機床性能離散檢測方法研究

初辰陽， 楊慶東

（北京信息科技大學(xué)機電工程學(xué)院，北京100192）

0 引 言

在機床性能測試及研究優(yōu)化方面，國外很早就進行了研究工作，并產(chǎn)生了許多研究成果[1-2]。2004年，張濟生等[3]研究人員就提出加強機床新產(chǎn)品的性能測試分析工作是提高國內(nèi)機床競爭力的重要措施。例如重慶機床廠、寧江機床等機床制造廠商開始重視，根據(jù)需要進行重要檢測實驗和全面性能檢測[4-5]。

目前，在國家投入重點實驗室、科技專項、863項目等多種項目的基礎(chǔ)上，諸多高校、企業(yè)和學(xué)者對機床的檢測評價方法進行了大量的研究。白向娟等[6]提出多參數(shù)集成化的檢測方法，進行主軸綜合檢測；王志偉[7]通過切削實驗方法檢測考核機床負載能力、動態(tài)性能、切削精度等。王揚等[8]利用模糊元理論，分析建立了數(shù)控裝備綜合評價模型；孫惠娟等[9]提出以檢測為基礎(chǔ)，建立誤差模型的機床性能綜合評價方法；劉世豪[10]提取出性能指標，通過分析并應(yīng)用層次分析法對權(quán)重系數(shù)進行分析計算，建立評價指標體系并進行實驗驗證。

綜合檢測及評價機床性能，與其設(shè)計預(yù)期指標對比，找到薄弱環(huán)節(jié)，進行改進完善，提升機床性能質(zhì)量，對其性能進行綜合檢測和評價是必要和基礎(chǔ)性工作[1]。“工業(yè)4.0”提出的離散增強型系統(tǒng)更可應(yīng)用于檢測方面，從而提高機床性能的檢測效率。

本文采用離散測試的方法對機床的性能進行檢測，通過ANSYS Workbench對磨床進行剛度分析和熱分析，并根據(jù)分析結(jié)果進行離散測試實驗點的選擇，并進行機床性能測試驗證，為機床性能測試提供了借鑒。

1 機床性能主要影響參數(shù)檢測方法

1.1 剛度檢測方法

機床剛度是其設(shè)計和性能評價的重要指標之一，數(shù)控機床自身靜剛度的不足會導(dǎo)致加工過程中的變形及相對位置變化，使實際加工的位置與理論加工位置在方向和位置上不一致，產(chǎn)生誤差，嚴重影響其精度及加工效率等。

對于機床靜剛度的檢測通常采用單向測定法或三向測定法，單向測定法中力的加載和位移的測量在某一特定方向，模擬加工時產(chǎn)生決定性作用的載荷。三向測定法則被較多的采用，主要針對X、Y、Z三個方向，測量機床主軸與工作臺的相對變形量（即位移），同時記錄載荷的大小或加載力的大小，根據(jù)公式計算其靜剛度。圖1為機床整機靜剛度單向（X向、Y向及Z向）測量示意圖，測試過程中主要用力加載器以及位移傳感器等。

圖1 機床整機靜剛度測量示意圖

進行測量時，需逐漸增大載荷的大小，達到最大載荷時停止，同時，通過力傳感器采集載荷大小，通過相應(yīng)的位移傳感器采集其位移變化量，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進行記錄，完成后慢慢卸載?？梢源朔椒ǚ磸?fù)試驗多次取其平均，使檢測結(jié)果更為客觀準確。檢測過程中需完整記錄載荷改變過程及其對應(yīng)的位移變化量，通過測得的各項力與位移數(shù)據(jù)繪制出機床整機靜剛度特性曲線。

1.2 熱特性檢測方法

研究表明，精密加工時熱變形引起的誤差可達到總誤差的40%～70%，同時溫度變化可能改變各系統(tǒng)的配合間隙，降低機床的精度保持性和可靠性，嚴重影響機床性能。

