專利名稱：一種高速電主軸切削力模擬加載及測試裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于檢測設備技術領域，用于高速電主軸動態特性試驗中模擬切削力負載的非接觸電磁加載裝置，涉及一種高速電主軸切削力模擬加載及測試裝置。
背景技術：
高速電主軸技術的發展和應用大大推動了加工制造業技術的革新，以電主軸為基礎的高速機床可實現快速、高精度加工，滿足加工制造業日趨激烈的競爭需要。高速電主軸的動態特性決定了機床加工速度、精度及可靠性能否達到要求，故通過高速電主軸負載時的動態特性試驗，可對以上性能參數進行分析，以改進電主軸及機床的結構設計。高速電主軸負載時的動態特性試驗需要有一套加載裝置，以模擬高速電主軸的切削力負載，并對加載力進行測試，完成高速電主軸負載狀態下的動態特性分析。目前，高速電主軸動態特性試驗中加載測試的主要方法為對拖式加載，即采用高速電主軸與測功機同軸連接的方法對高速電主軸進行加載。這種加載方法存在如下難以解決的問題1)只能模擬高速電主軸的負載扭矩，不能模擬加工時刀具與工件接觸點的切向力、徑向力和軸向力；2)由于測功機加載時產生的熱量很大及結構限制，加載時所能達到的最高轉速不超過15000rpm，對于更高轉速的電主軸無法采用測功機進行加載。故對于高速電主軸應采用非接觸加載方式，實現高速電主軸切削力負載的模擬。
發明內容
本發明的目的是提供一種高速電主軸切削力模擬加載及測試裝置，實現了高速電主軸動態特性分析試驗中切削力負載的模擬。本發明所采用的技術方案是，一種高速電主軸切削力模擬加載及測試裝置，包括機械部分和電氣控制部分，1)所述的機械部分的結構是，在工作臺上設置有電主軸支座和一個徑向電磁鐵支架、一個切向電磁鐵支架和一對軸向電磁鐵支架，電主軸支座上設置有電主軸，電主軸與空心的銅杯底端連接，銅杯開口端設置有外沿；徑向電磁鐵支架的端頭伸進銅杯中，并安裝有徑向力加載電磁鐵，徑向力加載電磁鐵上設置有豎直方向的直流勵磁線圈①；一對軸向電磁鐵支架分布在銅杯開口外沿兩側，每個軸向電磁鐵支架上安裝有一個軸向力加載電磁鐵，該對軸向力加載電磁鐵對稱分布在外沿兩側，每個軸向力加載電磁鐵上安裝有一水平的直流勵磁線圈②；切向電磁鐵支架位于銅杯下方，切向電磁鐵支架上安裝有切向力加載電磁鐵，切向力加載電磁鐵安裝有豎直方向的直流勵磁線圈③；徑向力加載電磁鐵與切向力加載電磁鐵靠近銅杯的底端，徑向力加載電磁鐵的軸線與切向力加載電磁鐵的軸線重合，且該軸線平行于銅杯的豎直直徑線；銅杯外沿兩側的軸向力加載電磁鐵的軸線重合，且該軸線平行于銅杯的軸線；2)所述的電氣控制部分結構是，在徑向電磁鐵支架、切向電磁鐵支架和一對軸向電磁鐵支架上各設置有一單向拉壓力傳感器，單向拉壓力傳感器輸出端與濾波放大電路、A/D轉換器依次連接，A/D轉換器輸出端與加載控制器連接，加載控制器與工控機連接，加載控制器與單相可控硅整流電路連接，單相可控硅整流電路與整流變壓器連接，單相可控硅整流電 路的主電路輸出端分別與直流勵磁線圈①、②和③同時連接； 單相可控硅整流電路的控制電路部分由移相觸發電路、隔離驅動電路依次連接組成，移相觸發電路的輸入端與加載控制器輸出端連接。本發明的有益效果是，通過采用非接觸加載，有效地解決了高速電主軸負載試驗時難以加載及加載力難以測試的問題，既能模擬主軸的徑向切削力，又能模擬主軸的切向及軸向切削力；整體裝置造價低、便于安裝使用，測試方法簡便、精度高，經濟效益顯著。
