機床電主軸工況監(jiān)控和智能化技術(shù)

周吉貞

摘要：主軸是機床的核心，其性能的好壞對機床的整體性能、生產(chǎn)效率和機床加工精度有著決定性的影響。配有刀具的主軸常是機床靜、動剛度的薄弱環(huán)節(jié)和振動源。為了監(jiān)測主軸和軸承的工作狀態(tài)，可以檢測到主軸的不平衡，并將信號傳輸?shù)綌?shù)控系統(tǒng)，以補償主軸的位置誤差。整體狀態(tài)監(jiān)測可以提高主軸的適用性和動態(tài)質(zhì)量。

Abstract： SPINDLE is the heart of machine tool， its performance has a decisive impact on the overall performance， productivity and machining accuracy. The spindle equipped with cutting tools is often the weak link of static and dynamic stiffness of machine tools and the source of excitation. To monitor the working condition of the spindle and the bearing， the unbalance of the spindle can be detected and the signal transmitted to the CNC system to compensate the position error of the spindle. Overall condition monitoring can improve the availability and operation quality of the spindle.

關鍵詞：電主軸;智能化;工況監(jiān)控

Key words： spindle;intelligent;condition monitoring

0 ?引言

從機床動態(tài)性能和結(jié)構(gòu)布局的角度來看，承載刀具或工件的主軸是機床運動鏈的末端元件，是機床最重要的部件之一。

多年來，機床電主軸的進展聚焦于電動機技術(shù)、工況監(jiān)控和運行經(jīng)濟效益。異步電機將逐步取代無刷電機，采用碳纖維纏繞轉(zhuǎn)子套管將取代有色金屬轉(zhuǎn)子套管，增加單位體積和重量的扭矩輸出，使內(nèi)置電機輕型化，提高功率性能。

1 ?工況監(jiān)控室電主軸智能化的基礎

將具有多種傳感器的測量環(huán)安裝在主軸前軸承附近，就可以測得主軸的溫度、振動等一系列運行參數(shù)，從而預防主軸的損壞，補償由于熱變形和機械載荷所造成的軸向位置誤差。

隨著內(nèi)置馬達的效率的提高，軸承潤滑技術(shù)的提高，魯棒性能的提高，主軸的運行維護成本逐漸降低。過去人們一直致力于提高錠子的速度，但現(xiàn)在它已更側(cè)重于高速和輸出扭矩。隨著對主軸的可靠性、使用壽命、維修和運行費用的要求越來越高，工作狀態(tài)監(jiān)測變得非常重要。定期或連續(xù)觀察主軸的運行情況，可防止異常磨損、過熱和意外損壞。主軸的全壽命周期成本，包括主軸、電、油、氣介質(zhì)及維修費用，也是進一步提升主軸的重要因素。

2 ?主軸狀態(tài)監(jiān)控

電主軸越來越多地與各種傳感器和軟件相結(jié)合，以通過數(shù)字化增值、設置和功能、監(jiān)測電主軸負載等形式，并形成了電主軸傳感器監(jiān)控單元。

2.1 數(shù)字化增值

機床零部件和數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)字創(chuàng)新和連接提高了機器和設備的效率。使軸承廠家通過清晰的視覺和具體的解決方案來塑造數(shù)字化改造領域。

軸承制造商提供標準化的硬件和軟件基礎設施組件，形成裝備傳感器數(shù)字化的發(fā)展服務和商業(yè)模式。

①使用傳感器和機電一體化工程產(chǎn)品，例如，單元用于高檔數(shù)控機床電主軸可以收集重要數(shù)據(jù)可靠和準確的監(jiān)測控制流程和機器，并收集實時數(shù)據(jù)。

②利用軸承制造商以數(shù)字服務的形式提供的獨特專業(yè)知識，從收集的數(shù)據(jù)中自動生成相關信息，并收到具體的行動建議。

③由于數(shù)字解決方案的機床主軸工業(yè)應用，這些解決方案可以用來控制過程，最大限度地提高可用性，優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，并提高加工性能。

機床主軸負荷監(jiān)測單元和數(shù)字化服務可以監(jiān)測機床主軸的負荷，已達到最佳工作狀態(tài)。負載監(jiān)測單元使電主軸的當前工作狀態(tài)透明。記錄并監(jiān)控主軸軸承的當前負荷，在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)靜沖擊，避免機床損壞。在未來，通過附加一個振動傳感器來識別動態(tài)碰撞是可能的。在云計算中，數(shù)字孿生可以用來將位移轉(zhuǎn)換成力并對其進行分析。可根據(jù)軸承負荷調(diào)整到最佳的工作狀態(tài)，保證穩(wěn)定的生產(chǎn)質(zhì)量，應用案例如圖2所示。

