一种电主轴转动状态下的刚度建模和间接检测方法技术

本发明专利技术公开了一种电主轴转动状态下的刚度建模和间接检测方法，主要针对难以直接检测在转动状态下的电主轴刚度问题，给出了一种电主轴刚度的间接检测方法。该方法采用小挠度微分方程和虎克定律分别建立转轴、轴承、定制刀柄和主轴刀柄结合面的变形方程；运用叠加原理，得到转轴、轴承、主轴刀柄结合面、定制刀柄等组成的电主轴系统的刚度模型。基于加载装置、主轴回转误差分析仪组成的检测系统，对电主轴静止状态下的转轴、主轴刀柄结合面和定制刀柄的刚度值进行辨识，再对电主轴转动状态下的轴承刚度值进行辨识，最后基于电主轴刚度模型，计算电主轴的真实刚度。该方法可准确检测电主轴刚度，可用于电主轴性能测试试验。

Stiffness modeling and indirect detection method for rotating spindle of electric spindle

The invention discloses a method of stiffness modeling and indirect detection in the rotating state of electric spindle, which is mainly aimed at the stiffness problem of the motorized spindle which can hardly be detected directly in the rotating state, and an indirect method for detecting the stiffness of the spindle is given. This method uses the differential equation of small deflection and Hooke's law to establish the deformation equation of the joint of the shaft, the bearing, the custom handle and the shaft of the spindle, and the stiffness model of the spindle, the bearing, the joint of the spindle and the handle of the tool shaft is obtained by using the superposition principle. Based on the testing system composed of the loading device and the spindle rotary error analyzer, the stiffness values of the rotating shaft, the joint surface of the spindle and the tailor handle of the spindle are identified, and the bearing stiffness value of the spindle is identified. Finally, based on the stiffness model of the electric main axis, the truth of the spindle is calculated. Rigidity. The method can accurately detect the rigidity of motorized spindle and can be used for the test of spindle performance.

