基于軸加速度加載的數(shù)控加工中心可靠性試驗

耿文劍 吳淇 李德爽

摘? ?要： 加速壽命試驗方案應(yīng)用在傳統(tǒng)數(shù)控加工中心可靠性試驗中，且需要利用專用設(shè)備，多數(shù)制造企業(yè)不具備試驗條件。提出一種基于軸加速度加載的可靠性試驗方法，設(shè)計了G代碼程序，利用直線軸和回轉(zhuǎn)軸（主軸）的加速度—時間圖、速度—時間圖兩者相結(jié)合的方式反映載荷加載情況。該試驗方法原理簡單、操作容易、試驗周期短，載荷等效情況好于傳統(tǒng)載荷加載方式。各軸加速度、速度、等效載荷等指標(biāo)通過評定，為相關(guān)制造企業(yè)自行開展數(shù)控加工中心可靠性驗證和評定工作提供了參考方法。

關(guān)鍵詞： 軸加速度;載荷;數(shù)控加工中心;可靠性試驗;主軸

中圖分類號：TG659? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 05-064-06

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.012

引言

加工設(shè)備可靠性是產(chǎn)品可靠性的保障[1]。近年來，隨著智能制造產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，數(shù)控加工中心的技術(shù)水平被擺在越來越突出的位置，數(shù)控加工中心可靠性成為評定數(shù)控設(shè)備性能、評價加工產(chǎn)品耐用程度的主要指標(biāo)之一[2]。

由于機床主軸復(fù)雜度較高、壽命周期較長，所以數(shù)控加工中心需要一種加速壽命試驗的可靠性方案。加速壽命試驗最早應(yīng)用于電子產(chǎn)品，而后應(yīng)用于機械產(chǎn)品，其一般對直線軸和主軸施加負載進行載荷試驗，在行業(yè)內(nèi)受到了普遍認可。

以往，加速壽命試驗的開展需要利用專用設(shè)備進行，多數(shù)制造企業(yè)不具備試驗條件。本文提出一種實現(xiàn)簡單、結(jié)果可信度較高的，基于軸加速度加載的試驗方法，給出了直線軸和回轉(zhuǎn)軸（主軸）的G代碼程序，以及相應(yīng)的加速度—時間圖和速度—時間圖，并在科德數(shù)控股份有限公司（以下簡稱“我公司”）自行研發(fā)生產(chǎn)的KMC800U數(shù)控加工中心中加以驗證，為相關(guān)企業(yè)自行開展數(shù)控加工中心可靠性驗證和評定工作提供指導(dǎo)。

1? 軸加速度加載試驗原理

數(shù)控加工中心可靠性試驗[3]一般指模擬現(xiàn)場試驗[4]和現(xiàn)場跟蹤統(tǒng)計試驗。如果數(shù)控加工中心的供應(yīng)商或客戶需要快速了解到機床的可靠性情況，則一般采取模擬現(xiàn)場試驗的方式進行快速試驗。

加載試驗是最能夠體現(xiàn)機床性能和可靠性指標(biāo)的試驗。加載試驗方法包括基于載荷譜的方法和基于工況譜的方法。在基于載荷譜的方法中，鑒于傳動系統(tǒng)實際工作時受到的載荷是變化的，因此相應(yīng)的扭矩和速度也是變化的，不同檔位的使用頻繁程度又導(dǎo)致各個檔位的使用時間也各不相同，這三者之間的對應(yīng)關(guān)系就是由載荷譜體現(xiàn)的。工況譜反映的是設(shè)備在特定工作狀況下各個參數(shù)之間的相互關(guān)系。

為考核機床各動作可靠性，對傳動系統(tǒng)（也就是各軸）反復(fù)施加0.75倍的軸向載荷，利用加載裝置施加負載和開展測試。而軸加速度加載試驗方法讓機床各傳動系統(tǒng)利用自身的慣量，通過最高加速度，使機床快速起停并往復(fù)運動，真實等效出施加載荷的效果。移動部件的質(zhì)量與加速度之積就是慣性力，轉(zhuǎn)動慣量與角加速度之積就是慣性力矩，等效于施加的負載。

2? 軸加速加載試驗方法

2.1? 直線軸加載方法

數(shù)控加工中心處于正常狀態(tài)，潤滑系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)均正常[5]。編寫G代碼程序如下：

N50 G01X0Y0Z0F2000

N60 G01X150F#100

N70 G04F1

N80 X-150

N90 G04F1

N100 G01Y150F#101

N110 G04F1

N120 Y-150

N130 G04F1

N140 G01Z250F#102

N150 G04F1

N160 Z500

N170 G04F1

每個直線軸連續(xù)進行“加速—勻速—減速—?！毖h(huán)，各軸順序執(zhí)行，加速度—時間圖如圖1所示。其中，加速建立時間t1不高于200 ms，加速時間為t1與t2之和，暫停時間t3不低于2 s;最大加速度、各軸最大運行速度達到機床設(shè)計要求。

2.2? 回轉(zhuǎn)軸加載方法

數(shù)控加工中心處于正常狀態(tài)，潤滑系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)均正常。編寫G代碼程序如下：

N180 S#103M03

N190 G04F2

N200 M05

N210 G04F1

N220 S#103M04

N230 G04F2

N240 M05

N250 G04F1

N260 L0

N270 M30

回轉(zhuǎn)軸連續(xù)進行“加速—勻速—減速—?！毖h(huán)，速度—時間圖如圖2所示。其中，加速建立時間t1不高于2 s，速度穩(wěn)定時間t2不低于2 s，暫停時間t3不低于2 s;最大運行速度達到機床設(shè)計要求。

