數控機床主軸動態性能檢測系統研究
2021-3-5 來源： 蘭州理工大學技術工程學院 作者：陳艷麗 吳冬霞 芮守鳳 李永強
摘要：數控機床是機械行業的基礎設備，數控機床的發展速度將會直接影響整個行業的發展速度，而主軸部件是數控機床的關鍵部件，主軸性能的高低可以直接影響數控機床的加工效率，因此技術人員一定要重視數控機床主軸研究工作，本文針對數控機床主軸動態性能檢測系統做出了討論，供技術人員參考使用。
關鍵詞：數控機床；主軸；動態性能；檢測系統
0 引言
為確保數控機床所生產零件可以應用在施工項目當中，那么首先要保證主軸系統內部結構以及剛度符合相關標準，因此在將數控機床應用在實際生產工作之前，技術人員應對數控機床主軸進行動態性能檢測，同時為保證日常工作的工作效率與工作質量，在工作過程中，技術人員應加大對數控機床主軸動態性能檢測系統的研究力度，以使得數控機床更新速度可以加快，加快機械行業發展速度。
1 、數控機床主軸動態性能檢測內容
數控機床動態性能包含兩部分內容，分別是機床固有頻率與主振型，數控機床主軸動態性能檢測系統主要檢測內容為機床振動頻率，比如如果技術人員對數控機床存在的受迫振動進行檢測，判斷是否可以通過某種方式避免共振情況的出現，再比如對它的自激振動進行檢測，判斷是否可以通過某種方式降低顫振產生的力。
技術人員想要對數控機床主軸動態性能檢測系統進行優化，那么在工作開始過程中首先要做的就是完成主軸建模工作，目前技術人員可以選擇的方法有以下兩種：
①以主軸系統結構為基礎，建立動力學微分方程，然后再利用解耦發進行求解，得出數控機床主軸模型的特征值與特征向量，進而確定數控機床的動態參數；或者是技術人員利用相關軟件建立數控機床主軸有限元模型，然后再分析出動態參數。
②向數控機床內部結構發射信號，然后通過相應手段檢測各結構在接收到信號后的變化，在根據參數的變化確定數控機床主軸的固有頻率以及主振型。
2 、數控機床主軸動態性能檢測系統設計
數控機床主動動態性能非常復雜，利用傳統檢測法無法對數控機床主軸進行全面檢測，因此技術人員需要設計出適合檢測數控機床主軸動態性能的系統，具體做法如下：
2.1 數控機床主軸動態性能檢測系統總體設計方案
技術人員所設計的數控機床主軸動態性能檢測系統可以分為兩部分，分別是硬件系統與算法系統。具體設計方案如下：
①所設計硬件系統需要包含三部分，即信號發生設備、信號轉換設備以及信號采集設備。算法系統需要包含三部分，即預處理部分、處理部分以及后處理部分。②根據所設計的數控機床主軸動態性能檢測系統的功能將系統分成若干個模塊，比如主軸回轉精度分析模塊、振動特性分析模塊、熱分析模塊等等。
2.2 硬件系統總體設計方案
技術人員所設計的硬件系共包含三個組成部分，每一部分的具體功能如下：
①信號發生設備是指系統在運行過程中，利用系統以電信號的形式將檢測部分的具體情況傳遞給信息中心，具體分類有以下幾種：
1）激光位移傳感器，主要功能為檢測位移信號。2）加速度壓電傳感器，主要功能為檢測主軸振動信號。3）溫度傳感器，主要功能為檢測主軸溫度。4）編碼器，主要功能為判斷主軸回轉位置。
②信號發生裝備所傳遞的信號形式繁多，因此當所傳遞信號被采集卡收集之前，需要在制定位置進行轉換，這就是我們所說的信號轉換裝備。通常情況下，信號轉換裝備的工作內容包含以下幾點：
1）將位移傳感器中的位移信號轉化為電壓信號，即完成 mm→V 的轉化。2）將加速度傳感器中的加速度信號轉化為電壓信號，即完成 g→V 的轉化。3）將溫度傳感器中的溫度信號轉化為電壓信號，即完成℃→V 的轉化。但是工作人員需要知道，當傳遞信號通過信號轉換器完成轉換工作后，其轉換后的電壓信號值一定在±10之內。
信號采集設備的工作原理為當它們接收到轉換完成的電壓信號后，將其還原為原始信號，即位移電壓信號、加速度電壓信號與溫度電壓信號都轉變為原始位移信號，完成 V→mm、V→g、V→℃的轉化，同時當信號采集設備完成信號轉換工作后，會將轉換完成的數字信號存儲在指定位置。通常情況下信號采集裝備的內部存儲空間無法進行大規模數據存儲工作，因此工作人員會選擇將所轉換數字信號存儲在計算機當中。除上三部分之外，技術人員在設計數控機床主軸動態性能檢測系統時會在其加入編碼器，出現這種做法的原因主要有以下幾點：
①工作人員使用的傳統的數控機床主軸動態檢測系統只能對主軸整體的回轉精度、振動特性以及熱特性進行檢測，但是如果技術人員在系統中加入編碼器，那么就可以對主軸附近的每個回轉位置進行評估，獲得更精準、更豐富的檢測數據。②編碼器還可以與其他信號進行了解，同時還可以使得所接收信號不受時間干擾。即添加編碼器可以使所設計的系統同時接收主軸回轉精度位移信號、振動特性、加速度信號以及熱檢測溫度信號。③數控機床主軸動態性能檢測系統所接收的各個信號之間存在一定的內部聯系，這些聯系可以對工作人員進行深度分析造成影響，改變工作人員所制定的工作計劃。
