高速、精密數控機床可靠性設計與性能試驗技術

孟令威　卜瑋晶

摘要：文章分析了數控機床關鍵功能部件的可靠性試驗系統，包括機床主軸、數控動力伺服刀架、數控轉塔刀架、鏈式刀庫和盤式刀庫的可靠性試驗系統，是目前數控機床可靠性試驗關鍵技術領域的一項創新，并已開始推廣與應用。

關鍵詞：高速/精密；數控機床；可靠性設計；性能試驗

1.問題提出

提高國產數控機床可靠性的關鍵在于提高國產關鍵功能部件的可靠性，而開展可靠性試驗是提高產品可靠性的主要技術途徑。現階段對國內數控機床及其功能部件進行的可靠性試驗，主要依靠在機床用戶企業對生產過程進行現場跟蹤來實現，試驗條件不可控，試驗周期長，不能滿足產品開發進度要求，而且需要付出高昂的時間和人力成本。

進行關鍵功能部件的可靠性實驗室加速試驗，是提高可靠性試驗效率的主要技術手段。實驗室可靠性試驗須遵循2個原則：一是不能改變故障模式，二是不能改變故障機理。因此，可靠性試驗系統必須具有工況模擬能力，包括載荷的維數、大小、種類、頻率和速度等，以使可靠性試驗能夠激發出關鍵功能部件真實工作時的潛在故障，保證試驗結果的真實可靠。本文結合數控機床可靠性及關鍵部位可靠性試驗技術方面的研究成果，對數控機床關鍵功能部件的可靠性試驗系統進行分析。

2.本研究的創新性

數控機床關鍵功能部件可靠性試驗系統的研制，關鍵在于準確把握功能部件實際工作狀況下的載荷特性，實現對復雜載荷的模擬。以機床主軸為例，包括車床主軸和銑床或加工中心主軸晗電主軸），在切削加工工作中會受到三向切削力和切削扭矩的作用，同時，切削力中還有較大的動態切削力分量，而且動態分量對可靠性的影響甚至會大于穩態切削力分量的影響。為此，機床主軸的可靠性試驗系統必須能夠對主軸進行多自由度的靜動態切削力模擬和切削扭矩模擬。其次，機床主軸具有較高的轉速和回轉精度，扭矩加載裝置也需要達到相應的要求。吉林大學經反復調研論證、計算機仿真、多種樣機的試制和比較試驗，歷時2年，研發出了采用電液伺服技術的多自由度動態切削力加載裝置和采用測功機的切削扭矩加載裝置，并以此為核心部件構建了機床主軸的可靠性試驗系統。系統的切削力維數、動靜態力和頻率、主軸的轉速和扭矩等均可通過系統的主控計算機進行控制，系統的加載范圍可通過以上2類加載裝置中動力元件的選配來滿足要求。

3.數控機床可靠性試驗系統及關鍵技術

3.1主軸

機床主軸主要由轉子、軸承、齒輪、主軸外殼、冷卻裝置和驅動電動機構成，其中，軸承具有支承和定位作用，齒輪具有傳動作用，冷卻裝置具有降溫作用。機床主軸可靠性試驗，需要對徑向力、軸向力和轉矩進行加載，同時測量機床主軸的各項性能參數的變化，如精度、振動、噪聲和溫度等，最后對各項性能參數的變化進行可靠性分析。數控機床主軸可靠性試驗系統如圖1所示。

主軸的可靠性試驗系統采用的是電液伺服加載裝置對主軸進行動、靜態切削力加載，并安裝動態拉、壓力傳感器，用于測量動態加載力大小和波形變化。采用發電測功機進行扭矩加載，并安裝扭矩傳感器和轉速傳感器，測量電主軸的加載扭矩和轉速，實現加載的實時監控和閉環控制。機床主軸1連接加載棒2，加載棒通過聯軸器4連接轉矩加載裝置5，實現轉矩加載；徑向加載裝置7和加載塊3接觸，實現徑向加載；軸向加載裝置6和加載塊3接觸，實現軸向加載；控制系統控制加載裝置和機床主軸的輸入量；傳感器采集機床主軸的各項性能參數的變化；數據采集系統用于采集傳感器和加載裝置的輸出量；利用采集到的數據對機床主軸的可靠性進行分析。

3.2數控動力伺服刀架

動力伺服刀架是數控車床、車削中心、車銑復合等數控機床實現刀具儲備、自動換刀、夾刀切削的主要功能部件。動力伺服刀架具有結構緊湊、定位精度高、轉位快、剛性好以及能夠實現鉆削和銑削等特點，一次裝夾能夠實現多個工步的加工，既可以保證精度，又能極大地提高加工精度和加工效率。

數控動力伺服刀架的可靠性試驗系統采用電液伺服加載裝置對刀架的模擬刀桿進行動、靜態切削力加載，并安裝動態拉、壓力傳感器，用于測量動態加載力大小和波形變化。利用測功機對被測動力頭進行扭矩加載，安裝扭矩傳感器和轉速傳感器，實時監測加載數據。