2.2 位移傳感器

當電主軸高速運轉(zhuǎn)時，由于離心力和內(nèi)置電機軸承產(chǎn)生的熱量，會使主軸發(fā)生軸向位移，影響其機床加工精度。位移測量與補償是錠子狀態(tài)監(jiān)測的重要內(nèi)容之一。

主軸軸向位移監(jiān)測與補償常用方法如圖2所示。方法一：是利用位移傳感器測量主軸端部位移。這是最直接的在線測量方法。方法二：是電主軸電機定子采用強制冷卻技術(shù)，同時電機定子和前后軸承內(nèi)置溫度傳感器實行在線監(jiān)控，保證電主軸達到熱平衡穩(wěn)定的溫升不高于限值，有效控制電主軸和軸承溫升。高速精密及高剛度大功率電主軸實行前端定位，主軸熱伸長可自由向后移動，不影響定位精度。

2.3 電主軸振動狀態(tài)監(jiān)測及信號處理

利用現(xiàn)代有限元分析手段與實際測量結(jié)合方法分析電主軸動態(tài)特性。采用有限元軟件ANSYS對其三維建模并進行了模態(tài)分析，得到其前六階固有頻率和振型，分析計算出臨界轉(zhuǎn)速，并對電主軸振動性能測試，如圖3所示。

分別采用精密傳聲器及渦流位移傳感器實現(xiàn)電主軸噪聲和振動同步檢測。建立電主軸動態(tài)特性試驗臺，對電主軸動態(tài)特性測試。合理的測點布置，包括激勵點和拾取點，可以正確反映主軸的頻率和有效振型;對電主軸進行瞬態(tài)錘擊激勵，同步拾取主軸在激勵下的響應，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到主軸的固有頻率等動態(tài)參數(shù);采用高精度渦流位移傳感器進行空載主軸振動測試、帶載主軸振動測試，掌握主軸的振動幅值、相位和軸心軌跡等振動狀況。采用高精度渦流位移傳感器進行空載電主軸振動測試、帶載電主軸振動測試實驗。分析振動噪聲數(shù)據(jù)，通過振動和噪聲時頻分析方法在不平衡質(zhì)量等振源中找到對主軸振動影響明顯的振源，進而采取針對性的抑振措施。

由于振動信號與噪聲信號相似，均為高頻信號。因此，研究振動信號與噪聲信號的分析原理和方法可以相互借鑒。基于相關原理，提出了一種振動和噪聲信號的解耦算法，并通過兩個合成信號的解耦驗證了算法的正確性。利用小波包對解耦后的信號進行分解，提取其各頻段的能量值，通過其統(tǒng)計量作為信號的特征值。并將這種方法應用到電主軸的振動噪聲信號的特征提取上。

2.4 振動監(jiān)控的原因及安裝方式

①影響一臺機床的壽命周期成本的主要因素是主軸的壽命周期成本。

②最終用戶對于主軸的使用壽命有很大的影響。

③機床廠家對最終用戶如何使用主軸有很大的興趣。

④使用加速度和振動信號是用來檢測機械磨損非常好的指標。

⑤意外停機會經(jīng)常導致高昂的后續(xù)成本（例如耽誤生產(chǎn)等）。

⑥主軸碰撞會導致昂貴的后續(xù)維修成本。

⑦過程監(jiān)控保護主軸及零件，允許無人自動操作。

⑧傳感器安裝于徑向位置，如果應用的需要軸向也可以增加安裝，如圖4所示。

⑨可安裝于主軸體上或者主軸座上。

⑩屏蔽線纜要正確恰當?shù)慕拥亍?/p>

3 ?小結(jié)

本文針對智能化電主軸的工況監(jiān)測進行了介紹，分別對主軸振動監(jiān)測、主軸負載監(jiān)測單元、主軸熱身長等技術(shù)方面進行了闡述，發(fā)現(xiàn)智能化電主軸隨著信息化、數(shù)字化的演變，以及在高檔數(shù)控機床中的應用，提高機床的加工精度方面起著決定性的作用，開發(fā)智能化電主軸已成為決定高端數(shù)控機床的核心技術(shù)之一。

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