數(shù)控轉臺工況模擬試驗臺設計及實現(xiàn)*

陳云杰，陳 捷，楊 春

（南京工業(yè)大學機械與動力工程學院，南京 210009）

數(shù)控轉臺工況模擬試驗臺設計及實現(xiàn)*

陳云杰，陳 捷，楊 春

（南京工業(yè)大學機械與動力工程學院，南京 210009）

為了滿足數(shù)控轉臺出廠前各項性能的檢測，通過分析數(shù)控轉臺的性能需求，設計出數(shù)控轉臺工況模擬試驗臺。數(shù)控轉臺工況模擬試驗臺利用三個方向的液壓油缸實現(xiàn)靜態(tài)力的模擬加載；利用采集到的載荷譜輸入進激振器，實現(xiàn)動態(tài)力的模擬加載。數(shù)控轉臺工況模擬試驗臺能模擬各種工況下的機床加工。有助于對數(shù)控轉臺的各項性能進行在線檢測，并能降低試驗成本、提高生產效率。該試驗臺經過實際使用，系統(tǒng)運行可靠，達到了設計要求。

數(shù)控轉臺；工況模擬；試驗臺

0 引言

數(shù)控轉臺是高檔數(shù)控機床的重要功能部件，約占機床總價的1/4～1/3。數(shù)控轉臺為數(shù)控機床提供回轉坐標，實現(xiàn)復雜曲面的加工。在2012年科技重大專項“項目四-關鍵部件”之課題59“數(shù)控轉臺產業(yè)化關鍵技術開發(fā)與應用”中，明確提出研究產品靜動態(tài)性能測試和試驗技術裝置，突破關鍵零件加工瓶頸，確保產品批量生產的質量穩(wěn)定性，滿足主機配套要求，從而進行有關分析、計算和研究，同時開展相關技術攻關，實現(xiàn)數(shù)控轉臺的產業(yè)化［1］。

轉臺試驗臺出廠之前必須對其各項性能進行多次檢測。傳統(tǒng)的檢測方法都是單一的檢測，運用專業(yè)儀器，人工操作記錄數(shù)據(jù)。這種檢測方法需要耗費大量的人力物力且效率低下。而且，目前國內還沒有關于數(shù)控轉臺檢測的國家標準。各個廠家的標準不同，這對國產數(shù)控轉臺的質量的評價帶來困難。此前，于春健等人對數(shù)控轉臺的精度、振動特性、測試設備等進行了深入的研究，但對數(shù)控轉臺在線檢測設備的研究還不夠全面［2-6］。楊春的專利中已經對轉臺工況模擬試驗臺進行初步介紹［7］。

本文所設計的數(shù)控轉臺工況模擬試驗臺系統(tǒng)，將模擬轉臺加工的工況，在近似實際工況下進行轉臺的各項性能檢測，實現(xiàn)轉臺性能在線檢測，同時節(jié)約了生產成本，提高了生產效率。

1 轉臺試驗臺試驗要求

評價數(shù)控轉臺的主要指標有：重復定位精度、承載剛度、可靠性等。但數(shù)控轉臺的型式試驗和出廠試驗標準在我國尚為空白。通過研究國外相關標準和國內一些大重型旋轉機械的出廠標準［8-11］以及結合吳明明提出的數(shù)控轉臺試驗要求，對本試驗臺提出以下試驗要求，具體要求如下。

（1）重復定位試驗：轉臺臺面內每30°選擇一個目標點作為測量基準點，轉臺按數(shù)控系統(tǒng)設置的方向和角度轉動，測出實際轉動角度和指定角度之差即為定位精度，轉臺按一定角度正反重復轉動5次，測出停止位和基準點的差值得到重復定位精度。

（2）空運轉試驗：在極限轉速下，其運轉試驗時間≥10min，數(shù)控轉臺運轉應正常、可靠，不應有振動、尖叫、工作失常等現(xiàn)象（僅限于產品型試驗）；在空轉運行試驗時，對數(shù)控轉臺進行正反向運轉、停止、鎖緊、松開等動作，運轉應不少于10次循環(huán)，其動作應靈活、可靠。

