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數字（zì）化數控機床主軸測試係統的（de）研（yán）發

2019-12-6 來源：上海（hǎi）華靈工具廠作者：陸建明張磊

摘要：針對數（shù）控機床主軸傳統測試在測試方法、數據處（chù）理、誤差評定等方麵均存在不足的問題，研發了數字化數控機床主軸測試係統。這一係（xì）統集（jí）成（chéng）了各類檢測功能（néng），提高（gāo）了測試的時效性與數值的精確性。

關（guān）鍵詞：機床主軸測試

1 、研（yán）究背景（jǐng）

對數控機床主軸係統各項關鍵（jiàn）參數指標進行測試，曆（lì）來均采用單獨測（cè）試的方法，並根據（jù）需要進行組合（hé）。單獨測試方法比較麻煩，數據處理方法不一致，評定數值標準（zhǔn）也不統一，容易造（zào）成不同誤差。若（ruò）測量時選擇結構不統（tǒng）一，也會造成數（shù）據偏差。為了滿足測試項目的要求（qiú），使用的儀器多而雜，數據觀察不方便，數據處（chù）理也（yě）較混亂。如測量位移、扭矩（jǔ）、溫度、頻率、電壓（yā）、電流及功率等（děng）指（zhǐ）標時，均需（xū）用相應的儀（yí）器，不能統一采用量程數據來顯示，且（qiě）有的采（cǎi）用線性值，有的采用角度（dù）值，數值存在（zài）漂移。

為了（le）解決上述問題，筆者研（yán）發了數字化數控機床主軸測試係統，如圖 1 所（suǒ）示。

圖 1 數字化數控機床主軸測試係統

2 、係統組成

應用（yòng）數字化數控（kòng）機床主軸測試係統，可以對主軸特性進行測試，準確（què）可靠地發現（xiàn）主軸運動過（guò）程中出現的問題，並對其進行修正和改進。數字化數控機床主軸測試係（xì）統主要由（yóu）三部分組成，如圖 2 所示。

圖 2 數字化數控機床主軸測試係統組成

機械裝置包括（kuò）試（shì）驗台、基座（zuò）、主軸部件。測試係統包括轉動工作軸上的各種非接觸傳感器。控製係統包括主軸控製係（xì）統和檢測軟件。控製（zhì）係統（tǒng）模擬主軸的高速運轉，同時（shí）產生（shēng）振動，測試係統通過對機械裝置的振動測試，將信息傳遞至計算機，從而可以對主軸特性進行（háng）分析。

3 、試驗台

數字化數控機床主軸測試係統機械裝置的設計是一個複雜的過程，包（bāo）含基礎平台設計（jì）、高（gāo）速主軸選型、軸承選型、振源產生方（fāng）式確定等。基礎平台為帶縱橫 T形槽的（de）一級鑄（zhù）鐵平台，方便固定需要試驗的設備。考慮到高速主軸性能測試項目的（de）需求，對基礎平台提出特殊的結構要求，以使各部件穩固連接。

4 、主軸（zhóu）

為實現主軸高速運轉，需選擇合適的機電驅動裝置。隨著科技的發展，傳（chuán）統的電機已無（wú）法滿足高速運轉的需求（qiú），取而（ér）代之的（de）是一種智能型功能部件，即電主軸。電主軸將電機與機床主軸的傳動（dòng）結構形式合（hé）二為一，極大簡化了高速數控機床傳動係統的機械（xiè）結構，取消（xiāo）了帶（dài）輪傳動和齒輪傳（chuán）動，將機床傳動鏈的長度縮（suō）短為 0，實現了機床（chuáng）的零傳動。

根據（jù）調研國內電主軸生產廠商，依據試驗需求及商家技術人員建議，選用170MD15Y20 型電主（zhǔ）軸（zhóu），其主要參數見表 1。

表 1 170MD15Y20 型電主軸（zhóu）主要參數

在主（zhǔ）軸選型確定後（hòu），對工作軸的結構進行（háng）設計。工（gōng）作軸模擬數控（kòng）機床主軸高（gāo）速運轉，直（zhí）徑為 50 mm。根（gēn）據（jù）試驗需求，工作軸長度（dù）確定為 1 000 mm，材（cái）料選用40Cr 鋼。工作軸需進（jìn）行動平（píng）衡（héng）處（chù）理。為使工作軸產生一個不平衡（héng）量，在工作軸上（shàng）設計（jì）了一個飛輪，材料選用 45 號鋼。在飛輪外邊沿側麵均布螺（luó）紋（wén）孔，便於加載不平衡量。