當前對數(shù)控機床溫度特性的測量主要應(yīng)用到各種溫度傳感器和位移傳感器，其中溫度傳感器主要分為接觸式和非接觸式。接觸式溫度傳感器檢測部件與被測點之間接觸良好，通過熱傳導(dǎo)、熱對流等方式達到平衡點，感知被測點的溫度；非接觸式傳感器中檢測部件與被測點不進行接觸，利用輻射測溫法測量其溫度。溫度傳感器的選擇應(yīng)充分考慮實際情況，通常機床正常工作時溫度是逐漸變化的過程，傳感器的分辨率和靈敏度應(yīng)足夠好。

機床熱量主要由不同部分的接觸摩擦產(chǎn)生，即熱源，例如主軸、軸承、絲杠等，在檢測過程中應(yīng)盡量使傳感器接近熱源位置，同時保證傳感器之間不會產(chǎn)生相互干擾，確保檢測結(jié)果的準確性。

主軸溫度特性可采用五點測量法[11]，將標準芯棒安裝在主軸上，降低其自身精度的誤差影響，分別在X向和Y向沿其徑向安裝兩個相對的位移傳感器，在其軸向安裝一個傳感器，以此測得主軸溫度下的變形量更準確。其原理如圖2所示。

圖2 五點法原理圖

2 機床質(zhì)量評價體系

數(shù)控機床的便攜式性能離散檢測，利用參數(shù)評價法，將評價指標分解，檢測機床性能的主要影響參數(shù)。需要通過多種多個傳感器對力、位移、溫度、電流等信號進行采集，例如分別檢測機床X、Y、Z軸的負載及變形量，檢測各主要部件的溫度變化及變形量，獲得剛度和溫度的特性曲線，同時結(jié)合機床基本信息及性能評價需要的其他信息，離散檢測、收集發(fā)送至云服務(wù)器，運用云計算、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)手段進行檢測信息的計算、分解、特征提取等，進行機床性能綜合評價，以達到離散增強的目的，并將結(jié)果生成報告，通過網(wǎng)頁直觀具體地呈現(xiàn)?？傮w設(shè)計如圖3所示。

圖3 機床質(zhì)量評價體系

在數(shù)據(jù)傳輸中，對于單臺機床檢測可使用串口通信等有線方式，也可搭載近距離無線模塊，使用方便；對于多臺機床的檢測布線復(fù)雜，更適合通過無線方式進行信息交互，多臺檢測設(shè)備數(shù)據(jù)可由一個終端接收。由于多數(shù)應(yīng)用環(huán)境地理位置較偏僻，網(wǎng)絡(luò)信號差，故可用ZigBee和GPRS結(jié)合的兩級數(shù)據(jù)傳輸模式，搭建無線模塊，完成檢測設(shè)備與云服務(wù)器的信息交互。

經(jīng)過對多種拓撲結(jié)構(gòu)的分析，星型、樹型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)更適用于用戶級的單機檢測模式，對于工廠級和車間級等多機檢測模式則可采用星型、樹型和分級式或使用其幾種模式組合的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。用戶級由中心節(jié)點匯聚各底層傳感器的信息，簡單的信息處理后傳輸?shù)缴衔粰C或云服務(wù)器。工廠級和車間級的檢測中則需要對多臺機床進行檢測，此時工廠和車間中可以假設(shè)多級、多個中心節(jié)點，通過車間節(jié)點、工廠節(jié)點等逐級向上傳遞，最終傳輸?shù)缴衔粰C或云服務(wù)器中。拓撲模型如圖4所示。