圖1為本發明裝置的結構示意圖；圖2為圖1中沿A-A視向剖面圖；圖3為本發明裝置中的部分電路連接示意圖；圖4為本發明裝置實施過程中的銅杯的受力示意圖；圖5是本發明裝置實施過程中的銅杯的受力側視圖。圖中，1.電主軸，2.銅杯，3.非晶態軟磁合金涂層，4.斜通孔，5.徑向力加載電磁鐵，6.徑向電磁鐵支架，7.軸向力加載電磁鐵，8.軸向電磁鐵支架，9.切向力加載電磁鐵， 10.單向拉壓力傳感器，11.切向電磁鐵支架，12.單相可控硅整流電路，13.加載控制器， 14.A/D轉換器，15.濾波放大電路，16.工作臺，17.電主軸支座，18.整流變壓器，19.移相觸發電路，20.隔離驅動電路，21.續流電路，22.徑向整流電路，23.軸向整流電路，24.切向整流電路，25.工控機，①、②和③為三個直流勵磁線圈。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進行詳細說明。本發明的高速電主軸切削力模擬加載及測試裝置，包括機械部分和電氣控制部分組成。如圖1、圖2，本發明裝置的機械部分的結構是，在工作臺16上設置有電主軸支座17和一個徑向電磁鐵支架6、一個切向電磁鐵支架11和一對軸向電磁鐵支架8，電主軸支座17上設置有電主軸1，電主軸1的軸端安裝有用于加載的空心的銅杯2 ；銅杯2與電主軸1的連接端面設置有一圈沿軸向的斜通孔4，當電主軸1高速旋轉時，可自動實現加載裝置的散熱冷卻，滿足長時間連續加載需要。徑向電磁鐵支架6、軸向電磁鐵支架8和切向電磁鐵支架11為精密加工的高強度合金支架，在徑向電磁鐵支架6的水平橫梁上安裝徑向力加載電磁鐵5 ；在軸向電磁鐵支架 8上安裝有一對相同的軸向力加載電磁鐵7，該對軸向力加載電磁鐵7對稱分布在銅杯2外沿兩側，可對銅杯2產生向左或向右的水平軸向力；在切向電磁鐵支架11上安裝切向力加載電磁鐵9 ；徑向力加載電磁鐵5與切向力加載電磁鐵9靠近銅杯2的底端，經安裝調整后保證徑向力加載電磁鐵5的軸線與切向力加載電磁鐵9的軸線重合，且該軸線平行于銅杯 2的豎直直徑線；銅杯2外沿兩側軸向力加載電磁鐵7的軸線重合，且該軸線平行于銅杯2 的軸線；銅杯2內圓豎直方向的徑向力加載電磁鐵5上設置有直流勵磁線圈①，銅杯2外沿兩側的軸向力加載電磁鐵7上設置有直流勵磁線圈②，銅杯2外圓豎直方向的切向力加載電磁鐵9上設置有直流勵磁線圈③，直流勵磁線圈①、②和③分別形成各自的直流磁場，通過與銅杯2相互作用，產生穩定的徑向、軸向和切向電磁加載力。徑向電磁鐵支架6橫梁左端的徑向力加載電磁鐵5上方豎直安裝有單向拉壓力傳感器10，用于檢測銅杯2豎直徑向電磁加載力，軸向電磁鐵支架8橫梁兩端水平安裝有另外一對同型號的單向拉壓力傳 感器10，用于檢測銅杯2水平向左或向右的軸向電磁加載力； 參照圖2，切向電磁鐵支架11橫梁左端水平安裝同型號單向拉壓力傳感器10，用于檢測水平切向電磁加載力。單向拉壓力傳感器10選用合肥博通公司TH48011型單向拉壓力傳感器，具有柱式梁結構，單向力誤差很小，垂直力干擾引起的誤差較小，滿足了測試精度需要。