機(jī)床主軸加載試驗(yàn)系統(tǒng)

管強(qiáng)，席晨飛

紐威數(shù)控裝備（蘇州）股份有限公司 江蘇蘇州 215153

1 序言

數(shù)控機(jī)床的主軸部件作為機(jī)床最重要的功能部件之一，對(duì)整機(jī)的可靠性水平有顯著影響。

在以往常規(guī)的主軸運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，主要是在主軸空載的狀態(tài)下（即運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不在主軸上增加任何附加載荷）進(jìn)行試驗(yàn)，主要目的是對(duì)主軸軸承及潤滑油脂進(jìn)行磨合及主軸溫升檢測(cè)[1]。但這種試驗(yàn)測(cè)試方法無法有效模擬主軸部件的實(shí)際工作狀況，不符合主軸的實(shí)際使用條件，無法反映主軸在受載后的性能好壞和主軸部件的真實(shí)可靠性水平，也不利于主軸性能的改善。

鑒于以上原因，本文提出了一種機(jī)床主軸部件的加載試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)系統(tǒng)，可在主軸部件的試驗(yàn)過程中，通過對(duì)試驗(yàn)主軸施加力或轉(zhuǎn)矩的載荷，來完成主軸負(fù)載狀態(tài)運(yùn)行的試驗(yàn)，且可以通過調(diào)整施加載荷的變化來模擬主軸部件工作時(shí)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)工況，使得試驗(yàn)更接近主軸的實(shí)際工作狀況，因此可以在試驗(yàn)中對(duì)主軸部件的早期故障和性能進(jìn)行有效檢測(cè)和評(píng)估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并加以優(yōu)化改善，從而保證主軸部件裝機(jī)前的性能穩(wěn)定，減少后期的故障率，以提高機(jī)床整機(jī)的可靠性水平[2]。

2 主軸加載試驗(yàn)系統(tǒng)的原理與功能

該試驗(yàn)系統(tǒng)用于機(jī)床主軸的加載試驗(yàn)測(cè)試[3]。可用來進(jìn)行主軸的空載溫升試驗(yàn)、轉(zhuǎn)矩加載試驗(yàn)、軸向加載試驗(yàn)和徑向加載試驗(yàn)。

主軸加載試驗(yàn)系統(tǒng)的整體功能主要由如下部分組成。

（1）驅(qū)動(dòng)部分 通過伺服電動(dòng)機(jī)聯(lián)接待試驗(yàn)主軸部件，通過主軸部件上的編碼器檢測(cè)主軸試驗(yàn)時(shí)的運(yùn)行速度，PLC系統(tǒng)按預(yù)定程序控制主軸在不同的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2）溫升檢測(cè)部分 溫升檢測(cè)是利用熱敏電阻感應(yīng)主軸軸承附近的溫度，通過儀表將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，進(jìn)而通過PLC將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)記錄該數(shù)據(jù)，通過對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過程中的溫度—速度曲線對(duì)比，來達(dá)到分析的目的，通過溫度、速度實(shí)際值來判斷主軸是否合格[4]。

（3）振動(dòng)檢測(cè)部分 利用IEPE型振動(dòng)加速度傳感器監(jiān)測(cè)主軸部件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)指定位置點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)值[5]，并傳入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，繪制振動(dòng)數(shù)值的變化曲線，通過閾值來判斷主軸的振動(dòng)性能優(yōu)劣。

（4）轉(zhuǎn)矩加載部分 采用轉(zhuǎn)矩傳感器和制動(dòng)器，制動(dòng)器通過控制器可形成一定的轉(zhuǎn)矩，伺服電動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)帶帶動(dòng)主軸部件轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸部件通過卡爪、聯(lián)軸器、連接件等與轉(zhuǎn)矩傳感器連接，轉(zhuǎn)矩傳感器則與制動(dòng)器相連接。如此通過在有負(fù)載的情況下，測(cè)量主軸軸承的溫度變化及振動(dòng)情況。

（5）力加載部分 在給定的軸向或徑向方向上，通過伺服電動(dòng)推桿將作用力作用在卡爪上，在該負(fù)載下進(jìn)行主軸溫升和振動(dòng)性能測(cè)試試驗(yàn)。

