機(jī)床性能離散檢測(cè)方法研究

初辰陽(yáng)， 楊慶東

（北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100192）

0 引 言

在機(jī)床性能測(cè)試及研究?jī)?yōu)化方面，國(guó)外很早就進(jìn)行了研究工作，并產(chǎn)生了許多研究成果[1-2]。2004年，張濟(jì)生等[3]研究人員就提出加強(qiáng)機(jī)床新產(chǎn)品的性能測(cè)試分析工作是提高國(guó)內(nèi)機(jī)床競(jìng)爭(zhēng)力的重要措施。例如重慶機(jī)床廠、寧江機(jī)床等機(jī)床制造廠商開(kāi)始重視，根據(jù)需要進(jìn)行重要檢測(cè)實(shí)驗(yàn)和全面性能檢測(cè)[4-5]。

目前，在國(guó)家投入重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、科技專項(xiàng)、863項(xiàng)目等多種項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，諸多高校、企業(yè)和學(xué)者對(duì)機(jī)床的檢測(cè)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了大量的研究。白向娟等[6]提出多參數(shù)集成化的檢測(cè)方法，進(jìn)行主軸綜合檢測(cè)；王志偉[7]通過(guò)切削實(shí)驗(yàn)方法檢測(cè)考核機(jī)床負(fù)載能力、動(dòng)態(tài)性能、切削精度等。王揚(yáng)等[8]利用模糊元理論，分析建立了數(shù)控裝備綜合評(píng)價(jià)模型；孫惠娟等[9]提出以檢測(cè)為基礎(chǔ)，建立誤差模型的機(jī)床性能綜合評(píng)價(jià)方法；劉世豪[10]提取出性能指標(biāo)，通過(guò)分析并應(yīng)用層次分析法對(duì)權(quán)重系數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

綜合檢測(cè)及評(píng)價(jià)機(jī)床性能，與其設(shè)計(jì)預(yù)期指標(biāo)對(duì)比，找到薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行改進(jìn)完善，提升機(jī)床性能質(zhì)量，對(duì)其性能進(jìn)行綜合檢測(cè)和評(píng)價(jià)是必要和基礎(chǔ)性工作[1]。“工業(yè)4.0”提出的離散增強(qiáng)型系統(tǒng)更可應(yīng)用于檢測(cè)方面，從而提高機(jī)床性能的檢測(cè)效率。

本文采用離散測(cè)試的方法對(duì)機(jī)床的性能進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)ANSYS Workbench對(duì)磨床進(jìn)行剛度分析和熱分析，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行離散測(cè)試實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的選擇，并進(jìn)行機(jī)床性能測(cè)試驗(yàn)證，為機(jī)床性能測(cè)試提供了借鑒。

1 機(jī)床性能主要影響參數(shù)檢測(cè)方法

1.1 剛度檢測(cè)方法

機(jī)床剛度是其設(shè)計(jì)和性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一，數(shù)控機(jī)床自身靜剛度的不足會(huì)導(dǎo)致加工過(guò)程中的變形及相對(duì)位置變化，使實(shí)際加工的位置與理論加工位置在方向和位置上不一致，產(chǎn)生誤差，嚴(yán)重影響其精度及加工效率等。

對(duì)于機(jī)床靜剛度的檢測(cè)通常采用單向測(cè)定法或三向測(cè)定法，單向測(cè)定法中力的加載和位移的測(cè)量在某一特定方向，模擬加工時(shí)產(chǎn)生決定性作用的載荷。三向測(cè)定法則被較多的采用，主要針對(duì)X、Y、Z三個(gè)方向，測(cè)量機(jī)床主軸與工作臺(tái)的相對(duì)變形量（即位移），同時(shí)記錄載荷的大小或加載力的大小，根據(jù)公式計(jì)算其靜剛度。圖1為機(jī)床整機(jī)靜剛度單向（X向、Y向及Z向）測(cè)量示意圖，測(cè)試過(guò)程中主要用力加載器以及位移傳感器等。

圖1 機(jī)床整機(jī)靜剛度測(cè)量示意圖

進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需逐漸增大載荷的大小，達(dá)到最大載荷時(shí)停止，同時(shí)，通過(guò)力傳感器采集載荷大小，通過(guò)相應(yīng)的位移傳感器采集其位移變化量，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，完成后慢慢卸載。可以此方法反復(fù)試驗(yàn)多次取其平均，使檢測(cè)結(jié)果更為客觀準(zhǔn)確。檢測(cè)過(guò)程中需完整記錄載荷改變過(guò)程及其對(duì)應(yīng)的位移變化量，通過(guò)測(cè)得的各項(xiàng)力與位移數(shù)據(jù)繪制出機(jī)床整機(jī)靜剛度特性曲線。

