葉 鈺,袁 江,邱自學(xué),劉傳進(jìn)
(1.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南通 226019;2.南通國(guó)盛機(jī)電集團(tuán)有限公司,江蘇 南通 226002)
高速電主軸是現(xiàn)代精密機(jī)床的核心部件,相較于傳統(tǒng)機(jī)床,其驅(qū)動(dòng)電機(jī)安置于主軸內(nèi)部,可降低機(jī)床設(shè)計(jì)難度,這種緊湊的結(jié)構(gòu)使其具有重量小、動(dòng)態(tài)特性好、能改善機(jī)床的動(dòng)平衡等諸多優(yōu)點(diǎn),故在超高速機(jī)床中得以廣泛應(yīng)用。但隨著當(dāng)下對(duì)加工精度要求的不斷提高,電主軸本身存在的振動(dòng)、熱變形等問(wèn)題帶來(lái)的影響日趨明顯[1-3]。高速電主軸的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)反映了其性能高低,作為機(jī)床的獨(dú)立單元,對(duì)電主軸性能指標(biāo)的研究至關(guān)重要,所以需要通過(guò)傳感器及其他設(shè)備檢測(cè)其運(yùn)轉(zhuǎn)中的狀態(tài),根據(jù)獲取的信號(hào)來(lái)分析電主軸在高速旋轉(zhuǎn)中的性能變化。
目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高速電主軸的參數(shù)測(cè)量已經(jīng)取得諸多研究成果。文獻(xiàn)[4]在機(jī)床及其環(huán)境周邊放置35個(gè)DS18B20數(shù)字式溫度傳感器來(lái)研究環(huán)境溫度對(duì)主軸熱變形的影響;文獻(xiàn)[5]采用兩個(gè)激光多普勒測(cè)振儀測(cè)量電主軸的徑向和軸向運(yùn)動(dòng),對(duì)其回轉(zhuǎn)精度進(jìn)行了評(píng)價(jià);文獻(xiàn)[6]利用壓電式傳感器對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn),通過(guò)STM32F103RCT6 微處理器將傳感器獲取的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),能快速提取振動(dòng)信號(hào);文獻(xiàn)[7]采用電容位移傳感器和精密標(biāo)準(zhǔn)球相結(jié)合的方式測(cè)量電主軸的軸向熱變形量。上述研究雖然完成了對(duì)目標(biāo)參數(shù)的測(cè)量,但是未將多種參數(shù)結(jié)合在一起考慮,比如溫度、振動(dòng)、環(huán)境因素的綜合測(cè)量。且對(duì)數(shù)據(jù)的獲取基本通過(guò)有線傳輸,若測(cè)點(diǎn)較多則難免會(huì)出現(xiàn)布線繁雜、操作難度高等問(wèn)題。
為多方位考慮轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度、冷卻等因素對(duì)電主軸熱誤差及振動(dòng)的影響,設(shè)計(jì)了一套用于電主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中振動(dòng)、溫度、熱延伸等多參數(shù)的綜合測(cè)試系統(tǒng),包括搭載了可安裝不同型號(hào)、尺寸大小電主軸的裝夾裝置的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、振動(dòng)信號(hào)采集模塊、溫度采集模塊、軸向位移采集模塊以及基于LabVIEW 平臺(tái)開發(fā)的上位機(jī)軟件,可實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)預(yù)處理,包括振動(dòng)信號(hào)的濾波和時(shí)域分析,溫度和熱延伸初始信號(hào)的數(shù)值轉(zhuǎn)換以及最后結(jié)果的顯示和存儲(chǔ)?;赗FID傳感標(biāo)簽技術(shù)設(shè)計(jì)并制作了溫度傳感標(biāo)簽,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。通過(guò)精度對(duì)比測(cè)試驗(yàn)證了該測(cè)試系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性,可應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。
