用于电主轴动静刚度非接触电磁加载测试的模拟刀具结构的制作方法
【专利摘要】一种用于电主轴动静刚度非接触电磁加载测试的模拟刀具结构，包括刀柄支撑部件、硅钢片套盘、轴套以及与电主轴相配合的刀柄拉钉，刀柄支撑部件的下端设置硅钢片套盘和轴套，刀柄支撑部件的上端设置有刀柄，刀柄顶端安装刀柄拉钉。本发明可直接安装在电主轴上进而通过电磁铁对主轴进行径向加载，可实现主轴的动静刚度测试。本发明能够有效降低磁滞损耗和涡流损耗对于电主轴的动静刚度测试的影响。一方面，有助于电磁铁施加更大的作用力；另一方面，解决了现有技术中随主轴转速增高或者激励力频率提高，电磁作用力迅速降低而导致无法有效加载的问题。此外，由于铁损小，减少功率损耗，还改善因加载造成刀具严重发热而影响测试精度的问题。
【专利说明】用于电主轴动静刚度非接触电磁加载测试的模拟刀具结构
【技术领域】
[0001] 本发明属于机床主轴性能测试分析【技术领域】，具体涉及一种用于电主轴动静刚度 非接触电磁加载测试的模拟刀具结构。
【背景技术】
[0002] 高速电主轴的发展推动了高速、高效加工工艺的进步。作为高速加工机床的核心 部件，电主轴的动静刚度在很大程度上影响着加工机床的工艺水平和加工精度。对电主轴 动静刚度的实验测试，可为机床工作性能的评估和改进提供有益的参数。
[0003] 为了更加准确的获得电主轴真实的动静刚度，应使主轴在高速旋转状态下对其施 加力作用进行测试。传统的接触式加载方式无法实现对旋转主轴的有效加载；为此，研究者 提出了采用不同形式的非接触加载测试方法，其中电磁加载最受关注。如专利CN103217349 A，发明名称为一种基于三向电磁力加载的高速电主轴动静刚度测试装置及方法，提出了一 种通过电磁力非接触加载实现对高速旋转主轴动静刚度实验测试的装置和方法。
[0004] 但对高速旋转状态下的主轴施加交变电磁力时，会在模拟刀具上产生严重的功率 损耗。一方面，刀具在磁化过程中，由于磁滞现象造成了磁滞损耗；另一方面，当整块芯轴 处在交变的磁场中，内部发生电磁感应产生电流，而造成强烈的涡流损耗。磁滞损耗和涡 流损耗都会造成模拟刀具内磁感应强度的降低，导致电磁力难以有效加载，而能量的损耗 又造成刀具以及主轴的发热，严重影响电主轴的动静刚度测试精度。文献《Measurement of Spindle Rigidity by using a Magnet Loader[J]. Journal of Advanced Mechanical Design Systems and Manufacturing, 2010, 4 (5) : 985-994》提出了一种米用开槽刀具的方 法，一定程度上改善了上述问题，但效果并非十分明显。
[0005] 因此，如何解决高频激励和主轴高转速运行下的电磁力有效加载，已成为电主轴 非接触电磁加载测试的关键之一。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种能够直接安装于电主轴且在高频激励以及主轴高转速 运行状态下能够有效施加电磁力作用的用于电主轴动静刚度非接触电磁加载测试的模拟 刀具结构。
[0007] 为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：包括刀柄支撑部件、硅钢片套盘、 轴套以及与电主轴相配合的刀柄拉钉，所述刀柄支撑部件的下端设置硅钢片套盘和轴套， 刀柄支撑部件的上端设置有刀柄，刀柄顶端安装刀柄拉钉。
[0008] 所述刀柄支撑部件为凸台结构，包括轴颈以及套装在轴颈上端的支撑圆台，硅钢 片套盘安装于轴颈上，轴套设置于硅钢片套盘的底部。
