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數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測(cè)試系統(tǒng)的研發(fā)

2019-12-6 來(lái)源：上海華靈工具廠作者：陸建明張磊

摘要：針對(duì)數(shù)控機(jī)床主軸傳統(tǒng)測(cè)試在測(cè)試方法、數(shù)據(jù)處理、誤差評(píng)定等方面均存在不足的問(wèn)題，研發(fā)了數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測(cè)試系統(tǒng)。這一系統(tǒng)集成了各類檢測(cè)功能，提高了測(cè)試的時(shí)效性與數(shù)值的精確性。

關(guān)鍵詞：機(jī)床主軸測(cè)試

1 、研究背景

對(duì)數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，歷來(lái)均采用單獨(dú)測(cè)試的方法，并根據(jù)需要進(jìn)行組合。單獨(dú)測(cè)試方法比較麻煩，數(shù)據(jù)處理方法不一致，評(píng)定數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一，容易造成不同誤差。若測(cè)量時(shí)選擇結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一，也會(huì)造成數(shù)據(jù)偏差。為了滿足測(cè)試項(xiàng)目的要求，使用的儀器多而雜，數(shù)據(jù)觀察不方便，數(shù)據(jù)處理也較混亂。如測(cè)量位移、扭矩、溫度、頻率、電壓、電流及功率等指標(biāo)時(shí)，均需用相應(yīng)的儀器，不能統(tǒng)一采用量程數(shù)據(jù)來(lái)顯示，且有的采用線性值，有的采用角度值，數(shù)值存在漂移。

為了解決上述問(wèn)題，筆者研發(fā)了數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測(cè)試系統(tǒng)，如圖 1 所示。

圖 1 數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測(cè)試系統(tǒng)

2 、系統(tǒng)組成

應(yīng)用數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測(cè)試系統(tǒng)，可以對(duì)主軸特性進(jìn)行測(cè)試，準(zhǔn)確可靠地發(fā)現(xiàn)主軸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，并對(duì)其進(jìn)行修正和改進(jìn)。數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測(cè)試系統(tǒng)主要由三部分組成，如圖 2 所示。

圖 2 數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測(cè)試系統(tǒng)組成

機(jī)械裝置包括試驗(yàn)臺(tái)、基座、主軸部件。測(cè)試系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)動(dòng)工作軸上的各種非接觸傳感器?？刂葡到y(tǒng)包括主軸控制系統(tǒng)和檢測(cè)軟件。控制系統(tǒng)模擬主軸的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)對(duì)機(jī)械裝置的振動(dòng)測(cè)試，將信息傳遞至計(jì)算機(jī)，從而可以對(duì)主軸特性進(jìn)行分析。

3 、試驗(yàn)臺(tái)

數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測(cè)試系統(tǒng)機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，包含基礎(chǔ)平臺(tái)設(shè)計(jì)、高速主軸選型、軸承選型、振源產(chǎn)生方式確定等。基礎(chǔ)平臺(tái)為帶縱橫 T形槽的一級(jí)鑄鐵平臺(tái)，方便固定需要試驗(yàn)的設(shè)備?？紤]到高速主軸性能測(cè)試項(xiàng)目的需求，對(duì)基礎(chǔ)平臺(tái)提出特殊的結(jié)構(gòu)要求，以使各部件穩(wěn)固連接。

4 、主軸

為實(shí)現(xiàn)主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)，需選擇合適的機(jī)電驅(qū)動(dòng)裝置。隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的電機(jī)已無(wú)法滿足高速運(yùn)轉(zhuǎn)的需求，取而代之的是一種智能型功能部件，即電主軸。電主軸將電機(jī)與機(jī)床主軸的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式合二為一，極大簡(jiǎn)化了高速數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，取消了帶輪傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)，將機(jī)床傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為 0，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的零傳動(dòng)。

根據(jù)調(diào)研國(guó)內(nèi)電主軸生產(chǎn)廠商，依據(jù)試驗(yàn)需求及商家技術(shù)人員建議，選用170MD15Y20 型電主軸，其主要參數(shù)見(jiàn)表 1。

表 1 170MD15Y20 型電主軸主要參數(shù)

在主軸選型確定后，對(duì)工作軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。工作軸模擬數(shù)控機(jī)床主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)，直徑為 50 mm。根據(jù)試驗(yàn)需求，工作軸長(zhǎng)度確定為 1 000 mm，材料選用40Cr 鋼。工作軸需進(jìn)行動(dòng)平衡處理。為使工作軸產(chǎn)生一個(gè)不平衡量，在工作軸上設(shè)計(jì)了一個(gè)飛輪，材料選用 45 號(hào)鋼。在飛輪外邊沿側(cè)面均布螺紋孔，便于加載不平衡量。

作為連接主軸與工作軸之間最有效的裝置，聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要?？紤]到主軸運(yùn)行速度較高，從試驗(yàn)安全性方面考慮，設(shè)計(jì)了具有彈性元件的撓性聯(lián)軸器。在確定主軸和工作軸后，需對(duì)主軸及工作軸的支撐部件基座、基座蓋及端蓋等結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5 、數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)