該測(cè)試系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)裝夾平臺(tái)、電主軸系統(tǒng)、振動(dòng)檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、位移檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、PC及上位機(jī)軟件等子系統(tǒng)組成,如圖1所示。通過(guò)變頻器啟動(dòng)電主軸并調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速;增壓水泵將經(jīng)冷水機(jī)冷卻后的水送入電主軸冷卻套循環(huán)流動(dòng)形成冷卻系統(tǒng);加速度傳感器以磁力座吸附于軸身徑向位置;激光位移傳感器安裝于主軸前端并與主軸中心延長(zhǎng)線保持重合;在軸身外殼上分布多個(gè)溫度傳感標(biāo)簽來(lái)實(shí)現(xiàn)電主軸溫度的無(wú)線監(jiān)測(cè),標(biāo)簽內(nèi)部處理器將溫度數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)標(biāo)簽編號(hào)發(fā)送至接收端;所有數(shù)據(jù)最終經(jīng)各自信號(hào)接收端通過(guò)RS232轉(zhuǎn)USB串口傳送至上位機(jī)軟件作進(jìn)一步分析處理。
圖1 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structure Composition of Test System
研究表明主軸熱誤差是數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)過(guò)程中最大的誤差,占總加工誤差的(40~70)%。主軸的熱態(tài)特性是影響機(jī)床加工精度的關(guān)鍵因素[8-9]。為監(jiān)測(cè)電主軸溫度變化,設(shè)計(jì)了溫度采集標(biāo)簽,如圖2所示。由熱電阻、RTD至數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換器、無(wú)線收發(fā)模塊、微處理器、穩(wěn)壓模塊、電源組成。熱電阻相對(duì)于數(shù)字式傳感器可更好地抵抗磁場(chǎng)干擾;其體積僅米粒大小,方便測(cè)點(diǎn)布置;三線制接法可消除引線電阻的誤差。熱敏電阻至數(shù)字轉(zhuǎn)換器選用MAX31865轉(zhuǎn)換模塊,其內(nèi)置15位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、輸入保護(hù)、數(shù)字控制器、SPI兼容接口以及相關(guān)控制邏輯電路,微處理器通過(guò)SPI兼容接口與MAX31865 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行通信后讀出鉑電阻測(cè)得的溫度數(shù)據(jù);通過(guò)NRF905無(wú)線發(fā)射模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。
圖2 溫度采集標(biāo)簽結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure Diagram of Temperature Collection Label
溫度接收端包括微處理器模塊、無(wú)線接收模塊、液晶顯示模塊、電平轉(zhuǎn)換模塊、穩(wěn)壓模塊等,如圖3所示。MAX232芯片可完成單片機(jī)輸出的TTL電平與計(jì)算機(jī)識(shí)別的232電平之間的轉(zhuǎn)換,進(jìn)而進(jìn)行通信。接收模塊需接收多個(gè)標(biāo)簽的數(shù)據(jù),為便于調(diào)試且清楚顯示數(shù)據(jù),采用0.91寸OLED12832顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示,具有對(duì)比度高,功耗低等優(yōu)點(diǎn),通過(guò)I2C接口與微處理器進(jìn)行通信。
圖3 接收端結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure Diagram of Receiving Module
相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試該模塊無(wú)需復(fù)雜的布線操作,使用傳感標(biāo)簽技術(shù)獲取數(shù)據(jù)可在保證精度的前提下既可以穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)又可以降低測(cè)試系統(tǒng)的局限性和復(fù)雜度。
電主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中存在熱延伸現(xiàn)象,研究發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)主軸軸向熱延伸誤差的影響大于徑向熱漂移誤差[10],電主軸的熱延伸是軸向緩慢變化的過(guò)程,且變化量?jī)H為微米級(jí),故測(cè)試系統(tǒng)對(duì)位移檢測(cè)傳感器的精度要求較高。選用日本基恩士公司LK-H025系列激光位移傳感器,如圖4所示。
圖4 傳感器測(cè)頭安裝與控制器接口接線示意圖Fig.4 Sensor Probe Installation and Controller Wiring Diagram