作為連接主軸與工作軸之間最有效的裝置，聯軸器的設計至（zhì）關重要。考慮到主軸運行速度較高，從試（shì）驗安全（quán）性方麵考慮，設（shè）計了（le）具有彈性元（yuán）件的（de）撓性聯軸器。在確定主軸和工作軸（zhóu）後，需對主（zhǔ）軸及工作（zuò）軸的（de）支撐部件基座、基座蓋及端蓋等結構進行設計。

5 、數（shù）字化的實（shí）現

鑒於測量對象是數控機床主軸，傳感器不再選用接觸式加速度傳感器，取而代（dài）之的是非（fēi）接觸式電渦流傳感（gǎn）器（qì）。通過軟件編程，控製（zhì）數（shù）字化（huà）數控機床主軸測試係（xì）統所采用的各種傳感器，並進行有效組合。

在動態（tài）、靜態狀態下進行（háng）主軸測試，通過軟件對測試數（shù）據（jù）進行處（chù）理，顯示動態、靜態狀（zhuàng）態（tài）下的各（gè）種真實數。經過不斷連接調試，對軟件進行編程、細化、改進，尤其是在控製各傳感器功能的軟件方麵進行不斷優化，使各功能指標趨向於實際狀態，數值顯示與實際（jì）情況相符合，並使各項指標在數據同步顯示方麵（miàn）均優於單項測試。傳感（gǎn）器（qì）連（lián）接簡單便捷，裝拆方便，各電氣設計控製元件采（cǎi）用一箱式集成，加之有效編程，使測試操作方法簡便，數值精確。

6 、核心部件

應用數字（zì）化數控機床主軸測試係統，可以同時測試多個項（xiàng）目，得到準確讀數，進而進行儲存。在機械加工中，扭矩變化的測試比較複（fù）雜，且誤差大。在數字化數控機床（chuáng）主軸測試係統中，通過傳感器可（kě）以正確無誤地得到主軸在不同轉速條件下所產生的扭矩及發生的變化［5］。此外，主軸（zhóu）產生的振動也會影響產品加工精度（dù）。在數字（zì）化數控機（jī）床主軸測（cè）試（shì）係統中設置了飛輪，通過傳感器可以測得工作軸及飛輪（lún）的振（zhèn）動頻率與位移。

通過適當加載，可以分析不同工作條件下扭矩負（fù）載對主軸運轉時徑向軸向位移、振（zhèn）動、噪聲、電流、電壓及轉速等的影響。另一方麵，還增加了軸向徑向位移定位精度與重（chóng）複定位精度測試。

在數字化數控機床主軸測試（shì）係統（tǒng）中沒有常用的（de）百分表、千分表、分貝儀、電流表、電壓表、功率（lǜ）表、轉速表、溫度計，以及各種測試輔助裝置，取而（ér）代（dài）之的是支座上設置（zhì）的（de）各種傳感器。溫度傳感器測試範圍為- 40～200 ℃。扭矩傳感（gǎn）器測試範圍為 0～50 N·m，供電電源為直流（liú） 24 V。

電渦（wō）流傳感器（qì）線性（xìng）範圍為 0.80～2.80mm，線性中心點（diǎn）為 1.80 mm，相對靈敏（mǐn）度偏差為0.33% ，非線性度為 0.46% ，供（gòng）電電（diàn）源為直流 24 V，環境溫度為 25 ℃。在數字化數控機床主軸（zhóu）測試係統中，還設有（yǒu）下列器件：① 熱電偶模擬輸入模塊，8 位（wèi）差分輸入，相對精度±0.2%，分辨率為 16 位；② 電渦流變（biàn）送傳感器，輸（shū）出為 7.87 V/mm，頻率響應為 5~500 Hz，線性範圍為 0.5～2 mm，相對互換誤差為±5%，電源（yuán）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（háng）總線（USB）/RS 485 接口轉換器，通信（xìn）速率為 300 bit/s ～115.2 kbit/s。數字化數控機床測試係統數據采集工作原理如圖3 所示。

圖（tú）3 數據采集（jí）工作（zuò）原理圖

在這一係統中，采用了（le）電渦流傳感器（qì）。這種傳（chuán）感器根據輸（shū）出信（xìn）號的大小，基於探頭探測與工作軸表（biǎo）麵之間距離的變化，實（shí）現對工（gōng）作軸位移、振動等（děng）參數的測量［7］。從轉子（zǐ）動力學、軸承（chéng）學理論進行分析（xī），大型旋轉機械的運動狀態主要取（qǔ）決工作軸，而電（diàn）渦流傳感器能直接（jiē）非接觸測量（liàng）工作軸的狀態，對於（yú）工作軸的不平衡、不對中、軸承磨損（sǔn）、軸裂紋、軸向徑向位移變化做出判定，可以提供關鍵信息。

