸方向上的位移，并接通位移傳感器I9、位移傳感器I1117、位移傳感器IV18和位移傳感器V19電源，分別計算主軸在X軸和 Y軸方向上的擺動量，計算并繪出主軸在X軸和Y軸方向上的轉速一角度擺動 曲線；
非接觸式位移傳感器ni17、位移傳感器IV18、位移傳感器I 9和位移傳感器 V19分別安裝在支架232上，支架232可以在導軌24上自由滑動和定位，位移 傳感器ni17可通過電磁加載測試結構中的位移傳感器II10在支架232的不同部 位拆裝后構成；因此以上位移傳感器可以由支架自由定位，位移傳感器III17和 位移傳感器IV18處于與主軸垂直的同一平面內，且在圓周方向的位移為1/4圓 弧，位移傳感器I9和位移傳感器V19也處于與主軸垂直的同一平面內，且在 圓周方向的位移同樣為1/4圓弧；在電主軸空載、穩定運行條件下，位移傳感器 11117、位移傳感器IV18、位移傳感器I9和位移傳感器V19將所測得的信號經 A/D轉換器傳入工控機的數據總線，測試軟件從數據總線上獲取實測位移數據 后，自動將位移傳感器III17與位移傳感器I9的數據歸入主軸Y方向位移，將 位移傳感器IV18與位移傳感器V19的數據歸入主軸X方向的位移，然后軟件的 分析模塊通過計算得到主軸軸線分別在X、 Y兩垂直方向的角度擺動量，并由 軟件的繪圖模塊根據速度與該速度下的角度擺動量繪制出主軸在不同轉速下的 "轉速——角度擺動量"曲線，并將結果顯示在圖形界面上。
圖8為本發明徑向跳動和軸向竄動測試方法框圖，徑向跳動/軸向竄動測試 具體包括以下步驟
c2規定位移傳感器II10為Z軸方向上的位移，位移傳感器VI20為X方向 上的位移，位移傳感器VH22分別為Y軸方向上的位移，并接通位移傳感器IIIO、 位移傳感器VI20和位移傳感器VE22電源，分別計算主軸在X軸、Y軸和Z軸方 向上的位移量，繪制出主軸在XYZ軸方向上的轉速一徑向跳動/軸向竄動量曲 線。
非接觸式位移傳感器VI20、位移傳感器II10和位移傳感器W22均安裝在支 架232上，支架232可以在導軌24上自由滑動和定位，因此，移動支架232，
使位移傳感器I 9到達位移傳感器VI20的位置，用位移傳感器I 9代替位移傳感 器VI20，可以使裝置結構簡單，便于操作，節約成本；位移傳感器VI20、位移 傳感器VU22與導磁圓盤14的徑向距離以及位移傳感器II10與導磁圓環4的軸 向距離控制在0.5~1.0mm之間，其中位移傳感器VI20和位移傳感器VI122處于與 電主軸垂直的同一平面內，所測得的位移信號為主軸在Y、 X兩垂直方向上的 徑向跳動量；位移傳感器II10所測得的信號為電主軸的軸向竄動量；位移傳感 器將所測得的信號通過A/D轉換器傳入工控機的數據總線，測試軟件從數據總 線上獲取所測得的信號，并與轉速結合，繪制"轉速——徑向跳動"曲線與"轉 速——軸向竄動"曲線，并將結果顯示在圖形界面上。
最后，確定是否還需進行測試，如果不需進行其他項目的測試，則關閉主 軸以及附屬設備。
最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管 參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解， 可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的 宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中；如在主軸徑向剛度測 試中，若導磁環I 15對電磁鐵I 5所產生的磁場的感生電流足以影響位移傳感 器I9的測量精度時，則在不影響測量精度的前提下，須在導磁環I15的前后 另置不受電磁鐵I 5磁場影響的導磁環，使位移傳感器I 9處在導磁環的等效位 置；或停止對電磁鐵I16的供電，使位移傳感器I 9處在位移傳感器VI20的位置。
權利要求