采樣前先將測(cè)頭以漫反射安裝方式固定在夾具上。由于測(cè)頭檢測(cè)范圍為(20±3)mm,安裝時(shí)需注意測(cè)頭與熱變形測(cè)點(diǎn)的距離。設(shè)置測(cè)量類型為“位移”,采樣周期默認(rèn)設(shè)置為200μs,為便于位移信號(hào)的實(shí)時(shí)記錄以及與后續(xù)溫度數(shù)據(jù)的對(duì)比分析,需將位移信號(hào)輸送至上位機(jī)軟件,利用6P6C水晶接頭引出控制器的網(wǎng)端通訊I/O,通過(guò)RS232轉(zhuǎn)USB串口與電腦連接通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
機(jī)床在高速磨削作業(yè)時(shí)的振動(dòng)大小與主軸轉(zhuǎn)速、溫度、軸承預(yù)緊力等息息相關(guān),電主軸作為機(jī)床的主要運(yùn)動(dòng)部件,其振動(dòng)量對(duì)刀具的磨損和產(chǎn)品的加工精度影響極大,甚至影響到整個(gè)機(jī)床系統(tǒng)的穩(wěn)定性[11-12]。選用國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的基于Zigbee 無(wú)線數(shù)據(jù)通訊的三軸MEMS加速度傳感器,其特點(diǎn)是無(wú)可移動(dòng)的機(jī)械零件,在振動(dòng)和沖擊環(huán)境中具有很好的穩(wěn)定性。系統(tǒng)原理,如圖5所示。該傳感器底部添加了磁力座的設(shè)計(jì),可緊固吸附在電主軸機(jī)殼上,保證測(cè)試過(guò)程中準(zhǔn)確獲取電主軸振動(dòng)加速度值。數(shù)據(jù)接收模塊通過(guò)RS232轉(zhuǎn)USB串口和電腦通訊,利用LabVIEW 編寫上位機(jī)程序采集并處理數(shù)據(jù),同時(shí)在前面板實(shí)時(shí)顯示振動(dòng)信號(hào)的波形,可直觀了解主軸運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的振動(dòng)變化。
圖5 振動(dòng)信號(hào)采集Fig.5 Vibration Signal Acquisition
以LabVIEW2013 平臺(tái)設(shè)計(jì)并開發(fā)上位機(jī)軟件,軟件流程,如圖6所示。
圖6 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.6 System Software Flow Chart
首先在前面板完成串口選擇、波特率、采樣頻率等參數(shù)的初始化配置;然后用VISA寫入函數(shù)向測(cè)試區(qū)分別寫入激光位移傳感器和加速度傳感器各自對(duì)應(yīng)的信號(hào)采集指令:MM100000000000、0xAA0x550x7F0x20;測(cè)試區(qū)收到信號(hào)采集指令后開始執(zhí)行測(cè)試任務(wù)并回傳數(shù)據(jù);上位機(jī)接收數(shù)據(jù)后對(duì)獲取的原始信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理,然后將各個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度、熱延伸量、加速度值及相應(yīng)波形顯示于前面板,便于觀察分析;最后將數(shù)據(jù)通過(guò)創(chuàng)建數(shù)組的方式寫入Excel表格文檔保存,方便后續(xù)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出和調(diào)用。
溫度傳感標(biāo)簽工作流程,如圖7所示。由于各傳感標(biāo)簽的標(biāo)志位不同,在讀取信號(hào)后先通過(guò)截取字符串函數(shù)獲取標(biāo)簽標(biāo)志位,然后用條件結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷歸類,再對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示并保存。當(dāng)多個(gè)標(biāo)簽與接收端通信時(shí),標(biāo)簽和接收端分別為發(fā)射模式和接收模式,接收端檢測(cè)到同一頻段載波后進(jìn)入地址匹配,當(dāng)識(shí)別到同一地址后開始接收數(shù)據(jù)。命令端工作流程,如圖7(a)所示。命令端一開始設(shè)置為發(fā)射模式,定義一個(gè)自加變量i,并把變量值賦給TxBuf[0],標(biāo)簽端設(shè)置為接收模式,等待接收命令端指令;標(biāo)簽收到信息后進(jìn)行如下判斷:若RxBuf[0]與自身的標(biāo)簽編號(hào)值相等,則獲取溫度數(shù)據(jù)并將原接收模式改為發(fā)射模式,給接收端發(fā)送數(shù)據(jù),否則繼續(xù)接收下一個(gè)信號(hào)。
接收端工作流程,如圖7(b)所示。接收到數(shù)據(jù)信息后進(jìn)行顯示,此時(shí)串口處于接收中斷使能狀態(tài),若收到上位機(jī)的數(shù)據(jù)獲取命令,則進(jìn)行串口發(fā)送中斷使能,將收到的信息發(fā)送至上位機(jī)。
圖7 溫度傳感標(biāo)簽工作流程圖Fig.7 Temperature Sensing Label Flow Chart