（3）靜載試驗：保持轉臺靜止，分別讓液壓缸按轉臺額定載荷的20%，40%，60%，80%，100%分別加載30min，檢測轉臺靜態(tài)承載能力及剛度。

（4）承載運轉試驗：給轉臺加載最大承載的25%，50%，75%，100%，分別高速和低速運轉，低速運轉不得少于一圈，檢測轉臺的動態(tài)承載能力及剛度。

（5）模擬實際工況實驗：調用采集到的載荷譜，使激振器模擬動態(tài)載荷，并施加X、Y、Z三個方向的作用力，模擬靜態(tài)加載，達到模擬實際工況的效果。測試相關的參數(shù)。

（6）制動力矩試驗：在數(shù)控轉臺臺面上施加切向力矩，觀察臺面轉動的位移量。

（7）振動噪聲試驗：轉臺在空載和最大承載重量25%的輕載條件下中速連續(xù)運行60min，且在空運轉條件下，轉臺運轉的噪聲聲壓級應不大于75dB（A）。

（8）溫升試驗：分別在最大承載的50%和100%的情況下，運轉90min和30min，檢測轉臺臺面、液壓油、支架的溫度，判斷溫度是否異常，且渦輪蝸桿副嚙合處溫度不能高于75℃。

（9）跑合試驗：轉臺按50%的占空比，中速連續(xù)空轉100h，觀察轉臺運行狀況，考核轉臺的穩(wěn)定性。

轉臺多次受載試驗后，測量轉臺定位精度和重復定位精度的值并和出廠初始值比較，以此來評價轉臺的可靠性和精度保持性。

2 試驗臺控制系統(tǒng)的總體方案設計

2.1 轉臺試驗臺功能分析

數(shù)控轉臺在實際運轉過程中的受力主要分為兩類，一類為靜載荷，另一類為動載荷。其中靜載荷由轉臺上的工裝夾具及工件質量引起的軸向力和傾覆力矩；而動載荷，由切削力產生，可分解為軸向、周向、徑向載荷及傾覆力矩。切削力為交變載荷，是影響機床加工精度和切削效率的關鍵因素［12］。

為了模擬數(shù)控加工過程中銑、鎖、鉆、磨等工況，試驗臺要能產生在數(shù)控轉臺的各個方向加載不同載荷的靜、動態(tài)力及使轉臺產生轉動，并進行測試數(shù)控轉臺的承載性能、承載剛度和精度保持性、動態(tài)性能、可靠性等。

2.2 轉臺試驗臺的組成及結構

轉臺試驗臺由電氣測控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、激振系統(tǒng)、測試系統(tǒng)以及輔助機械結構組成。具體的總體方案如圖1所示。

圖1 試驗臺總體組成方案

電氣測控系統(tǒng)以工控機IPC為核心，控制系統(tǒng)采用西門子公司的S7-300，測試系統(tǒng)采用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡。S7-300作為下位機負責數(shù)字量、模擬量的控制，NI數(shù)據(jù)采集板卡負責模擬量的采集。圖2為試驗臺電氣測控系統(tǒng)的總體結構。

圖2 試驗臺測控系統(tǒng)總體結構

液壓系統(tǒng)由三組電機、變量泵、加載油缸組成，分別實現(xiàn)對轉臺的軸向、周向和徑向的加載，產生靜態(tài)力。三個方向油路的原理一樣，以其中周向為例。系統(tǒng)模擬加載時，電磁換向閥切換到左位實現(xiàn)力的加載，當切換到右位時，實現(xiàn)系統(tǒng)的卸荷，使得油缸活塞返回到原位，油路中的比例減壓閥用于實驗過程中軸向力載荷大小的調節(jié)，而蓄能器在加載過程中起到保壓的作用。圖3為液壓系統(tǒng)原理圖。

圖3 液壓系統(tǒng)原理

機械輔助結構主要是用H型鋼材制作的液壓油缸安裝支架以及液壓缸模擬加載時用的輔助零部件。

3 轉臺試驗臺工況模擬系統(tǒng)的實現(xiàn)