3 主軸加載試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與布局

3.1 加載試驗(yàn)系統(tǒng)的整體布局

主軸加載試驗(yàn)系統(tǒng)主要由試驗(yàn)系統(tǒng)支撐臺(tái)架、待試驗(yàn)主軸部件、驅(qū)動(dòng)部件、軸向力載荷加載裝置、徑向力載荷加載裝置、轉(zhuǎn)矩載荷加載裝置、力加載聯(lián)接裝置、試驗(yàn)控制操作臺(tái)及信號(hào)檢測(cè)裝置與儀器等組成。整體結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

圖1 加載試驗(yàn)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)布局

試驗(yàn)控制操作臺(tái)包括控制臺(tái)本體、主控制電腦、軸向力顯示儀表與控制模塊、徑向力顯示儀表與控制模塊、轉(zhuǎn)矩顯示儀表與控制模塊以及控制電路/電纜與元件等組成，如圖2所示。主要用來實(shí)現(xiàn)主軸部件的驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)、力與轉(zhuǎn)矩載荷的施加和控制、信號(hào)檢測(cè)與控制記錄等功能。

圖2 試驗(yàn)控制操作臺(tái)示意

3.2 加載試驗(yàn)系統(tǒng)的臺(tái)架部分

試驗(yàn)系統(tǒng)支撐臺(tái)架是待試驗(yàn)主軸部件、驅(qū)動(dòng)部件及加載裝置的支撐平臺(tái)，安裝在試驗(yàn)區(qū)域的地面上，可通過下方的8個(gè)地腳支撐螺栓來調(diào)整平臺(tái)的水平精度。

試驗(yàn)系統(tǒng)支撐臺(tái)架由前、后兩部分組成，前、后兩部分通過豎直方向的導(dǎo)軌滑塊裝置進(jìn)行聯(lián)接。前側(cè)部分主要起為力加載裝置和轉(zhuǎn)矩加載裝置提供支撐的作用，可進(jìn)行上下、左右和前后3個(gè)方向的位置調(diào)整，以便在加載試驗(yàn)前進(jìn)行加載裝置的位置調(diào)整。前側(cè)部分結(jié)構(gòu)上由豎直方向的移動(dòng)平臺(tái)及其支撐與調(diào)整導(dǎo)向裝置、水平左右方向的移動(dòng)平臺(tái)及其調(diào)整與導(dǎo)向裝置、水平前后方向的轉(zhuǎn)矩加載裝置移動(dòng)平臺(tái)及其調(diào)整與導(dǎo)向裝置組成。后側(cè)部分主要起為待試驗(yàn)主軸部件以及驅(qū)動(dòng)部件提供支撐的作用。待試驗(yàn)主軸部件通過帶T形槽的安裝板固定在試驗(yàn)平臺(tái)上，通過調(diào)整塊和螺釘裝置來調(diào)整主軸部件的位置。十字滑臺(tái)固定在試驗(yàn)平臺(tái)上，十字滑臺(tái)上安裝有安裝板，用來固定主軸驅(qū)動(dòng)部件，通過兩個(gè)不同方向的手輪來調(diào)整十字滑臺(tái)和驅(qū)動(dòng)部件（電動(dòng)機(jī)）在水平前后方向和左右方向的位置，以匹配驅(qū)動(dòng)部件與主軸部件之間的位置狀態(tài)。本例中，驅(qū)動(dòng)部件與主軸部件上均裝配有帶輪，并通過傳動(dòng)帶進(jìn)行聯(lián)接，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)主軸部件運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。

加載試驗(yàn)系統(tǒng)的俯視圖如圖3所示。

圖3 加載試驗(yàn)系統(tǒng)俯視圖

3.3 載荷加載裝置

主軸軸向力載荷加載裝置主要由固定支架、伺服電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)推桿、拉壓傳感器、固定壓盤、軸向加載原點(diǎn)傳感器和軸向前行限位傳感器組成。固定支架將軸向力載荷加載裝置固定在移動(dòng)平臺(tái)上。軸向力加載時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿向前運(yùn)動(dòng)，拉壓傳感器和固定壓盤位于電動(dòng)推桿的移動(dòng)桿上，二者隨之向前運(yùn)動(dòng)并將固定壓盤接觸到主軸部件上的旋轉(zhuǎn)壓盤的前端面上，使得主軸部件承受軸向力的載荷（即達(dá)到軸向加載的目的）。拉壓傳感器用來檢測(cè)所加載軸向力的大小。原點(diǎn)和前行傳感器用來檢測(cè)電動(dòng)推桿在加載前和加載時(shí)的位置，該位置可調(diào)整以滿足不同的加載場(chǎng)合需要。