參照圖1、圖3，本發明裝置的電氣控制部分結構是，加載力檢測值m和加載力設定值η為加載控制器13輸入信號，輸入信號m和η形成的偏差量作為加載控制器13的PID控制算法輸入量，經PID控制算法調節產生的輸出控制信號接入單相可控硅整流電路12的控制電路輸入端，單相可控硅整流電路12的主電路輸入端與整流變壓器I8連接；參照圖3、圖4，單相可控硅整流電路12的主電路輸出端分別與直流勵磁線圈①、②和③同時連接，直流勵磁線圈①、②和③由單相可控硅整流電路12 產生穩定的直流勵磁電流，并由加載控制器13完成直流勵磁電流的控制；加載控制器13和作為上位機的工控機25連接，工控機25可生成人機交互操作界面，以輸入加載力設定值η 及其它參數，該輸入的設定值η等參數通過串口通信傳送給加載控制器13，同時，加載控制器13接收的加載力檢測值m由串口通信傳送給工控機25進行顯示。加載力檢測值m為同型號單向拉壓力傳感器10的測試值，單向拉壓力傳感器10 輸出端與濾波放大電路15、A/D轉換器14依次連接，A/D轉換器14輸出端接加載控制器 13，完成加載力檢測值m的輸入。濾波放大電路15選用成都縱橫測控公司JV53302型4通道精密放大器，該放大器具有低通濾波器模塊，12位分辨率；A/D轉換器14選用ADI公司 AD7654型高速4通道A/D轉換器，16位分辨率；加載控制器13選用ATMEL公司AT89S8253 型8位單片機，支持在線編程。加載控制器13根據輸入的加載力檢測值m和加載力設定值 η比較后的偏差量，經PID控制算法調節后產生控制信號輸出，完成各電磁線圈直流磁場的調節，實現徑向、切向及軸向電磁加載力的控制。參照圖3、圖4，單相可控硅整流電路12包括主電路和控制電路兩部分組成。單相可控硅整流電路12的主電路部分由電路結構一致的三組橋式三組整流電路22、23和 24(即徑向整流電路22、軸向整流電路23、切向整流電路24)組成，分別完成徑向、軸向及切向電磁加載力的調節；三組整流電路22、23和24均選用德國西門康公司SK100B型單相可控硅整流橋模塊，該模塊為單相全控橋式整流電路，封裝成整體模塊。徑向整流電路22的輸出接線端口為a端、b端，接直流勵磁線圈①；軸向整流電路23的輸出接線端口為c端、d 端，接銅杯2外沿左側的直流勵磁線圈②，可產生水平向左的軸向力，若需產生水平向右的軸向力，則c端、d端接銅杯2外沿右側的直流勵磁線圈；切向整流電路24的輸出接線端口為e端、f端，接直流勵磁線圈③。三組整流電路22、23和24輸出端還并接有相同的續流電路21，續流電路21由續流二極管和電阻串聯構成，使可控硅在反向截止時不被擊穿。三組整流電路22、23和24輸入端均與整流變壓器18輸出端連接，整流變壓器18輸入端與單相工頻交流電連接。 見圖3，單相可控硅整流電路12的控制電路部分包括移相觸發電路19、隔離驅動電路20依次連接組成，移相觸發電路19的輸入端與加載控制器13輸出端連接，隔離驅動電路20的輸出端與三組整流電路22、23和24中各可控硅的控制端連接。加載控制器13輸出的控制信號經移相觸發電路19形成多路移相觸發脈沖，該移相脈沖通過隔離、放大后控制各可控硅的通、斷，完成直流勵磁線圈磁場的調節。移相觸發電路19選用西安恒達公司 KJ004型可控硅移相控制觸發電路，該集成電路適用于單相全控橋式整流電路，輸出負載能力大，移相性能好、范圍寬；隔離驅動電路20選用北京豪恩公司1553B型脈沖變壓器，用于信號傳輸、隔離及放大。當接通單相可控硅整流電路12的電源，在銅杯2上同時產生徑向加載力Fz、切向加載力Fy和軸向加載力Fx，實現高速電主軸切削力負載的模擬。