1.一種高速主軸非接觸式磁力耦合動態測試裝置，包括基座(1)和高速主軸(2)，其特征在于包括加載系統和控制系統；加載系統包括與高速主軸(2)同軸固定連接的絕緣測試棒(3)，所述絕緣測試棒(3)外圓周固定設置導磁圓環(4)，端部固定設置導磁塊，在絕緣測試棒(3)的徑向外側與導磁塊對應設置電磁鐵I(5)，在絕緣測試棒(3)端面外側與導磁塊對應設置電磁鐵II(6)，電磁鐵I(5)設置力傳感器I(7)，電磁鐵II(6)設置力傳感器II(8)，用于采集電磁鐵I(5)和電磁鐵II(6)的受力狀態信號；與導磁圓環(4)和導磁塊對應設置位移傳感器II(10)和位移傳感器I(9)，分別用于采集絕緣測試棒(3)的軸向位移和徑向位移信號；控制系統包括工控機(11)、A/D轉換器(12)和D/A轉換器(13)，所述A/D轉換器(12)信號輸出端與工控機(11)信號輸入端相連，D/A轉換器(13)信號輸入端與工控機(11)控制信號輸出端相連；D/A轉換器(13)信號輸出端分別連接高速主軸(2)的驅動系統以及電磁鐵I(5)和電磁鐵II(6)的電源(28)；A/D轉換器(12)的信號輸入端分別連接力傳感器I(7)、力傳感器II(8)、位移傳感器I(9)和位移傳感器II(10)。
2. 根據權利要求1所述的高速主軸非接觸式磁力耦合動態測試裝置，其特 征在于所述導磁塊分為固定設置在絕緣測試棒(3)端面的導磁圓盤(14)和 固定套在絕緣測試棒(3)外圓周的導磁環I (15)，位移傳感器I (9)設置在 導磁環I (15)的徑向外側，位移傳感器II (10)設置在導磁圓環(4)軸向側 面；所述電磁鐵I (5)與位移傳感器I (9)設置于導磁環I (15)徑向相對 的兩側，電磁鐵II (6)與導磁圓盤(14)對應設置。
3. 根據權利要求2所述的高速主軸非接觸式磁力耦合動態測試裝置，其特 征在于絕緣測試棒(3)外圓周與導磁環I (15)和導磁圓環(4)并列固定 設置導磁環n (16)，所述導磁環n (16)徑向外側設置位移傳感器ni (n)和位移傳感器IV (18)，導磁環I (15)徑向外側還設置位移傳感器V (19)，所 述位移傳感器III (17)和位移傳感器IV (18)之間以及位移傳感器I (9)和位移傳感器v(i9)之間在圓周方向上的距離為i/4圓弧；所述位移傳感器ni(n)、位移傳感器IV (18)和位移傳感器V (19)分別與A/D轉換器(12)的信號輸 入端連接。
4. 根據權利要求3所述的高速主軸非接觸式磁力耦合動態測試裝置，其特 征在于所述導磁圓盤(14)為槽狀，扣合在絕緣測試棒(3)端面；所述槽狀 導磁圓盤(14)徑向外側設置位移傳感器VI (20)和位移傳感VE (22)，所述位 移傳感器VI (20)和位移傳感器VII (22)之間在圓周方向上的距離為1/4圓弧； 所述位移傳感器VI (20)和位移傳感器VH (22)分別與A/D轉換器(12)的信 號輸入端連接。
5. 根據權利要求4所述的高速主軸非接觸式磁力耦合動態測試裝置，其特 征在于還包括支架(23)，所述電磁鐵I (5)、電磁鐵II (6)、力傳感器I (7)、力傳感器n (s)、位移傳感器i (9)、位移傳感器n (io)、位移傳感器ni (n)、位移傳感器IV (18)、位移傳感器V (19)、位移傳感器VI (20)和位移傳感器 VII (22)設置在支架(23)上。
6. 根據權利要求5所述的高速主軸非接觸式磁力耦合動態測試裝置，其特 征在于還包括導軌(24)，所述支架(23)以可軸向移動的方式設置在導軌(24) 上，支架(23)上設置可相對支架(23)軸向移動的橫臂梁(29)。
7. 根據權利要求6所述的高速主軸非接觸式磁力耦合動態測試裝置，其特 征在于所述位移傳感器I (9)和位移傳感器VI (20)的功能可通過設置一個 位移傳感器根據測試項目沿導軌移動支架(23)和沿支架(23)移動橫臂梁(29) 完成；位移傳感器II (10)和位移傳感器III (17)的功能可通過設置一個位移 傳感器根據測試項目移動導軌以及拆裝位移傳感器完成；位移傳感器V (19) 和位移傳感器VII (22)的功能可通過設置一個位移傳感器根據測試項目移動導軌完成。
