田勝利，陳小安，王健，趙興新

(1.重慶工商大學(xué) 制造裝備機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400067；2.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；3.重慶長(zhǎng)江軸承股份有限公司 博士后工作站，重慶 401336；4.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

隨著高速/超高速、精密/超精密加工要求的不斷提高，高速電主軸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和可靠性成為高速電主軸技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1]。然而，有關(guān)高速電主軸試驗(yàn)方法的研究不足且試驗(yàn)手段相對(duì)簡(jiǎn)單，綜合測(cè)試技術(shù)研究較少，加載測(cè)試尚有困難，特別是試驗(yàn)方法的研究與其復(fù)雜動(dòng)態(tài)性能等基礎(chǔ)問(wèn)題的研究脫節(jié)，一方面導(dǎo)致高速電主軸相關(guān)試驗(yàn)技術(shù)缺乏試驗(yàn)方法的指導(dǎo)，另一方面則導(dǎo)致高速電主軸復(fù)雜動(dòng)態(tài)性能等基礎(chǔ)問(wèn)題研究也缺乏試驗(yàn)手段支撐。

在高速電主軸單元上集成動(dòng)態(tài)性能在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和調(diào)控功能是突破其相關(guān)試驗(yàn)技術(shù)的首要任務(wù)[2]。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種基于液壓執(zhí)行器的預(yù)緊力可調(diào)高速電主軸，并通過(guò)測(cè)試主軸剛度和溫升驗(yàn)證了其可行性；文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種利用電渦流傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子熱位移進(jìn)行熱補(bǔ)償?shù)碾娭鬏S，與傳統(tǒng)的熱電偶熱補(bǔ)償法相比，該電主軸可以更精確地實(shí)現(xiàn)熱補(bǔ)償；文獻(xiàn)[5]在研究油霧潤(rùn)滑對(duì)電主軸摩擦損耗影響時(shí)指出熱電偶應(yīng)盡量布置在靠近軸承外圈處；文獻(xiàn)[6]指出傳統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)球?yàn)閰⒖紲y(cè)量電主軸回轉(zhuǎn)特性的方法只適合空載、低速和無(wú)刀具工況，無(wú)法表征電主軸實(shí)際加工過(guò)程中的回轉(zhuǎn)特性：以上研究針對(duì)高速電主軸特定的動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)或調(diào)控提出解決方案，但存在動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)傳感器單一、集成化程度不高的問(wèn)題，無(wú)法滿(mǎn)足高速電主軸動(dòng)態(tài)性能的綜合測(cè)試需求。

在高速電主軸單元?jiǎng)討B(tài)性能試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)企業(yè)通常僅進(jìn)行電主軸產(chǎn)品出廠空載運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試，或按照普通機(jī)械主軸的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范測(cè)試徑向跳動(dòng)來(lái)檢測(cè)運(yùn)行精度以及靜剛度等指標(biāo)，多數(shù)企業(yè)不具備動(dòng)態(tài)輸出扭矩、動(dòng)態(tài)剛度、平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間等電主軸產(chǎn)品關(guān)鍵性能指標(biāo)的研究和檢測(cè)能力。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了基于電力測(cè)功加載系統(tǒng)和壓電陶瓷加載系統(tǒng)的高速電主軸可靠性試驗(yàn)臺(tái)；文獻(xiàn)[8]研制了高速電主軸單元試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了電主軸單元的軸承溫度、振動(dòng)、回轉(zhuǎn)精度等特征參數(shù)的測(cè)試；文獻(xiàn)[9]對(duì)主軸回轉(zhuǎn)誤差、激振試驗(yàn)、預(yù)緊力測(cè)量等技術(shù)做了深入研究；文獻(xiàn)[10]研發(fā)了一種非接觸氣膜加載裝置，并測(cè)試了轉(zhuǎn)速和徑向力對(duì)高速電主軸動(dòng)態(tài)支承剛度的影響；文獻(xiàn)[11-12]研制了一種非接觸式電磁加載裝置，并測(cè)量了各影響因素對(duì)電主軸剛度的影響規(guī)律；文獻(xiàn)[13]建立了電主軸熱穩(wěn)定性研究試驗(yàn)臺(tái)，利用五點(diǎn)分布法同步測(cè)量電主軸的旋轉(zhuǎn)精度和溫度場(chǎng)分布：以上試驗(yàn)平臺(tái)的功能單一，而且電主軸關(guān)鍵指標(biāo)的檢測(cè)方法仍存在缺陷，高速動(dòng)態(tài)加載依然困難。

