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數控機床主軸動態性能檢測係統研究

2021-3-5 來（lái）源：蘭州（zhōu）理工大學技術工程學院作者：陳豔麗吳冬霞芮守鳳（fèng）李永強

摘要：數控機床是機械行業（yè）的基礎設備，數控機床的發展速度將會直接影響整個行業的發展速度，而主軸部件是數控（kòng）機床的關（guān）鍵部件，主軸性能的高低可以（yǐ）直接（jiē）影響數控機床的加工（gōng）效率，因此技（jì）術人員一定要重視數（shù）控機床主軸研究工作，本文針對數控機床主軸動態性能檢測係統做出了討論，供（gòng）技術人員參考使用。

關鍵詞：數控機床（chuáng）；主軸；動（dòng）態性能；檢測係統

0 引言

為確保數控機床所生產零件可以應用在施工項目當中，那麽首先要保證主軸係統內部結構以及剛度符合相關（guān）標準，因此在將數控機（jī）床應（yīng）用在實際生產工作之前，技術人員應對數控機床主軸進行（háng）動態性能檢測，同時（shí）為保證日常工作（zuò）的工（gōng）作效率與工作質（zhì）量，在工作過（guò）程中，技（jì）術人員應加大對數控機床主軸動態性（xìng）能檢測係（xì）統的研（yán）究力度，以使得數控機床更新速度可以加快，加快機械行業發展（zhǎn）速度（dù）。

1 、數控機床主軸動態性能檢測內容（róng）

數控機床動態性（xìng）能包含兩部分內容，分別是（shì）機床（chuáng）固有頻率與主振型，數控機床主軸動態性能檢測係統主要檢測內（nèi）容為（wéi）機床振動頻率，比如如果技術人員對數控機床存在的受迫振動進行檢測，判斷（duàn）是否（fǒu）可以通過某種方式避免共振情況的出現，再比如對它的（de）自激振動進行檢測，判斷（duàn）是否可以通過某種方式（shì）降低顫（chàn）振產生（shēng）的力。

技術人員想要（yào）對數控（kòng）機床主（zhǔ）軸動態性（xìng）能檢測係（xì）統進行優化，那麽在工作開始過程中首先要做的（de）就是完成主軸（zhóu）建模工作，目（mù）前技術人員可以選擇的方法有以下兩（liǎng）種：

①以主軸（zhóu）係統結構為基礎，建立動力學微分方程（chéng），然後再（zài）利用解耦（ǒu）發進行求解，得出（chū）數（shù）控機床主軸模型的特征值與特征向量，進而確定數（shù）控機床的動態參數；或者是技術人員利用相關軟件建立數控機床主軸有限元模型，然後（hòu）再分析出動態（tài）參數。

②向數控機床內部結構發射信號，然後通過相應手段檢測各結構在接收到信號後的變化，在根據參數的變化確定數控機床主軸（zhóu）的固有頻（pín）率以及主振（zhèn）型。

2 、數控（kòng）機床主軸動態性能檢測係統設計

數控機（jī）床主動動態性能非常複雜，利用傳統檢測法無法對數控機床（chuáng）主（zhǔ）軸進行全麵檢測，因此技（jì）術人員（yuán）需要設計出適合檢測數控機床主軸動（dòng）態性能的係統，具體做法如下：

2.1 數控機床主軸動態性能檢測係統總體設計方案

技術人（rén）員所設計的數控機床主（zhǔ）軸動態性能檢測（cè）係統可（kě）以分為兩部分，分別是硬件係統與算法係統。具體設（shè）計方案（àn）如下：

①所設計硬件（jiàn）係統需要包含三部分，即信號（hào）發生設備（bèi）、信號轉換設備以及信號采（cǎi）集設備。算（suàn）法係（xì）統需要包含三部分，即預處理部分、處理部分以（yǐ）及後處理部分。②根據（jù）所設計的數控機床主（zhǔ）軸動態性能檢測係（xì）統的功（gōng）能將係統分成若（ruò）幹個模塊，比如主軸回轉精度分析模塊、振動（dòng）特性分析模（mó）塊、熱分（fèn）析模塊等（děng）等。

2.2 硬件係統總體（tǐ）設計方案

技術人員所設計的硬件係共包含三個組成部分，每一部分的具體功能如下：

①信號發生（shēng）設備是指（zhǐ）係統在運行過程（chéng）中，利（lì）用係統以（yǐ）電信號的形式將（jiāng）檢測部分（fèn）的具體情況（kuàng）傳遞給信息中心（xīn），具體分類有（yǒu）以下幾種：

1）激光位移傳感器，主要功能為檢測位（wèi）移信號。2）加速度壓電傳感器，主要功能為檢測主軸振動信（xìn）號。3）溫度傳感器，主要功能為檢測主軸溫度。4）編碼器（qì），主要功能為判斷主軸回轉位置。