3.3數控轉塔刀架

轉塔刀架是數控車床的關鍵功能部件，其可靠性水平直接影響到整機的可靠性水平。數控轉塔刀架一般由驅動裝置、精定位裝置、松開和鎖緊裝置、裝刀裝置、預定位裝置、機械傳動機構、檢測裝置等組成。數控轉塔刀架與數控動力伺服刀架的區別在于刀架沒有動力軸，故本試驗系統不需要扭矩加載裝置，其他與數控動力伺服刀架的可靠性試驗系統類似。

數控轉塔刀架的可靠性試驗系統包括試驗臺架設計、電液伺服加載系統、下層控制系統和上位機監控系統4部分。試驗臺架能夠對各種型號的刀架進行安裝和固定，由于要進行動態加載試驗，試驗臺對剛度要求較高，而且機構之間可以相對調節，以實現對刀架的多角度加載；電液伺服加載系統采用電液伺服閥控制液壓油缸提供動態加載力，可靠性高，控制性能好，頻率響應好，并能夠有效地吸收振動沖擊，針對不同的刀架型號還可以充分利用活塞桿的行程，調節加載距離；下層PLC控制系統控制系統主要是要做到經濟合理與安全可靠；上位機監控系統中上位機監控軟件選用visua]Basic，支持面向對象的程序設訛功能十分強大。

3.4鏈式刀庫

鏈式刀庫可靠性試驗系統作為數控機床關鍵功能部件—刀庫的加速試驗載體，應滿足穩定、可靠的運行要求。鏈式刀庫可靠性試驗系統如圖2所示。

（1）地坪鐵。支撐除電控柜外的整個試驗系統，由2塊1.2*1.7m2單元構成，整體尺寸2.4*1.7m2，平臺表面精度級。安裝時需在地面鉆孔，用固體粘結劑固定，下面用契形墊鐵支撐且可調整高度，安裝完成后需用水平儀找平，保證平臺表面完全光潔水平。（2）刀庫支架。支撐鏈式刀庫，由2根方鋼支撐柱、槽鋼底座、角鐵肋板、扁鋼加強板等焊接而成。刀庫安裝后成外伸梁結構，支架經應力分析后剛度、強度可完全保證試驗要求。（3）控制柜。安裝電氣系統和工控機，控制柜由不銹鋼薄板制成，分電氣柜和工控柜，2部分。電氣元器件安裝在一塊鋼板上，之后固定在電氣柜里；工控機放置在工控柜里，之間留有足夠的安全距離，以保證強電流電磁干擾不會影響工控機正常運行。（4）鏈式刀庫。安裝在刀庫支架上，與機械主軸構成換刀系統。（5）打刀氣缸。實現主軸松刀、拉刀功能。從氣缸的油杯處可加入機油潤滑，可防止長期劇烈摩擦損壞氣缸，并采用回位進氣對接方式，可使使用者減少接頭的裝配成本。（6）機械主軸。與鏈式刀庫配合實現自動換刀功能，安裝在主軸架上，與鏈式刀庫構成換刀系統。（7）主軸架。支撐機械主軸與打刀氣缸。

本試驗系統需滿足以下功能：一是被試件可代表類似鏈式刀庫，與機械主軸、打刀機構、主軸架、刀庫支架、地坪鐵、電控柜組成可靠性試驗系統，模擬實際工況，并保證良好運行；二是下位機控制刀庫可以完成“刀盤選刀—刀套倒刀機械手扣刀主軸松刀換刀機械手插刀主軸拉刀機械手回原點—刀套回刀”整套自動換刀功能，上位機控制下位機實現隨機換刀和手動換刀2項功能，并連接數據庫使試驗臺具備記錄、查詢換刀次數、換刀時間和刀庫故障等試驗數據的能力；三是建立的狀態監測系統可以對機械手換刀時的振動狀態進行實時監測，并將X，Y，Z三向振動信號反饋給上位機監測界面，供后期分析信號曲線的時頻特性，提取卡刀、掉刀等故障的特征指標。

3.5盤式刀庫的可靠性試驗系統

盤式刀庫結構簡單，成本相對較低換刀可靠性較高，換刀時間短，多應用于小型立式加工中心，刀庫容量為15～40把刀具，需搭配自動換刀機構進行刀具交換，應用最為廣泛。盤式刀庫的可靠性試驗系統包括機械系統、控制系統、測試系統3個部分。盤式刀庫的可靠性試驗系統能夠根據試驗需要，控制刀盤的旋轉、機械手拔刀、轉位和插刀等動作。監控系統自動控制刀庫的運行，對刀庫工作狀態進行監測和報警。

4.結語

綜上所述，文章在對高速/精密數控機床可靠性設計與性能試驗技術的研究中，通過對研究創新點的分析，主要研究了機床主軸、數控動力伺服刀架、數控轉塔刀架、鏈式刀庫和盤式刀庫的可靠性試驗系統，以期為同仁提供參考。