車(chē)床主軸旋轉(zhuǎn)精度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

魏協(xié)奔，曹艷彬，徐其航，申利鳳，孫培明

（揭陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東揭陽(yáng) 522000）

0 引言

車(chē)床是機(jī)械加工的重要設(shè)備之一，是衡量機(jī)械加工技術(shù)的重要機(jī)器。對(duì)于車(chē)床來(lái)說(shuō)，其旋轉(zhuǎn)精度會(huì)極大地影響加工性能。車(chē)床的旋轉(zhuǎn)元器件包括齒輪箱、旋轉(zhuǎn)主軸、動(dòng)力電機(jī)等部分，這些零部件組成的主軸系統(tǒng)影響了零件加工的精度、加工范圍以及加工的穩(wěn)定性。在數(shù)控車(chē)床的加工中，主軸旋轉(zhuǎn)精度的高低會(huì)極大地影響所加工出來(lái)的零件的形狀精度、幾何精度、表面粗糙度以及表面質(zhì)量。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在車(chē)床零件加工的產(chǎn)品中，有30%～50%的圓度誤差是由于車(chē)床主軸旋轉(zhuǎn)精度過(guò)大造成的，而且，在越精密的機(jī)床中，這種誤差就越明顯。隨著機(jī)械振動(dòng)及故障診斷技術(shù)的不斷發(fā)展，在現(xiàn)代制造業(yè)的機(jī)械設(shè)備維修維護(hù)中，檢測(cè)傳感器的精度越來(lái)越高，監(jiān)測(cè)方法也更多地從事后維修轉(zhuǎn)為在線監(jiān)測(cè)。車(chē)床的旋轉(zhuǎn)精度是衡量車(chē)床性能的一個(gè)重要指標(biāo)，是影響車(chē)床零件加工是否合格的主要因素。對(duì)車(chē)床主軸的測(cè)量以及回轉(zhuǎn)精度的信號(hào)分析，是對(duì)車(chē)床的振動(dòng)監(jiān)測(cè)及故障診斷的重要手段。因此，對(duì)機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)精度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也顯得尤為重要[1-2]。

在車(chē)削零件加工中，由于操作人員的技能不同，一般都會(huì)產(chǎn)生一定的加工誤差，而操作人員的加工技能是恒定的，加工誤差大的產(chǎn)品便成為廢品。因此，為了提高產(chǎn)品的合格率，必須提高機(jī)床的性能以及加工精度，此時(shí)，車(chē)床的主軸回轉(zhuǎn)精度就顯得特別重要。一般來(lái)說(shuō)，影響車(chē)床零件加工精度的因素有設(shè)計(jì)誤差、機(jī)床的精密度、機(jī)床的制造誤差、夾具誤差、刀具誤差、彈性變形、工件本身受力受熱帶來(lái)的誤差、加工人員的測(cè)量或操作誤差等。在這些誤差中，對(duì)于車(chē)床來(lái)說(shuō)，影響加工精度最大的是回轉(zhuǎn)精度。提高車(chē)床的回轉(zhuǎn)精度，可以提高零件的加工精度以及表面粗糙度，從而提高車(chē)床零件的加工精度。因此，如何測(cè)量和評(píng)定機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)精度，提高現(xiàn)有機(jī)床的加工精度，越來(lái)越受到人們的重視[3-8]。

1 車(chē)床軸心軌跡測(cè)量

當(dāng)軸系中心不平衡時(shí)，其重心不在軸心而造成不平衡，在主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)便會(huì)產(chǎn)生離心力，從而導(dǎo)致軸產(chǎn)生振動(dòng)，引起軸運(yùn)動(dòng)中心圓過(guò)大。用裝于車(chē)床主軸軸承座上的x、y方向的電渦流傳感器來(lái)收集車(chē)床主軸在x及y方向的振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)將這兩個(gè)信號(hào)用算法進(jìn)行相關(guān)法計(jì)算來(lái)反映軸在這兩個(gè)方向的振動(dòng)及中心擺動(dòng)情況，從而了解車(chē)床主軸的運(yùn)動(dòng)精度及其偏轉(zhuǎn)規(guī)律，進(jìn)一步找到引起主軸不對(duì)中的原因。由于在一個(gè)方向的信息不能反映車(chē)床主軸的空間擺動(dòng)方向，因此要綜合利用x及y方向的軸擺動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)，通過(guò)相關(guān)法運(yùn)算來(lái)描述軸在運(yùn)行時(shí)的空間運(yùn)動(dòng)情況。

