磨床的高精度液體靜壓電主軸軸心軌跡測試系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種磨床的高精度液體靜壓電主軸軸心軌跡測試系統(tǒng)及方法，包括測試盤、測試標(biāo)準(zhǔn)球、編碼器、傳感器支架、同步數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及若干振動位移傳感器。本發(fā)明通過非接觸式能夠獲取高精度液體靜壓電主軸軸心軌跡，結(jié)構(gòu)簡單，測試方便。
【專利說明】
磨床的高精度液體靜壓電主軸軸心軌跡測試系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種軸心軌跡測試系統(tǒng)及方法，具體涉及一種磨床的高精度液體靜壓電主軸軸心軌跡測試系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]磨削加工是一種極其重要的精密加工方式，尤其是在航空航天部件加工、精密儀器部件加工以及光學(xué)組件加工等諸多領(lǐng)域得到了極大的認(rèn)可和廣泛的應(yīng)用，精密磨床是實(shí)現(xiàn)高精度磨削加工的關(guān)鍵，高精度電主軸則是精密磨床的核心，液體靜壓電主軸以其轉(zhuǎn)速高、振動小、穩(wěn)定性好等諸多方面的優(yōu)點(diǎn)正在被越來越多的精密磨床所使用，精密磨床實(shí)現(xiàn)精密磨削的過程中靜壓電主軸的工作性能將直接決定磨削工件的尺寸精度和表面質(zhì)量，因此對液體靜壓電主軸進(jìn)行性能測試是極其必要的。目前對于電主軸性能測試方法受到諸多條件的限制，很難應(yīng)用于高精度液體靜壓電主軸的性能測試中，主要體現(xiàn)在以下幾方面:
[0003]I)接觸式測量無法適用于電主軸動態(tài)性能測試，測試結(jié)果無法反應(yīng)出極其細(xì)微的變化，并且測試結(jié)果受到測試設(shè)備反應(yīng)速度的限制；
[0004]2)利用振動加速度傳感器對電主軸外部進(jìn)行性能測試方式受到液體靜壓電主軸結(jié)構(gòu)特性的限制，由于液體靜壓電主軸的結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致主軸轉(zhuǎn)子的振動特性無法傳遞到電主軸外部，繼而無法通過加速度傳感器對轉(zhuǎn)子運(yùn)行導(dǎo)致的振動進(jìn)行測試。
[0005]電主軸軸心軌跡測試能夠較為準(zhǔn)確地反應(yīng)主軸轉(zhuǎn)子運(yùn)行特性，對電主軸進(jìn)行軸心軌跡測試可以實(shí)現(xiàn)主軸運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控，更能準(zhǔn)確反映出主軸轉(zhuǎn)子的故障特征，并且電主軸軸心軌跡測試是利用非接觸式振動位移傳感器對電主軸進(jìn)行測試的方式，因此對高精度液體靜壓電主軸進(jìn)行軸心軌跡測試是較為合理的測試方式，然而目前的電主軸軸心軌跡測試系統(tǒng)具有以下幾方面的不足:
[0006]I)測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的測試轉(zhuǎn)速和測試精度都較低，無法適用于高速高精度液體靜壓電主軸的性能測試要求；
[0007]2)現(xiàn)有電主軸軸心軌跡性能測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在測試的過程中引入了較多的外界因素影響，導(dǎo)致測試結(jié)果中蘊(yùn)含了結(jié)構(gòu)配合、加工誤差多種復(fù)雜因素，因此測試結(jié)果不能準(zhǔn)確反映電主軸的動態(tài)性能；
