高速電主軸單元?jiǎng)討B(tài)性能試驗(yàn)平臺(tái)的研發(fā)*

(蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

現(xiàn)代加工中心正朝著高速切削的方向發(fā)展，其主軸單元普遍采用結(jié)構(gòu)緊湊的電主軸。作為數(shù)控機(jī)床的心臟部件，高速、高精密電主軸單元的動(dòng)態(tài)性能好壞至關(guān)重要，為此對(duì)電主軸單元的抗振性、回轉(zhuǎn)精度、動(dòng)平衡和熱特性等方面都提出了嚴(yán)格要求。對(duì)電主軸單元進(jìn)行深入研究，掌握電主軸的關(guān)鍵技術(shù)，亟需構(gòu)建高速電主軸單元?jiǎng)討B(tài)性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上檢測(cè)電主軸在高速運(yùn)行中回轉(zhuǎn)精度、主軸溫升、振動(dòng)頻譜分布等參數(shù)，為高速電主軸單元的綜合性能評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)電主軸單元的溫升和主軸跳動(dòng)等動(dòng)態(tài)性能的檢測(cè)，多是在機(jī)床裝配后試車(chē)過(guò)程中完成的，靜態(tài)下測(cè)跳動(dòng)，動(dòng)態(tài)下測(cè)溫升，不能為用戶提供一套在不同轉(zhuǎn)速下較為準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)。為了更好地對(duì)電主軸單元的性能進(jìn)行研究，本課題開(kāi)發(fā)出一套高速電主軸單元?jiǎng)討B(tài)性能試驗(yàn)平臺(tái)。

1 試驗(yàn)平臺(tái)總體方案

課題以青海一機(jī)數(shù)控機(jī)床有限責(zé)任公司HMC80臥式加工中心的電主軸單元為研究對(duì)象，借用其主軸箱箱體放于灰鑄鐵實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之上(如圖1)。

主軸單元采用大慣量寬調(diào)速的日本FANUC AC交流伺服內(nèi)裝式電機(jī)，電機(jī)型號(hào)：α160LL-25/13000iB，功率：25 kW(連續(xù)輸出額定功率)/30 kW(30 min 最大功率)。能夠?qū)崿F(xiàn)0～15 000 r/min的高轉(zhuǎn)速和大扭矩。主軸由前后軸承支承，前軸承采用日本NTN公司生產(chǎn)的四列組合小滾珠角接觸陶瓷球軸承，型號(hào)：5S-2LA-HSE020CDTBTCS11P4；后軸承采用單列短圓柱滾子軸承，型號(hào)：N1014HSCS12-1P。前后軸承均采用油氣潤(rùn)滑，并具有極強(qiáng)的冷卻作用。為進(jìn)一步減少軸承發(fā)熱熱量和電機(jī)發(fā)熱熱量，冷卻水通過(guò)軸承外圈套筒和電機(jī)定子套筒上螺旋槽，由熱交換系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。

為了得到電主軸在高速運(yùn)行中的回轉(zhuǎn)精度、溫度變化值以及振動(dòng)值，利用插入主軸錐孔中檢驗(yàn)芯棒處的非接觸式位移傳感器和植入主軸單元內(nèi)部的溫度傳感器以及粘貼于被測(cè)表面的三向加速度計(jì)，分別獲得位移值、溫度值和振動(dòng)值。圖2為測(cè)量原理圖。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)位移量檢測(cè)采用的德國(guó)米銥公司非接觸式電渦流傳感器，型號(hào)為eddyNCDT 3010。溫度檢測(cè)采用的傳感器為國(guó)產(chǎn)賽億凌公司STTT-R系列熱電偶。振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)采用的是壓電式三向加速度儀，型號(hào)為美國(guó)PCB公司的356A16三軸ICP?。

機(jī)床廠獲取軸承溫升是在電主軸單元的箱體外表面進(jìn)行間接測(cè)量。為準(zhǔn)確地掌握軸承的溫度變化情況，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將測(cè)溫的熱電偶直接與軸承外圈表面相接觸。

為更好地固定位移傳感器，設(shè)計(jì)了傳感器固定支架，見(jiàn)圖3中件5。支架一端與主軸套筒固定，另一端保持與檢驗(yàn)芯棒同軸，以保證在安裝位移傳感器時(shí)，傳感器端面到芯棒的間隙相同。

利用比利時(shí)LMS公司的LMS Test Lab數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。該系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)相結(jié)合有良好的人機(jī)操作界面和無(wú)縫數(shù)據(jù)共享，可用于幾何建模、信號(hào)特性測(cè)試分析、模態(tài)測(cè)試、模態(tài)分析和頻譜分析等。

2 電主軸單元?jiǎng)討B(tài)性能參數(shù)測(cè)試

2.1 試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)態(tài)性能參數(shù)測(cè)試流程

在設(shè)定的各級(jí)轉(zhuǎn)速下，如圖4所示，傳感器1將所測(cè)得電主軸單元2的溫度、加速度、位移等信號(hào)傳給LMS公司數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)3，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)完成對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)同步采集，采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)接口發(fā)送到計(jì)算機(jī)4上進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析處理、曲線繪制和打印。