【技术实现步骤摘要】
一种电主轴转动状态下的刚度建模和间接检测方法
本专利技术涉及电主轴性能检测领域，具体涉及电主轴在转动状态下的刚度建模和间接检测方法。
技术介绍
电主轴技术的快速发展使高速数控加工技术得到广泛应用。电主轴通过将数控机床主轴和主轴电机融为一体，使数控机床的主轴部件从机床的传动系统和整体结构中独立出来，具有结构紧凑、重量轻、惯性小、转速高、精度高、噪声低、响应快等优点。目前，电主轴不仅需要精确地高速运行，而且还要具有高刚度。电主轴的运动精度和刚度直接影响数控机床的加工精度和工件的表面质量。电主轴在转动状态下的刚度过低通常会导致颤振，刀片过度倾斜和不需要的回切。因此，为了保证最佳的加工工艺和可靠的操作，需要对电主轴的刚度进行检测，并评估其在转动状态下的性能。电主轴的刚度可以分为静态刚度和旋转条件下的刚度。由于电主轴在高速转动时，无法在电主轴的前端同时施加力和检测施加力方向的变形量，因此对于电主轴的刚度检测一般在静止状态下进行检测。但由于数控机床在加工时，电主轴处于旋转状态，因此检测电主轴处于旋转状态下的刚度，更能准确评估电主轴刚度。此外，由于电主轴在旋转时会产生离心力和回转力矩，导致电主轴内部元件之间的位置和间隙发生改变，从而使电主轴刚度发生变化。因此需要对电主轴在旋转状态下的刚度进行检测。本专利技术提出一种电主轴转动状态下的刚度建模和间接检测方法，针对电主轴在旋转状态下刚度无法直接检测的问题，首先通过变形方程和叠加原理，建立电主轴系统的刚度模型，并分别在电主轴静止状态下和转动状态下，辨识电主轴系统刚度模型中的参数，最终经过模型转换得到电主轴在不同转速下的刚度值。本专利技术方法可应用在电主轴的性能测试，可对电主轴的刚度进行准确地检测。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种电主轴转动状态下的刚度建模和间接检测方法，主要用来解决电主轴转动刚度难以直接检测的问题。本专利技术的技术方案如下：一种主轴转动状态下的刚度建模和间接检测方法，所述的电主轴包括前轴承、后轴承和转轴；电主轴、定制刀柄、主轴刀柄结合面和标准球目标共同组成电主轴系统，其特征在于，所述的刚度建模和检测方法包括如下步骤：1)将电主轴系统中的转轴和定制刀柄简化为两根相接的简支梁，并基于小挠度微分方程，建立转轴和定制刀柄的变形方程：其中，w1(z)是所述的转轴和定制刀柄所组成的简支梁的变形量，F是施加在定制刀柄上的外力，z是转轴和定制刀柄组成的简支梁上的点距后轴承的长度，l1是前轴承距后轴承的长度，l2是电主轴最前端距前轴承的长度，l3是定制刀柄的长度，k1、k2分别表示转轴、定制刀柄的刚度，C1,C2,C3,C4,D1,D2,D3和D4是常量，由主轴系统的内部结构确定；2)基于虎克定律，建立电主轴系统中的前轴承和后轴承的变形方程：其中，w2(z)表示前轴承和后轴承产生的变形量，k3、k4分别表示后轴承、前轴承的刚度；3)基于虎克定律，建立主轴刀柄结合面的变形方程：其中，w3(z)表示主轴刀柄结合面产生的变形量，k5表示主轴刀柄结合面的刚度；4)基于叠加原理，将步骤1)中的转轴和定制刀柄变形量，步骤2)中的前轴承和后轴承的变形量，以及步骤3)中的主轴刀柄结合面的变形量进行相加，建立电主轴系统的变形方程：其中，w(z)表示电主轴系统的变形量，B1(z),B2(z),B3(z),B4(z)和B5(z)分别为转轴、定制刀柄、前轴承、后轴承、主轴刀柄结合面在z点的常量；5)将施加在定制刀柄上的外力除以电主轴系统的变形量，得到电主轴系统的刚度模型：其中Kd(z)表示电主轴系统在z点的刚度值；6)基于叠加原理，将步骤1)中的转轴和定制刀柄变形量，步骤2)中的前轴承和后轴承的变形量进行相加，得到电主轴的变形量，并将施加在电主轴前端的外力除以电主轴的变形量，得到电主轴的刚度模型：其中Kspindle表示电主轴的刚度值；7)在电主轴静止状态下，对所述的定制刀柄施加力，并通过位移传感器采集电主轴系统在不同力作用情况下的位移；基于线性最小二乘法，建立力和位移的一次线性方程，其中线性方程的斜率即为电主轴系统在位移传感器检测位置的刚度值，所述的电主轴系统在位移传感器检测位置的刚度值的计算公式为：其中，wi(z)是当施加在定制刀柄(4)上的力为Fi时z点的位移；n表示检测次数，表示检测n次所施加的力的平均值，表示检测n次的位移的平均值；8)改变位移传感器检测位置，重复步骤7)m次，得到电主轴系统中m个不同位置的刚度值，所述的m是大于等于5的正整数；9)基于广义逆，将步骤8)得到的电主轴系统上m个位置的刚度值和根据步骤5)中计算得到的电主轴系统刚度值进行拟合，计算得到转轴、定制刀柄和主轴刀柄结合面的刚度值以及静止状态下的前轴承和后轴承的刚度值，即：其中，z6,z7,z8表示电主轴系统上不同位置的测点；10)在电主轴转动状态下，对所述的定制刀柄施加力，并采用主轴回转误差分析仪采集标准球目标的回转运动曲线；基于最小二乘圆算法，得到不同的力作用下，标准球目标的回转运动曲线的最小二乘圆圆心位置；基于勾股定理得到不同力作用下，最小二乘圆圆心位置的位移量；基于线性最小二乘法，建立不同力和最小二乘圆圆心位置的位移量的一次线性方程，其中线性方程的斜率即为电主轴系统在转动状态下的刚度值，所述的电主轴在转动状态下的刚度值计算公式为：其中，dj(z)是对定制刀柄施加的力为Fj时，z点的回转运动曲线的最小二乘圆圆心位置的位移量；n表示检测次数，表示检测n次所施加的力的平均值，表示检测n次的最小二乘圆圆心位置的位移量的平均值；11)将步骤10)得到的电主轴系统在转动状态下的刚度值和根据步骤5)中计算得到的电主轴系统刚度值进行拟合，计算得到前轴承、后轴承在不同转速下的刚度值，计算公式为：其中，z4和z5分别表示标准球目标上的两个不同位置；12)基于步骤6)的电主轴刚度模型，将步骤9)和步骤11)中辨识的转轴刚度值、前轴承刚度值和后轴承刚度值代入电主轴刚度模型，得到最终的电主轴刚度值：所述的一种电主轴转动状态下的刚度建模和间接检测方法，其特征在于，最小二乘圆算法采用最小二乘圆近似算法来计算最小二乘圆圆心，计算公式为：其中x0和y0表示最小二乘圆圆心的横坐标和纵坐标，A1、A2、A3、A4和A5表示中间变量，分别为：其中xi和yi表示两个位移传感器检测到的信号,n表示检测次数。所述的一种电主轴转动状态下的刚度建模和间接检测方法，其特征在于，所述的标准球目标采用双标准球、精密针规或标准棒。本专利技术具有以下优点及突出性的技术效果：本专利技术提出一种电主轴转动状态下的刚度建模和间接检测方法，针对电主轴刚度无法检测的问题，首先通过小挠度微分方程、虎克定律和叠加原理，建立电主轴系统的刚度模型，并分别在电主轴静止状态下和转动状态下，辨识电主轴系统刚度模型中的参数，最终经过模型转换得到电主轴在不同转速下的刚度值。本专利技术方法可应用在电主轴的性能测试，可准确检测电主轴的刚度。附图说明图1为本专利技术提供的一种电主轴转动状态下的刚度建模和间接检测方法的流程图。图2为电主轴系统和性能检测系统图。图3为转轴和定制刀柄的刚度模型原理图。图4为前轴承和后轴承的刚度模型原理图。图5为主轴刀柄结合面的刚度模型原理图。图6为电主轴前端标准球球心旋转曲线。图7为电主轴旋本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种主轴转动状态下的刚度建模和间接检测方法，所述的电主轴包括前轴承(3)、后轴承(1)和转轴(2)；电主轴、定制刀柄(4)、主轴刀柄结合面和标准球目标共同组成电主轴系统，其特征在于，所述的刚度建模和检测方法包括如下步骤：1)将电主轴系统中的转轴(2)和定制刀柄(4)简化为两根相接的简支梁，并基于小挠度微分方程，建立转轴(2)和定制刀柄(4)的变形方程：