徑向力加載電磁鐵5豎直安裝在徑向電磁鐵支架6的水平橫梁上，徑向力加載電磁鐵5上繞直流勵磁線圈①，所述直流勵磁線圈①的勵磁電流由可控硅整流電路22的a、b 連接端頭提供，在I處形成均勻氣隙磁場；見圖4，銅杯2內圓柱面及開口端外沿兩側覆蓋有非晶態軟磁合金涂層3，選用牌號為1K503的鐵鎳基非晶態合金材料，通過噴鍍在銅杯2內圓柱面及外沿兩側形成0. 05mm 厚的非晶態軟磁合金涂層3，鐵鎳基非晶態軟磁合金具有優異的綜合性能極高的磁導率 (遠遠大于空氣磁導率)，在氣隙磁場中可產生較大的麥克斯韋電磁力，且電阻率很高、損耗很低，并具有很高的機械強度。故I處氣隙磁場與非晶態軟磁合金涂層3相互作用，在非晶態軟磁合金涂層3表面產生了豎直向上的中心徑向電磁加載力Fz(麥克斯韋電磁力)，FZ 通過所模擬的切削力作用點0 ；鐵鎳基非晶態軟磁合金涂層3具有優異的軟磁性能，在弱磁場下具有極高的磁導率，可以很好地聚集磁力線、作為磁力線通路，故直流勵磁線圈輸入較小的激磁電流，通過鐵鎳基非晶態軟磁合金涂層3便可產生較強的磁場；同時，非晶態軟磁合金涂層3還具有很高的電阻率，銅杯2在氣隙磁場中按圖5所示方向旋轉時，內圓柱面產生的感應電流很小， 與氣隙接觸面上形成的附加切向電磁力(洛侖磁力)很小，對徑向電磁加載力Fz的測試及外圓切向電磁加載力Fy大小的影響很小；非晶態軟磁合金涂層薄、電阻率高、鐵損低，大大減少了空心銅杯2加載時產生的熱量及電能損耗，有利于加載裝置的散熱冷卻。參照圖1、圖3，相同的軸向力加載電磁鐵7水平安裝在軸向電磁鐵支架8的橫梁兩端，軸向力加載電磁鐵7對稱分布在銅杯2外沿兩側，銅杯2外沿兩側的電磁鐵7上繞相同的直流勵磁線圈②；當銅杯2外沿左側的直流勵磁線圈②連接可控硅整流電路23的C、 d端頭時，在銅杯2外沿左側II處形成均勻氣隙磁場；見圖4，II處氣隙磁場與銅杯2左側外沿上鐵鎳基非晶態軟磁合金涂層3相互作用，在非晶態軟磁合金涂層3表面產生水平向左的軸向電磁加載力Fx (麥克斯韋電磁力)，Fx通過所模擬的切削力作用點0 ；當需要產生通過0點水平向右的軸向電磁加載力Fx時，可使銅杯2外沿右側的直流勵磁線圈與可控硅整流電路23的c、d端頭連接，銅杯2外沿右側形成均勻氣隙磁場，該氣隙磁場與銅杯2右側外沿上鐵鎳基非晶態軟磁合金涂層3相互作用，在非晶態軟磁合金涂層3表面產生水平向右的軸向電磁加載力Fx (麥克斯韋電磁力)，Fx通過所模擬的切削力作用點O。參照圖2、圖3，切向力加載電磁鐵9豎直安裝在切向電磁鐵支架11的水平橫梁上，切向力加載電磁鐵9上繞直流勵磁線圈③，所述直流勵磁線圈③的勵磁電流由可控硅整流電路24的e、f連接端頭提供，在III處形成均勻氣隙磁場；見圖5，由于銅杯2外圓柱面為電阻率很低的純銅材料，具有很好的導電性能，高速旋轉的空心銅杯在氣隙磁場中可產生較大的洛倫磁力。故銅杯2按圖5所示方向旋轉時，III處氣隙磁場與銅杯2相互作用，在銅杯2外圓柱面上產生水平向右的切向電磁加載力Fy(洛倫磁力)，Fy的作用點為所模擬的切削力作用點0。銅杯2的外圓柱面純銅材料還具有不導磁的特性(銅為抗磁性物質，相對磁導率為0. 9999)，銅杯2與III處氣隙磁場相互作用，在接觸面上產生的附加徑向電磁力(麥克斯韋力)很小，對切向電磁加載力Fy的測試及內圓徑向電磁加載力Fz大小的影響很小；同時，由于銅杯電阻很小，銅杯外圓感應渦流產生的熱量較小，有利于加載裝置的散熱冷卻。銅杯2的重量較輕，內圓周的非晶態軟磁合金涂層3的機械強度、硬度很高，可提高 銅杯2的剛度，并提高加載裝置安全性。