主軸徑向力載荷加載裝置與軸向力加載裝置結(jié)構(gòu)組成類似，在此不再詳述。軸向力載荷加載裝置與徑向力載荷加載裝置分別如圖4、圖5所示。

圖4 軸向力載荷加載裝置示意

圖5 徑向力載荷加載裝置示意

主軸轉(zhuǎn)矩載荷加載裝置主要由制動(dòng)器、轉(zhuǎn)矩傳感器、聯(lián)軸器、壓力檢測(cè)開關(guān)、冷卻循環(huán)水路、精度調(diào)整裝置及轉(zhuǎn)矩輸出軸組成，如圖6所示。制動(dòng)器固定在移動(dòng)平臺(tái)上，轉(zhuǎn)矩傳感器通過支架固定在移動(dòng)平臺(tái)上，制動(dòng)器輸出軸與轉(zhuǎn)矩傳感器的軸之間通過聯(lián)軸器聯(lián)接，聯(lián)軸器還用來聯(lián)接轉(zhuǎn)矩傳感器與主軸端的轉(zhuǎn)矩加載聯(lián)接軸。制動(dòng)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需要冷卻循環(huán)水路進(jìn)行冷卻，壓力檢測(cè)開關(guān)用來檢測(cè)冷卻循環(huán)水路的壓力。轉(zhuǎn)矩傳感器用來檢測(cè)轉(zhuǎn)矩加載試驗(yàn)時(shí)的轉(zhuǎn)矩大小，可通過控制器來調(diào)整制動(dòng)器的輸出電流，以達(dá)到對(duì)主軸加載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)整的目的。

圖6 轉(zhuǎn)矩載荷加載裝置示意

3.4 載荷聯(lián)接裝置

加載聯(lián)接裝置（見圖7）安裝在試驗(yàn)主軸部件上，包括聯(lián)接卡盤、卡爪、力承載部件。聯(lián)接卡盤固定在主軸上，主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)帶動(dòng)卡盤旋轉(zhuǎn)。力承載部件由固定桿和旋轉(zhuǎn)壓盤兩部分組成，固定桿由卡爪夾緊后聯(lián)接在卡盤上，旋轉(zhuǎn)壓盤部分與固定桿間安裝有軸承，旋轉(zhuǎn)壓盤的前端面在軸向力加載時(shí)直接與軸向加載裝置的固定壓盤相接觸，其外圓周面在徑向力加載時(shí)直接與徑向加載裝置的徑向加載穩(wěn)定器接觸，可以達(dá)到加載時(shí)主軸和固定桿一同運(yùn)轉(zhuǎn)，但旋轉(zhuǎn)壓盤和加載部分的固定壓盤和徑向加載穩(wěn)定器部分不會(huì)一同運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。徑向加載穩(wěn)定器由固定部分和兩個(gè)承載軸承組成，可以較好地承載與旋轉(zhuǎn)壓盤之間的徑向載荷。

圖7 力載荷加載聯(lián)接裝置示意

轉(zhuǎn)矩加載時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器與卡盤間通過聯(lián)接軸進(jìn)行聯(lián)接，聯(lián)接軸的一端由卡爪夾緊，另一端通過聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出軸聯(lián)接。

3.5 信號(hào)檢測(cè)裝置與儀器

信號(hào)檢測(cè)裝置與儀器包括溫度檢測(cè)傳感器、振動(dòng)檢測(cè)傳感器和相關(guān)控制與處理模塊等。溫度檢測(cè)傳感器有3個(gè)，分別用來檢測(cè)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的前軸承溫度、后軸承溫度和環(huán)境溫度，如果主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)溫度異常則控制系統(tǒng)會(huì)做報(bào)警或停機(jī)處理。振動(dòng)檢測(cè)傳感器有4個(gè)，分別用于檢測(cè)主軸前軸承的水平徑向方向和豎直徑向方向、主軸后軸承的水平徑向方向和豎直徑向方向，如果主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)異常，則控制系統(tǒng)也會(huì)做報(bào)警或停機(jī)處理。溫度、振動(dòng)、力載荷及轉(zhuǎn)矩載荷的數(shù)據(jù)采集、控制與處理模塊安裝在試驗(yàn)控制操作臺(tái)的內(nèi)部（見圖8、圖9），通過實(shí)時(shí)檢測(cè)并定時(shí)記錄上述傳感器信號(hào)，達(dá)到對(duì)主軸部件試驗(yàn)時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的目的，同時(shí)可通過對(duì)所記錄信號(hào)的分析來評(píng)價(jià)主軸部件的可靠性與穩(wěn)定性等性能水平。