鑒于此，在某型高速電主軸基礎(chǔ)上集成多種檢測(cè)功能制成試驗(yàn)樣機(jī)，并搭建了通用性較強(qiáng)的高速電主軸動(dòng)態(tài)性能綜合測(cè)試系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)高速電主軸的溫升特性、三維振動(dòng)特性、熱膨脹特性、輸出特性、電磁特性、機(jī)械摩擦損耗、動(dòng)態(tài)支承剛度等動(dòng)態(tài)性能的在線(xiàn)測(cè)量。

1 高速電主軸試驗(yàn)樣機(jī)

集成多種檢測(cè)功能的高速電主軸試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。電主軸內(nèi)置多種檢測(cè)傳感器，可實(shí)時(shí)檢測(cè)電主軸實(shí)際加工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)，其中內(nèi)置的軸向電渦流傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電主軸加工過(guò)程中的軸向熱膨脹量，有效指導(dǎo)數(shù)控機(jī)床的熱補(bǔ)償量。另外，該電主軸還具有預(yù)緊力在線(xiàn)調(diào)節(jié)功能。

1—前軸承座；2，3—循環(huán)水套；4—定子；5—轉(zhuǎn)子；6—?jiǎng)悠胶猸h(huán)；7—?dú)んw；8—彈簧；9—后軸承座；10—直線(xiàn)滾動(dòng)支承；11—U形支架；12—后端蓋；13—壓電陶瓷；14—壓力傳感器；15—齒輪；16—編碼器；17，20，23—溫度傳感器；18—后軸承；19，22，25—電渦流傳感器；21—旋轉(zhuǎn)軸；24—前軸承。

溫度傳感器17和23安裝在軸承座上并與軸承外圈直接接觸，溫度傳感器20安裝在殼體上并與定子接觸。內(nèi)置磁感應(yīng)式編碼器安裝在后軸承座上，旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n為

(1)

式中：N為編碼器捕獲的脈沖數(shù)；Z為齒輪的齒數(shù)；T為編碼器的倍頻；t為采樣時(shí)間。

預(yù)緊力在線(xiàn)調(diào)節(jié)裝置包括一系列壓縮彈簧、軸向可移動(dòng)后軸承座、微型壓力傳感器和封裝壓電陶瓷。前軸承(B7005/C)和后軸承(B7003/C)均采用串聯(lián)后背對(duì)背(QBC配置)的安裝方式，同時(shí)通過(guò)預(yù)緊力在線(xiàn)調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)調(diào)壓預(yù)緊。封裝壓電陶瓷通過(guò)螺紋連接安裝于后端蓋上，通過(guò)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源調(diào)控供電電壓控制其膨脹量，進(jìn)而調(diào)控壓電陶瓷對(duì)后軸承座的推力F1，推力值由微型壓力傳感器測(cè)量，則軸承的預(yù)緊力F2為[14]

F2=F0-F1，

(2)

式中：F0為壓縮彈簧提供的恒定預(yù)緊力，在安裝之前通過(guò)壓簧機(jī)測(cè)得。

高速電主軸內(nèi)部的回轉(zhuǎn)特性(靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的端面跳動(dòng)、徑向跳動(dòng)和傾角跳動(dòng))主要通過(guò)電渦流傳感器測(cè)量。電主軸回轉(zhuǎn)特性測(cè)試采用的5個(gè)電渦流傳感器的布置方式如圖2所示。在電主軸內(nèi)部布置電渦流傳感器主要有2大優(yōu)點(diǎn)：1)有利于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電主軸實(shí)際切削加工過(guò)程中(即在負(fù)載條件下)的回轉(zhuǎn)特性，監(jiān)測(cè)過(guò)程不受切削環(huán)境的影響；2)可以測(cè)量電主軸內(nèi)部轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)特性，為電主軸的模態(tài)分析和軸承動(dòng)態(tài)支承剛度等研究提供試驗(yàn)條件。