用軸在x、y方向的振動(dòng)信號(hào)來(lái)分析軸的空間振動(dòng)規(guī)律。由于轉(zhuǎn)軸是一個(gè)剛體，理論上分析軸的運(yùn)動(dòng)可用一條通過(guò)軸的軸線來(lái)等效。設(shè)x（t）及y（t）分別為在x及y方向的振動(dòng)信號(hào)，用這兩個(gè)相互垂直的信號(hào)綜合成一個(gè)復(fù)量來(lái)描述軸的運(yùn)動(dòng)，如下所示：

車(chē)床的軸心軌跡是指車(chē)床在給定的轉(zhuǎn)速下，車(chē)床主軸軸心相對(duì)于軸承座在與軸線垂直的平面內(nèi)的運(yùn)行軌跡，一般為一條閉合的平面曲線。如果車(chē)床在運(yùn)行時(shí)作用于轉(zhuǎn)子各個(gè)方向的約束力在所有徑向的大小都相等，且只有少許的殘余不平衡力作用于轉(zhuǎn)軸軸心上，這時(shí)軸心軌跡接近于一個(gè)圓形；如果作用于轉(zhuǎn)軸上的預(yù)載荷發(fā)生了變化，會(huì)導(dǎo)致車(chē)床轉(zhuǎn)軸振動(dòng)加劇，從而使軸心軌跡形狀發(fā)生不同的變化。因此，可以通過(guò)了解車(chē)床主軸軸心軌跡形狀及其變化來(lái)獲得重要的車(chē)床運(yùn)行信息。具體地說(shuō)，車(chē)床主軸的軸心軌跡可用來(lái)確定車(chē)床主軸轉(zhuǎn)軸的最大振幅值及其振動(dòng)方向，從而進(jìn)一步確定車(chē)床主軸的渦動(dòng)方面及其頻率，進(jìn)一步診斷車(chē)床主軸的不平衡或中心不對(duì)中等故障。車(chē)床軸心位置是指車(chē)床主軸轉(zhuǎn)軸中心在不考慮徑向振動(dòng)時(shí)，車(chē)床軸心相對(duì)于軸承座的位置。通過(guò)直流間隙電壓信號(hào)做出的轉(zhuǎn)軸中心位置圖來(lái)反映車(chē)床主軸軸心在軸承中隨機(jī)器轉(zhuǎn)速變化的函數(shù)曲線圖，進(jìn)一步反映作用于車(chē)床主軸上的各種力的變化或運(yùn)行條件改變而影響車(chē)床主軸軸載荷的情況?？梢愿鶕?jù)軸心在圖上的移動(dòng)情況來(lái)得到有關(guān)軸承的運(yùn)行狀況及趨勢(shì)、轉(zhuǎn)軸位置角、空間角和平均偏心率等機(jī)器狀態(tài)信息。最后，用診斷軸系不對(duì)中、主軸密封摩擦、軸承磨損或裝配松動(dòng)等常見(jiàn)機(jī)器故障的特征信號(hào)來(lái)判斷車(chē)床的具體故障類(lèi)型和故障位置。通過(guò)車(chē)床主軸軸心位置圖可判斷車(chē)床主軸軸頸是否處于正常位置、主軸對(duì)心情況、車(chē)床主軸軸承安裝是否合適、主軸的軸承選用是否合理等，同時(shí)還能反映出車(chē)床主軸的磨損情況。

2 車(chē)床主軸旋轉(zhuǎn)精度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

和加速度傳感器的安裝相比，電渦流傳感器的安裝比較麻煩，主要體現(xiàn)在探頭的固定上，很多時(shí)候都要另外設(shè)計(jì)支架來(lái)固定電渦流傳感器。除了測(cè)試目標(biāo)之外，傳感器附近其他金屬物的存在，以及不適當(dāng)?shù)陌惭b位置，都會(huì)影響正確測(cè)試。為確保精確的振動(dòng)檢測(cè)，必須滿(mǎn)足以下條件。