在設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上安裝激光位移傳感器滑動(dòng)支架和電主軸裝夾平臺(tái),如圖8所示。配合相應(yīng)的夾具可以根據(jù)實(shí)際需要安裝不同型號(hào)尺寸的電主軸進(jìn)行測(cè)試。在底部4個(gè)底腳各安裝1只福馬輪,除了固定支撐和調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的高度之外,還可借助滾輪移動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),使其具有良好的機(jī)動(dòng)性,可保證測(cè)試不受場(chǎng)地限制,在該平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試以驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
圖8 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.8 Test Platform
將溫度傳感標(biāo)簽安裝于電主軸前軸承表面,選用工廠測(cè)試常用的紅外測(cè)溫儀和溫度標(biāo)簽測(cè)量同一點(diǎn)溫度進(jìn)行精度對(duì)比實(shí)驗(yàn)。電主軸以6000r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行80min,每4min記錄一次溫度數(shù)據(jù),溫度數(shù)據(jù),如圖9所示。
圖9 溫度傳感標(biāo)簽與紅外測(cè)溫儀測(cè)試對(duì)比Fig.9 Comparison of Intelligent Sensor Label and Infrared Thermometer
溫度傳感標(biāo)簽與紅外測(cè)溫儀測(cè)得的前軸承位置溫度數(shù)據(jù)相對(duì)誤差最大不超過(guò)6.2%,如圖10所示。且未受到電主軸強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾,溫度標(biāo)簽在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中接收數(shù)據(jù)穩(wěn)定,表明本測(cè)試系統(tǒng)溫度采集模塊精度較高,穩(wěn)定性好,抗干擾能力強(qiáng)。
圖10 相對(duì)誤差Fig.10 Relative Error
測(cè)試系統(tǒng)的位移檢測(cè)模塊采用激光位移傳感器。激光位移傳感器是現(xiàn)在工業(yè)上廣泛應(yīng)用的檢測(cè)裝置,精度較高,所選用的基恩士LK-H025特點(diǎn)是檢測(cè)光點(diǎn)小(25μm)、重復(fù)精度高(0.02μm),足夠滿足測(cè)試要求,故不再作精度對(duì)比。在一般振動(dòng)測(cè)試中激光位移傳感器也可以用于振動(dòng)測(cè)量,即以測(cè)點(diǎn)位移變化來(lái)反應(yīng)振動(dòng)大小。但激光位移傳感器和電渦流傳感器等非接觸式傳感器對(duì)高頻信號(hào)并不敏感,而機(jī)械故障往往以高頻信號(hào)來(lái)表現(xiàn),加速度傳感器可敏銳感知高頻信號(hào),為故障預(yù)警提供保障。選用兩種常用類型的加速度傳感器VB20和ACC375進(jìn)行精度對(duì)比實(shí)驗(yàn),兩者參數(shù)對(duì)比,如表1所示。將兩種傳感器分別安裝于同一電主軸的相同位置,記錄電主軸在6000r/min轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)量,在記錄數(shù)據(jù)中取電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)相同間隔時(shí)間的振動(dòng)量對(duì)比,如表2所示。
表1 加速度傳感器指標(biāo)參數(shù)Tab.1 Acceleration Sensor Index Parameters
表2 振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比(mm/s2)Tab.2 Vibration Data Comparison(mm/s2)
測(cè)試系統(tǒng)選用的VB20加速度傳感器具有更高的測(cè)量范圍,可保證測(cè)試的精確性;通過(guò)磁力座吸附于測(cè)試位置,安裝方便,不會(huì)對(duì)電主軸造成損傷;測(cè)試數(shù)據(jù)可以通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞将@取,提高了測(cè)試系統(tǒng)的簡(jiǎn)便性。對(duì)比表2傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù),誤差最大不超過(guò)0.02704mm/s2,在價(jià)格相近的前提下,本測(cè)試系統(tǒng)選用的加速度傳感器測(cè)量范圍更大、安裝和數(shù)據(jù)傳輸更簡(jiǎn)便、精度更高,能更好的滿足測(cè)試需要。