鑒于測(cè)量對(duì)象是數(shù)控機(jī)床主軸，傳感器不再選用接觸式加速度傳感器，取而代之的是非接觸式電渦流傳感器。通過(guò)軟件編程，控制數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測(cè)試系統(tǒng)所采用的各種傳感器，并進(jìn)行有效組合。

在動(dòng)態(tài)、靜態(tài)狀態(tài)下進(jìn)行主軸測(cè)試，通過(guò)軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，顯示動(dòng)態(tài)、靜態(tài)狀態(tài)下的各種真實(shí)數(shù)。經(jīng)過(guò)不斷連接調(diào)試，對(duì)軟件進(jìn)行編程、細(xì)化、改進(jìn)，尤其是在控制各傳感器功能的軟件方面進(jìn)行不斷優(yōu)化，使各功能指標(biāo)趨向于實(shí)際狀態(tài)，數(shù)值顯示與實(shí)際情況相符合，并使各項(xiàng)指標(biāo)在數(shù)據(jù)同步顯示方面均優(yōu)于單項(xiàng)測(cè)試。傳感器連接簡(jiǎn)單便捷，裝拆方便，各電氣設(shè)計(jì)控制元件采用一箱式集成，加之有效編程，使測(cè)試操作方法簡(jiǎn)便，數(shù)值精確。

6 、核心部件

應(yīng)用數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測(cè)試系統(tǒng)，可以同時(shí)測(cè)試多個(gè)項(xiàng)目，得到準(zhǔn)確讀數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行儲(chǔ)存。在機(jī)械加工中，扭矩變化的測(cè)試比較復(fù)雜，且誤差大。在數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測(cè)試系統(tǒng)中，通過(guò)傳感器可以正確無(wú)誤地得到主軸在不同轉(zhuǎn)速條件下所產(chǎn)生的扭矩及發(fā)生的變化［5］。此外，主軸產(chǎn)生的振動(dòng)也會(huì)影響產(chǎn)品加工精度。在數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測(cè)試系統(tǒng)中設(shè)置了飛輪，通過(guò)傳感器可以測(cè)得工作軸及飛輪的振動(dòng)頻率與位移。

通過(guò)適當(dāng)加載，可以分析不同工作條件下扭矩負(fù)載對(duì)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)徑向軸向位移、振動(dòng)、噪聲、電流、電壓及轉(zhuǎn)速等的影響。另一方面，還增加了軸向徑向位移定位精度與重復(fù)定位精度測(cè)試。

在數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測(cè)試系統(tǒng)中沒(méi)有常用的百分表、千分表、分貝儀、電流表、電壓表、功率表、轉(zhuǎn)速表、溫度計(jì)，以及各種測(cè)試輔助裝置，取而代之的是支座上設(shè)置的各種傳感器。溫度傳感器測(cè)試范圍為- 40～200 ℃。扭矩傳感器測(cè)試范圍為 0～50 N·m，供電電源為直流 24 V。

電渦流傳感器線性范圍為 0.80～2.80mm，線性中心點(diǎn) 為 1.80 mm，相對(duì) 靈敏度偏差為0.33% ，非線性度為 0.46% ，供電電源為直流 24 V，環(huán)境溫度為 25 ℃。在數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測(cè)試系統(tǒng)中，還設(shè)有下列器件：① 熱電偶模擬輸入模塊，8 位差分輸入，相對(duì)精度±0.2%，分辨率為 16 位；② 電渦流變送傳感器，輸出為 7.87 V/mm，頻率響應(yīng)為 5~500 Hz，線性范圍為 0.5～2 mm，相對(duì)互換誤差為±5%，電源為直流 15～30 V，無(wú)極性連接；③ 變頻器，額定電壓為 0.1～400 V，最高操作頻率為 400 Hz。 ④ 通信模塊，采用通用串行總線（USB）/RS 485 接口轉(zhuǎn) 換器，通信速率為 300 bit/s ～115.2 kbit/s。數(shù)字化數(shù)控機(jī)床測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集工作原理如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集工作原理圖

在這一系統(tǒng)中，采用了電渦流傳感器。這種傳感器根據(jù)輸出信號(hào)的大小，基于探頭探測(cè)與工作軸表面之間距離的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作軸位移、振動(dòng)等參數(shù)的測(cè)量［7］。從轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、軸承學(xué)理論進(jìn)行分析，大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要取決工作軸，而電渦流傳感器能直接非接觸測(cè)量工作軸的狀態(tài)，對(duì)于工作軸的不平衡、不對(duì)中、軸承磨損、軸裂紋、軸向徑向位移變化做出判定，可以提供關(guān)鍵信息。

筆者研發(fā)的數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測(cè)試系統(tǒng)中采用了八組電渦流傳感器，試驗(yàn)結(jié)果和用戶報(bào)告表明，應(yīng)用電渦流傳感器取得了良好效果，達(dá)到了預(yù)期目的。

