高速、精密數(shù)控機床可靠性設(shè)計與性能試驗技術(shù)

孟令威　卜瑋晶

摘要：文章分析了數(shù)控機床關(guān)鍵功能部件的可靠性試驗系統(tǒng)，包括機床主軸、數(shù)控動力伺服刀架、數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架、鏈式刀庫和盤式刀庫的可靠性試驗系統(tǒng)，是目前數(shù)控機床可靠性試驗關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的一項創(chuàng)新，并已開始推廣與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高速/精密；數(shù)控機床；可靠性設(shè)計；性能試驗

1.問題提出

提高國產(chǎn)數(shù)控機床可靠性的關(guān)鍵在于提高國產(chǎn)關(guān)鍵功能部件的可靠性，而開展可靠性試驗是提高產(chǎn)品可靠性的主要技術(shù)途徑。現(xiàn)階段對國內(nèi)數(shù)控機床及其功能部件進行的可靠性試驗，主要依靠在機床用戶企業(yè)對生產(chǎn)過程進行現(xiàn)場跟蹤來實現(xiàn)，試驗條件不可控，試驗周期長，不能滿足產(chǎn)品開發(fā)進度要求，而且需要付出高昂的時間和人力成本。

進行關(guān)鍵功能部件的可靠性實驗室加速試驗，是提高可靠性試驗效率的主要技術(shù)手段。實驗室可靠性試驗須遵循2個原則：一是不能改變故障模式，二是不能改變故障機理。因此，可靠性試驗系統(tǒng)必須具有工況模擬能力，包括載荷的維數(shù)、大小、種類、頻率和速度等，以使可靠性試驗?zāi)軌蚣ぐl(fā)出關(guān)鍵功能部件真實工作時的潛在故障，保證試驗結(jié)果的真實可靠。本文結(jié)合數(shù)控機床可靠性及關(guān)鍵部位可靠性試驗技術(shù)方面的研究成果，對數(shù)控機床關(guān)鍵功能部件的可靠性試驗系統(tǒng)進行分析。

2.本研究的創(chuàng)新性

數(shù)控機床關(guān)鍵功能部件可靠性試驗系統(tǒng)的研制，關(guān)鍵在于準確把握功能部件實際工作狀況下的載荷特性，實現(xiàn)對復雜載荷的模擬。以機床主軸為例，包括車床主軸和銑床或加工中心主軸晗電主軸），在切削加工工作中會受到三向切削力和切削扭矩的作用，同時，切削力中還有較大的動態(tài)切削力分量，而且動態(tài)分量對可靠性的影響甚至會大于穩(wěn)態(tài)切削力分量的影響。為此，機床主軸的可靠性試驗系統(tǒng)必須能夠?qū)χ鬏S進行多自由度的靜動態(tài)切削力模擬和切削扭矩模擬。其次，機床主軸具有較高的轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)精度，扭矩加載裝置也需要達到相應(yīng)的要求。吉林大學經(jīng)反復調(diào)研論證、計算機仿真、多種樣機的試制和比較試驗，歷時2年，研發(fā)出了采用電液伺服技術(shù)的多自由度動態(tài)切削力加載裝置和采用測功機的切削扭矩加載裝置，并以此為核心部件構(gòu)建了機床主軸的可靠性試驗系統(tǒng)。系統(tǒng)的切削力維數(shù)、動靜態(tài)力和頻率、主軸的轉(zhuǎn)速和扭矩等均可通過系統(tǒng)的主控計算機進行控制，系統(tǒng)的加載范圍可通過以上2類加載裝置中動力元件的選配來滿足要求。

3.數(shù)控機床可靠性試驗系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)

3.1主軸

機床主軸主要由轉(zhuǎn)子、軸承、齒輪、主軸外殼、冷卻裝置和驅(qū)動電動機構(gòu)成，其中，軸承具有支承和定位作用，齒輪具有傳動作用，冷卻裝置具有降溫作用。機床主軸可靠性試驗，需要對徑向力、軸向力和轉(zhuǎn)矩進行加載，同時測量機床主軸的各項性能參數(shù)的變化，如精度、振動、噪聲和溫度等，最后對各項性能參數(shù)的變化進行可靠性分析。數(shù)控機床主軸可靠性試驗系統(tǒng)如圖1所示。

