數(shù)控機床主軸動態(tài)性能檢測系統(tǒng)研究
2021-3-5 來源： 蘭州理工大學(xué)技術(shù)工程學(xué)院 作者：陳艷麗 吳冬霞 芮守鳳 李永強
摘要：數(shù)控機床是機械行業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)備，數(shù)控機床的發(fā)展速度將會直接影響整個行業(yè)的發(fā)展速度，而主軸部件是數(shù)控機床的關(guān)鍵部件，主軸性能的高低可以直接影響數(shù)控機床的加工效率，因此技術(shù)人員一定要重視數(shù)控機床主軸研究工作，本文針對數(shù)控機床主軸動態(tài)性能檢測系統(tǒng)做出了討論，供技術(shù)人員參考使用。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機床；主軸；動態(tài)性能；檢測系統(tǒng)
0 引言
為確保數(shù)控機床所生產(chǎn)零件可以應(yīng)用在施工項目當中，那么首先要保證主軸系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及剛度符合相關(guān)標準，因此在將數(shù)控機床應(yīng)用在實際生產(chǎn)工作之前，技術(shù)人員應(yīng)對數(shù)控機床主軸進行動態(tài)性能檢測，同時為保證日常工作的工作效率與工作質(zhì)量，在工作過程中，技術(shù)人員應(yīng)加大對數(shù)控機床主軸動態(tài)性能檢測系統(tǒng)的研究力度，以使得數(shù)控機床更新速度可以加快，加快機械行業(yè)發(fā)展速度。
1 、數(shù)控機床主軸動態(tài)性能檢測內(nèi)容
數(shù)控機床動態(tài)性能包含兩部分內(nèi)容，分別是機床固有頻率與主振型，數(shù)控機床主軸動態(tài)性能檢測系統(tǒng)主要檢測內(nèi)容為機床振動頻率，比如如果技術(shù)人員對數(shù)控機床存在的受迫振動進行檢測，判斷是否可以通過某種方式避免共振情況的出現(xiàn)，再比如對它的自激振動進行檢測，判斷是否可以通過某種方式降低顫振產(chǎn)生的力。
技術(shù)人員想要對數(shù)控機床主軸動態(tài)性能檢測系統(tǒng)進行優(yōu)化，那么在工作開始過程中首先要做的就是完成主軸建模工作，目前技術(shù)人員可以選擇的方法有以下兩種：
①以主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，建立動力學(xué)微分方程，然后再利用解耦發(fā)進行求解，得出數(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(tài)參數(shù)；或者是技術(shù)人員利用相關(guān)軟件建立數(shù)控機床主軸有限元模型，然后再分析出動態(tài)參數(shù)。
②向數(shù)控機床內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)射信號，然后通過相應(yīng)手段檢測各結(jié)構(gòu)在接收到信號后的變化，在根據(jù)參數(shù)的變化確定數(shù)控機床主軸的固有頻率以及主振型。
2 、數(shù)控機床主軸動態(tài)性能檢測系統(tǒng)設(shè)計
數(shù)控機床主動動態(tài)性能非常復(fù)雜，利用傳統(tǒng)檢測法無法對數(shù)控機床主軸進行全面檢測，因此技術(shù)人員需要設(shè)計出適合檢測數(shù)控機床主軸動態(tài)性能的系統(tǒng)，具體做法如下：
2.1 數(shù)控機床主軸動態(tài)性能檢測系統(tǒng)總體設(shè)計方案
技術(shù)人員所設(shè)計的數(shù)控機床主軸動態(tài)性能檢測系統(tǒng)可以分為兩部分，分別是硬件系統(tǒng)與算法系統(tǒng)。具體設(shè)計方案如下：
①所設(shè)計硬件系統(tǒng)需要包含三部分，即信號發(fā)生設(shè)備、信號轉(zhuǎn)換設(shè)備以及信號采集設(shè)備。算法系統(tǒng)需要包含三部分，即預(yù)處理部分、處理部分以及后處理部分。②根據(jù)所設(shè)計的數(shù)控機床主軸動態(tài)性能檢測系統(tǒng)的功能將系統(tǒng)分成若干個模塊，比如主軸回轉(zhuǎn)精度分析模塊、振動特性分析模塊、熱分析模塊等等。
2.2 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計方案
技術(shù)人員所設(shè)計的硬件系共包含三個組成部分，每一部分的具體功能如下：
①信號發(fā)生設(shè)備是指系統(tǒng)在運行過程中，利用系統(tǒng)以電信號的形式將檢測部分的具體情況傳遞給信息中心，具體分類有以下幾種：