[0008]3)目前已有的測試系統(tǒng)在對電主軸進(jìn)行軸心軌跡時其準(zhǔn)確度受到被測表面圓度輪廓的影響，得到的測試結(jié)果對被測試表面的依賴程度較高，無法滿足液體靜壓電主軸軸心軌跡的高精度測試需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種磨床的高精度液體靜壓電主軸軸心軌跡測試系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)及方法通過非接觸式能夠獲取高精度液體靜壓電主軸軸心軌跡，結(jié)構(gòu)簡單，測試方便。
[0010]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的磨床的高精度液體靜壓電主軸軸心軌跡測試系統(tǒng)包括測試盤、測試標(biāo)準(zhǔn)球、編碼器、傳感器支架、同步數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及若干振動位移傳感器；
[0011]待測高精度液體靜壓電主軸中主軸轉(zhuǎn)子的前端面開設(shè)有測試盤安裝接口，測試盤的一端套接于所述測試盤安裝接口內(nèi)，測試盤的另一端開設(shè)有測試標(biāo)準(zhǔn)球安裝接口，測試標(biāo)準(zhǔn)球內(nèi)嵌于所述測試標(biāo)準(zhǔn)球安裝接口內(nèi)，傳感器支架固定于待測高精度液體靜壓電主軸的前端面上，各振動位移傳感器固定于傳感器支架上，各振動位移傳感器均正對測試標(biāo)準(zhǔn)球的球心，各振動位移傳感器在同一徑向平面內(nèi)，測試標(biāo)準(zhǔn)球與各振動位移傳感器之間有間隙，編碼器安裝于待測高精度液體靜壓電主軸中主軸轉(zhuǎn)子的后端部；
[0012]各振動位移傳感器的輸出端及編碼器的輸出端均通過同步數(shù)據(jù)采集卡與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的輸入端相連接。
[0013]還包括定位螺母，定位螺母穿過待測高精度液體靜壓電主軸中主軸轉(zhuǎn)子的側(cè)面伸入到測試盤安裝接口內(nèi)且與測試盤的側(cè)面相接觸。
[0014]傳感器支架通過固定螺栓固定于待測高精度液體靜壓電主軸的前端面上。
[0015]各振動位移傳感器的輸出端均通過信號調(diào)理器與同步數(shù)據(jù)采集卡相連接。
[0016]信號調(diào)理器通過數(shù)據(jù)傳輸線纜與同步數(shù)據(jù)采集卡的輸入端相連接。
[0017]振動位移傳感器的數(shù)量為3個，傳感器支架上設(shè)有三個傳感器安裝孔，其中，一個振動位移傳感器位于一個傳感器安裝孔內(nèi)，三個振動位移傳感器中任意兩個振動位移傳感器的軸線均相交。
[0018]測試盤的側(cè)面沿周向設(shè)有若干用于安裝平衡配重的平衡配重孔。
[0019]測試標(biāo)準(zhǔn)球的直徑大于1倍振動位移傳感器探頭的直徑。
[0020]三個傳感器安裝孔處于測試標(biāo)準(zhǔn)球球心所在平面，且傳感器安裝孔之間的夾角依次為O。、45°及96.5° O
[0021]本發(fā)明所述的磨床的高精度液體靜壓電主軸軸心軌跡測試方法包括以下步驟:
[0022]高精度液體靜壓電主軸在工作過程中，各振動位移傳感器檢測高精度液體靜壓電主軸的振動位移信號，并經(jīng)高精度液體靜壓電主軸的振動位移信號發(fā)送至同步數(shù)據(jù)采集卡中，編碼器根據(jù)高精度液體靜壓電主軸的轉(zhuǎn)動周期產(chǎn)生脈沖信號，并將所述脈沖信號轉(zhuǎn)發(fā)至同步數(shù)據(jù)采集卡中，同步數(shù)據(jù)采集卡同步接收所述高精度液體靜壓電主軸的振動位移信號及所述脈沖信號，并將接收到的所述高精度液體靜壓電主軸的振動位移信號及脈沖信號轉(zhuǎn)發(fā)至中控計算機(jī)中，中控計算機(jī)根據(jù)高精度液體靜壓電主軸的振動位移信號及脈沖信號繪制磨床的高精度液體靜壓電主軸軸心軌跡，并顯示磨床的高精度液體靜壓電主軸軸心軌跡。