圖2 高速電主軸內(nèi)傳感器布置示意圖

高速電主軸的熱膨脹量由軸向電渦流傳感器(圖2中Z1)測(cè)量。軸向電渦流傳感器不會(huì)影響電主軸的實(shí)際加工，而且測(cè)得的軸向熱膨脹量更接近刀尖的熱膨脹量[15]，結(jié)合數(shù)控機(jī)床熱補(bǔ)償調(diào)控策略可有效地提高電主軸的加工精度。

2 高速電主軸動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)

如圖3所示，高速電主軸試驗(yàn)樣機(jī)包括高頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、潤(rùn)滑和冷卻、電主軸單元等[16]。高速電主軸動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)可以測(cè)試加載、溫升特性、回轉(zhuǎn)特性、輸出特性、電磁特性和動(dòng)態(tài)支承剛度等性能指標(biāo)。

圖3 高速電主軸及其動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)

2.1 高頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

高頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括變頻器、控制柜、斷路器和EMC輸入/輸出濾波器等。變頻器支持V/f分離控制，可實(shí)現(xiàn)輸出電壓和輸出頻率的單獨(dú)控制，輸出頻率主要決定電主軸的轉(zhuǎn)速，而輸出電壓決定了電主軸的功率損耗，該功能為分離電主軸的機(jī)械損耗和電磁損耗提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)[17]。變頻器專(zhuān)用EMC輸入/輸出濾波器主要用于抑制變頻器輸入端對(duì)電網(wǎng)和輸出端對(duì)其他數(shù)字設(shè)備產(chǎn)生的干擾。

2.2 潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)

油氣潤(rùn)滑不僅具有潤(rùn)滑效果，還能吸收軸承產(chǎn)生的熱量，可同時(shí)為軸承提供潤(rùn)滑和冷卻，是一種先進(jìn)的潤(rùn)滑技術(shù)[18]。通過(guò)油量控制器控制高壓油泵的供油時(shí)間間隔可以有效控制供油量。通過(guò)調(diào)壓閥可以有效調(diào)節(jié)供氣壓力，壓力值由壓力表顯示。油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的供油量和供氣壓力調(diào)控方便準(zhǔn)確，為研究油氣潤(rùn)滑參數(shù)對(duì)電主軸動(dòng)態(tài)性能的影響和最佳油氣潤(rùn)滑參數(shù)的選擇提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)[19]。

高速電主軸的冷卻方式主要包括油冷和水冷。由于水冷的冷卻速度較快，因此試驗(yàn)電主軸采用循環(huán)水冷卻。為了防止電主軸內(nèi)部的循環(huán)水路生銹，必須在冷卻循環(huán)水中添加防銹劑或切削液。

2.3 高速電主軸加載系統(tǒng)

2.3.1 動(dòng)態(tài)扭矩的加載

為有效分析并檢測(cè)高速電主軸的動(dòng)態(tài)性能，高速動(dòng)態(tài)加載測(cè)試是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對(duì)電主軸動(dòng)態(tài)扭矩加載的難題，根據(jù)磁流變液的剪切原理，設(shè)計(jì)了高速電主軸動(dòng)態(tài)扭矩加載系統(tǒng)，磁流變液加載器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1—端蓋；2—平鍵；3—扭矩傳感器；4—軸承；5—軸承座；6—防松螺母；7—支承座；8—基座；9—傳動(dòng)軸；10—O形密封圈；11—水套；12—線(xiàn)圈；13—左殼體；14—U形筒管軸；15—加載盤(pán)；16—右殼體；17—油封；18—溫度傳感器(PT100)；19—刀柄軸。