為確保該測(cè)試系統(tǒng)的可行性,進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn):選用國(guó)內(nèi)某廠家生產(chǎn)的ER16系列高速水冷電主軸作為測(cè)試對(duì)象,其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),如表3所示。將加速度傳感器水平安置在電主軸徑向位置測(cè)量徑向振動(dòng)量;選用4個(gè)溫度傳感標(biāo)簽安裝在電主軸前后端及線圈附近機(jī)殼上;通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞将@得振動(dòng)加速度信號(hào)和溫度信號(hào)至上位機(jī)軟件;通過(guò)變頻器驅(qū)動(dòng)電主軸并調(diào)節(jié)電主軸轉(zhuǎn)速使其在6000r/min轉(zhuǎn)速下運(yùn)行80min至溫升達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),得到的溫度和熱延伸數(shù)據(jù),如圖11、圖12所示。
圖11 溫升曲線Fig.11 Temperature Rise Curve
圖12 熱延伸數(shù)據(jù)Fig.12 Thermal Extension Data
表3 電主軸指標(biāo)參數(shù)Tab.3 Motorized Spindle Index Parameters
從圖11和12中可以看出,電主軸熱延伸量和測(cè)點(diǎn)溫度呈先上升后穩(wěn)定的趨勢(shì),在前30min內(nèi)增速最快,后續(xù)趨于穩(wěn)定,整體呈非線性變化。對(duì)于電主軸發(fā)熱源:電磁線圈(標(biāo)簽2)的溫度值較低,這是因?yàn)闇囟葌鞲袠?biāo)簽布置在主軸前端靠近轉(zhuǎn)軸的線圈部位的表面,受電主軸冷卻結(jié)構(gòu)的影響,不能較為準(zhǔn)確的獲取主軸內(nèi)部電磁線圈位置的實(shí)際溫度值。
將上位機(jī)軟件保存的振動(dòng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab中繪制出電主軸振動(dòng)的時(shí)程曲線圖,如圖13所示。
圖13 振動(dòng)信號(hào)Fig.13 Vibration Signal
從圖13中可以看出,電主軸的振動(dòng)在一開始有很大的沖擊后逐漸減緩,運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后,振動(dòng)幅值開始增大,最后趨于穩(wěn)定。一開始的沖擊峰值是由于電主軸剛啟動(dòng)時(shí)潤(rùn)滑不夠充分,導(dǎo)致其在剛開機(jī)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)瞬間增大,隨著主軸運(yùn)轉(zhuǎn),潤(rùn)滑油氣開始均勻分布在轉(zhuǎn)軸各處,減緩主軸的振動(dòng)。但是隨著溫度開始上升,金屬材料升溫膨脹,進(jìn)而導(dǎo)致電主軸剛性結(jié)構(gòu)變化,從而影響主軸的振動(dòng)。結(jié)合電主軸溫度測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)振動(dòng)、溫升和熱延伸三者的變化過(guò)程很吻合。主軸隨著溫度升高產(chǎn)生熱誤差,引起主軸結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,振幅開始隨之上升,溫升穩(wěn)定后,溫度場(chǎng)對(duì)主軸結(jié)構(gòu)的影響不再增大,軸向熱延伸逐漸減小,主軸振幅也恢復(fù)平穩(wěn)。電主軸溫度對(duì)振動(dòng)的影響關(guān)系,如圖14所示。
圖14 溫度-振動(dòng)影響關(guān)系圖Fig.14 Influence Diagram of Temperature and Vibration
設(shè)計(jì)一套電主軸熱誤差及振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)尺寸的電主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的溫度、軸向熱延伸及振動(dòng)等多種因素的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。基于無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)了溫度傳感標(biāo)簽可實(shí)現(xiàn)主軸溫度的無(wú)線監(jiān)測(cè),相較于傳統(tǒng)測(cè)試省去了復(fù)雜的布線操作,在保證測(cè)量精度的前提下,提高了測(cè)試的便利性;以LabVIEW 平臺(tái)開發(fā)了上位機(jī)軟件可對(duì)原始信號(hào)作預(yù)處理并實(shí)時(shí)顯示和保存數(shù)據(jù);通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)可以有效獲取所需數(shù)據(jù)信息,通信協(xié)議簡(jiǎn)單,功耗低,信號(hào)傳輸穩(wěn)定,有助于進(jìn)一步深入研究電主軸溫度、熱變形、振動(dòng)等因素之間的相互作用關(guān)系。