圖8 振動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊示意

圖9 力/轉(zhuǎn)矩載荷數(shù)據(jù)采集模塊示意

4 主軸加載試驗(yàn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

主軸加載試驗(yàn)系統(tǒng)的控制軟件基于net2.0進(jìn)行開發(fā)[6]。主軸部件加載試驗(yàn)時(shí)的主要軟件界面如下。

（1）軟件登錄界面 如圖10所示，默認(rèn)用戶名：admin，密碼：admin，其他用戶名可以用此用戶名分配。

圖10 軟件登錄界面

（2）數(shù)據(jù)監(jiān)視界面 如圖11所示，界面主要展示如下幾部分信息。

圖11 數(shù)據(jù)監(jiān)視界面

界面左上半部分顯示了基于測(cè)量的外部傳感器信息，包括溫度、轉(zhuǎn)速、功率及加載力等。

界面左偏上部分顯示了運(yùn)行中的機(jī)床主軸的基本信息、試驗(yàn)的主軸部件型號(hào)和主軸部件編號(hào)以及運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)，如給定速度和已運(yùn)行時(shí)間等。主軸部件型號(hào)：用于區(qū)分主軸類型，如工廠生產(chǎn)5種類型的車床，分別對(duì)應(yīng)5種類型的主軸型號(hào)。主軸部件編號(hào)：這是對(duì)某一類主軸中實(shí)際存在的設(shè)備的編號(hào)。這個(gè)編號(hào)是唯一的，這也是區(qū)分記錄的唯一索引，該編號(hào)不可重復(fù)，如果重復(fù)了，則會(huì)覆蓋以前的測(cè)試信息。

界面左中間部分顯示了步進(jìn)溫升段信息，即每一段的計(jì)算結(jié)果，包括：溫升值、給定點(diǎn)的速度、轉(zhuǎn)矩、壓力及功率等。

界面的下半部分顯示了所有采集點(diǎn)及其實(shí)時(shí) 曲線。

（3）信息下載界面 如圖12所示，該界面用于啟動(dòng)測(cè)試前的參數(shù)下載。由于主軸類型比較多，各個(gè)主軸的最高轉(zhuǎn)速及測(cè)試條件不一樣，因此，針對(duì)每一種主軸部件型號(hào)，設(shè)計(jì)了不同的參數(shù)組，用戶僅根據(jù)實(shí)際的主軸部件型號(hào)從下拉列表中選擇對(duì)應(yīng)的型號(hào)，對(duì)該型號(hào)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

圖12 信息下載界面

每個(gè)主軸部件編號(hào)關(guān)聯(lián)了溫升跑合試驗(yàn)參數(shù)，同時(shí)也關(guān)聯(lián)了振動(dòng)測(cè)量相關(guān)參數(shù)。選中主軸部件編號(hào)后，相關(guān)參數(shù)自動(dòng)調(diào)取出來，供用戶查看。

選擇完后，再輸入實(shí)際主軸的部件編號(hào)，點(diǎn)擊下載，界面自動(dòng)關(guān)閉，此時(shí)“數(shù)據(jù)監(jiān)視界面”上參數(shù)下載按鈕變成了綠色。此時(shí)，可以根據(jù)試驗(yàn)類型進(jìn)行選擇是空載試驗(yàn)還是轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)或X軸加載/Y軸加載。以上任意一個(gè)試驗(yàn)的開始都必須下載參數(shù)，只要參數(shù)下載按鈕不為綠色，啟動(dòng)是無效的。

每次試驗(yàn)啟動(dòng)后，參數(shù)下載按鈕變成黃色。

（4）歷史曲線界面 如圖13所示，該部分作為歷史數(shù)據(jù)的查詢和打印使用。

圖13 歷史曲線界面

在試驗(yàn)完成后，可切換到此界面中進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的查看、分析和打印。界面左邊有一主軸編號(hào)列表，里面詳細(xì)列出了所有已測(cè)試的主軸編號(hào)，點(diǎn)擊這個(gè)列表中某一行，將顯示測(cè)試過程曲線，包括重要的測(cè)試數(shù)據(jù)，如測(cè)試日期、測(cè)試起始/結(jié)束溫度、總的溫升等。這些信息在歷史曲線選項(xiàng)卡里面詳盡列出，而如果需要更詳細(xì)的分析，可點(diǎn)擊圖表分析（見圖14）。

