淺析數控機床試驗中傳感器的應用

北京金隅科技學校 李嵩松

淺析數控機床試驗中傳感器的應用

北京金隅科技學校 李嵩松

機床試驗在數控機床設計制造過程中是重要的一部分。因通用機床類型及想要達到的目的不同，其需要進行的試驗項目也不盡相同。本文介紹數控機床試驗的分類和項目及試驗目的，典型試驗項目的檢測方法和在機床試驗中利用傳感器等儀器的使用，這些檢測裝置能夠達到顯示、記錄和控制機床試驗過程的要求。

傳感器能夠探測、感受外界的信號、物理條件（如光、熱、濕度）或化學組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置。在機床試驗中利用傳感器這種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

一、機床試驗在數控機床設計制造過程中的重要性

1.機床試驗的類型和項目

機床試驗不僅是機床新產品開發階段的重要組成部分，也是定型產品制造過程中不可缺少的一個部分，機床試驗中傳感器的使用是非常廣泛的。通過傳感器的使用在機床試驗中能夠獲得穩定可靠的實驗數據，為進一步研究提供依據和保障。

新產品通過機床試驗能夠全面評定機床的性能和技術水平，提出產品的結構和性能存在的問題，為完善產品提供有力的保障。對于定型產品，通過機床試驗可以檢驗機床是否符合國家有關標準和技術條件，并且檢驗機床的可靠性和工作能力。

（1）機床試驗的類型和目的

機床試驗類型主要分為機床驗收試驗，新產品樣機試驗和機床研究試驗三個類型。在三類機床試驗中都有傳感器的應用，通過傳感器的應用能夠獲得準確的試驗數據，保障試驗順利進行。

機床驗收試驗：主要目的是檢驗制造出的或修理過的機床是否符合所規定的技術要求，并檢驗各機構和部件協調動作的正確性以及機床的工作能力。

機床驗收試驗一般包括機床空運轉試驗、噪聲試驗、幾何精度試驗以及載荷試驗。

新產品樣機試驗：主要目的是對新試制的機床進行樣機試驗，全面評價機床結構設計和制造工藝的技術水平，提出需要深入研究的課題和改進設計的措施。因此新產品樣機試驗是發展機床新產品不可或缺的一步。

新產品樣機試驗一般包括噪聲試驗、空運轉振動試驗、熱變形試驗、靜剛度試驗、主傳動系統的功率和效率試驗、切削抗振性試驗、激振試驗、定位精度試驗、主軸回轉精度試驗、爬行試驗、傳動精度試驗、加工精度試驗、可靠性試驗。

機床研究試驗：機床研究試驗是在研制新型機床過程中，常涉及到一些基礎理論問題，對擬采用的新方案、新系統、新工藝、新材料等進行研究試驗。

（2）各類通用機床試驗的項目

各類通用機床所應進行的樣機試驗項目是根據機床的不同而不同，如附表所示。但也可根據各類機床樣機試驗規范細則和具體條件酌情調整。

2.數控機床樣機試驗項目及其分類

根據數控機床的特點和機械結構特點決定了數控機床的試驗項目及其分類。

數控機床的主要特點：自動化程度高，加工精度高，加工質量穩定，可靠加工生產效率高，對零件的加工適應性強。

數控機床機械結構的主要特點：高剛度和高抗振性，減少機床熱變形的影響，驅動系統機械結構穩定，高傳動效率和無間隙傳動裝置，低摩擦因數的導軌。

根據數控機床的上述特點決定了數控機床的樣機試驗，除傳動精度試驗外，其余所有試驗都需要進行。

機床試驗可以分為三類：機床驗收及空運轉試驗、抗振性切削試驗、機床激振試驗。

（1）機床驗收及空運轉試驗

機床驗收及空運轉試驗包括：機床的驗收、空運轉試驗、機床幾何精度檢查、溫升及熱變形試驗，靜剛度試驗、位置精度試驗、加工精度及加工表面粗糙度試驗、回轉精度試驗。

機床驗收及空運轉試驗是機床樣機和成型產品的關鍵步驟，項目較多，實施較為復雜。在項目中溫升及熱變形試驗和靜剛度試驗是較為重要的試驗。

（2）抗振性切削試驗

一般選定一二種典型加工條件（刀具、切削范圍、加工零件材料等均應固定），逐步改變切深、切寬或走刀量進行切削，用測振儀在各主要部件各方向測定其振動幅度。有條件時應進行頻譜分析，以比較不同機床的振幅大小、起振條件、起振點等。