1）激光位移傳感器，主要功能為檢測位移信號。2）加速度壓電傳感器，主要功能為檢測主軸振動信號。3）溫度傳感器，主要功能為檢測主軸溫度。4）編碼器，主要功能為判斷主軸回轉(zhuǎn)位置。
②信號發(fā)生裝備所傳遞的信號形式繁多，因此當所傳遞信號被采集卡收集之前，需要在制定位置進行轉(zhuǎn)換，這就是我們所說的信號轉(zhuǎn)換裝備。通常情況下，信號轉(zhuǎn)換裝備的工作內(nèi)容包含以下幾點：
1）將位移傳感器中的位移信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，即完成 mm→V 的轉(zhuǎn)化。2）將加速度傳感器中的加速度信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，即完成 g→V 的轉(zhuǎn)化。3）將溫度傳感器中的溫度信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，即完成℃→V 的轉(zhuǎn)化。但是工作人員需要知道，當傳遞信號通過信號轉(zhuǎn)換器完成轉(zhuǎn)換工作后，其轉(zhuǎn)換后的電壓信號值一定在±10之內(nèi)。
信號采集設(shè)備的工作原理為當它們接收到轉(zhuǎn)換完成的電壓信號后，將其還原為原始信號，即位移電壓信號、加速度電壓信號與溫度電壓信號都轉(zhuǎn)變?yōu)樵嘉灰菩盘枺瓿?V→mm、V→g、V→℃的轉(zhuǎn)化，同時當信號采集設(shè)備完成信號轉(zhuǎn)換工作后，會將轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字信號存儲在指定位置。通常情況下信號采集裝備的內(nèi)部存儲空間無法進行大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲工作，因此工作人員會選擇將所轉(zhuǎn)換數(shù)字信號存儲在計算機當中。除上三部分之外，技術(shù)人員在設(shè)計數(shù)控機床主軸動態(tài)性能檢測系統(tǒng)時會在其加入編碼器，出現(xiàn)這種做法的原因主要有以下幾點：
①工作人員使用的傳統(tǒng)的數(shù)控機床主軸動態(tài)檢測系統(tǒng)只能對主軸整體的回轉(zhuǎn)精度、振動特性以及熱特性進行檢測，但是如果技術(shù)人員在系統(tǒng)中加入編碼器，那么就可以對主軸附近的每個回轉(zhuǎn)位置進行評估，獲得更精準、更豐富的檢測數(shù)據(jù)。②編碼器還可以與其他信號進行了解，同時還可以使得所接收信號不受時間干擾。即添加編碼器可以使所設(shè)計的系統(tǒng)同時接收主軸回轉(zhuǎn)精度位移信號、振動特性、加速度信號以及熱檢測溫度信號。③數(shù)控機床主軸動態(tài)性能檢測系統(tǒng)所接收的各個信號之間存在一定的內(nèi)部聯(lián)系，這些聯(lián)系可以對工作人員進行深度分析造成影響，改變工作人員所制定的工作計劃。
同時系統(tǒng)所檢測數(shù)據(jù)不僅可以反應(yīng)出主軸當時的動態(tài)性能，當經(jīng)過一段時間的數(shù)據(jù)積累后，技術(shù)人員還可以判斷主軸過去的動態(tài)性能，并且根據(jù)這些數(shù)據(jù)，判斷主軸動態(tài)性能發(fā)展趨勢。
在大數(shù)據(jù)技術(shù)日益成熟的今天，該技術(shù)員不僅可以應(yīng)用在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，還可以應(yīng)用到機械行業(yè)。在構(gòu)建數(shù)控機床主軸動態(tài)性能檢測系統(tǒng)時進行數(shù)據(jù)挖掘工作，技術(shù)人員可以獲得一些以前沒有注意到的隱形信息，使得所構(gòu)建系統(tǒng)可以更好的進行服務(wù)，提高工作質(zhì)量。
2.3 算法系統(tǒng)設(shè)計方案
如果技術(shù)人員想要對硬件系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)進行分析、存儲，那么就一定需要利用相關(guān)系統(tǒng)進行完成，這就是數(shù)控機床主軸動態(tài)檢測系統(tǒng)算法系統(tǒng)出現(xiàn)的前提。通常情況下，技術(shù)人員在設(shè)計算法系統(tǒng)時，會使用 Mtlab，造成這種現(xiàn)象的原因主要時因為 Mtlab 可以為技術(shù)人員提供簡易編程環(huán)境與覆蓋面非常廣的函數(shù)庫，同時它還具有非常厲害的數(shù)據(jù)處理能力，可以提高數(shù)據(jù)分析效率與分析質(zhì)量。目前技術(shù)人員所設(shè)計的算法系統(tǒng)擁有三個模塊，分別是預(yù)處理模塊、處理模塊以及后處理模塊，其具體功能如下：