8. 根據權利要求7所述的高速主軸非接觸式磁力耦合動態測試裝置，其特 征在于所述支架(23)包括分別獨立的支架I (231)和支架II (232)，所述 電磁鐵I (5)、電磁鐵II (6)、力傳感器I (7)和力傳感器II (8)設置在支 架I (231)上，位移傳感器I (9)、位移傳感器II (10)、位移傳感器III (17)、 位移傳感器IV (18)、位移傳感器V (19)、位移傳感器VI (20)和位移傳感器 W (22)設置在支架II (232)上；所述絕緣測試棒(3)為陶瓷測試棒。
9. 一種利用權利要求1所述的高速主軸非接觸式磁力耦合動態測試裝置的測試方法，其特征在于包括以下步驟a檢査高速主軸的附屬設備是否正常，如果附屬設備正常，則開啟主軸并 啟動勵磁電源；b確定是否同時測量主軸的徑向和軸向剛度，如果是，則接通位移傳感器 I (9)、位移傳感器II (10)和力傳感器I (7)、力傳感器II (8)的電源；開 啟數據接收功能，為位移和力的數據接收和儲存做準備；接通電磁鐵I (5)和 電磁鐵II (6)電源；逐步加大電磁鐵I (5)和電磁鐵II (6)的電流，對比主 軸電流與主軸額定電流，如果主軸電流小于主軸的額定電流，則繼續加大電磁 鐵I (5)和電磁鐵II (6)的電流；如果主軸電流大于或等于主軸的額定電流， 則斷開電磁鐵I (5)和電磁鐵II (6)電源，計算并繪制主軸徑向和軸向剛度 曲線；如果只測量主軸的徑向剛度，則接通位移傳感器I (9)和力傳感器I (7) 的電源；開啟數據接收功能，為位移和力的數據接收和儲存做準備；接通電磁 鐵I (5)電源；逐步加大電磁鐵I (5)的電流，對比主軸電流與主軸額定電 流，如果主軸電流小于主軸的額定電流，則繼續加大電磁鐵I (5)的電流；如 果主軸電流大于或等于主軸的額定電流，則斷開電磁鐵I (5)電源，計算并繪 制主軸徑向剛度曲線；如果只測量主軸的軸向剛度，則接通位移傳感器II (IO)和力傳感器II (8)的電源；開啟數據接收功能，為位移和力的數據接收和儲存做準備；接通電磁 鐵II (6)電源；逐步加大電磁鐵II (6)的電流，對比主軸電流與主軸額定電 流，如果主軸電流小于主軸的額定電流，則繼續加大電磁鐵II (6)的電流；如 果主軸電流大于或等于主軸的額定電流，則斷開電磁鐵II (6)電源，計算并繪 制主軸軸向剛度曲線；c確定是否進行下一項目測試，如果否，則關閉主軸和輔助設備。
10.根據權利要求9所述的利用高速主軸非接觸式磁力耦合動態測試裝置的 測試方法，其特征在于所述步驟c中，還進行角度擺動和徑向跳動/軸向竄動 測試；角度擺動測試具體包括以下步驟cl規定位移傳感器I (9)和位移傳感器III (17)為X軸方向上的位移， 位移傳感器IV (18)和位移傳感器V (19)為Y軸方向上的位移，并接通位移 傳感器I (9)、位移傳感器III (17)、位移傳感器IV (18)和位移傳感器V (19) 電源，分別計算主軸在X軸和Y軸方向上的擺動量，計算并繪出主軸在X軸和 Y軸方向上的轉速一角度擺動曲線；徑向跳動/軸向竄動測試具體包括以下步驟c2規定位移傳感器n (10)為Z軸方向上的位移，位移傳感器VI (20)和 位移傳感器VE(22)分別為X軸和Y軸方向上的位移，并接通位移傳感器II (10)、 位移傳感器VI (20)和位移傳感器W (22)電源，分別計算主軸在X軸、Y軸 和Z軸方向上的位移量，繪制出主軸在XYZ軸方向上的轉速一徑向跳動/軸向 竄動曲線。
全文摘要
本發明公開了一種高速主軸非接觸式磁力耦合動態測試裝置及其測試方法，包括基座和高速主軸，還包括加載系統和控制系統，電磁加載系統采用磁力實現非接觸式加載，從而可以在磁場下實現力磁耦合的非接觸式連續加載，測量精度高，控制方便，可連續穩定加載和實時測量，實現軸在高速運轉狀態下的非接觸式動態加載與實時測量方法，能夠避免摩擦生熱以及因冷卻和潤滑導致的環境污染。
文檔編號G01M13/04GK101344457SQ20081007019
公開日2009年1月14日 申請日期2008年8月27日 優先權日2008年8月27日
發明者康輝民, 繆瑩赟, 陳小安 申請人:重慶大學