（3）機床激振試驗

激振試驗一般分為絕對激振和相對激振兩類。相對激振用于對整機進行分析。絕對激振用來尋找機床的薄弱環節，一般用來對部件激振。

通過激振試驗，確定機床的振動模式（振型）、固有頻率、阻尼以及動剛度（或動柔度），找出薄弱環節。

二、數控機床樣機試驗項目的檢測方法

1．典型試驗項目的檢測方法和儀器

數控機床的典型試驗項目主要包括：機床熱變形試驗、機床噪聲試驗、機床靜剛度試驗、機床振動和動剛度試驗。

機床熱變形試驗的主要檢測方法可以分為直接試驗法和間接試驗法。主要應用的試驗儀器：溫度傳感器、渦流傳感器和信號放大器等。

機床噪聲試驗的主要檢測方法可以采用聲功率試驗方法，也可以采用聲壓法。主要應用的試驗儀器：傳音器和信號放大器

機床靜剛度試驗的主要檢測方法通過彈性加載檢測著力點位移。主要應用的試驗儀器：位移傳感器，力傳感器和信號放大器。

機床試驗類型

機床振動和動剛度試驗的主要檢測方法是可以采用激振試驗法測定機床的動態特性。主要應用的試驗傳感器為：壓電式加速度傳感器、電荷放大器。

（1）機床熱變形試驗

機床因受熱變形而引起的幾何精度與定位精度的變化，往往超過規定公差的若干倍，因此測量機床熱變形是機床試驗的重要項目。

熱變形試驗可以分為直接試驗法和間接試驗法：直接試驗法是通過在典型加工工藝條件下加工一批典型零件，直接測定機床受熱引起的綜合變形。所用試驗儀器為常規檢驗工具即可。

間接試驗法是通過在機床運動或模擬狀態下，精密測量機床的幾何精度變化，主要檢測機床主軸和定位元件的位移。所使用的傳感器包括熱電偶，熱敏電阻類及半導體點溫計等。

測量主軸單元的熱變形是機床熱變形試驗的重要一項，主要試驗方法為采用非接觸式渦流傳感器和適配的放大器測量主軸單元由于溫升引起的軸向伸長測量。

試驗中用到的電渦流傳感器能實現靜態和動態地非接觸、高線性度、高分辨力地測量，準確地測量出被測金屬導體距探頭表面的距離。它是一種非接觸的線性化計量工具。電渦流傳感器能準確測量被測體(必須是金屬導體)與探頭端面之間靜態和動態的相對位移變化。在高速旋轉機械和往復式運動機械的狀態分析，振動研究和分析測量中，對非接觸的高精度振動和位移信號能連續準確地采集到轉子振動狀態的多種參數。如軸的徑向振動、振幅以及軸向位置。從轉子動力學、軸承學的理論上分析，大型旋轉機械的運動狀態，主要取決于其核心——轉軸，而電渦流傳感器，能直接非接觸測量轉軸的狀態，對諸如轉子的不平衡、不對中、軸承磨損、軸裂紋及發生摩擦等機械問題的早期判定，可提供關鍵的信息。電渦流傳感器以其長期工作可靠性好、測量范圍寬、靈敏度高、分辨率高、響應速度快、抗干擾力強、不受油污等介質的影響及結構簡單等優點，在大型旋轉機械狀態的在線監測與故障診斷中得到廣泛應用。

（2）機床噪聲試驗

機床噪聲試驗的內容，包括測定機床的總噪聲水平和尋找機床的主要噪聲源兩項主要內容。為測定總噪聲水平，推薦采用聲功率試驗的工程法。在試驗條件不具備的情況下，允許測量聲壓級。

機床主軸單元噪聲試驗作為機床試驗中的重要環節，是決定機床性能的主要試驗。試驗中所用的傳感器為傳聲器，具體試驗布置如圖1所示，機床噪聲試驗中要避免空氣流動對傳聲器的影響，背景噪聲符合測量要求。在測試前傳聲器要進行校準，并符合要求才能保證試驗準確。