同時系統所檢測數據不僅可以反應出主軸當時的動態性能，當經過一段時間的數據積累后，技術人員還可以判斷主軸過去的動態性能，并且根據這些數據，判斷主軸動態性能發展趨勢。
在大數據技術日益成熟的今天，該技術員不僅可以應用在互聯網行業，還可以應用到機械行業。在構建數控機床主軸動態性能檢測系統時進行數據挖掘工作，技術人員可以獲得一些以前沒有注意到的隱形信息，使得所構建系統可以更好的進行服務，提高工作質量。
2.3 算法系統設計方案
如果技術人員想要對硬件系統所采集的數據進行分析、存儲，那么就一定需要利用相關系統進行完成，這就是數控機床主軸動態檢測系統算法系統出現的前提。通常情況下，技術人員在設計算法系統時，會使用 Mtlab，造成這種現象的原因主要時因為 Mtlab 可以為技術人員提供簡易編程環境與覆蓋面非常廣的函數庫，同時它還具有非常厲害的數據處理能力，可以提高數據分析效率與分析質量。目前技術人員所設計的算法系統擁有三個模塊，分別是預處理模塊、處理模塊以及后處理模塊，其具體功能如下：
2.3.1 預處理模塊
預處理模塊的主要功能有三點，分別是數據讀取功能、參數設置功能以及數據濾波處理功能，其工作流程為：首先將 LMS 采集卡中所采集的數據上傳至 Mtlab 環境中，然后根據實際情況完成參數設置，最后對上傳數據進行濾波處理。為保證工作質量與工作效率，技術人員要明確需要對哪些參數進行設置，他們分別是傳感器類型、樣本信息頻率、實際位置、對應采集通道、采集卡采樣頻率、所占通道總數以及具體檢測時間。預處理模塊在運行過程中可以將各項檢測工藝的工藝參數進行留底，同時還可以直接被處理模塊調用，即技術人員所設計檢測系統可以應用在多種檢測工藝中。在系統運行過程中，周圍會出現一些噪音，數據濾波處理功能主要是為了解決這些噪音污染，以免影響工作質量與工作效率。技術人員可以將噪音來源分為三類，分別是硬件系統自身所產生噪音、環境噪音以及隨機噪音。為確保數據分析的精準度不受影響，技術人員通常會使用低通濾液、去直流分量以及平滑濾波這三種方法進行解決。
2.3.2 處理模塊
處理模塊的主要功能為對已經完成預處理的數據進行具體動態分析，同時將分析所得數據上傳至數據庫中，以方便后處理模塊進行使用。在完成數據處理工作時，主軸動態性能分析主要在三個模塊中進行，分別是回轉精度模塊、振動特性模塊以及熱特性模塊，當數據動態分析工作完成后，系統回將分析后的數據上傳至編碼器中進行進一步處理，同時在數據庫中完成更新。技術人員所搭建的數據庫會對存儲信息進行編號，出現這一現象的原因主要有以下幾點：
①后處理模塊不需要對所顯示的數據進行分析處理，可以直接使用。②技術人員可以用存儲數據進行主軸動態分析工作。③在檢測工作完成后，數據庫會進行實時更新，可以為技術人員找到主軸過去的動態信息提供便利，同時當數據存儲量足夠時，技術人員可以對主軸動態性能發展方向進行分析。
2.3.3 后處理模塊
后處理模塊的主要功能是展示系統最終結果，即結合用戶需求，在 Matlab 中顯示主軸回轉精度、振動特性以及熱特性結果。由于系統內部具有相應處理結構，因此技術人員可以獲得非常詳細的數據，具體情況如下：①在回轉精度模塊中，技術人員可以獲得兩類主軸回轉精度信息，分別是在某一轉速下，主軸的徑向跳動信息、軸向竄動信息、軸線擺動信息；與在不同轉速下，主軸的徑向跳動信息、軸向竄動信息、軸線擺動信息。②在振動特性模塊中，技術人員可以獲得兩類主軸振動特性信息，分別是在某一轉速下，一個或多個測點的 X、Z 方向的實際加速度，和
XY 兩方向的實際合成加速度與 YZ 兩方向的實際合成加速度；與在不同轉速下，多個測點各方向的實際加速度與合成加速度。③在熱特性模塊中，技術人員可以獲得兩類熱特性信息，分別是主軸平衡溫度；與主軸溫度上升特性曲線。
3 、結束語
通過實際工作技術人員可以發現影響數控機床主軸動態性能檢測系統的因素有很多，在實際工作過程中，工作人員不要忽略任何一項因素，對于所出現的突發事故進行及時處理，以保證工作質量與工作效率，而且如果技術人員可以構建出合適的數控機床主軸動態性能檢測系統，那么不僅可以提高數控機床的工作質量，還可以推動機械行業的發展，使得機械行業在社會發展中擁有更高的地位。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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