主軸的可靠性試驗系統(tǒng)采用的是電液伺服加載裝置對主軸進行動、靜態(tài)切削力加載，并安裝動態(tài)拉、壓力傳感器，用于測量動態(tài)加載力大小和波形變化。采用發(fā)電測功機進行扭矩加載，并安裝扭矩傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，測量電主軸的加載扭矩和轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)加載的實時監(jiān)控和閉環(huán)控制。機床主軸1連接加載棒2，加載棒通過聯(lián)軸器4連接轉(zhuǎn)矩加載裝置5，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩加載；徑向加載裝置7和加載塊3接觸，實現(xiàn)徑向加載；軸向加載裝置6和加載塊3接觸，實現(xiàn)軸向加載；控制系統(tǒng)控制加載裝置和機床主軸的輸入量；傳感器采集機床主軸的各項性能參數(shù)的變化；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集傳感器和加載裝置的輸出量；利用采集到的數(shù)據(jù)對機床主軸的可靠性進行分析。

3.2數(shù)控動力伺服刀架

動力伺服刀架是數(shù)控車床、車削中心、車銑復合等數(shù)控機床實現(xiàn)刀具儲備、自動換刀、夾刀切削的主要功能部件。動力伺服刀架具有結(jié)構(gòu)緊湊、定位精度高、轉(zhuǎn)位快、剛性好以及能夠?qū)崿F(xiàn)鉆削和銑削等特點，一次裝夾能夠?qū)崿F(xiàn)多個工步的加工，既可以保證精度，又能極大地提高加工精度和加工效率。

數(shù)控動力伺服刀架的可靠性試驗系統(tǒng)采用電液伺服加載裝置對刀架的模擬刀桿進行動、靜態(tài)切削力加載，并安裝動態(tài)拉、壓力傳感器，用于測量動態(tài)加載力大小和波形變化。利用測功機對被測動力頭進行扭矩加載，安裝扭矩傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，實時監(jiān)測加載數(shù)據(jù)。

3.3數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架

轉(zhuǎn)塔刀架是數(shù)控車床的關(guān)鍵功能部件，其可靠性水平直接影響到整機的可靠性水平。數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架一般由驅(qū)動裝置、精定位裝置、松開和鎖緊裝置、裝刀裝置、預定位裝置、機械傳動機構(gòu)、檢測裝置等組成。數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架與數(shù)控動力伺服刀架的區(qū)別在于刀架沒有動力軸，故本試驗系統(tǒng)不需要扭矩加載裝置，其他與數(shù)控動力伺服刀架的可靠性試驗系統(tǒng)類似。

數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的可靠性試驗系統(tǒng)包括試驗臺架設(shè)計、電液伺服加載系統(tǒng)、下層控制系統(tǒng)和上位機監(jiān)控系統(tǒng)4部分。試驗臺架能夠?qū)Ω鞣N型號的刀架進行安裝和固定，由于要進行動態(tài)加載試驗，試驗臺對剛度要求較高，而且機構(gòu)之間可以相對調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)對刀架的多角度加載；電液伺服加載系統(tǒng)采用電液伺服閥控制液壓油缸提供動態(tài)加載力，可靠性高，控制性能好，頻率響應(yīng)好，并能夠有效地吸收振動沖擊，針對不同的刀架型號還可以充分利用活塞桿的行程，調(diào)節(jié)加載距離；下層PLC控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)主要是要做到經(jīng)濟合理與安全可靠；上位機監(jiān)控系統(tǒng)中上位機監(jiān)控軟件選用visua]Basic，支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)訛功能十分強大。

3.4鏈式刀庫

鏈式刀庫可靠性試驗系統(tǒng)作為數(shù)控機床關(guān)鍵功能部件—刀庫的加速試驗載體，應(yīng)滿足穩(wěn)定、可靠的運行要求。鏈式刀庫可靠性試驗系統(tǒng)如圖2所示。