數(shù)控轉臺工況模擬系統(tǒng)主要借鑒了車輛領域的道路模擬試驗臺的工作原理。道路模擬試驗臺系統(tǒng)中選擇具有代表性的路況，在道路模擬試驗時的迭代控制和確保試件關鍵點損傷與道路保持一致，合理的確定數(shù)據(jù)采集點的位置，采集到道路譜進行時頻域分析，并對加速度信號進行頻域分析，對比分析信號，無異常，則載荷譜采集及預處理完成后，對載荷譜壓縮、外推和疊加處理。原始的載荷譜信息采集后，利用萊茵達準則剔除異值，使用最小二乘法消除趨勢項，并進行信號的平穩(wěn)性檢查，最后進行傅里葉低通濾波處理，所得的載荷譜可用作模擬加載的信號源［13-15］。

數(shù)控轉臺工況模擬系統(tǒng)的實現(xiàn)的關鍵是加載載荷譜的選擇。載荷譜，是指模擬實際工況加載時選擇的加載信號源，可以是數(shù)控轉臺的靜態(tài)承載力，或是依托實際切削、磨削等工況下傳感器所采集到的切削力的數(shù)據(jù)。采用信號處理方法，獲得載荷數(shù)據(jù)（頻率、幅值），編輯成載荷譜，實現(xiàn)動態(tài)載荷的加載。

3.1 靜態(tài)加載的實現(xiàn)

靜態(tài)加載是由液壓系統(tǒng)來完成的，系統(tǒng)根據(jù)被測數(shù)控轉臺的承載范圍，輸出數(shù)控轉臺所需承受的力，有效規(guī)避質量塊準備及頻繁起吊，可以降低成本，提高效率，依據(jù)轉臺實際承載選取載荷譜，計算機將對應的載荷信息下發(fā)到控制器，控制液壓電磁閥的動作，輸出滿足要求的力值，并采集加載力值，反饋給控制器，構成閉環(huán)控制。圖4為靜態(tài)模擬加載的原理圖。

圖4 靜態(tài)模擬加載系統(tǒng)工作原理

靜態(tài)加載的關鍵零部件如圖5所示，這些零部件將構成靜態(tài)模擬加載系統(tǒng)的動力源及執(zhí)行機構。

圖5 靜載模擬加載系統(tǒng)零部件

靜態(tài)加載的上位機軟件采用NI公司的LabVIEW進行G語言編程，以結構化和模塊化的思想進行設計，包括實驗參數(shù)及控制模塊、過程數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)管理模塊、報表生成模塊（如用戶管理、曲線打印等），本系統(tǒng)的界面如圖6所示。

圖6 靜載自動模擬加載上位機界面

3.2 動態(tài)加載的實現(xiàn)

交變載荷對數(shù)控轉臺的性能參數(shù)指標的影響更大。數(shù)控轉臺制造商，并不配有鎖床、銑床、鉆床、磨床，即使有，也無法實現(xiàn)對每個數(shù)控轉臺進行切削檢測。而利用動態(tài)模擬加載系統(tǒng)檢測數(shù)控轉臺的關鍵性能參數(shù)并不需要耗費太多的試驗成本。動態(tài)加載系統(tǒng)的工作原理是利用先進的信號采集系統(tǒng)將數(shù)控轉臺實際所承受的交變力采集、保存、處理，提取典型特征值，最終形成動態(tài)加載的載荷譜。上位機按照試驗要求，選擇載荷譜，并下發(fā)到激振器系統(tǒng)，系統(tǒng)產生相應的載荷（頻率和幅值），圖7為動態(tài)載荷加載系統(tǒng)的工作原理。

圖7 動態(tài)載荷模擬加載系統(tǒng)原理圖

3.2.1 載荷譜的選擇

本文以銑齒機為例，選取強力銑齒機加工齒輪時所產生的切削力作為典型力進行分析，采用瑞士Kistler 9255B系列多分量測力系統(tǒng)，測量三個垂直方向的力，即Fx、Fy、Fz。這套系統(tǒng)具有結構小巧、靈敏度高、接近自然頻率、溫度誤差小等優(yōu)點。圖8為測量銑齒切削力的場景。

