數(shù)控機床高速主軸振動量實用檢測法

■ 航空工業(yè)西安飛機工業(yè)集團有限責(zé)任公司 （陜西 710089） 劉紅安

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近年來，隨著高速數(shù)控機床在金屬加工行業(yè)應(yīng)用的日益普及，設(shè)備的安全穩(wěn)定性問題也愈發(fā)突出。其中，在影響設(shè)備正常運行的諸多要素中，高速主軸因素占比較大，高速加工需求的高速主軸一般轉(zhuǎn)速≥10 000r/min，主軸的支承核心是高速精密主軸軸承，其性能好壞將直接影響高速主軸的工作性能以及主軸的加工精度。必須加大對高速主軸的關(guān)注力度，最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是對機床高速主軸的監(jiān)控與保護，因此對主軸軸承異常聲的控制、檢測和評定已成為設(shè)備維護、保養(yǎng)的重要內(nèi)容，這已成為設(shè)備制造、使用以及維護領(lǐng)域亟待解決的重要問題之一。

作為機床使用、維護部門，對目前高速主軸軸承異常聲鑒別大部分還是依靠設(shè)備操作、維護人員的主觀判定。譬如，在加工過程中，通過操作人員的聽覺和觸覺；以及在1年1次的數(shù)控設(shè)備3級保養(yǎng)工作中，維護工程師檢測主軸，通過運行主軸預(yù)熱程序以不同轉(zhuǎn)速試轉(zhuǎn)主軸的方法，仍要通過個人感知來判別高速主軸運轉(zhuǎn)過程中的異常聲。這兩種方法，因檢測環(huán)境、個人經(jīng)驗不同而結(jié)果差異很大，缺乏一致性和可比性。加之檢測時間周期跨度大（數(shù)控設(shè)備3級保養(yǎng)是在1年進行1次），因此，不能實時、客觀及有效地檢測高速主軸運行狀態(tài)，往往主軸在出現(xiàn)異常時已經(jīng)損壞，造成長時間停機以及巨大的經(jīng)濟損失。

為克服上述缺點，經(jīng)過不斷的研究和試驗，在XMT60X系列加速度智能控制（變送）儀的基礎(chǔ)上，運用PLC控制技術(shù)，利用數(shù)控機床數(shù)控系統(tǒng)功能，結(jié)合人機交互，開發(fā)出一種經(jīng)濟實用的高速主軸振動加速度和異常聲檢測儀，較好地解決了高速主軸軸承振動的檢測問題。

1.故障機理和試驗分析

對1臺高速龍門銑床的OMLAT OMC-320高速電主軸（最高轉(zhuǎn)速15 000r/min）在實驗室對前后端軸承進行振動試驗分析，從中可見：裝有陶瓷球軸承的高速電主軸在各速度段上運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動加速度值a只在小范圍內(nèi)波動，振動加速度值a總體變化趨勢是隨著轉(zhuǎn)速的提高而增大，但未超過2.5g（機床主軸動平衡應(yīng)符合ISO 1940/01/05/75標(biāo)準，所需質(zhì)量級別G2.5），滿足電主軸單元高速高精加工的要求，如圖1所示。

圖1 1臺高速電主軸的實驗室測量振動量

當(dāng)然，這些數(shù)據(jù)是在實驗室的理想條件下，對電主軸預(yù)加載后測得的振動加速度值a，在實際工作環(huán)境下，當(dāng)切削條件惡化，譬如，人為原因造成機床主軸撞刀；切削過程中產(chǎn)生積屑瘤粘刀；因工件裝夾受力不均衡、工裝設(shè)計缺陷和真空吸持壓強降低等造成零件變形，直接引起刀桿與工件干涉等原因，使得高速主軸瞬間產(chǎn)生較大沖擊載荷，加之主軸處于高速運行狀態(tài)，作用力傳遞到主軸前后端軸承，振動加速度值a陡然增大，軸承內(nèi)部因高速運轉(zhuǎn)產(chǎn)生較大負荷，二者疊加，使軸承高速時實際預(yù)緊力遠超過初期預(yù)緊力，導(dǎo)致軸承溫升高，出現(xiàn)早期燒結(jié)損傷。此類高速主軸損壞的設(shè)備質(zhì)量事故屢見不鮮，1臺三坐標(biāo)數(shù)控立式加工中心（主軸轉(zhuǎn)速最高15 000r/min）在加工過程中，因程序中給定X坐標(biāo)進給速率過大，刀具齊根折斷，所幸防護門帶鋼柵，擊碎防護鋼化玻璃，未傷人，當(dāng)時數(shù)控系統(tǒng)未報警，如圖2所示。