[0023]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0024]本發(fā)明所述的磨床的高精度液體靜壓電主軸軸心軌跡測試系統(tǒng)包括測試盤、測試標(biāo)準(zhǔn)球、編碼器、傳感器支架及若干振動位移傳感器，測試盤安裝于待測高精度液體靜壓電主軸中主軸轉(zhuǎn)子的測試盤安裝口中，測試標(biāo)準(zhǔn)球位于所述測試標(biāo)準(zhǔn)球安裝接口內(nèi)，振動位移傳感器通過傳感器支架固定于待測高精度液體靜壓電主軸的前端面，同時測試標(biāo)準(zhǔn)球與各振動位移傳感器之間有間隙，從而實(shí)現(xiàn)通過非接觸方式實(shí)現(xiàn)對液體靜壓電主軸的振動位移信號的檢測，與傳統(tǒng)方法中支架與主軸分離的方式相比，本發(fā)明消除了機(jī)床其他部件運(yùn)動導(dǎo)致的主軸與支架間的相對運(yùn)動，提高了測試的精度。本發(fā)明所述的磨床的高精度液體靜壓電主軸軸心軌跡測試方法在操作時，通過同步數(shù)據(jù)采集卡采集各振動位移傳感器檢測的振動位移信號以及編碼器產(chǎn)生的脈沖信號，同步性較好，中控計算機(jī)再根據(jù)所述振動位移信號及脈沖信號繪制高精度液體靜壓電主軸軸心軌跡，操作較為簡單，測試的精度較高。
[0025]進(jìn)一步，定位螺母穿過待測高精度液體靜壓電主軸中主軸轉(zhuǎn)子的側(cè)面伸入到測試盤安裝接口內(nèi)且與測試盤的側(cè)面相接觸，通過所述定位螺母調(diào)整測試盤的位置，使得測試盤與主軸轉(zhuǎn)子具有良好的同心度，從而有效的提高測試的精度。
[0026]進(jìn)一步，測試盤的側(cè)面沿周向設(shè)有若干用于安裝平衡配重的平衡配重孔，用以平衡定位螺母位置變化導(dǎo)致的主軸轉(zhuǎn)子不平衡，降低由于附加測試盤產(chǎn)生的不平衡而影響主軸測試精度。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0028]圖2為本發(fā)明的電路原理圖；
[0029]圖3為本發(fā)明中振動位移傳感器11與測試標(biāo)準(zhǔn)球14的位置關(guān)系圖。
[0030]其中，I為傳感器安裝孔、2為高精度液體靜壓電主軸、3為主軸轉(zhuǎn)子、4為編碼器、5為測試盤、6為定位螺母、7為中控計算機(jī)、8為同步數(shù)據(jù)采集卡、9為傳感器支架、10為固定螺栓、11為振動位移傳感器、12為信號調(diào)理器、13為數(shù)據(jù)傳輸線纜、14為測試標(biāo)準(zhǔn)球。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0032]參考圖1、圖2及圖3，本發(fā)明所述的磨床的高精度液體靜壓電主軸軸心軌跡測試系統(tǒng)包括測試盤5、測試標(biāo)準(zhǔn)球14、編碼器4、傳感器支架9、同步數(shù)據(jù)采集卡8、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及若干振動位移傳感器11;待測高精度液體靜壓電主軸2中主軸轉(zhuǎn)子3的前端面開設(shè)有測試盤安裝接口，測試盤5的一端套接于所述測試盤安裝接口內(nèi)，測試盤5的另一端開設(shè)有測試標(biāo)準(zhǔn)球安裝接口，測試標(biāo)準(zhǔn)球14內(nèi)嵌于所述測試標(biāo)準(zhǔn)球安裝接口內(nèi)，傳感器支架9固定于待測高精度液體靜壓