磁流變液加載器主要由殼體和加載盤(pán)組成，兩者作為2個(gè)極板，其間充滿(mǎn)了磁流變液。當(dāng)線(xiàn)圈不通電時(shí)，磁流變液保持其流動(dòng)性，不影響電主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)磁流變液加載器所傳遞的轉(zhuǎn)矩僅為較小的黏性阻尼轉(zhuǎn)矩；當(dāng)線(xiàn)圈通電后，在空腔內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁流變液中的磁性固體粒子被磁化并沿著磁力線(xiàn)方向呈鏈狀分布，這種鏈狀結(jié)構(gòu)使磁流變液的剪切應(yīng)力增大，表現(xiàn)出塑性體的特征，電主軸帶動(dòng)加載盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)并剪切磁流變液中的鏈狀結(jié)構(gòu)，從而加大轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，并起到加載作用，此時(shí)磁流變液加載器所傳遞的轉(zhuǎn)矩主要來(lái)源于流變效應(yīng)引起的剪切阻尼轉(zhuǎn)矩，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)黏性阻尼轉(zhuǎn)矩，且可以通過(guò)調(diào)節(jié)磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)其進(jìn)行控制?；谧饔昧εc反作用力相等的原理，將加載盤(pán)受到轉(zhuǎn)矩的反作用力通過(guò)傳動(dòng)軸傳遞給靜態(tài)扭矩傳感器，可以將動(dòng)態(tài)扭矩轉(zhuǎn)化為靜態(tài)扭矩以方便測(cè)量。軸承座與支承座之間是螺紋連接，通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸承座調(diào)節(jié)加載盤(pán)在空腔中的位置，目的是保證左右間隙相等，防止單側(cè)較大的間隙削弱磁感應(yīng)強(qiáng)度，軸承座與支承座的相對(duì)位置可通過(guò)反向旋緊防松螺母進(jìn)行固定。水套與左殼體之間構(gòu)成密封水路，對(duì)加載器進(jìn)行循環(huán)水冷，帶走大量剪切熱。

2.3.2 徑向力和軸向力的動(dòng)態(tài)加載

針對(duì)電主軸徑向力和軸向力動(dòng)態(tài)加載的難題，根據(jù)高壓水射流沖擊原理，設(shè)計(jì)了基于高壓水射流的高速電主軸柔性加載系統(tǒng)，如圖5所示。加載棒采用類(lèi)似刀柄的方式安裝在轉(zhuǎn)子上，由圓柱形噴嘴形成的水柱直接沖擊加載棒，實(shí)現(xiàn)徑向力和軸向力的動(dòng)態(tài)加載，高壓球閥可控制單個(gè)支路的通斷，實(shí)現(xiàn)徑向力和軸向力的單獨(dú)或聯(lián)合加載。由于加載系統(tǒng)與電主軸系統(tǒng)無(wú)剛性接觸，而且靶距誤差對(duì)沖擊力影響較小，因此加載系統(tǒng)對(duì)動(dòng)平衡和安裝精度要求較低，安裝調(diào)試時(shí)間短，更適合高速加載。高壓水射流技術(shù)相對(duì)成熟，沖擊力穩(wěn)定且可設(shè)計(jì)的較大，同時(shí)可以通過(guò)高壓水射流主參數(shù)調(diào)控沖擊力，因此該加載系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電主軸的穩(wěn)定和定量加載。經(jīng)噴嘴射向高速電主軸轉(zhuǎn)子的水被防護(hù)罩收集，并儲(chǔ)存在回收水箱內(nèi)，由循環(huán)抽水泵抽回到蓄水箱內(nèi)重復(fù)使用，可實(shí)現(xiàn)高速電主軸的長(zhǎng)時(shí)加載。由于加載系統(tǒng)獨(dú)立于電主軸系統(tǒng)，該加載系統(tǒng)可對(duì)各種型號(hào)電主軸進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載，即該加載系統(tǒng)的通用性較強(qiáng)。