圖14 圖表分析界面

圖表分析是每一步的主軸溫升等數(shù)據(jù)記錄，如有紅色底色，則表示該行為超出設(shè)定溫度，繼續(xù)新一段速度。

點(diǎn)擊振動(dòng)分析，顯示界面如圖15所示。4個(gè)通道的加速度傳感器分別檢測(cè)前軸承水平、前軸承垂直、后軸承水平和后軸承垂直測(cè)點(diǎn)位置的振動(dòng)數(shù)據(jù)。每個(gè)傳感器最大實(shí)時(shí)測(cè)量點(diǎn)為5個(gè)頻率點(diǎn)加上1個(gè)綜合振動(dòng)烈度值，列表中列出了標(biāo)準(zhǔn)值和實(shí)際測(cè)量過程中的最大值。下方的曲線展示了其中一組的振動(dòng)曲線，雙擊任意一個(gè)通道，會(huì)自動(dòng)顯示該通道的振動(dòng)測(cè)量曲線（時(shí)域內(nèi)的曲線）。根據(jù)所配置的打印機(jī)設(shè)置便可打印當(dāng)前選定的主軸編號(hào)的試驗(yàn)報(bào)告。打印預(yù)覽可預(yù)覽打印報(bào)告的效果，如果效果不滿意，可通過打印設(shè)置進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，調(diào)整后的參數(shù)由軟件保存，以后每次打印均使用這個(gè)參數(shù)。點(diǎn)擊刪除可直接刪除當(dāng)前選定的主軸編號(hào)。

圖15 振動(dòng)分析界面

（5）機(jī)種管理 試驗(yàn)規(guī)范的意義在于為每一種類型的主軸部件設(shè)計(jì)一組測(cè)試運(yùn)行參數(shù)，這樣可大大減少測(cè)試時(shí)輸錯(cuò)試驗(yàn)參數(shù)的幾率，方便而快捷地進(jìn)行主軸加載溫升試驗(yàn)。

1）運(yùn)行參數(shù)管理。如圖16所示，可以在該界面上進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)的增加、修改、刪除和更新。

圖16 運(yùn)行參數(shù)管理界面

2）振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)管理。振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)在圖17所示的頁面中定義，主要定義了烈度域值、設(shè)定頻率點(diǎn)及該頻率點(diǎn)附近允許的最大值，超出該值后，結(jié)論定義為不合格。

圖17 振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)管理界面

主軸部件型號(hào)下拉菜單設(shè)計(jì)為可選可輸入，如果列表框中沒有所要的部件型號(hào)，可直接輸入型號(hào)，然后將起始速度、步進(jìn)速度等一系列參數(shù)按實(shí)際運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，所有參數(shù)設(shè)置完后，點(diǎn)擊增加，便可在下方列表框中看到新增加的項(xiàng)目。如果修改某型號(hào)的參數(shù)，點(diǎn)擊下方列表框中相應(yīng)型號(hào)，該組數(shù)據(jù)便可顯示在上方運(yùn)行參數(shù)中，修改后點(diǎn)擊修改便完成了參數(shù)的修改。刪除時(shí)，必須先在下方列表框中選定一個(gè)型號(hào)，然后點(diǎn)擊刪除方可有效。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種數(shù)控機(jī)床主軸部件加載測(cè)試時(shí)的試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并介紹了試驗(yàn)系統(tǒng)的主要軟件控制與操作界面。

試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局合理、可靠；控制軟件可實(shí)時(shí)檢測(cè)加載試驗(yàn)過程中主軸的溫度變化、振動(dòng)量值變化情況，并能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)行異常時(shí)的報(bào)警和停機(jī)，從而保護(hù)試驗(yàn)主軸。通過模擬主軸部件的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)工況，來考察和驗(yàn)證主軸部件在不同載荷工況下的使用壽命和可靠性水平，起到加速試驗(yàn)的目的，從而有利于消除或消減主軸部件的早期故障發(fā)生率，促進(jìn)主軸部件整體可靠性水平的提升。

20221215