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

□陸建明 □張 磊

上海華靈工具廠 上海 201112

1 研究背景

對數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)各項關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行測試，歷來均采用單獨(dú)測試的方法，并根據(jù)需要進(jìn)行組合。單獨(dú)測試方法比較麻煩，數(shù)據(jù)處理方法不一致，評定數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一，容易造成不同誤差。若測量時選擇結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一，也會造成數(shù)據(jù)偏差。為了滿足測試項目的要求，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。如測量位移、扭矩、溫度、頻率、電壓、電流及功率等指標(biāo)時，均需用相應(yīng)的儀器，不能統(tǒng)一采用量程數(shù)據(jù)來顯示，且有的采用線性值，有的采用角度值，數(shù)值存在漂移。為了解決上述問題，筆者研發(fā)了數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測試系統(tǒng)，如圖1所示。

2 系統(tǒng)組成

應(yīng)用數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測試系統(tǒng)，可以對主軸特性進(jìn)行測試，準(zhǔn)確可靠地發(fā)現(xiàn)主軸運(yùn)動過程中出現(xiàn)的問題，并對其進(jìn)行修正和改進(jìn)。

數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測試系統(tǒng)主要由三部分組成，如圖2所示。機(jī)械裝置包括試驗臺、基座、主軸部件。測試系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)動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)和檢測軟件?？刂葡到y(tǒng)模擬主軸的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，同時產(chǎn)生振動，測試系統(tǒng)通過對機(jī)械裝置的振動測試，將信息傳遞至計算機(jī)，從而可以對主軸特性進(jìn)行分析[1]。

3 試驗臺

數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測試系統(tǒng)機(jī)械裝置的設(shè)計是一個復(fù)雜的過程，包含基礎(chǔ)平臺設(shè)計、高速主軸選型、軸承選型、振源產(chǎn)生方式確定等?；A(chǔ)平臺為帶縱橫T形槽的一級鑄鐵平臺，方便固定需要試驗的設(shè)備。考慮到高速主軸性能測試項目的需求，對基礎(chǔ)平臺提出特殊的結(jié)構(gòu)要求，以使各部件穩(wěn)固連接。

▲圖1 數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測試系統(tǒng)

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

4 主軸

為實現(xiàn)主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)，需選擇合適的機(jī)電驅(qū)動裝置。隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的電機(jī)已無法滿足高速運(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)床主軸的傳動結(jié)構(gòu)形式合二為一，極大簡化了高速數(shù)控機(jī)床傳動系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，取消了帶輪傳動和齒輪傳動，將機(jī)床傳動鏈的長度縮短為0，實現(xiàn)了機(jī)床的零傳動[2]。根據(jù)調(diào)研國內(nèi)電主軸生產(chǎn)廠商，依據(jù)試驗需求及商家技術(shù)人員建議，選用170MD15Y20型電主軸，其主要參數(shù)見表1。

表1 170MD15Y20型電主軸主要參數(shù)

在主軸選型確定后，對工作軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。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)試驗需求，工作軸長度確定為1 000 mm，材料選用40Cr鋼。工作軸需進(jìn)行動平衡處理。

為使工作軸產(chǎn)生一個不平衡量，在工作軸上設(shè)計了一個飛輪，材料選用45號鋼。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)計至關(guān)重要?？紤]到主軸運(yùn)行速度較高，從試驗安全性方面考慮，設(shè)計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[3]。

5 數(shù)字化的實現(xiàn)

鑒于測量對象是數(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。通過軟件編程，控制數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測試系統(tǒng)所采用的各種傳感器，并進(jìn)行有效組合。在動態(tài)、靜態(tài)狀態(tài)下進(jìn)行主軸測試，通過軟件對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，顯示動態(tài)、靜態(tài)狀態(tài)下的各種真實數(shù)據(jù)[4]。

經(jīng)過不斷連接調(diào)試，對軟件進(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)趨向于實際狀態(tài)，數(shù)值顯示與實際情況相符合，并使各項指標(biāo)在數(shù)據(jù)同步顯示方面均優(yōu)于單項測試。傳感器連接簡單便捷，裝拆方便，各電氣設(shè)計控制元件采用一箱式集成，加之有效編程，使測試操作方法簡便，數(shù)值精確。

在CCS HMI按停止按鈕。透平將按照預(yù)設(shè)的速率降速，降速至最小操作轉(zhuǎn)速3 782 r/min后，確認(rèn)各缸一次密封氣入口電磁閥開。關(guān)閉干氣密封主氣源1臺總管切斷閥和去各缸的3臺支管切斷閥。降速至暖機(jī)轉(zhuǎn)速800 r/min后，透平入口速關(guān)閥自動關(guān)閉，機(jī)組停車。

6 核心部件

應(yīng)用數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測試系統(tǒng)，可以同時測試多個項目，得到準(zhǔn)確讀數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行儲存。