圖4 拓撲模型示意圖

3 機床檢測點的選取

通過ANSYS Workbech軟件對機床的剛度和熱特性的分析，磨床、銑床、車床、加工中心的剛度和溫度特性結(jié)果如圖5所示。

從多類機床剛度分析變形云圖可看出，整機在受到切削力的作用下最大變形量的位置位于主軸部分，可見主軸部分是整機剛度的薄弱環(huán)節(jié)，可以通過增大主軸的剛度來提升整機的剛度。因此，整機剛度檢測時應(yīng)主要檢測主軸剛度，將傳感器布置于主軸上測試其X、Y、Z等方向的剛度曲線。

圖5 剛度溫度仿真結(jié)果圖

從各類機床溫度分布圖中可以看出，經(jīng)過熱特性分析，機床溫升較高的地方主要有：刀具、各軸電動機、主軸帶輪、工件、內(nèi)外軸止推端附近、各軸絲杠支撐軸承附近、滾珠絲杠螺母附近等。其中，主軸處溫升最高，其次為電動機，發(fā)熱較嚴重，主軸內(nèi)軸外表面及止推端附近、絲杠支撐軸承靠近電動機、絲杠螺母附近溫升也較高，可見主軸、軸承、絲杠等位置是熱特性的薄弱環(huán)節(jié)，通過測試這些點的熱特性可以更好地反映出整機的熱特性。因此應(yīng)將傳感器主要布置于主軸和絲杠。

4 剛度溫度性能檢測實驗

4.1 檢測設(shè)備簡介

機床性能測試系統(tǒng)（MPTSV1.0）是一款對于機床的溫度、受力情況、受力之后產(chǎn)生的位移、剛度及熱變形進行數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)檢測的綜合性系統(tǒng)采集軟件，便于攜帶和使用，可用于機床性能的檢測。

圖6為機床性能測試系統(tǒng)箱體零件圖，該箱體包括數(shù)據(jù)采集卡、線性電源、力放大器、溫度變送器及位移前置器。在力放大器、位移前置器、溫度變送器的一頭分別接上各自的傳感器，另一頭分別接上數(shù)據(jù)采集卡的引腳通道，通過一定的連線方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集?？蓪C床進行位移、溫度、力的檢測，并通過軟件分析機床的剛度及溫升熱變形檢測。

4.2 檢測試驗傳感器布置

利用機床性能測試系統(tǒng)，對前文分析的臥式加工中心進行了機床剛度溫度的性能測試。傳感器布置如圖7、圖8所示。

圖6 檢測箱內(nèi)部零件圖

如圖7、圖8所示，整機剛度檢測時應(yīng)主要檢測主軸剛度，將傳感器布置于主軸上測試其X、Y、Z等方向的剛度曲線。對于熱特性測試，機床溫升較高的地方主要有：刀具、各軸電動機、主軸帶輪、工件、內(nèi)外軸止推端附近、各軸絲杠支撐軸承附近、滾珠絲杠螺母附近等，因此應(yīng)當將傳感器布置在主軸和絲杠支撐軸承附近、滾珠絲杠螺母位置。

圖7 剛度測試傳感器布置方案

圖8 熱特性測試傳感器布置

4.3 檢測結(jié)果分析

由圖9可知，臥式加工中心的剛度曲線近似直線，說明臥式加工中心在受力的情況下剛度變化較小，線性度較好。通過溫度特性曲線可知主軸處溫升最高，絲杠螺母附近溫升也較高，溫度測試結(jié)果與有限元分析結(jié)果相同。

5 結(jié) 論

本文詳述了數(shù)控機床剛度和溫度特性檢測方法，提出機床性能的參數(shù)化離散增強檢測、無線通信的搭建方法，以及用戶級、車間級、工廠級的拓撲模型，通過ANSYS Workbench對磨床進行剛度分析和熱分析，并根據(jù)分析結(jié)果進行離散測試實驗點的選擇，通過機床性能測試系統(tǒng)（MPTSV1.0）進行了臥式加工中心的剛度溫度實驗，實驗驗證了測試結(jié)果的準確性，為機床性能測試提供了借鑒。

圖9 機床剛度熱特性測試結(jié)果