LMS作為數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，各類(lèi)傳感器的信號(hào)都要經(jīng)過(guò)它處理后通過(guò)網(wǎng)線傳到計(jì)算機(jī)。LMS背后的接線布局如圖5所示：①、②、③分別接3個(gè)電渦流傳感器，用于檢測(cè)電主軸的回轉(zhuǎn)精度；④、⑤分別接三向加速度傳感器，用于檢測(cè)電主軸單元和固定支架的振動(dòng)；⑥、⑦、⑧分別接溫度傳感器，用于檢測(cè)前端3個(gè)軸承的溫度。⑨接溫度傳感器，用于檢測(cè)后端軸承溫度。

2.2 主軸回轉(zhuǎn)精度測(cè)量

3個(gè)分辨率為0.1 μm的渦流傳感器分別測(cè)量檢驗(yàn)芯棒的徑向相互垂直方向上的2個(gè)位移和1個(gè)軸向位移。由圖3看出，支架5懸伸端上套筒4徑向上鉆有相互垂直的安裝孔，將兩個(gè)電渦流傳感器1、2裝入其中，并保持傳感器端面與檢驗(yàn)芯棒外圓1 mm的距離。電渦流傳感器3裝入套筒的軸向方向，保持與檢驗(yàn)芯棒端面1 mm的距離。

在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行Test.Lab Signature測(cè)試軟件,對(duì)電渦流傳感器進(jìn)行通道設(shè)置后，通過(guò)機(jī)床電主軸單元數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)，每隔5 min調(diào)整一次主軸轉(zhuǎn)速，每次調(diào)整轉(zhuǎn)速上升1 000 r/min，打開(kāi)位移頻譜圖，觀察測(cè)量頻譜值。將LMS測(cè)得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Excel格式，通過(guò)Matlab軟件模擬出電渦流傳感器在不同轉(zhuǎn)速下的頻譜曲線圖。圖6分別為主軸轉(zhuǎn)速10 000 r/min和12 000 r/min時(shí)的頻譜圖。

2.3 振動(dòng)測(cè)量

由于固定支架是懸臂安裝的，電主軸單元自身的振動(dòng)會(huì)通過(guò)支架傳到裝有渦流傳感器的支架一端，有可能影響到主軸回轉(zhuǎn)精度的測(cè)量精度。為評(píng)估和消除電主軸單元振動(dòng)對(duì)主軸回轉(zhuǎn)精度的影響，在電主軸單元套筒處和支架遠(yuǎn)端處(見(jiàn)圖7)用502強(qiáng)力膠分別將2個(gè)三向加速度計(jì)1、2粘牢。2個(gè)傳感器上的X、Y、Z3個(gè)方向應(yīng)一致，數(shù)據(jù)處理軟件中的X、Y、Z方向亦與之相同。傳感器的分辨率為0.000 1g。實(shí)驗(yàn)表明，在不同的轉(zhuǎn)速下，電主軸單元自身振動(dòng)頻率與支架振動(dòng)頻率十分接近，而支架振動(dòng)幅值則要高于電主軸單元振動(dòng)幅值。圖8、9為主軸轉(zhuǎn)速為13 000 r/min時(shí)電主軸單元和固定支架的頻譜圖。假設(shè)檢驗(yàn)芯棒不產(chǎn)生振動(dòng)，由支架振動(dòng)造成渦流傳感器與檢驗(yàn)芯棒之間產(chǎn)生的相對(duì)位移會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響到回轉(zhuǎn)精度的檢測(cè)精度，但這可以通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件加以消除。

2.4 軸承溫度測(cè)量

電主軸單元中前端軸承為4列組合小滾珠角接觸陶瓷球軸承，檢測(cè)溫度時(shí)由于結(jié)構(gòu)關(guān)系，接近主軸錐孔的第一個(gè)軸承無(wú)法放置熱電偶，只有測(cè)量其余的3個(gè)軸承，見(jiàn)圖10a所示。熱電偶測(cè)量端直抵前、后軸承外圈進(jìn)行溫度測(cè)量，能夠直接測(cè)得軸承的溫度變化。前后軸承都有冷卻水通過(guò)，因此在安裝熱電偶時(shí)要做好密封工作，防止冷卻水進(jìn)入到軸承中去。在設(shè)定的轉(zhuǎn)速下，主軸工作一段時(shí)間待溫度穩(wěn)定后完成測(cè)量。熱電偶的分辨率為0.1 ℃。圖10為熱電偶測(cè)量前后軸承溫度示意圖。圖11、12為前后軸承溫度隨主軸轉(zhuǎn)速

增加變化圖。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)HMC80臥式加工中心電主軸單元回轉(zhuǎn)精度、軸承溫度及主軸振動(dòng)的檢測(cè)，為同類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造和理論研究提供了一定的數(shù)據(jù)支持。同時(shí)也為電主軸的油氣潤(rùn)滑和循環(huán)冷卻的優(yōu)化配比提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)，使制造廠家能夠更高效地進(jìn)行安裝調(diào)試，提高電主軸單元的設(shè)計(jì)質(zhì)量和運(yùn)行質(zhì)量。

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