【技术特征摘要】
1.一种主轴转动状态下的刚度建模和间接检测方法，所述的电主轴包括前轴承(3)、后轴承(1)和转轴(2)；电主轴、定制刀柄(4)、主轴刀柄结合面和标准球目标共同组成电主轴系统，其特征在于，所述的刚度建模和检测方法包括如下步骤：1)将电主轴系统中的转轴(2)和定制刀柄(4)简化为两根相接的简支梁，并基于小挠度微分方程，建立转轴(2)和定制刀柄(4)的变形方程：其中，w1(z)是所述的转轴(2)和定制刀柄(4)所组成的简支梁的变形量，F是施加在定制刀柄(4)上的外力，z是转轴(2)和定制刀柄(4)组成的简支梁上的点距后轴承(1)的长度，l1是前轴承(3)距后轴承(1)的长度，l2是电主轴最前端距前轴承(3)的长度，l3是定制刀柄(4)的长度，k1、k2分别表示转轴(2)、定制刀柄(4)的刚度，C1,C2,C3,C4,D1,D2,D3和D4是常量，由主轴系统的内部结构确定；2)基于虎克定律，建立电主轴系统中的前轴承(3)和后轴承(1)的变形方程：其中，w2(z)表示前轴承(3)和后轴承(1)产生的变形量，k3、k4分别表示后轴承(1)、前轴承(3)的刚度；3)基于虎克定律，建立主轴刀柄结合面的变形方程：其中，w3(z)表示主轴刀柄结合面产生的变形量，k5表示主轴刀柄结合面的刚度；4)基于叠加原理，将步骤1)中的转轴(2)和定制刀柄(4)变形量，步骤2)中的前轴承(3)和后轴承(1)的变形量，以及步骤3)中的主轴刀柄结合面的变形量进行相加，建立电主轴系统的变形方程：其中，w(z)表示电主轴系统的变形量，B1(z),B2(z),B3(z),B4(z)和B5(z)分别为转轴(2)、定制刀柄(4)、前轴承(3)、后轴承(1)、主轴刀柄结合面在z点的常量；5)将施加在定制刀柄(4)上的外力除以电主轴系统的变形量，得到电主轴系统的刚度模型：其中Kd(z)表示电主轴系统在z点的刚度值；6)基于叠加原理，将步骤1)中的转轴(2)和定制刀柄(4)变形量，步骤2)中的前轴承(3)和后轴承(1)的变形量进行相加，得到电主轴的变形量，并将施加在电主轴前端的外力除以电主轴的变形量，得到电主轴的刚度模型：其中Kspindle表示电主轴的刚度值；7)在电主轴静止状态下，对所述的定制刀柄(4)施加力，并通过位移传感器(6)采集电主轴系统在不同力作用情况下的位移；基于线性最小二乘法，建立力和位移的一次线性方程，其中线性方程的斜率即为电主轴系统在位移传感器(6)检测位置的刚度值，所述的电主轴系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：王立平，吴军，张彬彬，赵钦志，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11