該設(shè)備主軸在出現(xiàn)故障后，對主軸進行檢測。按照以下檢測步驟、順序進行：①目測主軸，經(jīng)檢查主軸外觀無異常。②手盤主軸，經(jīng)檢查主軸轉(zhuǎn)動靈活，無明顯滯澀感。③運行主軸預(yù)熱程序，主軸逐級升速，聲音無明顯異常。在最高轉(zhuǎn)速（15 000r/min）下主軸連續(xù)正常運行24h后，檢查溫升基本正常。對照主軸標(biāo)準，檢查主軸軸向最大膨脹量和徑向最大膨脹量。主軸軸向最大膨脹量出廠要求不超過0.05mm，徑向距主軸端部300mm處最大膨脹量不超過0.02mm；經(jīng)檢測，主軸軸向最大膨脹量0.03mm，正常；徑向最大膨脹量達到0.04mm，輕微超差。

于是初步認定主軸狀態(tài)基本正常，換新刀具后，對初始的加工工藝參數(shù)進行優(yōu)化，繼續(xù)進行加工。在加工過程中，發(fā)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速在10 000r/min以上時，機床振動感強烈，零件加工區(qū)域光度變差，精度已經(jīng)下降，且主軸溫升快，只能進行降速加工，無法滿足高速、高精度加工的工藝要求（主軸轉(zhuǎn)速在12 000r/min以上，坐標(biāo)進給速度3 000mm/min），機床性能嚴重下降。

將該主軸拆卸返廠維修，對該高速主軸在實驗室進行檢測（對照機床出廠要求，該主軸動平衡符合ISO 1940/01/05/75標(biāo)準，所需質(zhì)量級別G2.0），加載后測得的振動加速度值a如圖3所示。

試驗表明：高速主軸在轉(zhuǎn)速大于8 000r/min時，振動加速度值a陡然增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速達到12 000 r/min時超過2.0g，振動量感覺明顯，軸承受力不均，產(chǎn)生變形，發(fā)熱量大，無法繼續(xù)正常使用。

2.檢測原理

將一只振動傳感器 PR-3010牢固安裝在機床Z坐標(biāo)滑枕近主軸側(cè)，注意，高速主軸一般采用兩支承結(jié)構(gòu)，支承受力方式為外撐式，主電動機置于主軸前、后軸承之間，這是高速主軸（包括電主軸）的一種基本結(jié)構(gòu)形式，前后軸承均分別采用串聯(lián)安裝方式，后支承選用小尺寸軸承，降低了速度因數(shù)值，對主軸整體剛性影響不大，對保持整個軸系的使用壽命十分有利，因此，安裝振動傳感器PR-3010要稍微靠近主軸前軸承端。利用振動傳感器PR-3010對高速主軸的振動信號進行實時采樣，振動信號由壓電傳感器拾取并將振動量轉(zhuǎn)換成電荷信號，經(jīng)一個前置放大器WS1562配電隔離單元再轉(zhuǎn)換為4～20mA的標(biāo)準電流信號，這一電流信號輸送給監(jiān)聽電路和帶通放大器。本次改造選用XMT600智能控制（變送）儀，頻率范圍為50Hz～10kHz，監(jiān)聽電路將輸入信號經(jīng)過DSP、再放大后轉(zhuǎn)換為主軸振動加速度的數(shù)碼真值顯示，16位A/D信號對應(yīng)顯示值在整個－1999～9999顯示范圍內(nèi)保持連續(xù)顯示，并根據(jù)智能控制（變送）儀所設(shè)定振動量的閾值進一步?jīng)Q定是否輸出一個報警的繼電器輸出接線通斷點，供機床數(shù)控系統(tǒng)如SINUMERIK 840Dsl、SINUMERIK 828D拾取異常中斷。如圖4所示。

圖2 1臺三坐標(biāo)數(shù)控立式銑床高速加工過程中主軸異常（未加裝主軸振動檢測儀）

圖3 1臺三坐標(biāo)數(shù)控立式銑床高速主軸的實驗室測量振動量

3.振動檢測裝置安裝調(diào)試

振動檢測裝置安裝調(diào)試（見圖5）主要工作步驟如下。

（1）振動傳感器PR-3010安裝定位。

（2）正確調(diào)試XMT600智能控制（變送）儀。按照數(shù)控機床的高速主軸出廠振動技術(shù)要求正確調(diào)試XMT600智能控制（變送）儀，設(shè)定方法見《XMT60X系列智能控制（變送）儀使用說明書》。