[0009] 所述支撑圆台的直径为60mm，台高为20mm。
[0010] 所述轴颈外径为26mm，轴长为60mm。
[0011] 所述硅钢片套盘采用完全相同的1〇〇片厚度为〇. 5mm冷轧硅钢片叠压而成，并通 过紧固销固定形成一个整体铁芯。
[0012] 所述硅钢片套盘高度为50mm，外径为60mm ;内孔直径为26mm。
[0013] 所述硅钢片套盘的内孔与轴颈采用过渡配合安装。
[0014] 所述轴套的内孔与轴颈采用过盈配合将硅钢片套盘紧固在刀柄支撑部件上，将硅 钢片套盘锁定在刀柄支撑部件上。
[0015] 所述轴套内径为26mm，厚度为10mm。
[0016] 所述刀柄支撑部件、硅钢片套盘、轴套以及与电主轴相配合的刀柄拉钉的安装轴 线完全重合。
[0017] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明中通过刀柄支撑部件下端设置轴 套，将硅钢片套盘固定在刀柄支撑部件上，刀柄支撑部件上端通过与刀柄拉钉的配合可直 接安装在电主轴上。采用本发明所述的模拟刀具结构能够有效降低磁滞损耗和涡流损耗 对于电主轴的动静刚度测试的影响。一方面，有助于电磁铁施加更大的作用力；另一方面， 解决了现有技术中随主轴转速增高或者激励力频率提高，电磁作用力迅速降低而导致无法 有效加载的问题。此外，由于铁损小，减少功率损耗，还改善因加载造成刀具严重发热而影 响测试精度的问题。采用本发明所述的模拟刀具，力幅由Orpm转速的338. 2N，仅降低到 14400rpm的278. 1左右，力幅仅降低为17. 8%。
[0018] 进一步的，本发明采用硅钢片套盘代替了整块测试棒，通过与标准刀柄结构组合 构成了模拟刀具结构，可直接安装于电主轴，进而通过电磁铁对主轴进行径向加载，并使硅 钢片平面与磁感应线平行；实现主轴的动静刚度测试。硅钢片套盘能够有效降低磁滞损耗 和涡流损耗对于电磁加载的影响，解决了现有高速电主轴动静刚度测试中高频激励以及高 转速运行状态下电磁力无法有效加载和模拟刀具发热影响测试精度的问题。
[0019] 进一步的，作为一种软磁合金，硅钢具有很强的导磁能力，磁滞回线狭小，可以有 效降低铁芯的磁滞损耗。而采用彼此绝缘的硅钢片叠成，使涡流在狭长形的回路中，通过较 小的截面，以增大涡流通路上的电阻；同时，硅钢中的硅使材料的电阻率增大，也起到减小 涡流的作用。
[0020] 进一步的，硅钢片套盘与轴颈形成过渡配合，既保证了硅钢片套盘在刀柄支撑部 件上安装的紧固性，又兼顾了加工与安装的工艺要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1为本发明的模拟刀具结构示图；
[0022] 图2为本发明模拟刀具的刀柄支撑部件结构示意图；
[0023] 图3为本发明模拟刀具的硅钢片套盘结构示意图；
[0024] 图4为本发明模拟刀具的轴套部件结构示意图；
[0025] 图5为本发明模拟刀具安装于电主轴的测试原理图；
[0026] 图6为传统型的模拟刀具或加载测试棒结构示意图；
[0027] 图7为本发明与传统型的模拟刀具测试结果对比图；
[0028] 其中，1、刀柄支撑部件，2、硅钢片套盘，3、轴套，4、刀柄拉钉，5、刀柄，6、支撑圆台， 7、轴颈，8、紧固销、9、电磁铁，10、位移传感器，11、电主轴，12、功率放大器，13、数据采集仪， 14、计算机。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0030] 参见图1?图5所示，本发明包括刀柄支撑部件1，硅钢片套盘2,轴套3、刀柄5以 及与电主轴相配合的刀柄拉钉4。刀柄支撑部件为凸台结构，包括轴颈7以及套在轴颈7上 端的支撑圆台6,硅钢片套盘2安装于轴颈7上，轴套3设置于硅钢片套盘2的底部。刀柄 支承部件1的上端设置刀柄5,刀柄5的顶端设置刀柄拉钉4。所述刀柄5为标准件，可根 据电主轴刀柄类型进行加工通过与标准刀柄拉钉的配合，可直接安装于电主轴。