（3）機床靜剛度試驗

機床靜剛度是指機床在靜載荷作用下抵抗變形的能力，所謂靜載荷是指不隨時間變化而變化的或變化極其緩慢的力。重力、夾緊力和熱應力屬于靜載荷。

機床靜剛度試驗的方法為：在常用切削位置和行程處，進行彈性加載或重力加載，記錄著力點的位移及各主要部件位移，然后進行數據整理和計算。

機床靜剛度試驗可以針對整臺機床也可針對一些重要部件，機床主軸單元作為機床的核心部件測量主軸單元的靜剛度試驗是非常重要的機床試驗。

通過試驗既能考察主軸單元的結構和軸承類型及其配置方式的適用性，還可以了解軸承的頂緊狀態、主軸部件的制造及裝配質量。

試驗方法為主軸單元應緊固在試驗臺上，選擇套筒作為測量基準，測量主軸端部相對套筒的位移；加載所用測力儀要有良好的線性特性，試驗前先校準；徑向加載時，因條件限制無法在靠近主軸前端截面處加載，故分別在距主軸前端截面不同距離處徑向加載，線性回歸出相當于在靠近主軸前端截面處加載對應測點的位移值。試驗儀器和測點布置如圖2所示。試驗主要儀器為測力計和電感測微儀，在測試前試驗儀器要進行校準，并符合要求，才能保證試驗準確。

（4）機床振動和動剛度試驗

機床振動和動剛度試驗是機床試驗中極其重要的環節，主要試驗目的為：減少和消除振動，以使機床達到正常的工作狀態，保證加工精度和表面粗糙度。找出機床振動的振源及機床的薄弱環節，提出改進措施。

目前應用最為廣泛的機床振動試驗方法為激振法，因為以機床的切削過程作為試驗條件不易控制，重復性差，以仿真激振的方法來模擬切削過程是比較穩定和準確的一種方法。

機床振動測試系統由以下部分組成：①激振部分：包括激振器，信號源，功率放大器，常用的激勵信號有正弦、隨機、瞬態和周期等。由于信號源提供的信號相當弱小，當激勵一個結構，往往還需把激勵信號放大，以至于能推動激振器，這就是功率放大器的作用。功率放大器必須和激振器相匹配。②信號測量與采集部分：包括力傳感器，響應傳感器，適調放大器。③數據采集、處理部分：包括記錄并處理測試數據，例如確定頻率響應函數；從測試得到的頻響函數中導出并確定模態參數(共振頻率，阻尼系數，模態振型向量)。

試驗儀器配置如圖3所示。

圖1 噪聲傳感器布置和儀器配置

圖2 測點分布和儀器配置

圖3 試驗儀器配置

2．利用壓電傳感器檢測技術的優勢

機床振動和動剛度試驗是為了全面了解機床特性，較準確地找到該機床的薄弱環節，同時也有利于更準確地建立機床動力學模型，從而為動態優化設計提供依據和目標。激振試驗則是進行機床試驗模態分析的重要手段，目的是通過人為的外部激勵方法，比較全面地測到機床結構的固有特性參數，為全面分析和改進機床的動態特性提供依據。激振試驗所用的傳感器為壓電傳感器。

壓電傳感器是以壓電晶體為敏感元件的加速度傳感器。當晶體變形時，它的兩個極面上會產生與其變形成正比的電荷，而變形是與晶體受到的力成正比的。加速度計的好處是:質量越小，把它粘在結構上時對結構的影響就越小，測量也就越精確。另外，在做常規的振動分析時，加速度信號可以通過積分電路正確地積分，從而得到速度和位移。而將速度傳感器和位移傳感器跟微分電路一起使用是不適合的，因為它會放大高頻噪聲。基于以上考慮，使加速度計在模態分析試驗中成為應用最廣泛的運動傳感器，充分體現了壓電傳感器在機床試驗中的優勢。

三、結語

傳感器的應用是實現自動檢測和自動控制的首要環節。在工業生產和試驗過程中，經常會遇到各種轉速的測量和控制問題。近年來，隨著電子技術的迅速發展，工業測控設備不斷更新，頻率測量的方法和設備也有新的進展。在實際應用中，選擇不同的技術設計方案，效果可能相差甚遠。這就要求在工作中我們要根據需要選用適當的傳感器，發揮傳感器本身的優勢，從而得到我們所需的真實可靠的試驗數據，為我們工作提供更便捷的幫助。□

李嵩松，高級工程師，工程碩士，主要研究方向：重型超重型機床設計與制造