在機(jī)械加工中，扭矩變化的測試比較復(fù)雜，且誤差大。在數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測試系統(tǒng)中，通過傳感器可以正確無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)生的振動也會影響產(chǎn)品加工精度。在數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測試系統(tǒng)中設(shè)置了飛輪，通過傳感器可以測得工作軸及飛輪的振動頻率與位移。通過適當(dāng)加載，可以分析不同工作條件下扭矩負(fù)載對主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時徑向軸向位移、振動、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)定位精度測試[6]。

在數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測試系統(tǒng)中沒有常用的百分表、千分表、分貝儀、電流表、電壓表、功率表、轉(zhuǎn)速表、溫度計，以及各種測試輔助裝置，取而代之的是支座上設(shè)置的各種傳感器。溫度傳感器測試范圍為-40～200℃。扭矩傳感器測試范圍為0～50 N·m，供電電源為直流24 V。電渦流傳感器線性范圍為0.80～2.80 mm，線性中心點為1.80 mm，相對靈敏度偏差為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，相對互換誤差為±5%，電源為直流15～30 V，無極性連接；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)床測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集工作原理如圖3所示。在這一系統(tǒng)中，采用了電渦流傳感器。這種傳感器根據(jù)輸出信號的大小，基于探頭探測與工作軸表面之間距離的變化，實現(xiàn)對工作軸位移、振動等參數(shù)的測量[7]。從轉(zhuǎn)子動力學(xué)、軸承學(xué)理論進(jìn)行分析，大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)動狀態(tài)主要取決工作軸，而電渦流傳感器能直接非接觸測量工作軸的狀態(tài)，對于工作軸的不平衡、不對中、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)床主軸測試系統(tǒng)中采用了八組電渦流傳感器，試驗結(jié)果和用戶報告表明，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)停的動靜態(tài)特性要求。

▲圖3 數(shù)據(jù)采集工作原理圖

8 主軸冷卻系統(tǒng)

在數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測試系統(tǒng)運(yùn)行過程中，為保證主軸安全，冷卻系統(tǒng)必須處在開放狀態(tài)下。在軟件程序設(shè)置中對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了連鎖，手動無法操作冷卻水泵的啟動和停止。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

在數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測試系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集卡參照計算機(jī)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計和制造。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)成一個數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，從而大大節(jié)省研發(fā)時間和資金，并可以充分利用計算機(jī)軟硬件資源，集中精力對數(shù)據(jù)采集與處理中的理論和方法進(jìn)行研究，并對測試系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和程序編制。

在數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測試系統(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，信號輸入范圍為0～20 V，采樣值為250 kS/s。

數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)分析軟件有S3C4510B和CPLD控制程序。編寫應(yīng)用程序時先初始化CPLD控制參數(shù)，然后讀取F1F0上的數(shù)據(jù)，最后通過計算機(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[9]。

在數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測試系統(tǒng)中，打開顯示屏操作軟件，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、保存等；②參數(shù)設(shè)置，包括測試系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置選項；③ 測試方法，包括靜態(tài)測試、空載測試、負(fù)載測試三種。

數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測試系統(tǒng)的三種測試方法均可以選擇開始、停止、中斷、繼續(xù)四種狀態(tài)。

在參數(shù)設(shè)置后，即可啟動系統(tǒng)測試。如果沒有外界干擾影響，系統(tǒng)按照參數(shù)設(shè)計的流程由低速到高速進(jìn)行測量。系統(tǒng)完成測試后，自動停止。在測試系統(tǒng)處于中斷狀態(tài)后，可以選擇繼續(xù)進(jìn)行測試。在系統(tǒng)測試過程中或系統(tǒng)處于中斷狀態(tài)時，都可以停止測試。

通過數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測試系統(tǒng)，操作者在顯示屏上可以清晰地看到主軸的徑向跳動、軸向竄動，飛輪的徑向跳動、軸向擺動，以及主軸的扭矩、轉(zhuǎn)速、電流等關(guān)鍵參數(shù)曲線[10]。

10 結(jié)論

數(shù)字化數(shù)控機(jī)床主軸測試系統(tǒng)應(yīng)用各種傳感器、變頻器等對被測試主軸系統(tǒng)參數(shù)變化進(jìn)行多項目測試。作為數(shù)據(jù)分析設(shè)備，可以為開發(fā)新產(chǎn)品、及時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)測試操作方法簡便、直觀，在線測試、顯示、數(shù)據(jù)處理及打印一站式完成?？梢酝ㄟ^用戶顯示界面便捷地對主軸工作狀態(tài)進(jìn)行多項測試，有助于了解主軸的機(jī)械和電氣指示現(xiàn)狀。

這一測試系統(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，通過變頻調(diào)速可實現(xiàn)用戶所需要的目標(biāo)值。