3? 在數(shù)控加工中心中的驗證

選用我公司自行研發(fā)生產(chǎn)的KMC800U數(shù)控加工中心為試驗平臺。該數(shù)控加工中心是科德數(shù)控系列化立式加工中心最主要的一款機型，機床配置X/Y/Z/A/C五軸全閉環(huán)控制和自行研發(fā)生產(chǎn)的電主軸等，其主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

采用定時截尾的模擬現(xiàn)場試驗方式，試驗流程如圖3所示。其中，加載運行試驗的第1項和第2項方法為本文著重討論的方法。

3.1? 直線軸試驗結(jié)果

X軸加載參數(shù)：最大加速度 7 m/s2，運行速度 48 m/min。單次循環(huán)：加速時間為200 ms，暫停時間2 s，加速度—時間圖和速度—時間圖分別如圖4a和4b所示。

Y軸加載參數(shù)：最大加速度7 m/s2，運行速度48 m/min。單次循環(huán)：加速時間為200 ms，暫停時間2 s，加速度—時間圖和速度—時間圖分別如圖4c和4d所示。

Z軸加載參數(shù)：最大加速度7 m/s2，運行速度48 m/min。單次循環(huán)：加速時間為200 ms，暫停時間2 s，加速度—時間圖和速度—時間圖分別如圖4e和4f所示。

3.2? 主軸試驗結(jié)果

主軸加載參數(shù)：加速時間t1為600 ms，保持時間t2為1 s，暫停時間t3為2 s，運行速度為18 000 r/min。主軸速度—時間圖如圖5所示。

4? 討論

對試驗結(jié)果的評定如表2所示。試驗結(jié)果表明，各軸的模擬負載均超過數(shù)控加工中心設(shè)計最大負載的75%。與傳統(tǒng)載荷試驗相比，本文提出的方法只需通過數(shù)控程序控制各軸進行加速度運動，即可利用自身的慣量來等效模擬加載試驗。方法更加簡單明了，無需通過專用的儀器進行試驗和數(shù)據(jù)采集分析。試驗結(jié)果已經(jīng)清楚地表明載荷等效情況已經(jīng)達成，效果甚至比傳統(tǒng)載荷試驗更加優(yōu)越。因此，各數(shù)控加工中心可以據(jù)此自行開展可靠性試驗和分析。事實上，該方法在“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項相關(guān)課題中作為數(shù)控加工中心可靠性驗收的重要標(biāo)志之一，起到了重要作用。

當(dāng)然，每個樣本的實際部件質(zhì)量有少許差異，所以這個方法在計算精確度方面會有偏差。對于部件質(zhì)量問題，后續(xù)需要研究一個更有效的方式來進行測繪，以便得出更精確的結(jié)果[7]。

5? 結(jié)束語

基于軸加速度的數(shù)控加工中心可靠性試驗方法，有著方法原理簡單、操作容易、試驗周期短等優(yōu)點，能快速體現(xiàn)出數(shù)控加工中心的加載能力和運行穩(wěn)定性，對整個數(shù)控加工中心的可靠性驗證起到了決定性作用。

只有真正掌握快速和有效的數(shù)控機床可靠性試驗方法，才能更好地保證數(shù)控機床質(zhì)量的持續(xù)提高[8]。本文將先進的可靠性試驗理念與我公司自行研發(fā)的數(shù)控加工中心進行了有機結(jié)合，希望能夠促進我國數(shù)控機床研發(fā)朝著更高水平發(fā)展。

參考文獻

[1]? 張根保， 王立平. 國產(chǎn)數(shù)控機床可靠性技術(shù)綜述[J]. 航空制造技術(shù)， 2013（5）： 26-31.

[2]? 張根保， 柳劍. 數(shù)控機床可靠性概述[J]. 制造技術(shù)與機床， 2014（7）： 8-14.

[3]? 數(shù)控機床可靠性評定 第2部分： 加工中心： GB/T 23567.2-2018.

[4]? 張根保， 郭書恒. “數(shù)控機床可靠性技術(shù)”專題（十三）： 可靠性試驗技術(shù)[J]. 制造技術(shù)與機床， 2015（7）： 6-11， 22.

[5] 張根保， 范秀君. “數(shù)控機床可靠性技術(shù)”專題（二）： 可靠性增長體系[J]. 制造技術(shù)與機床， 2014（8）： 6-9.

[6]? 加工中心可靠性試驗規(guī)范： Q/DKD 011-2020[S].

[7]? 孫厚春. 數(shù)控機床可靠性技術(shù)的發(fā)展[J]. 山東工業(yè)技術(shù)， 2015（2）： 169.

[8]? 楊兆軍， 陳傳海， 陳菲， 等. 數(shù)控機床可靠性技術(shù)的研究進展[J]. 機械工程學(xué)報， 2013， 49（20）： 130-139.

作者簡介：

耿文劍（1980—），男，遼寧大連人，本科，中級工程師。研究方向：電子信息工程。

吳淇（1987—），通信作者，男，遼寧大連人，本科，中級工程師。研究方向：電子技術(shù)/質(zhì)量管理。

E-mail： wuqi_14@163.com

李德爽（1986—），男，遼寧大連人，本科，中級工程師。研究方向：測控技術(shù)/質(zhì)量管理。

（收稿日期：2020-08-28）