圖8 9255B切削力測量系統(tǒng)測量強力銑削力

將采集到的信號做如下處理，處理流程如圖9所示。

分析所測信號發(fā)現(xiàn)，強力銑削力信號是一組隨機非平穩(wěn)信號，進行成形銑齒加工時，信號的頻率成分比較豐富，所以利用小波分層閾值消噪法對信號進行降噪［16］。再利用小波重構對消噪處理過的細節(jié)系數(shù)和近似系數(shù)進行信號重構。再提取出最優(yōu)小波分解樹的終端節(jié)點，將終端節(jié)點能量占總能量比值較大的節(jié)點系數(shù)保留，其余節(jié)點系數(shù)置零，利用write函數(shù)重構小波分解樹，并在matlab中利用wprec函數(shù)進行信號的重構。重構完的信號任然存在毛刺，再利用五點三次平滑去噪法平滑處理［17］。處理完的信號相比原始信號，許多干擾信號得以過濾。再利用鏡像延拓法對信號進行鏡像延拓處理。把所得信號經過經驗模態(tài)分解和經驗包絡求IF，得到最終的結果如圖10所示，從中可以看出，此段時間內，數(shù)控轉臺主要承受這幾個頻率分量力的作用。

圖9 實際信號處理流程圖

圖10 經驗包絡求取IMF1的瞬時頻率

3.2.2 激振器實現(xiàn)動態(tài)載荷的加載

動態(tài)力的產生由激振系統(tǒng)提供。為了復現(xiàn)機床加工過程中數(shù)控轉臺所承受的交變載荷，本系統(tǒng)利用激振器來模擬交變載荷加載。當上位機發(fā)出指令后，激振器的偏心電機轉速相應的發(fā)生變化。這里的上位機使用的是NI公司的LabVIEW，激振器控制器作為下位機，上下位機之間通過串口進行通信。上下位機利用RS232串口線成功通信之后，在上位機界面中可以寫入轉速命令值，激振器控制器將此控制信號轉化為對應的電流值，驅動偏心電機進行運動。圖11為激振系統(tǒng)結構圖。

圖11 激振系統(tǒng)結構圖

4 結論

本文以數(shù)控轉臺工況模擬試驗臺為對象，完成了試驗臺總體方案的設計、并通過采集銑齒加工過程中數(shù)控轉臺的載荷譜，進行靜動態(tài)力的模擬加載，通過實際的運行使用，證明本系統(tǒng)運行可靠，達到了預期的效果。

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（編輯 趙蓉）

Design and Im plement of NC Rotary Table Condition Simulation Test Bed

CHEN Yun-jie，CHEN Jie，YANG Chun
（School of Mechanical and Power Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 210009，China）

In order tomeet the various performance testof NC rotary table before delivery，through the analysis of the performance requirement of NC rotary table，designed the working condition of NC rotary table simulation test bench.Working condition of NC rotary table simulation experiment using three directions of the hydraulic oil cylinder to realize the load simulation of static force；Using the collected the load spectrum of input into the vibrator，load simulation of the dynamic force.Variousworking conditions ofmachine tool processing can be simulated by working condition of NC rotary table simulation testbed.It is help to on-line detection of various properties of NC rotary table，and reduce test cost，and improve production efficiency. Though actual use，this test bed results show that the system is reliable，has reached the design requirements.

NC rotary table；working condition simulation；test bench

TH122；TG65

A

1001-2265（2015）08-0032-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.08.008

2014-10-31

國家科技重大專項項目：高檔數(shù)控機床用數(shù)控轉臺產業(yè)化關鍵技術開發(fā)與應用（2012ZX04002-041）

陳云杰（1990-），男，江蘇泰州人，南京工業(yè)大學碩士研究生，研究方向為數(shù)控轉臺可靠性，（E-mail）njtechcyj@qq.com；通訊作者：陳捷（1971-），女，云南保山人，南京工業(yè)大學教授，研究方向動態(tài)測試，（E-mail）820967156@qq.com。