1.2 熱特性檢測(cè)方法

研究表明，精密加工時(shí)熱變形引起的誤差可達(dá)到總誤差的40%～70%，同時(shí)溫度變化可能改變各系統(tǒng)的配合間隙，降低機(jī)床的精度保持性和可靠性，嚴(yán)重影響機(jī)床性能。

當(dāng)前對(duì)數(shù)控機(jī)床溫度特性的測(cè)量主要應(yīng)用到各種溫度傳感器和位移傳感器，其中溫度傳感器主要分為接觸式和非接觸式。接觸式溫度傳感器檢測(cè)部件與被測(cè)點(diǎn)之間接觸良好，通過(guò)熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流等方式達(dá)到平衡點(diǎn)，感知被測(cè)點(diǎn)的溫度；非接觸式傳感器中檢測(cè)部件與被測(cè)點(diǎn)不進(jìn)行接觸，利用輻射測(cè)溫法測(cè)量其溫度。溫度傳感器的選擇應(yīng)充分考慮實(shí)際情況，通常機(jī)床正常工作時(shí)溫度是逐漸變化的過(guò)程，傳感器的分辨率和靈敏度應(yīng)足夠好。

機(jī)床熱量主要由不同部分的接觸摩擦產(chǎn)生，即熱源，例如主軸、軸承、絲杠等，在檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)盡量使傳感器接近熱源位置，同時(shí)保證傳感器之間不會(huì)產(chǎn)生相互干擾，確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

主軸溫度特性可采用五點(diǎn)測(cè)量法[11]，將標(biāo)準(zhǔn)芯棒安裝在主軸上，降低其自身精度的誤差影響，分別在X向和Y向沿其徑向安裝兩個(gè)相對(duì)的位移傳感器，在其軸向安裝一個(gè)傳感器，以此測(cè)得主軸溫度下的變形量更準(zhǔn)確。其原理如圖2所示。

圖2 五點(diǎn)法原理圖

2 機(jī)床質(zhì)量評(píng)價(jià)體系

數(shù)控機(jī)床的便攜式性能離散檢測(cè)，利用參數(shù)評(píng)價(jià)法，將評(píng)價(jià)指標(biāo)分解，檢測(cè)機(jī)床性能的主要影響參數(shù)。需要通過(guò)多種多個(gè)傳感器對(duì)力、位移、溫度、電流等信號(hào)進(jìn)行采集，例如分別檢測(cè)機(jī)床X、Y、Z軸的負(fù)載及變形量，檢測(cè)各主要部件的溫度變化及變形量，獲得剛度和溫度的特性曲線，同時(shí)結(jié)合機(jī)床基本信息及性能評(píng)價(jià)需要的其他信息，離散檢測(cè)、收集發(fā)送至云服務(wù)器，運(yùn)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)手段進(jìn)行檢測(cè)信息的計(jì)算、分解、特征提取等，進(jìn)行機(jī)床性能綜合評(píng)價(jià)，以達(dá)到離散增強(qiáng)的目的，并將結(jié)果生成報(bào)告，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)直觀具體地呈現(xiàn)。總體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 機(jī)床質(zhì)量評(píng)價(jià)體系

在數(shù)據(jù)傳輸中，對(duì)于單臺(tái)機(jī)床檢測(cè)可使用串口通信等有線方式，也可搭載近距離無(wú)線模塊，使用方便；對(duì)于多臺(tái)機(jī)床的檢測(cè)布線復(fù)雜，更適合通過(guò)無(wú)線方式進(jìn)行信息交互，多臺(tái)檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)可由一個(gè)終端接收。由于多數(shù)應(yīng)用環(huán)境地理位置較偏僻，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)差，故可用ZigBee和GPRS結(jié)合的兩級(jí)數(shù)據(jù)傳輸模式，搭建無(wú)線模塊，完成檢測(cè)設(shè)備與云服務(wù)器的信息交互。

經(jīng)過(guò)對(duì)多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析，星型、樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更適用于用戶級(jí)的單機(jī)檢測(cè)模式，對(duì)于工廠級(jí)和車間級(jí)等多機(jī)檢測(cè)模式則可采用星型、樹(shù)型和分級(jí)式或使用其幾種模式組合的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。用戶級(jí)由中心節(jié)點(diǎn)匯聚各底層傳感器的信息，簡(jiǎn)單的信息處理后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)或云服務(wù)器。工廠級(jí)和車間級(jí)的檢測(cè)中則需要對(duì)多臺(tái)機(jī)床進(jìn)行檢測(cè)，此時(shí)工廠和車間中可以假設(shè)多級(jí)、多個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，通過(guò)車間節(jié)點(diǎn)、工廠節(jié)點(diǎn)等逐級(jí)向上傳遞，最終傳輸?shù)缴衔粰C(jī)或云服務(wù)器中。拓?fù)淠Ｐ腿鐖D4所示。