（1）地坪鐵。支撐除電控柜外的整個試驗系統(tǒng)，由2塊1.2*1.7m2單元構(gòu)成，整體尺寸2.4*1.7m2，平臺表面精度級。安裝時需在地面鉆孔，用固體粘結(jié)劑固定，下面用契形墊鐵支撐且可調(diào)整高度，安裝完成后需用水平儀找平，保證平臺表面完全光潔水平。（2）刀庫支架。支撐鏈式刀庫，由2根方鋼支撐柱、槽鋼底座、角鐵肋板、扁鋼加強板等焊接而成。刀庫安裝后成外伸梁結(jié)構(gòu)，支架經(jīng)應(yīng)力分析后剛度、強度可完全保證試驗要求。（3）控制柜。安裝電氣系統(tǒng)和工控機，控制柜由不銹鋼薄板制成，分電氣柜和工控柜，2部分。電氣元器件安裝在一塊鋼板上，之后固定在電氣柜里；工控機放置在工控柜里，之間留有足夠的安全距離，以保證強電流電磁干擾不會影響工控機正常運行。（4）鏈式刀庫。安裝在刀庫支架上，與機械主軸構(gòu)成換刀系統(tǒng)。（5）打刀氣缸。實現(xiàn)主軸松刀、拉刀功能。從氣缸的油杯處可加入機油潤滑，可防止長期劇烈摩擦損壞氣缸，并采用回位進氣對接方式，可使使用者減少接頭的裝配成本。（6）機械主軸。與鏈式刀庫配合實現(xiàn)自動換刀功能，安裝在主軸架上，與鏈式刀庫構(gòu)成換刀系統(tǒng)。（7）主軸架。支撐機械主軸與打刀氣缸。

本試驗系統(tǒng)需滿足以下功能：一是被試件可代表類似鏈式刀庫，與機械主軸、打刀機構(gòu)、主軸架、刀庫支架、地坪鐵、電控柜組成可靠性試驗系統(tǒng)，模擬實際工況，并保證良好運行；二是下位機控制刀庫可以完成“刀盤選刀—刀套倒刀機械手扣刀主軸松刀換刀機械手插刀主軸拉刀機械手回原點—刀套回刀”整套自動換刀功能，上位機控制下位機實現(xiàn)隨機換刀和手動換刀2項功能，并連接數(shù)據(jù)庫使試驗臺具備記錄、查詢換刀次數(shù)、換刀時間和刀庫故障等試驗數(shù)據(jù)的能力；三是建立的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可以對機械手換刀時的振動狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并將X，Y，Z三向振動信號反饋給上位機監(jiān)測界面，供后期分析信號曲線的時頻特性，提取卡刀、掉刀等故障的特征指標。

3.5盤式刀庫的可靠性試驗系統(tǒng)

盤式刀庫結(jié)構(gòu)簡單，成本相對較低換刀可靠性較高，換刀時間短，多應(yīng)用于小型立式加工中心，刀庫容量為15～40把刀具，需搭配自動換刀機構(gòu)進行刀具交換，應(yīng)用最為廣泛。盤式刀庫的可靠性試驗系統(tǒng)包括機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測試系統(tǒng)3個部分。盤式刀庫的可靠性試驗系統(tǒng)能夠根據(jù)試驗需要，控制刀盤的旋轉(zhuǎn)、機械手拔刀、轉(zhuǎn)位和插刀等動作。監(jiān)控系統(tǒng)自動控制刀庫的運行，對刀庫工作狀態(tài)進行監(jiān)測和報警。

4.結(jié)語

綜上所述，文章在對高速/精密數(shù)控機床可靠性設(shè)計與性能試驗技術(shù)的研究中，通過對研究創(chuàng)新點的分析，主要研究了機床主軸、數(shù)控動力伺服刀架、數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架、鏈式刀庫和盤式刀庫的可靠性試驗系統(tǒng)，以期為同仁提供參考。