電主軸2的前端面上，各振動位移傳感器11固定于傳感器支架9上，各振動位移傳感器11均正對測試標(biāo)準(zhǔn)球14的球心，各振動位移傳感器11在同一徑向平面內(nèi)，測試標(biāo)準(zhǔn)球14與各振動位移傳感器11之間有間隙，編碼器4安裝于待測高精度液體靜壓電主軸2中主軸轉(zhuǎn)子3的后端部;各振動位移傳感器11的輸出端及編碼器4的輸出端均通過同步數(shù)據(jù)采集卡8與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的輸入端相連接。
[0033]需要說明的是，本發(fā)明還包括定位螺母6，定位螺母6穿過待測高精度液體靜壓電主軸2中主軸轉(zhuǎn)子3的側(cè)面伸入到測試盤安裝接口內(nèi)且與測試盤5的側(cè)面相接觸;傳感器支架9通過固定螺栓10固定于待測高精度液體靜壓電主軸2的前端面上;各振動位移傳感器11的輸出端均通過信號調(diào)理器12與同步數(shù)據(jù)采集卡8相連接;信號調(diào)理器12通過數(shù)據(jù)傳輸線纜13與同步數(shù)據(jù)采集卡8的輸入端相連接。
[0034]振動位移傳感器11的數(shù)量為3個，傳感器支架9上設(shè)有三個傳感器安裝孔I，其中，一個振動位移傳感器11位于一個傳感器安裝孔I內(nèi)，三個振動位移傳感器11中任意兩個振動位移傳感器11的軸線均相交;測試盤5的側(cè)面沿周向設(shè)有若干用于安裝平衡配重的平衡配重孔;測試標(biāo)準(zhǔn)球14的直徑大于10倍振動位移傳感器11探頭的直徑;三個傳感器安裝孔I處于測試標(biāo)準(zhǔn)球14球心所在平面，且傳感器安裝孔之間的夾角依次為0°、45°及96.5°。
[0035]本發(fā)明所述的磨床的高精度液體靜壓電主軸軸心軌跡測試方法包括以下步驟:
[0036]高精度液體靜壓電主軸2在工作過程中，各振動位移傳感器11檢測高精度液體靜壓電主軸2的振動位移信號，并經(jīng)高精度液體靜壓電主軸2的振動位移信號發(fā)送至同步數(shù)據(jù)采集卡8中，編碼器4根據(jù)高精度液體靜壓電主軸2的轉(zhuǎn)動周期產(chǎn)生脈沖信號，并將所述脈沖信號轉(zhuǎn)發(fā)至同步數(shù)據(jù)采集卡8中，同步數(shù)據(jù)采集卡8同步接收所述高精度液體靜壓電主軸2的振動位移信號及所述脈沖信號，并將接收到的所述高精度液體靜壓電主軸2的振動位移信號及脈沖信號轉(zhuǎn)發(fā)至中控計算機(jī)7中，中控計算機(jī)7根據(jù)高精度液體靜壓電主軸2的振動位移信號及脈沖信號繪制磨床的高精度液體靜壓電主軸2軸心軌跡，并顯示磨床的高精度液體靜壓電主軸2軸心軌跡。
[0037]所述高精度液體靜壓電主軸2為精密磨床進(jìn)行磨削作業(yè)的主軸，無需從機(jī)床上將磨床的高精度液體靜壓電主軸2軸心軌跡拆卸至專門的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下再對其進(jìn)行軸心軌跡性能測試，實(shí)現(xiàn)了高精度液體靜壓電主軸2在作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下的軸心軌跡性能測試。
[0038]高精度液體靜壓電主軸2固定于精密磨床上，在對其進(jìn)行軸心軌跡性能測試時，首先將測試盤5通過測試盤安裝接口安裝在高精度液體靜壓電主軸2的主軸轉(zhuǎn)子3上，通過調(diào)整定位螺母6調(diào)節(jié)測試盤5的位置，進(jìn)而提高測試精度，所述測試盤5的側(cè)面具有多個平衡配重孔，所述平衡配重孔設(shè)有內(nèi)螺紋，通過給所述平衡配重孔中添加平衡配重平衡由于定位螺母6位置變化導(dǎo)致的主軸轉(zhuǎn)子3不平衡，降低由于附加測試盤5產(chǎn)生的不平衡而影響高精度液體靜壓電主軸2的測試精度，所述平衡配重孔的個數(shù)為大于4的偶數(shù)，且在測試盤5的同一半徑位置均勾分布。