[0031] 所述刀柄支撑部件为支撑主体，轴颈7的下端安装硅钢片套盘2,轴套3位于硅钢 片套盘2的下部并且套装在轴颈7上，刀柄支撑部件1的上端安装标准刀柄结构5,刀柄结 构5上设置刀柄拉钉4,从而形成完整的模拟刀具，通过刀柄拉钉4可直接安装于被测电主 轴11上。
[0032] 本发明中刀柄支撑部件1、硅钢片套盘2、轴套3以及与电主轴相配合的刀柄拉钉 4均为回转结构，其安装轴线完全重合。
[0033] 如图1及2所示，刀柄支撑部件1采用45钢机加工成型，上端设计为标准的BT30 刀柄结构5,下端依次为支撑圆台6和轴颈7。其中支撑圆台6的直径为60mm，台高20mm， 其轴颈7外径为Φ26_，轴长为60mm ;支撑圆台6和轴颈7配合用于安装硅钢片套盘2和 轴套3。此外，支撑圆台6的圆柱面进行抛光，达到表面光洁，以用于主轴回转位移的准确测 量。
[0034] 如图3所示，硅钢片套盘2采用完全相同的100片厚度为0.5mm冷轧硅钢片叠压 而成,并通过紧固销8固定形成一个整体铁芯；硅钢片套盘2高度为50_，外径为60mm;内 孔直径为Φ 26mm，以与轴颈7形成过渡配合，既保证了硅钢片套盘2在刀柄支撑部件1上安 装的紧固性，又兼顾了加工与安装的工艺要求。硅钢片采用标准厚度硅钢片。
[0035] 如图4所示，轴套3为一紧固零件，通过其内径与轴颈7的过盈配合可将硅钢片套 盘2紧固在刀柄支撑部件1上，形成完整的模拟刀具；轴套3内径为Φ 26mm，厚度为10mm。 此外，轴套3的圆柱表面同样需进行抛光，以满足位移传感器的测量标准。
[0036] 刀柄拉钉4为BT30刀柄使用的标准零件，用于将模拟刀具安装于电主轴11上。本 发明中的硅钢片套盘的高度、内径，轴颈的外径，刀柄支撑部件的尺寸需要根据被测主轴的 尺寸功率进行设置。
[0037] 图5显示了本发明所述的模拟刀具安装于电主轴11的测试原理图。通过计算机 14控制数据采集仪13产生激励信号，并由功率放大器12进行放大，转化为电流信号，通入 电磁铁9的线圈中，则在电磁铁铁芯中产生电磁场，磁感应线通过与其平行的硅钢片，进而 产生了电磁力作用；电磁力作用于模拟刀具以及电主轴实现力的加载，主轴产生变形位移， 通过位移传感器10采集变形位移信号，并反馈给计算机，从而完成了对电主轴的动静刚度 测试。
[0038] 根据国标GB/T 13574-92提出的相关规定，对安装于某型号电主轴的传统模拟刀 具和本发明所述模拟刀具实施例进行电磁加载，主轴在不同转速下运行，测试施加电磁力 随转速的关系。
[0039] 传统模拟刀具为不米用娃钢片的一个加载芯棒，如图6所不。通过电磁铁对主 轴施加电磁载荷，在保证其他条件如电流、气隙厚度等均相同的情况下，测试结果如图7 所示。可见，传统模拟刀具随着转速的提高，电磁力由Orpm转速的286. 6N,迅速降低到 14400rpm的106. 7N左右，力幅降低超过60%。而采用本发明所述的模拟刀具，力幅由Orpm 转速的338. 2N，仅降低到14400rpm的278. 1左右，力幅仅降低为17. 8%。
[0040] 实验证明了，本发明所述采用硅钢叠片套的模拟刀具能够有效的降低磁滞损耗和 涡流损耗对于电磁加载的影响，有效提高了电磁对于模拟刀具或电主轴的加载作用，降低 主轴的温升，有助于提高主轴的动静刚度测试精度。