圖5 基于高壓水射流的高速電主軸柔性加載系統(tǒng)

2.4 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)測(cè)試

高速電主軸的溫升、回轉(zhuǎn)特性主要通過(guò)電主軸內(nèi)部安裝的溫度傳感器和電渦流傳感器測(cè)量。

高速電主軸的輸出特性是指輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩特性，轉(zhuǎn)速通過(guò)高速電主軸內(nèi)的磁感應(yīng)式編碼器測(cè)量，轉(zhuǎn)矩通過(guò)基于磁流變液的高速電主軸動(dòng)態(tài)扭矩加載系統(tǒng)中的靜態(tài)扭傳感器測(cè)量，基于作用力與反作用力相等原理，將動(dòng)態(tài)扭矩轉(zhuǎn)化為靜態(tài)扭矩方便測(cè)量[20]。

高速電主軸的電磁特性，即功率因素、功率、效率、電壓、電流等主要通過(guò)三相電參數(shù)儀監(jiān)測(cè)。

高速電主軸動(dòng)態(tài)支承剛度的測(cè)試原理如圖6所示。滑動(dòng)立柱與固定在試驗(yàn)臺(tái)上的基座構(gòu)成滑動(dòng)副，通過(guò)氣缸推動(dòng)滑動(dòng)立柱向上移動(dòng)，使得安裝在滑動(dòng)立柱上的軸承外圈與電主軸轉(zhuǎn)子接觸，實(shí)現(xiàn)加載。通過(guò)電氣比例閥調(diào)節(jié)氣缸氣壓調(diào)控徑向加載力，布置油氣潤(rùn)滑管道對(duì)加載接觸位置進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑。采用電渦流傳感器測(cè)量加載棒的位移變化量，采用力傳感器測(cè)量加載力，傳感器信號(hào)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步采集。最終實(shí)現(xiàn)電主軸在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)支承剛度測(cè)量。

圖6 高速電主軸動(dòng)態(tài)支承剛度測(cè)試原理示意圖

3 高速電主軸動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)

3.1 扭矩加載性能

試驗(yàn)過(guò)程中，電流的調(diào)整間隔為0.1 A，每個(gè)電流下的扭矩持續(xù)時(shí)間為20～30 s，以扭矩穩(wěn)定后的平均值作為該電流下的加載扭矩值。轉(zhuǎn)速6 000 r/min時(shí)電流與加載扭矩的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示，轉(zhuǎn)速在6 000～18 000 r/min范圍內(nèi)，加載器的加載扭矩與電流的關(guān)系如圖8所示：加載扭矩隨控制電流的增大呈非線(xiàn)性增大；但在相同電流下(即相同磁感應(yīng)強(qiáng)度)，加載扭矩隨轉(zhuǎn)速的升高而降低，存在剪切稀化現(xiàn)象。因此，在實(shí)際使用時(shí)，需在標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果(圖8)的指導(dǎo)下，根據(jù)扭矩傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整線(xiàn)圈電流，完成對(duì)電主軸的定量加載。由于磁流變液在高速剪切作用下消耗較大，磁流變液動(dòng)態(tài)扭矩加載系統(tǒng)主要適用于電主軸在承載作用下的動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)，不易用于其可靠性或壽命測(cè)試[20]。

圖7 加載扭矩在轉(zhuǎn)速6 000 r/min時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖8 不同轉(zhuǎn)速下加載扭矩與電流的關(guān)系

3.2 徑向力和軸向力加載性能

標(biāo)定高壓水射流的沖擊力有助于指導(dǎo)對(duì)高速電主軸的定量加載。標(biāo)定原理是利用高壓水射流直接沖擊壓力傳感器，噴射壓力范圍為5～19 MPa，間隔為2.5 MPa，噴嘴直徑為2.0，2.5和3.0 mm時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示：沖擊力可以通過(guò)噴射壓力方便且快速調(diào)控，較大的噴嘴直徑會(huì)增大射流沖擊力，但會(huì)降低射流的集束性。