7 、變頻調(diào)速

在數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測(cè)試系統(tǒng)中采用了變頻調(diào)速技術(shù)，這樣采用直接轉(zhuǎn)矩控制就能滿足主軸高轉(zhuǎn)速、寬調(diào)速范圍、高速瞬間準(zhǔn)停的動(dòng)靜態(tài)特性要求。

8 、主軸冷卻系統(tǒng)

在數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，為保證主軸安全，冷卻系統(tǒng)必須處在開(kāi)放狀態(tài)下。在軟件程序設(shè)置中對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了連鎖，手動(dòng)無(wú)法操作冷卻水泵的啟動(dòng)和停止。為保持主軸的良好運(yùn)作狀態(tài)，冷卻水質(zhì)必須清潔。使用去離子水，為防止微生物和水垢產(chǎn)生，在正常情況下應(yīng)每三個(gè)月更換一次冷卻水。

水箱內(nèi)確保水位高度，且保持水流回路暢通，水箱中可加入防銹劑，避免主軸內(nèi)部生銹。

9 、數(shù)字化擴(kuò)展

在機(jī)械加工中，質(zhì)量指標(biāo)的檢測(cè)手段由原來(lái)的單項(xiàng)測(cè)試逐步向多項(xiàng)測(cè)試集成，從而有在靜態(tài)與動(dòng)態(tài)條件下綜合處理、轉(zhuǎn)換、顯示及打印數(shù)據(jù)的要求。在數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測(cè)試系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集卡參照計(jì)算機(jī)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和制造。

將數(shù)據(jù)采集卡插入機(jī)主板相應(yīng)的輸入輸出擴(kuò)展槽中，就可以迅速方便地構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，從而大大節(jié)省研發(fā)時(shí)間和資金，并可以充分利用計(jì)算機(jī)軟硬件資源，集中精力對(duì)數(shù)據(jù)采集與處理中的理論和方法進(jìn)行研究，并對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和程序編制。

在數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測(cè)試系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集卡通道分為 16 位單端輸入與 8 位差分輸入，分辨率為16 位，信號(hào)輸入范圍為 0～20 V，采樣值為 250 k S/s。數(shù) 據(jù) 采集處理系統(tǒng)分析軟件有 S3C4510B 和CPLD 控制程序。編寫(xiě)應(yīng)用程序時(shí)先初始化 CPLD 控制參數(shù)，然后讀取 F1F0 上的數(shù)據(jù)，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)曲線顯示傳輸控制協(xié)議、網(wǎng)際協(xié)議及串口通信信息。在數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測(cè)試系統(tǒng)中，打開(kāi)顯示屏操作軟件，就可以進(jìn)入主界面。

在菜單欄主要顯示以下內(nèi)容：① 文件操作，包括新建、打開(kāi)、保存等； ② 參數(shù)設(shè)置，包括測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置選項(xiàng)； ③ 測(cè)試方法，包括靜態(tài)測(cè)試、空載測(cè)試、負(fù)載測(cè)試三種。數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測(cè)試系統(tǒng)的三種測(cè)試方法均可以選擇開(kāi)始、停止、中斷、繼續(xù)四種狀態(tài)。

在參數(shù)設(shè)置后，即可啟動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試。如果沒(méi)有外界干擾影響，系統(tǒng)按照參數(shù)設(shè)計(jì)的流程由低速到高速進(jìn)行測(cè)量。系統(tǒng)完成測(cè)試后，自動(dòng)停止。在測(cè)試系統(tǒng)處于中斷狀態(tài)后，可以選擇繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試。在系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中或系統(tǒng)處于中斷狀態(tài)時(shí)，都可以停止測(cè)試。

通過(guò)數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測(cè)試系統(tǒng)，操作者在顯示屏上可以清晰地看到主軸的徑向跳動(dòng)、軸向竄動(dòng)，飛輪的徑向跳動(dòng)、軸向擺動(dòng)，以及主軸的扭矩、轉(zhuǎn)速、電流等關(guān)鍵參數(shù)曲線。

10 、結(jié)論

數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用各種傳感器、變頻器等對(duì)被測(cè)試主軸系統(tǒng)參數(shù)變化進(jìn)行多項(xiàng)目測(cè)試。作為數(shù)據(jù)分析設(shè)備，可以為開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品、及時(shí)分析故障缺陷原因等提供依據(jù)，并提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，提高生產(chǎn)率。數(shù)據(jù)測(cè)試操作方法簡(jiǎn)便、直觀，在線測(cè)試、顯示、數(shù)據(jù)處理及打印一站式完成。

可以通過(guò)用戶顯示界面便捷地對(duì)主軸工作狀態(tài)進(jìn)行多項(xiàng)測(cè)試，有助于了解主軸的機(jī)械和電氣指示現(xiàn)狀。這一測(cè)試系統(tǒng)位移精度可達(dá) 0.005 mm，扭矩精度為 0.5 N·m，主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá) 15 000 r/min，通過(guò)變頻調(diào)速可實(shí)現(xiàn)用戶所需要的目標(biāo)值。

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