[0039]所述測試盤5的質(zhì)量與高精度液體靜壓電主軸2在磨削加工狀態(tài)下所使用的砂輪質(zhì)量相同，準(zhǔn)確模擬實(shí)際加工過程中高精度液體靜壓電主軸2的運(yùn)行狀態(tài)。
[0040]所述測試標(biāo)準(zhǔn)球14表面的圓度輪廓誤差小于50nm，所述測試標(biāo)準(zhǔn)球14直徑為振動位移傳感器11探頭直徑的10倍以上，以保證振動位移傳感器11測量值在有效傳感范圍內(nèi)；振動位移傳感器11的端面與測試標(biāo)準(zhǔn)球14之間的距離位于振動位移傳感器11的有效測試范圍內(nèi)，所述振動位移傳感器11的分辨率&〈2511111。
[0041]所述編碼器4與主軸轉(zhuǎn)子3同步旋轉(zhuǎn)，每周產(chǎn)生一個脈沖信號，利用所述脈沖信號上升沿或者下降沿作為觸發(fā)對振動位移信號的初始相位進(jìn)行判斷。
[0042]所述同步數(shù)據(jù)采集卡8采用NI公司的USB-4432信號采集卡，所述同步數(shù)據(jù)采集卡8能夠?qū)崿F(xiàn)5通道24位同步數(shù)據(jù)采集功能。
[0043]中控計算機(jī)7對獲取的振動位移信息進(jìn)行預(yù)處理，利用編碼器4同步采樣的脈沖信號確定截取觸發(fā)脈沖信號的鑒相位置并對振動位移信號進(jìn)行數(shù)據(jù)段的截取，確保每次分析處理的采樣數(shù)據(jù)起始位置一致。然后采用三點(diǎn)法誤差分離方法對預(yù)處理后的振動位移信號進(jìn)行分離，確定被測試表面圓度輪廓誤差，并根據(jù)分離出的振動位移信號計算獲得磨床的高精度液體靜壓電主軸2軸心軌跡。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種磨床的高精度液體靜壓電主軸軸心軌跡測試系統(tǒng)，其特征在于，包括測試盤(5)、測試標(biāo)準(zhǔn)球(14)、編碼器(4)、傳感器支架(9)、同步數(shù)據(jù)采集卡(8)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及若干振動位移傳感器(11); 待測高精度液體靜壓電主軸(2)中主軸轉(zhuǎn)子(3)的前端面開設(shè)有測試盤安裝接口，測試盤(5)的一端套接于所述測試盤安裝接口內(nèi)，測試盤(5)的另一端開設(shè)有測試標(biāo)準(zhǔn)球安裝接口，測試標(biāo)準(zhǔn)球(14)內(nèi)嵌于所述測試標(biāo)準(zhǔn)球安裝接口內(nèi)，傳感器支架(9)固定于待測高精度液體靜壓電主軸(2)的前端面上，各振動位移傳感器(11)固定于傳感器支架(9)上，各振動位移傳感器(11)均正對測試標(biāo)準(zhǔn)球(14)的球心，各振動位移傳感器(11)在同一徑向平面內(nèi)，測試標(biāo)準(zhǔn)球(14)與各振動位移傳感器(11)之間有間隙，編碼器(4)安裝于待測高精度液體靜壓電主軸(2)中主軸轉(zhuǎn)子(3)的后端部； 各振動位移傳感器(11)的輸出端及編碼器(4)的輸出端均通過同步數(shù)據(jù)采集卡(8)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的輸入端相連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磨床的高精度液體靜壓電主軸軸心軌跡測試系統(tǒng)，其特征在于，還包括定位螺母(6)，定位螺母(6)穿過待測高精度液體靜壓電主軸(2)中主軸轉(zhuǎn)子(3)的側(cè)面伸入到測試盤安裝接口內(nèi)且與測試盤(5)的側(cè)面相接觸。