參數(shù)設(shè)定。①輸入密碼PP89，設(shè)定輸入信號編號如下：輸入信號編號＝18（4～20mA）。②輸入密碼PP36，設(shè)定量程顯示參數(shù)如下：量程低限＝0000；量程高限＝5000；變送低限＝0000；變送高限＝5000；小數(shù)點位置＝0。③輸入密碼PP01，設(shè)定控制報警參數(shù)如下：J1用于二位控制，設(shè)定釋放值＝2000；即高速主軸質(zhì)量級別G2.0的閾值（非常重要）。

（3）主要元器件的正確連接。嚴格按照接線圖正確接線，為了保證振動傳感器輸出信號不受外界電磁、雜波等干擾，不失真，一定要進行接地屏蔽保護；高速主軸振動異警輸出使用XMT600B智能控制儀的4、5端子即繼電器輸出接線J1，可以控制一個觸點的閉合，本次改造將該信號連通＋24VDC的有源信號，另一端子5輸出到機床數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK 828D的輸入輸出模塊板PP72/48 PN的輸入端I5.4，對信號進行處理中斷輸出。電路原理如圖6所示。

圖4 1臺三坐標(biāo)數(shù)控立式銑床高速主軸的振動量檢測系統(tǒng)

圖5 振動檢測裝置基本硬件

圖6 振動檢測裝置電路原理

4.高速主軸振動的顯示及中斷響應(yīng)

可以利用XMT600智能控制（變送）儀對主軸振動量顯示加速度的數(shù)碼真值，分辨率0.001，小數(shù)點后3位的7斷碼的數(shù)碼管顯示（見圖7）。

圖7 1臺三坐標(biāo)數(shù)控立式銑床高速主軸的振動量在線實時檢測

機床數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK 828D的NC處理單元PPU，按性能分為三種：PPU240/241（基本型）、PPU260/261（標(biāo)準型）和PPU280/281（高性能型），本次改造按照經(jīng)濟性原則，選用基本型PPU240/241，系統(tǒng)集成PLC CPU型號SIEMENS Simatic S7-200，PLC循環(huán)時間9ms，遠高于XMT600智能控制（變送）儀的頻率范圍，能保證對振動傳感器輸出信號及時采集，不丟幀，對振動異警輸出進行及時中斷響應(yīng)。如果熟悉Simatic S7-200編程規(guī)則，可以對SINUMERIK 828D的輸入、輸出模塊板PP72/48PN的輸入端I5.4進行編程，即：

A I5.4 //循環(huán)掃描振動異警輸出點狀態(tài)

= DB1600.DBX0.0 // 對應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)接口信號；觸發(fā)用戶報警號700000（異警內(nèi)容的顯示，可以在SINUMERIK 828D的HMI 上創(chuàng)建中文的PLC報警內(nèi)容）

= DB3200.DBX6.0 //通道進給保持

= DB380x.DBX4.3 //機床坐標(biāo)軸進給保持，機床停止運行

因此，通過對數(shù)控系統(tǒng)PLC關(guān)鍵接口信號DB3200.DBX6.0、DB380x.DBX4.3等實時監(jiān)控，可以提前檢測到高速主軸的振動異常，從而達到保護機床高速主軸的目的。

5.結(jié)語

振動檢測的根本目標(biāo)是確診機床連續(xù)運行高速主軸的潛在故障，保證設(shè)備安全高效運行，從而節(jié)省維修費用，減少停機時間，提高設(shè)備綜合利用率OEE。目前，我國正處于大力實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵階段，企業(yè)必須立足自身現(xiàn)有條件，利用自身優(yōu)勢，積極開展技術(shù)創(chuàng)新、自主創(chuàng)新，本次改造就是遵循“小改變可以引發(fā)大變化，小節(jié)約可以產(chǎn)生大效益”的理念，以問題為導(dǎo)向，精準聚焦，立即行動，解決生產(chǎn)現(xiàn)場實際問題，從而對高速主軸的潛在危險因素做到預(yù)先偵知，對早期預(yù)防設(shè)備重大故障、工件報廢和人身傷害等事故的發(fā)生起到了積極作用。