②信號發生裝備所傳遞的信號形式繁多，因此當（dāng）所傳遞信號被采集卡收集之前（qián），需（xū）要在製定位置進（jìn）行轉換，這就是我們所說的信號轉換裝備。通常情況下，信（xìn）號轉換裝備的（de）工作內（nèi）容（róng）包含以下幾點：

1）將位移傳感器中的位移信號轉化為電（diàn）壓信號，即完成 mm→V 的轉化（huà）。2）將加速度傳感（gǎn）器中的加速度信號轉化為電壓信號，即完成 g→V 的轉化。3）將（jiāng）溫度傳感器中的溫（wēn）度信號轉化為電壓信號，即完成℃→V 的轉化。但（dàn）是工（gōng）作人員需要知道，當（dāng）傳遞信號通過信號轉換器完（wán）成轉換工作後（hòu），其轉換後的電壓信號值（zhí）一定在±10之內（nèi）。

信號采集設備的工作原理為當它們接收到轉換完成的電壓信號後，將其還原為原（yuán）始信號，即位移電壓信號、加速度電壓信號與溫度電壓信號（hào）都轉變為原始位移信號，完（wán）成 V→mm、V→g、V→℃的轉（zhuǎn）化，同時當信號采集設備完成信號轉換工作後，會將轉換完（wán）成的數字信號存儲在指定位置。通（tōng）常情況下信號采集裝備的內部存儲空間無法進行大規模數據（jù）存儲工作，因此工作人員會選擇將所轉換數字信號（hào）存儲在計算機當（dāng）中。除上三部分之外，技術人員在設計數控機床主軸動（dòng）態性能檢測係（xì）統時會在其加（jiā）入編碼器（qì），出現這種做法的原因主要有以下幾點：

①工作（zuò）人員使用的傳統（tǒng）的數（shù）控機床主軸動態檢測係統隻能對主軸整體的回轉精度、振動（dòng）特性以及熱特性進行檢測，但是如果技術人員在係統中（zhōng）加入編碼器，那麽就可（kě）以（yǐ）對主軸附近的（de）每個回轉位置進行（háng）評估，獲得更精準（zhǔn）、更豐富的檢測數據。②編碼器還可以與其他信號進行了解，同時還（hái）可以（yǐ）使（shǐ）得（dé）所接收信號不（bú）受時間幹擾。即添加編碼器可以使所設計的係統同時接收主（zhǔ）軸回轉精度位移信（xìn）號、振動特性、加速（sù）度信號以及熱（rè）檢（jiǎn）測溫度信號（hào）。③數控機床主軸（zhóu）動態性能檢測係統所接收（shōu）的各（gè）個信號之（zhī）間存在一定的內部聯（lián）係，這些聯係可（kě）以對工作人員進（jìn）行深度分析造成影響，改變（biàn）工作人員所（suǒ）製定的工作計劃。

同時（shí）係統所（suǒ）檢測數（shù）據不僅可以反應出主軸當時的動態（tài）性能，當經過一段（duàn）時間的數據積累後，技術人員還可以判斷主軸過去（qù）的動態性能（néng），並且根據這些數據，判斷主（zhǔ）軸動態性（xìng）能發展趨勢。

在大數據技術日益成熟的今天，該（gāi）技術員（yuán）不僅可（kě）以應（yīng）用在互聯網行業，還（hái）可以（yǐ）應（yīng）用到機械行業（yè）。在構建數控機床主軸動態性能檢測（cè）係統時進行數據挖掘（jué）工作，技術人員可以獲（huò）得一些以前沒有注意（yì）到的隱形信息，使（shǐ）得所構建係統可以更（gèng）好的進行服務，提高工作質量（liàng）。

2.3 算法係統（tǒng）設計方案

如果技術（shù）人員想要對硬件係統所采集的數據（jù）進行（háng）分析、存儲（chǔ），那麽就一定需（xū）要利用相關係統進行完成，這就是數控機床主軸動態檢測係統算法係統出現的（de）前提（tí）。通常情況下，技術人員在設計算法（fǎ）係統時，會使用 Mtlab，造（zào）成這種現象的原因主要時因（yīn）為 Mtlab 可以為（wéi）技術人員提供簡易編程環境與覆蓋麵非常廣的（de）函數庫，同時它還具有（yǒu）非常厲害的數據處理能力，可以提高數據分析效率與分（fèn）析質量（liàng）。目（mù）前技術人（rén）員所設計（jì）的算法係（xì）統擁有三個模塊，分別是（shì）預處理（lǐ）模塊、處理模塊以及後處理（lǐ）模（mó）塊，其具（jù）體功能如下：