如圖1、圖2、圖3，本發明裝置的工作過程是，1)加載前的準備工作包括，調整徑向力加載電磁鐵5、軸向力加載電磁鐵7和切向力加載電磁鐵9的位置并固定牢靠，使徑向力加載電磁鐵5、軸向力加載電磁鐵7和切向力加載電磁鐵9與銅杯2間的氣隙I、II和III均為Imm ；確定水平軸向加載力方向，把銅杯 2外沿左側或右側的直流勵磁線圈接線端頭連接到整流電路23的c、d端頭。2)模擬切削力負載的加載過程是，接通電主軸1的變頻器電源，并接通三組整流電路22、23和24和加載裝置控制系統的電源。通過工控機25輸入切削力負載設定值n， A/D轉換器14輸入電磁加載力Fx、Fy和Fz的檢測值m，經加載控制器13調節，控制各加載線圈的勵磁電流，完成電磁加載力FX、FY* Fz的調節。逐步調節高速電主軸1的轉速，在電主軸達到所需轉速時，逐步改變電磁加載力設定值，直至達到所需的電磁加載力，實現高速電主軸切削力負載的模擬。本發明裝置控制原理是，應用圖形化編程語言在加載裝置控制系統的工控機25 上生成人機交互操作界面，工控機25選用臺灣研華公司IPC-610P型工業控制計算機。所需的加載設定值參數η由人機交互操作界面輸入，并經串口傳送到加載控制器13輸入端， 加載力檢測值m反饋到加載控制器13輸入端，并在加載控制器13中形成偏差值，控制器中的PID調節算法根據此偏差值計算后產生控制信號輸出，輸出信號控制整流電路中可控硅的通、斷，調節直流勵磁電流，使加載控制器13輸入端的偏差量為零，此時的電磁加載力即為所需模擬的切削力負載。本發明裝置進行非接觸電磁加載力的測試原理是，非接觸加載裝置在銅杯2上產生電磁加載力FX、FY* Fz，根據作用力與反作用力關系，氣隙磁場在三處電磁鐵安裝支架上產生的反作用力與氣隙磁場在銅杯2上產生的作用力Fx、Fy和Fz大小相等，方向相反。通過徑向電磁鐵支架6上安裝的單向拉壓力傳感器10的受力可測出徑向電磁加載力Fz，通過軸向電磁鐵支架8上安裝的同型號單向拉壓力傳感器10的受力可測出軸向電磁加載力Fx，通過切向電磁鐵支架11上安裝的同型號單向拉壓力傳感器10的受力可測出切向電磁加載力FY，完成非接觸電磁加載力Fx、Fy和Fz的測試。
本發明裝置是根據作用力與反作用力的關系，利用簡單的單向拉壓力傳感器檢測出支架所受三方向力，完成空心銅杯實際所受三維加載力的測試，結構簡單、制作成本低； 同時，加載裝置通過電磁場產生加載力，實現了非接觸加載，完全適用于高速電主軸負載時的動態特性試驗，解決了高速電主軸切削力負載模擬的問題。
權利要求
1.一種高速電主軸切削力模擬加載及測試裝置，其特征在于包括機械部分和電氣控制部分，1)所述的機械部分的結構是，在工作臺(16)上設置有電主軸支座(17)和一個徑向電磁鐵支架(6)、一個切向電磁鐵支架(11)和一對軸向電磁鐵支架(8)，電主軸支座(17)上設置有電主軸(1)，電主軸(1) 與空心的銅杯⑵底端連接，銅杯⑵開口端設置有外沿；徑向電磁鐵支架(6)的端頭伸進銅杯(2)中，并安裝有徑向力加載電磁鐵(5)，徑向力加載電磁鐵(5)上設置有豎直方向的直流勵磁線圈①；一對軸向電磁鐵支架(8)分布在銅杯(2)開口外沿兩側，每個軸向電磁鐵支架(8)上安裝有一個軸向力加載電磁鐵(7)，該對軸向力加載電磁鐵(7)對稱分布在外沿兩側，每個軸向力加載電磁鐵(7)上安裝有一水平的直流勵磁線圈②；切向電磁鐵支架(11)位于銅杯(2)下方，切向電磁鐵支架(11)上安裝有切向力加載電磁鐵(9)，切向力