2.3.1 預(yù)處理模塊
預(yù)處理模塊的主要功能有三點，分別是數(shù)據(jù)讀取功能、參數(shù)設(shè)置功能以及數(shù)據(jù)濾波處理功能，其工作流程為：首先將 LMS 采集卡中所采集的數(shù)據(jù)上傳至 Mtlab 環(huán)境中，然后根據(jù)實際情況完成參數(shù)設(shè)置，最后對上傳數(shù)據(jù)進行濾波處理。為保證工作質(zhì)量與工作效率，技術(shù)人員要明確需要對哪些參數(shù)進行設(shè)置，他們分別是傳感器類型、樣本信息頻率、實際位置、對應(yīng)采集通道、采集卡采樣頻率、所占通道總數(shù)以及具體檢測時間。預(yù)處理模塊在運行過程中可以將各項檢測工藝的工藝參數(shù)進行留底，同時還可以直接被處理模塊調(diào)用，即技術(shù)人員所設(shè)計檢測系統(tǒng)可以應(yīng)用在多種檢測工藝中。在系統(tǒng)運行過程中，周圍會出現(xiàn)一些噪音，數(shù)據(jù)濾波處理功能主要是為了解決這些噪音污染，以免影響工作質(zhì)量與工作效率。技術(shù)人員可以將噪音來源分為三類，分別是硬件系統(tǒng)自身所產(chǎn)生噪音、環(huán)境噪音以及隨機噪音。為確保數(shù)據(jù)分析的精準度不受影響，技術(shù)人員通常會使用低通濾液、去直流分量以及平滑濾波這三種方法進行解決。
2.3.2 處理模塊
處理模塊的主要功能為對已經(jīng)完成預(yù)處理的數(shù)據(jù)進行具體動態(tài)分析，同時將分析所得數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫中，以方便后處理模塊進行使用。在完成數(shù)據(jù)處理工作時，主軸動態(tài)性能分析主要在三個模塊中進行，分別是回轉(zhuǎn)精度模塊、振動特性模塊以及熱特性模塊，當數(shù)據(jù)動態(tài)分析工作完成后，系統(tǒng)回將分析后的數(shù)據(jù)上傳至編碼器中進行進一步處理，同時在數(shù)據(jù)庫中完成更新。技術(shù)人員所搭建的數(shù)據(jù)庫會對存儲信息進行編號，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因主要有以下幾點：
①后處理模塊不需要對所顯示的數(shù)據(jù)進行分析處理，可以直接使用。②技術(shù)人員可以用存儲數(shù)據(jù)進行主軸動態(tài)分析工作。③在檢測工作完成后，數(shù)據(jù)庫會進行實時更新，可以為技術(shù)人員找到主軸過去的動態(tài)信息提供便利，同時當數(shù)據(jù)存儲量足夠時，技術(shù)人員可以對主軸動態(tài)性能發(fā)展方向進行分析。
2.3.3 后處理模塊
后處理模塊的主要功能是展示系統(tǒng)最終結(jié)果，即結(jié)合用戶需求，在 Matlab 中顯示主軸回轉(zhuǎn)精度、振動特性以及熱特性結(jié)果。由于系統(tǒng)內(nèi)部具有相應(yīng)處理結(jié)構(gòu)，因此技術(shù)人員可以獲得非常詳細的數(shù)據(jù)，具體情況如下：①在回轉(zhuǎn)精度模塊中，技術(shù)人員可以獲得兩類主軸回轉(zhuǎn)精度信息，分別是在某一轉(zhuǎn)速下，主軸的徑向跳動信息、軸向竄動信息、軸線擺動信息；與在不同轉(zhuǎn)速下，主軸的徑向跳動信息、軸向竄動信息、軸線擺動信息。②在振動特性模塊中，技術(shù)人員可以獲得兩類主軸振動特性信息，分別是在某一轉(zhuǎn)速下，一個或多個測點的 X、Z 方向的實際加速度，和
XY 兩方向的實際合成加速度與 YZ 兩方向的實際合成加速度；與在不同轉(zhuǎn)速下，多個測點各方向的實際加速度與合成加速度。③在熱特性模塊中，技術(shù)人員可以獲得兩類熱特性信息，分別是主軸平衡溫度；與主軸溫度上升特性曲線。
3 、結(jié)束語
通過實際工作技術(shù)人員可以發(fā)現(xiàn)影響數(shù)控機床主軸動態(tài)性能檢測系統(tǒng)的因素有很多，在實際工作過程中，工作人員不要忽略任何一項因素，對于所出現(xiàn)的突發(fā)事故進行及時處理，以保證工作質(zhì)量與工作效率，而且如果技術(shù)人員可以構(gòu)建出合適的數(shù)控機床主軸動態(tài)性能檢測系統(tǒng)，那么不僅可以提高數(shù)控機床的工作質(zhì)量，還可以推動機械行業(yè)的發(fā)展，使得機械行業(yè)在社會發(fā)展中擁有更高的地位。
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