2.3.1 預處理模塊

預處理模塊的主要功能有三點，分（fèn）別是數據讀（dú）取功能、參數設置（zhì）功能以及數據濾（lǜ）波處理功能，其工作流程（chéng）為：首先將 LMS 采（cǎi）集卡中所采集的（de）數據上傳至 Mtlab 環境（jìng）中，然後根據實（shí）際情況完成參數設置，最後對上傳數據進行濾波處理。為保證工作質（zhì）量與工作效率，技術人員要（yào）明確需要對哪些（xiē）參數進行設（shè）置，他們分別是傳感器類型、樣本（běn）信息頻率、實際（jì）位置、對應采（cǎi）集通道、采（cǎi）集卡采樣（yàng）頻率、所占通道總數（shù）以及具體檢測時間（jiān）。預處理模塊在運行過（guò）程中可以將各項檢測工藝的工藝參數進行留底，同時（shí）還可以直接被處理（lǐ）模塊調用，即技術（shù）人員所設計檢（jiǎn）測係統可以（yǐ）應用在多種檢測工藝中。在係（xì）統運行過程中，周（zhōu）圍（wéi）會出現一些噪音，數據（jù）濾波處理功能主要（yào）是為了解決這些噪音汙（wū）染，以免影響工作質量與工作效率。技術人員可以將噪音來（lái）源分為（wéi）三類，分別是硬件係統自（zì）身（shēn）所產生噪音、環境噪音以及隨（suí）機（jī）噪音。為（wéi）確保數（shù）據分析的精（jīng）準度（dù）不受影響，技術人（rén）員通常會使用低（dī）通濾液、去直流分量以及平滑濾波這三種方法進（jìn）行解決。

2.3.2 處理（lǐ）模（mó）塊

處理模塊的主要功能為對已經完成預處理的數（shù）據進行具體動（dòng）態分（fèn）析，同時將分析所得數據上傳至數據庫中，以方便後處理模塊進行使用（yòng）。在完成（chéng）數據處理工作時（shí），主軸動態性能分析主要在三個模塊中進行，分別是回轉精度模塊、振動特性模塊以（yǐ）及熱特性模（mó）塊（kuài），當數（shù）據動態分析工作完成（chéng）後，係統回將分析後的數（shù）據（jù）上傳至編碼器中（zhōng）進行進一步處理，同時（shí）在數據庫中完成更新。技術人（rén）員所搭建的數據庫會對存儲信息進（jìn）行編號，出現這一現象的原因（yīn）主要有以下幾（jǐ）點：

①後處理（lǐ）模塊不需要對所顯示的數據進行分析處理，可以直接使（shǐ）用。②技術人員可以用存儲數據進行（háng）主軸動態分析工作。③在檢測工作完成後，數據庫（kù）會進行實時更新，可（kě）以為技術人員找到主軸過去的動態信息提供（gòng）便利，同時當數據存儲量足夠時，技術人員可以對（duì）主軸動態（tài）性能發（fā）展方向進行分析。

2.3.3 後處理模塊

後處理模塊的（de）主要功能是展示係統最終結果，即結合用戶需求，在 Matlab 中顯示（shì）主（zhǔ）軸回轉精度、振動特性（xìng）以及熱特（tè）性結果。由於係統內部具有相應處理結構，因此技（jì）術人員可以獲得（dé）非常詳細的數據，具體情況（kuàng）如下：①在回轉精度模塊中，技術（shù）人員可以獲得（dé）兩類主軸回轉精度信息，分（fèn）別是在某一轉（zhuǎn）速下，主軸的徑（jìng）向跳（tiào）動信息、軸向竄動信息（xī）、軸（zhóu）線擺動信（xìn）息；與在不同轉速下，主軸的徑向跳動信息、軸向竄動信息、軸線擺（bǎi）動信息。②在振動特性模塊中，技術人員（yuán）可（kě）以（yǐ）獲得（dé）兩類主軸振動特（tè）性（xìng）信息，分別是在某一（yī）轉速下，一個或多個測點（diǎn）的 X、Z 方向的實際加速度，和

XY 兩方向的實際合（hé）成加速度與 YZ 兩方向的實際合成（chéng）加速度；與（yǔ）在不同（tóng）轉速下，多個測點各（gè）方（fāng）向的實際加速（sù）度與合成加速度。③在熱特性模（mó）塊中，技術人員可以獲得兩類熱特性信息，分（fèn）別是主（zhǔ）軸平衡溫度；與主軸溫度上升（shēng）特（tè）性曲線。

3 、結束（shù）語

通過實際工作技術（shù）人員可以發現影響數控機床主軸動態性能檢測係統的因素有（yǒu）很多，在實際工作過程中，工作人員不要忽（hū）略任何一項因素，對於所出現的突發事故（gù）進（jìn）行及時處理，以保證工作質量與工作效率，而且如果技術人員可以構建出合適的數控機床主（zhǔ）軸動態性能檢測係統，那麽不僅可以提高數控機床的工作質量，還可（kě）以推動機械（xiè）行業的發展（zhǎn），使得機械行業在（zài）社會發展中擁有更高的地位。

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