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磨床的高精度液體靜壓電主軸軸心軌跡測試系統(tǒng)，其特征在于，傳感器支架(9)通過固定螺栓(10)固定于待測高精度液體靜壓電主軸(2)的前端面上。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磨床的高精度液體靜壓電主軸軸心軌跡測試系統(tǒng)，其特征在于，各振動位移傳感器(11)的輸出端均通過信號調(diào)理器(12)與同步數(shù)據(jù)采集卡(8)相連接。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磨床的高精度液體靜壓電主軸軸心軌跡測試系統(tǒng)，其特征在于，信號調(diào)理器(12)通過數(shù)據(jù)傳輸線纜(13)與同步數(shù)據(jù)采集卡(8)的輸入端相連接。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磨床的高精度液體靜壓電主軸軸心軌跡測試系統(tǒng)，其特征在于，振動位移傳感器(11)的數(shù)量為3個，傳感器支架(9)上設(shè)有三個傳感器安裝孔(I)，其中，一個振動位移傳感器(II)位于一個傳感器安裝孔(I)內(nèi)，三個振動位移傳感器(II)中任意兩個振動位移傳感器(11)的軸線均相交。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磨床的高精度液體靜壓電主軸軸心軌跡測試系統(tǒng)，其特征在于，測試盤(5)的側(cè)面沿周向設(shè)有若干用于安裝平衡配重的平衡配重孔。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磨床的高精度液體靜壓電主軸軸心軌跡測試系統(tǒng)，其特征在于，測試標(biāo)準(zhǔn)球(14)的直徑大于10倍振動位移傳感器(11)探頭的直徑。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磨床的高精度液體靜壓電主軸軸心軌跡測試系統(tǒng)，其特征在于，三個傳感器安裝孔(I)處于測試標(biāo)準(zhǔn)球(14)球心所在平面，且傳感器安裝孔之間的夾角依次為0°、45°及96.5° ο10.—種磨床的高精度液體靜壓電主軸軸心軌跡測試方法，基于權(quán)利要求1所述的磨床的高精度液體靜壓電主軸軸心軌跡測試系統(tǒng)，包括以下步驟: 高精度液體靜壓電主軸(2)在工作過程中，各振動位移傳感器(II)檢測高精度液體靜壓電主軸(2)的振動位移信號，并經(jīng)高精度液體靜壓電主軸(2)的振動位移信號發(fā)送至同步數(shù)據(jù)采集卡(8)中，編碼器(4)根據(jù)高精度液體靜壓電主軸(2)的轉(zhuǎn)動周期產(chǎn)生脈沖信號，并將所述脈沖信號轉(zhuǎn)發(fā)至同步數(shù)據(jù)采集卡(8)中，同步數(shù)據(jù)采集卡(8)同步接收所述高精度液體靜壓電主軸(2)的振動位移信號及所述脈沖信號，并將接收到的所述高精度液體靜壓電主軸(2)的振動位移信號及脈沖信號轉(zhuǎn)發(fā)至中控計算機(jī)(7)中，中控計算機(jī)(7)根據(jù)高精度液體靜壓電主軸(2)的振動位移信號及脈沖信號繪制磨床的高精度液體靜壓電主軸(2)軸心軌跡，并顯示磨床的高精度液體靜壓電主軸(2)軸心軌跡。
【文檔編號】G01M13/00GK105938044SQ201610230518
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年4月14日
【發(fā)明人】梅雪松, 胡振邦, 姜歌東, 張東升, 許睦旬, 杜興
【申請人】西安交通大學(xué)