圖9 噴射壓力對(duì)沖擊力的影響

另外，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電主軸的溫升、功耗和振動(dòng)在承載作用下更嚴(yán)重，空載測(cè)試不能反映電主軸的真實(shí)工況，使用高壓水射流可以長(zhǎng)時(shí)且穩(wěn)定地對(duì)電主軸進(jìn)行加載，從而能夠有效地研究電主軸的動(dòng)態(tài)性能和可靠性。

3.3 動(dòng)態(tài)支承剛度

對(duì)電主軸進(jìn)行動(dòng)態(tài)徑向剛度測(cè)試，加載力范圍為150～450 N，轉(zhuǎn)速范圍為0～30 000 r/min，轉(zhuǎn)速間隔為6 000 r/min。測(cè)得的徑向加載力與位移變化量的關(guān)系如圖10所示，對(duì)原始測(cè)量數(shù)據(jù)(藍(lán)色曲線(xiàn))進(jìn)行低通濾波得到修正數(shù)據(jù)(綠色曲線(xiàn))，通過(guò)多項(xiàng)式擬合得到加載力與位移變化量的對(duì)應(yīng)關(guān)系(紅色曲線(xiàn))[10]，加載力對(duì)位移變化量求導(dǎo)即可得到轉(zhuǎn)子的徑向剛度。試驗(yàn)結(jié)果表明：轉(zhuǎn)子的徑向剛度隨著轉(zhuǎn)速的增大而降低，隨著徑向力的增大而增大[21]；動(dòng)態(tài)支承剛度測(cè)試系統(tǒng)可以定量測(cè)量高速電主軸在轉(zhuǎn)速高達(dá)30 000 r/min時(shí)的徑向剛度，驗(yàn)證了該測(cè)試系統(tǒng)的可行性和有效性。

圖10 不同轉(zhuǎn)速下徑向力與位移變化量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.4 機(jī)械摩擦損耗

在電主軸轉(zhuǎn)速可測(cè)的前提下，提出了利用自由減速法測(cè)量電主軸機(jī)械摩擦力矩的試驗(yàn)方法[17]。試驗(yàn)中，待電主軸穩(wěn)定運(yùn)行后，使其自由減速停車(chē)，利用編碼器測(cè)量轉(zhuǎn)子在機(jī)械摩擦力矩作用下的自由減速過(guò)程，則電主軸的機(jī)械摩擦力矩[22]可表示為

(3)

式中：J為電主軸轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω，n分別為轉(zhuǎn)子的角速度和轉(zhuǎn)速；t為時(shí)間。

轉(zhuǎn)速為24 000 r/min時(shí)，利用自由減速法得到的電主軸機(jī)械摩擦力矩如圖11所示，擬合曲線(xiàn)p(t)與試驗(yàn)曲線(xiàn)n(t)基本一致。圖11中藍(lán)色切線(xiàn)y的斜率p'(t0)即為通過(guò)對(duì)擬合曲線(xiàn)p(t)求導(dǎo)得到的減速加速度，即dn/dt=p'(t0)。

圖11 自由減速法所得軸承摩擦損耗(n0=24 000 r/min)

在電主軸電磁特性可測(cè)與變頻器具備V/f完全分離功能的試驗(yàn)條件下，提出了利用能量平衡法測(cè)量電主軸機(jī)械摩擦損耗的試驗(yàn)方法[17]。試驗(yàn)中，在變頻器輸出頻率不變的情況下(電主軸轉(zhuǎn)速不變)，使定子端電壓從1.2倍額定電壓逐步減小，直至電主軸轉(zhuǎn)速發(fā)生明顯降低。通過(guò)三相電參數(shù)儀記錄不同電壓下電主軸的相電壓、空載電流和空載功率?？蛰d時(shí)，電主軸的輸入功率P10全部用來(lái)克服定子銅耗PCu、鐵耗PFe和機(jī)械損耗PΩ，因此有

P10-PCu=PFe+PΩ，

(4)