[0041] 基于变压器和电机的铁芯原理，针对传统型模拟刀具所存的功率损耗严重等问 题，本发明提出了采用硅钢片套盘与标准刀柄组合的模拟刀具结构。本发明采用硅钢片套 盘代替了整块测试棒，通过与标准刀柄结构组合构成了模拟刀具结构，可直接安装于电主 轴，进而通过电磁铁对主轴进行径向加载，并使硅钢片平面与磁感应线平行；实现主轴的动 静刚度测试。硅钢片套盘能够有效降低磁滞损耗和涡流损耗对于电磁加载的影响，解决了 现有高速电主轴动静刚度测试中高频激励以及高转速运行状态下电磁力无法有效加载和 模拟刀具发热影响测试精度的问题。
[0042] 以上为【具体实施方式】和附图，描述了本发明的技术原理和特征，为本发明的较佳 实施例之一，而不能以此解释对本发明保护范围的限制。故，举凡与本发明的构造、装置以 及特征等近似、雷同者，均应属于本发明的创设目的及申请专利范围之内。
【权利要求】
1. 用于电主轴动静刚度非接触电磁加载测试中的模拟刀具结构，其特征在于，包括刀 柄支撑部件（1)、硅钢片套盘（2)、轴套（3)以及与电主轴相配合的刀柄拉钉（4)，所述刀柄 支撑部件（1)的下端设置硅钢片套盘（2)和轴套（3)，刀柄支撑部件（1)的上端设置有刀柄 (5)，刀柄（5)顶端安装刀柄拉钉（4)。
2. 根据权利要求1所述的用于电主轴动静刚度非接触电磁加载测试中的模拟刀具结 构，其特征在于，所述刀柄支撑部件（1)为凸台结构，包括轴颈（7)以及套装在轴颈（7)上 端的支撑圆台（6)，硅钢片套盘（2)安装于轴颈（7)上，轴套（3)设置于硅钢片套盘（2)的 底部。
3. 根据权利要求2所述的用于电主轴动静刚度非接触电磁加载测试中的模拟刀具结 构，其特征在于，所述支撑圆台（6)的直径为60mm，台高为20mm。
4. 根据权利要求2所述的用于电主轴动静刚度非接触电磁加载测试中的模拟刀具结 构，其特征在于，所述轴颈（7)外径为26mm，轴长为60mm。
5. 根据权利要求1或2所述的用于电主轴动静刚度非接触电磁加载测试中的模拟刀具 结构，其特征在于，所述硅钢片套盘（2)采用完全相同的100片厚度为0.5_冷轧硅钢片叠 压而成，并通过紧固销（8)固定形成一个整体铁芯。
6. 根据权利要求5所述的用于电主轴动静刚度非接触电磁加载测试中的模拟刀具结 构，其特征在于，所述硅钢片套盘（2)高度为50mm，外径为60mm ;内孔直径为26mm。
7. 根据权利要求2所述的用于电主轴动静刚度非接触电磁加载测试中的模拟刀具结 构，其特征在于，所述硅钢片套盘（2)的内孔与轴颈（7)采用过渡配合安装。
8. 根据权利要求2所述的用于电主轴动静刚度非接触电磁加载测试中的模拟刀具结 构，其特征在于，所述轴套（3)的内孔与轴颈（7)采用过盈配合将硅钢片套盘（2)紧固在刀 柄支撑部件（1)上，将硅钢片套盘（2)锁定在刀柄支撑部件（1)上。
9. 根据权利要求2或8所述的用于电主轴动静刚度非接触电磁加载测试中的模拟刀具 结构，其特征在于，所述轴套（3)内径为26mm，厚度为10mm。
10. 根据权利要求1所述的用于电主轴动静刚度非接触电磁加载测试中的模拟刀具结 构，其特征在于，所述刀柄支撑部件（1)、硅钢片套盘（2)、轴套（3)以及与电主轴相配合的 刀柄拉钉（4)的安装轴线完全重合。
【文档编号】G01M13/00GK104155091SQ201410404435
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2014年8月15日
【发明者】王小鹏, 陈天宁, 郭玉柱 申请人:西安交通大学