筆者研發的數（shù）字化數控機床主軸測試係統中采（cǎi）用了八組電渦流傳（chuán）感器，試驗結果和用戶報（bào）告表（biǎo）明，應用電渦流傳感器取（qǔ）得了良好效果，達到了預期目的。

7 、變頻調速（sù）

在數字化數控機床（chuáng）主軸測試係統（tǒng）中采（cǎi）用了變頻調速技術，這樣采用直接轉（zhuǎn）矩控製就能滿足主軸高轉速、寬調速範（fàn）圍、高速瞬間準停的動靜態特性要求（qiú）。

8 、主軸冷卻係統

在數字化數控機床主軸測試係統運行過（guò）程中，為保證主軸安全（quán），冷卻係（xì）統（tǒng）必須（xū）處在開放狀態下。在軟（ruǎn）件程序設置中對冷卻係統進（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（zhǔ）軸的良好運作狀態，冷（lěng）卻（què）水質（zhì）必須清潔。使用去離子水，為防止微生物和水垢（gòu）產生，在正常情況下應每三個月更換一次冷卻（què）水。

水箱內確保水位高度，且保持水流回路暢通，水箱中可加入防鏽劑，避免主軸內部生鏽（xiù）。

9 、數字化擴（kuò）展

在機械加工中，質量指（zhǐ）標的檢測（cè）手段由原來的單項測試逐步向（xiàng）多項測試集成，從而有在靜態與動態條件下綜合處理、轉換、顯示及打印數據的要求。在數字化數控機床主軸測試係統中，數據采集卡參照計算機總線技術標準設計和製造。

將數據采集卡插入機（jī）主板相應的輸入輸出擴展槽（cáo）中，就可以迅速方便地（dì）構成一個數（shù）據采集（jí）與處理係統，從而大大節省研發（fā）時間（jiān）和資金（jīn），並可以充分利用計（jì）算機（jī）軟硬件資源，集中精力對數據采集（jí）與處理中的（de）理論和方法進行研究（jiū），並對測試係統進行設計和程序編製（zhì）。

在數字化數（shù）控機床主軸（zhóu）測試係統中，數據采集卡通道分（fèn）為 16 位單端輸入與 8 位差分輸入，分辨率為（wéi）16 位，信號（hào）輸入範圍為 0～20 V，采樣值為 250 k S/s。數據采（cǎi）集（jí）處理係統分析軟件有 S3C4510B 和CPLD 控製程序（xù）。編寫應用程序時先初始化 CPLD 控製參數，然（rán）後讀取 F1F0 上的數據，最後通過（guò）計算機曲線顯示傳輸控製協議（yì）、網際協議及串口通信信息。在數字（zì）化數控機床主軸測試係統中，打開顯示屏操作軟件，就可以進入主界麵。

在菜（cài）單欄主要顯示以下內容：① 文（wén）件操作，包括新建、打開、保存等； ② 參（cān）數設置，包括測試係統參數設置選項； ③ 測試方（fāng）法，包括靜態測試、空載測試、負載測試三種。數（shù）字化（huà）數控機床主（zhǔ）軸測試係統的三種測試方法均（jun1）可（kě）以選擇開（kāi）始、停止、中斷、繼（jì）續四種狀態。

在參數設置後，即可（kě）啟動（dòng）係統測（cè）試。如果沒有（yǒu）外界幹擾影響，係統按照參數設計的流程由低速到高速進行測量。係統完成測試後，自動停止（zhǐ）。在測試係（xì）統處於中斷狀態後，可以（yǐ）選擇（zé）繼續進行測試。在係統測試過程中或係統處於中斷狀態時，都（dōu）可以停止測（cè）試。

通過數字化數（shù）控機床主軸測試係統，操作者在顯示屏上可以清晰地看到（dào）主軸的徑向跳動、軸（zhóu）向竄動，飛輪的徑向跳動、軸向擺動，以及主軸的扭（niǔ）矩、轉速、電流等關鍵（jiàn）參數曲線。

10 、結論

數字化（huà）數控機床主軸測試係統應用各種傳感器、變頻器等對被測試主軸係統參數變化進行多項目測試。作為數據分析設（shè）備，可以（yǐ）為開發新產品、及時分析故障缺陷原因等提供依據，並提高產品（pǐn）質量，降低（dī）成本，提高生產率。數據測試操作方法簡便、直觀，在線測試、顯示、數據處理及打印一站式（shì）完成。

可以通過用戶顯示界麵便（biàn）捷地（dì）對主軸工作狀態進行多項測試，有助於了解主軸的機械和電氣指示現狀。這一測試係統位移精度可達 0.005 mm，扭矩精度為 0.5 N·m，主軸最高轉速可達 15 000 r/min，通過變（biàn）頻調速可（kě）實現用戶所需要的目標值。

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