[发明专利]一种主轴回转状态下的动态特性测试装置及方法

说明书

本发明公开了一种主轴回转状态下的动态特性测试装置及方法，该装置包括主轴、机架和固定套等；其中，主轴安装在机架上，主轴固定套的一端安装在机架上，另一端与连接支架的一端连接，端盖安装在连接支架的另一端；刀柄组件包括刀柄以及由内至外依次套装在刀柄上的轴承和轴承盒，刀柄组件套装在连接支架和主轴固定套内，刀柄的一端与主轴的转子连接，另一端的刀尖伸出至端盖外；作动器组件包括压电作动器，连接支架的侧面垂直于主轴轴向方向依次开设有三个安装孔，作动器组件的压电作动器以及加速度传感器和位移传感器分别安装在三个安装孔。该方法采用压电作动器施加激励、刀柄组件实现加载，可以准确方便地测试主轴在回转过程中的动态特性。

技术领域

本发明涉及一种主轴回转状态下的动态特性测试装置及方法，采用压电作动器施加激励、刀柄组件实现加载，可以准确方便地测试主轴在回转过程中的动态特性。

背景技术

机床主轴是超精密机床的核心构件之一，其动态特性及稳定性很大程度上决定了机床的加工性能和加工效率，并且对整个加工系统的寿命、可靠性和安全性有着重要影响，因此对电主轴的动态特性进行研究显得十分重要。工程上测试主轴动态特性的方法通常是在主轴静止时采用激振器激振或力锤敲击的办法进行，但主轴在实际工作情况中，由于受到切削力、转速、工作温升和热膨胀、离心力和陀螺力矩的影响，动态特性会产生变化。因此，测试主轴实际回转过程中的动态特性具有重要意义。常规的力锤激励和激振器激励方法只能用于主轴静止状态下的测试，在旋转状态下很难实现加载。

目前国内外有部分学者通过改进实验方案或设计新型实验装置来测试主轴回转状态下的动态特性。主要加载方式有力锤激励、电磁激励和气膜力加载。Ozturk等[Investigation of spindle bearing preload on dynamics and stability limit inmilling]在主轴前端安装一个标准件来代替实际刀具，通过敲击标准件来测试主轴在不同预紧下的动态特性。但采用标准件代替刀具进行测试，会使最终结果产生一定的误差，并且由于力锤激励的能量和频带范围有限，尤其是对于大型机床，往往无法激发机床的所有模态。英国伯明翰大学的Chowdhury等[Determination of the dynamic characteristicsof machine tool structures]最早采用电磁加载装置对车床主轴在低转速下进行了测试，证明主轴动态特性受转速、激励幅值和预载荷的影响。日本京都大学的Sawamura等[Development of Dynamic Loading Device for Rotating Spindle of Machine Tools]采用一种电磁加载装置测试了铣床主轴在不同转速下的静刚度，由于电磁场容易在被测主轴表面诱发产生电涡流，因此对测试结果有一定影响。此外，北京科技大学的冯明等[高速主轴非接触气膜加载刚度测试台的研制]设计了利用静压气膜对电主轴加载的装置，采用空气轴承和空气静压止推轴承实现对主轴旋转状态下的加载，但只能对主轴施加静载荷或缓变载荷，且所施加的载荷力较小，因此应用有限。

总体看来，目前关于主轴回转状态下的动态特性测试的研究相对较少，各种测试方法都存在一定的问题，难以实现对主轴回转状态下动态特性的准确测试。

发明内容

本发明的目的在于提供一种主轴回转状态下的动态特性测试装置及方法，采用压电作动器进行激励、带滚动轴承的刀柄组件实现加载，将压电力传感器安装在压电作动器后端进行激振力的测试，并利用连接支架将加载和测量装置固定在主轴上，形成一体化的测试。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种主轴回转状态下的动态特性测试装置，包括主轴、机架、固定套、连接支架、端盖、刀柄组件、作动器组件、加速度传感器和位移传感器；其中，