圖4 拓?fù)淠Ｐ褪疽鈭D

3 機(jī)床檢測(cè)點(diǎn)的選取

通過(guò)ANSYS Workbech軟件對(duì)機(jī)床的剛度和熱特性的分析，磨床、銑床、車床、加工中心的剛度和溫度特性結(jié)果如圖5所示。

從多類機(jī)床剛度分析變形云圖可看出，整機(jī)在受到切削力的作用下最大變形量的位置位于主軸部分，可見(jiàn)主軸部分是整機(jī)剛度的薄弱環(huán)節(jié)，可以通過(guò)增大主軸的剛度來(lái)提升整機(jī)的剛度。因此，整機(jī)剛度檢測(cè)時(shí)應(yīng)主要檢測(cè)主軸剛度，將傳感器布置于主軸上測(cè)試其X、Y、Z等方向的剛度曲線。

圖5 剛度溫度仿真結(jié)果圖

從各類機(jī)床溫度分布圖中可以看出，經(jīng)過(guò)熱特性分析，機(jī)床溫升較高的地方主要有：刀具、各軸電動(dòng)機(jī)、主軸帶輪、工件、內(nèi)外軸止推端附近、各軸絲杠支撐軸承附近、滾珠絲杠螺母附近等。其中，主軸處溫升最高，其次為電動(dòng)機(jī)，發(fā)熱較嚴(yán)重，主軸內(nèi)軸外表面及止推端附近、絲杠支撐軸承靠近電動(dòng)機(jī)、絲杠螺母附近溫升也較高，可見(jiàn)主軸、軸承、絲杠等位置是熱特性的薄弱環(huán)節(jié)，通過(guò)測(cè)試這些點(diǎn)的熱特性可以更好地反映出整機(jī)的熱特性。因此應(yīng)將傳感器主要布置于主軸和絲杠。

4 剛度溫度性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

4.1 檢測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)介

機(jī)床性能測(cè)試系統(tǒng)（MPTSV1.0）是一款對(duì)于機(jī)床的溫度、受力情況、受力之后產(chǎn)生的位移、剛度及熱變形進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)檢測(cè)的綜合性系統(tǒng)采集軟件，便于攜帶和使用，可用于機(jī)床性能的檢測(cè)。

圖6為機(jī)床性能測(cè)試系統(tǒng)箱體零件圖，該箱體包括數(shù)據(jù)采集卡、線性電源、力放大器、溫度變送器及位移前置器。在力放大器、位移前置器、溫度變送器的一頭分別接上各自的傳感器，另一頭分別接上數(shù)據(jù)采集卡的引腳通道，通過(guò)一定的連線方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。可對(duì)機(jī)床進(jìn)行位移、溫度、力的檢測(cè)，并通過(guò)軟件分析機(jī)床的剛度及溫升熱變形檢測(cè)。

4.2 檢測(cè)試驗(yàn)傳感器布置

利用機(jī)床性能測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)前文分析的臥式加工中心進(jìn)行了機(jī)床剛度溫度的性能測(cè)試。傳感器布置如圖7、圖8所示。

圖6 檢測(cè)箱內(nèi)部零件圖

如圖7、圖8所示，整機(jī)剛度檢測(cè)時(shí)應(yīng)主要檢測(cè)主軸剛度，將傳感器布置于主軸上測(cè)試其X、Y、Z等方向的剛度曲線。對(duì)于熱特性測(cè)試，機(jī)床溫升較高的地方主要有：刀具、各軸電動(dòng)機(jī)、主軸帶輪、工件、內(nèi)外軸止推端附近、各軸絲杠支撐軸承附近、滾珠絲杠螺母附近等，因此應(yīng)當(dāng)將傳感器布置在主軸和絲杠支撐軸承附近、滾珠絲杠螺母位置。

圖7 剛度測(cè)試傳感器布置方案

圖8 熱特性測(cè)試傳感器布置

4.3 檢測(cè)結(jié)果分析

由圖9可知，臥式加工中心的剛度曲線近似直線，說(shuō)明臥式加工中心在受力的情況下剛度變化較小，線性度較好。通過(guò)溫度特性曲線可知主軸處溫升最高，絲杠螺母附近溫升也較高，溫度測(cè)試結(jié)果與有限元分析結(jié)果相同。

5 結(jié) 論

本文詳述了數(shù)控機(jī)床剛度和溫度特性檢測(cè)方法，提出機(jī)床性能的參數(shù)化離散增強(qiáng)檢測(cè)、無(wú)線通信的搭建方法，以及用戶級(jí)、車間級(jí)、工廠級(jí)的拓?fù)淠Ｐ停ㄟ^(guò)ANSYS Workbench對(duì)磨床進(jìn)行剛度分析和熱分析，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行離散測(cè)試實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的選擇，通過(guò)機(jī)床性能測(cè)試系統(tǒng)（MPTSV1.0）進(jìn)行了臥式加工中心的剛度溫度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，為機(jī)床性能測(cè)試提供了借鑒。

圖9 機(jī)床剛度熱特性測(cè)試結(jié)果