PCu=3I102R1，

式中：I10為空載電流；R1為定子電阻。

由于鐵耗基本與相電壓U1的平方成正比，而機(jī)械損耗僅與轉(zhuǎn)速有關(guān)，因此將鐵耗與機(jī)械損耗之和與相電壓平方繪制成曲線(xiàn)PFe+PΩ=f(U12)，則該線(xiàn)近似為一條直線(xiàn)[23]。根據(jù)最小二乘法求出該直線(xiàn)在U1=0處的功率值，即機(jī)械損耗PΩ。主軸轉(zhuǎn)速為24 000 r/min時(shí)，利用能量平衡法測(cè)量的電主軸機(jī)械摩擦損耗如圖12所示。

圖12 能量平衡法所得軸承摩擦損耗(n0=24 000 r/min)

對(duì)比上述2種試驗(yàn)方法可知：在電主軸轉(zhuǎn)速可實(shí)時(shí)測(cè)量的條件下，自由減速法是簡(jiǎn)單有效測(cè)量機(jī)械摩擦力矩的方法；在電主軸轉(zhuǎn)速不可測(cè)量時(shí)，將三相電參數(shù)儀獨(dú)立并聯(lián)到電主軸系統(tǒng)上，用能量平衡法可有效測(cè)量電主軸的機(jī)械摩擦損耗。

轉(zhuǎn)速為18 000和27 000 r/min時(shí)，電主軸運(yùn)行溫度穩(wěn)定后，通過(guò)增大壓電陶瓷電源的輸出電壓，即增加壓電陶瓷對(duì)后軸承座的推力，從而降低軸承的預(yù)緊力，壓電陶瓷軸向推力對(duì)電主軸機(jī)械摩擦損耗的影響如圖13所示，隨著推力的增加(即預(yù)緊力的減小)，機(jī)械摩擦損耗顯著減小。試驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)緊力在線(xiàn)調(diào)節(jié)裝置能有效降低電主軸高速運(yùn)行時(shí)的機(jī)械摩擦損耗和溫升；自由減速法和能量平衡法測(cè)量的機(jī)械摩擦損耗基本一致，相互驗(yàn)證了2種試驗(yàn)方法的正確性和有效性。

圖13 預(yù)緊力對(duì)機(jī)械摩擦損耗的影響

4 結(jié)論

為攻克電主軸動(dòng)態(tài)性能的相關(guān)試驗(yàn)技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了一款集成多種檢測(cè)功能的高速電主軸試驗(yàn)樣機(jī)，并搭建了一套通用性較強(qiáng)的高速電主軸系統(tǒng)及其動(dòng)態(tài)性能綜合測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)開(kāi)展相應(yīng)的試驗(yàn)研究得到以下結(jié)論：

1)設(shè)計(jì)的高速電主軸試驗(yàn)樣機(jī)可真實(shí)地測(cè)量電主軸在實(shí)際加工過(guò)程中溫升、轉(zhuǎn)速、回轉(zhuǎn)精度、預(yù)緊力和熱膨脹量等動(dòng)態(tài)性能參數(shù)，而且預(yù)緊力在線(xiàn)調(diào)節(jié)裝置可實(shí)現(xiàn)高速電主軸高速低溫升和低速高剛度的功能需求。

2)磁流變液動(dòng)態(tài)扭矩加載系統(tǒng)以及高壓水射流徑向和軸向力加載系統(tǒng)對(duì)電主軸的動(dòng)態(tài)加載可行且有效，加載扭矩和加載力穩(wěn)定且持久。

3)動(dòng)態(tài)支承剛度測(cè)試系統(tǒng)可以定量測(cè)量電主軸在轉(zhuǎn)速高達(dá)30 000 r/min時(shí)的徑向剛度，解決了電主軸在高速狀態(tài)下徑向加載和剛度測(cè)試的難題。

4)在動(dòng)態(tài)性能綜合測(cè)試系統(tǒng)的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出的自由減速法和能量平衡法可準(zhǔn)確地測(cè)量電主軸的機(jī)械摩擦損耗。