加載電磁鐵(9)安裝有豎直方向的直流勵磁線圈③；徑向力加載電磁鐵(5)與切向力加載電磁鐵(9)靠近銅杯(2)的底端，徑向力加載電磁鐵(5)的軸線與切向力加載電磁鐵(9)的軸線重合，且該軸線平行于銅杯(2)的豎直直徑線；銅杯(2)外沿兩側的軸向力加載電磁鐵(7)的軸線重合，且該軸線平行于銅杯(2)的軸線；2)所述的電氣控制部分結構是，在徑向電磁鐵支架(6)、切向電磁鐵支架(11)和一對軸向電磁鐵支架(8)上各設置有一單向拉壓力傳感器(10)，單向拉壓力傳感器(10)輸出端與濾波放大電路(15)、A/D轉換器(14)依次連接，A/D轉換器(14)輸出端與加載控制器(13)連接，加載控制器(13)與工控機(25)連接，加載控制器(13)與單相可控硅整流電路(12)連接，單相可控硅整流電路 (12)與整流變壓器(18)連接，單相可控硅整流電路(12)的主電路輸出端分別與直流勵磁線圈①、②和③同時連接； 單相可控硅整流電路(12)的控制電路部分由移相觸發電路(19)、隔離驅動電路(20)依次連接組成，移相觸發電路(19)的輸入端與加載控制器(13)輸出端連接。
2.根據權利要求1所述的高速電主軸切削力模擬加載及測試裝置，其特征在于所述單相可控硅整流電路(12)的主電路部分由電路結構一致的三組橋式單相可控硅整流電路組成，即徑向整流電路(22)、軸向整流電路(23)和切向整流電路(24)，上述三組單相可控硅整流電路的輸出端還并接有相同的續流電路(21)，徑向整流電路(22)的輸出接線端口為a端、b端，接直流勵磁線圈①； 軸向整流電路(23)的輸出接線端口為c端、d端，當與銅杯(2)外沿左側的直流勵磁線圈②連接時，產生水平向左的軸向力；或者c端、d端當與銅杯(2)外沿右側的直流勵磁線圈②連接時，產生水平向右的軸向力；切向整流電路(24)的輸出接線端口為e端、f端，與直流勵磁線圈③連接。
3.根據權利要求1所述的高速電主軸切削力模擬加載及測試裝置，其特征在于所述銅杯(2)內圓柱面及開口端外沿兩側覆蓋有一層非晶態軟磁合金涂層(3)，選用牌號為 1K503的鐵鎳基非晶態合金材料。
4.根據權利要求1所述的高速電主軸切削力模擬加載及測試裝置，其特征在于所述徑向力加載電磁鐵(5)、軸向力加載電磁鐵(7)和切向力加載電磁鐵(9)與銅杯⑵之間的氣隙I、II和III均為1mm。
5.根據權利要求1所述的高速電主軸切削力模擬加載及測試裝置，其特征在于所述銅杯(2)的端面沿軸向開斜通孔(4)。
全文摘要
本發明公開了一種高速電主軸切削力模擬加載及測試裝置，包括在徑向電磁鐵支架、一對軸向電磁鐵支架、切向電磁鐵支架上各自設置有加載電磁鐵和單向拉壓力傳感器，單向拉壓力傳感器與濾波放大電路、A/D轉換器依次連接，A/D轉換器與加載控制器連接，加載控制器與工控機及單相可控硅整流電路分別連接，單相可控硅整流電路與整流變壓器及各處直流勵磁線圈同時連接；銅杯內圓柱面及外沿兩側噴鍍有非晶態軟磁合金涂層。本發明裝置由單相可控硅整流電路產生可調節的直流勵磁電流，經各勵磁線圈形成直流氣隙磁場，分別完成徑向、切向及軸向電磁加載力的調節，共同實現切削力的模擬加載及非接觸電磁加載力的測試。
文檔編號G01M13/00GK102169054SQ20111000090
公開日2011年8月31日 申請日期2011年1月6日 優先權日2011年1月6日
發明者何強, 劉宏昭, 原大寧, 周訓通, 邱榮華 申請人:西安理工大學