（1）測(cè)試目標(biāo)的表面必須大于傳感器末端直徑的3倍以上。

（2）傳感器末端直徑3倍以?xún)?nèi)的范圍內(nèi)不能存在導(dǎo)電材料。

（3）為避免傳感器之間的相互影響，傳感器之間的距離必須大于傳感器末端直徑的10倍以上。

（4）應(yīng)用足夠剛性的方式進(jìn)行安裝，避免傳感器振動(dòng)。

另外，傳感器離測(cè)點(diǎn)表面不能太近，具體要求和傳感器的型號(hào)有關(guān)，測(cè)量主軸旋轉(zhuǎn)精度時(shí)，一般要裝夾標(biāo)準(zhǔn)件。通常是在一個(gè)平面內(nèi)正交的兩個(gè)方向分別安裝一個(gè)探頭，即兩個(gè)測(cè)點(diǎn)相差90h，如圖1所示。

探頭的安裝位置應(yīng)盡量靠近標(biāo)準(zhǔn)件，電渦流傳感器的中心線應(yīng)與軸心線正交。傳感器的監(jiān)測(cè)軸表面1.5倍探頭直徑寬度的范圍內(nèi)，由于電渦流傳感器的原理要求，測(cè)量的圓周面應(yīng)無(wú)刻畫(huà)痕跡、無(wú)表面坑洼或不連續(xù)的表面，而且在傳感器的范圍內(nèi)不能有噴鍍金屬或電鍍，測(cè)量表面的粗糙度應(yīng)控制在0.4～0.8μm之間。

圖1 電渦流傳感器安裝方法

3 系統(tǒng)測(cè)試

徑向跳動(dòng)量測(cè)試實(shí)驗(yàn)，使用ENTEK2100系列電渦流傳感器測(cè)量車(chē)床主軸旋轉(zhuǎn)精度。以標(biāo)準(zhǔn)件水平徑向?yàn)閤、豎直方向?yàn)閥，分別在x、y方向安裝電渦流傳感器；測(cè)量主軸的徑向跳動(dòng)量，x、y方向分別裝上傳感器，且x與y相互垂直；以軸心軌跡圖、波形圖、頻譜圖形式顯示出來(lái)。如圖2～4所示，CH1為車(chē)床主軸水平方向x；CH2為車(chē)床主軸垂直方向y。以不同速度進(jìn)行車(chē)床空轉(zhuǎn)測(cè)試。

圖2 260 r/min軸心軌跡圖

圖3 800 r/min軸心軌跡圖

圖4 1 120 r/min軸心軌跡圖

主軸在空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為105 r/min、260 r/min、560 r/min、800 r/min、1 120 r/min的測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 主軸在不同空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下的測(cè)量結(jié)果

由測(cè)量結(jié)果可知，在260 r/min和1 120 r/min時(shí)，x方向的振幅最大，從波形圖可以看出其波形上下兩部分明顯不對(duì)稱(chēng)，比較穩(wěn)定、光滑、重復(fù)性好；從頻譜圖看，其最大振幅都出現(xiàn)在25 Hz，說(shuō)明其方向上的回轉(zhuǎn)精度不好，出現(xiàn)不平衡情況。產(chǎn)生的原因可能是由于安裝在x方向的傳感器是貼在車(chē)床上的，在260 r/min和1 120 r/min的25 Hz，主軸頻率與車(chē)床本身的低頻固定頻率，即第一階固有頻率接近，振動(dòng)會(huì)被增幅或減幅。這次實(shí)驗(yàn)就是增幅，需要調(diào)整安裝位置后再測(cè)260 r/min和1 120 r/min，而在其他轉(zhuǎn)速情況，x、y方向振幅保持在較穩(wěn)定的范圍內(nèi)，符合加工精度要求的范圍。

4 結(jié)束語(yǔ)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，本研究采用電渦流傳感器、XM120振動(dòng)模塊、XM500網(wǎng)關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)精度的動(dòng)態(tài)測(cè)量，有效解決了車(chē)床旋轉(zhuǎn)中軸心軌跡的檢測(cè)問(wèn)題。研究車(chē)床主軸旋轉(zhuǎn)精度的測(cè)量方法，設(shè)計(jì)非接觸式測(cè)量系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)精度的動(dòng)態(tài)測(cè)量，并根據(jù)所采集信號(hào)初步估計(jì)車(chē)床主軸的運(yùn)動(dòng)情況，具有一定的理論依據(jù)及實(shí)際應(yīng)用意義。