?機床主軸動態剛度測量系統

機(ji)床主軸(zhou)動態剛度(du)測量系(xi)統

隨著(zhu)設備(bei)智能(neng)化的提高，物(wu)聯網的發展，對(dui)機(ji)床設備(bei)熱(re)位(wei)移(yi)的監測(ce)和補償、幾何誤差的測(ce)量(liang)和補償等(deng)提出了(le)要求。為了(le)防(fang)止抖振(zhen)和進行(xing)主(zhu)軸(zhou)異常診(zhen)斷以及預測(ce)剩余壽命等(deng)，需要通過軸(zhou)承運(yun)行(xing)狀態的可視化來促進主(zhu)軸(zhou)單元狀態的監測(ce)。

1、常(chang)規主軸性能控(kong)制存在的問題

影(ying)響主軸性(xing)(xing)(xing)能的主要因素為軸承(cheng)預緊(jin)力(li)(li)。較(jiao)大的預緊(jin)力(li)(li)有(you)利于(yu)剛度(du)，但(dan)不(bu)利于(yu)高(gao)速，引起發熱(re)，影(ying)響壽命特(te)性(xing)(xing)(xing)；較(jiao)小的預緊(jin)力(li)(li)有(you)利于(yu)高(gao)速、發熱(re)和(he)壽命特(te)性(xing)(xing)(xing)，但(dan)不(bu)利于(yu)剛度(du)。此外(wai)，預緊(jin)力(li)(li)變化會(hui)造成主軸性(xing)(xing)(xing)能的不(bu)一致，進(jin)而影(ying)響加工件的精度(du)。因此，獲得穩定(ding)主軸性(xing)(xing)(xing)能的一種潛在方法是(shi)適當的預緊(jin)力(li)(li)控制。

軸(zhou)承(cheng)預緊力(li)(li)(li)通常根據(ju)主軸(zhou)固(gu)有(you)頻率、軸(zhou)向靜剛度或(huo)啟動力(li)(li)(li)矩進(jin)行設置(zhi)，這(zhe)些參數通常在(zai)主軸(zhou)靜止時(shi)進(jin)行測(ce)量。然而(er)，在(zai)加工(gong)過程中，主軸(zhou)是旋轉的，因(yin)此預緊力(li)(li)(li)會(hui)隨著(zhu)離(li)心力(li)(li)(li)和熱(re)量的影響而(er)變(bian)化。此外，在(zai)主軸(zhou)方向可改變(bian)的機床(chuang)中，預緊力(li)(li)(li)又因(yin)作(zuo)用于(yu)軸(zhou)承(cheng)的主軸(zhou)重(zhong)力(li)(li)(li)而(er)改變(bian)，這(zhe)取決于(yu)主軸(zhou)方向。盡管存(cun)在(zai)這(zhe)些點，但實際上沒有(you)在(zai)主軸(zhou)運(yun)行期間(jian)測(ce)量預緊力(li)(li)(li)的情況(kuang)。

JTEKT公(gong)司采用磁軸(zhou)承技術開發(fa)的動態剛度測量系統，能在任意運行狀(zhuang)態下測量主軸(zhou)性能。

2、設計特點(dian)

動態剛度(du)測量系統如圖(tu)1所示(shi)。該系統由(you)徑(jing)向(xiang)激(ji)振器和(he)軸向(xiang)激(ji)振器組(zu)成，安(an)裝在(zai)主軸箱(xiang)上。采用(yong)非接觸法，利用(yong)電磁鐵的(de)吸力將一個芯軸安(an)裝在(zai)主軸端部，然(ran)后以不同頻率振動(dong)，用(yong)傳感(gan)器檢測此時的(de)位移(yi)。

圖1 動態剛度測(ce)量系(xi)統原理

3、測(ce)量實例

當轉速為5 000 r/ min，且主軸(zhou)在徑向(xiang)振(zhen)動(dong)時的動(dong)態剛度測量實例如圖2所示(shi)。X軸為(wei)輸入(ru)頻率，Y軸為量綱一的(de)剛(gang)度。當頻率為900 Hz左(zuo)右時(shi)剛度降低，并能確(que)定(ding)主軸在徑(jing)向的一維固有頻率(lv)。

此(ci)外，主軸方向和(he)轉速(su)對(dui)固有頻率測量的影響(xiang)如圖3所示。主軸(zhou)固(gu)有頻率隨轉速的變(bian)化(hua)(hua)而變(bian)化(hua)(hua)，并且結果也隨主軸(zhou)方向的不同(tong)而變(bian)化(hua)(hua)，這與(yu)考慮運(yun)行時軸(zhou)承接(jie)觸(chu)角(jiao)變(bian)化(hua)(hua)和主軸(zhou)方向影響(xiang)的理論(lun)值有很好(hao)的一致性，表明主軸(zhou)運(yun)行時可測量主軸(zhou)剛(gang)度。

圖2 動態剛度測(ce)量實(shi)例(li)

圖3 主軸方向和(he)轉(zhuan)速對固(gu)有(you)頻率(lv)測量(liang)的影響

基于以上(shang)結果，認為采用(yong)動態(tai)剛度測量系統將使(shi)以下方面(mian)成為可能。

1)主(zhu)軸靜止(zhi)時的(de)(de)剛度和固有頻率的(de)(de)測量(liang)——以與常規方(fang)法相同的(de)(de)方(fang)式應(ying)用于預緊力(li)控制。

2)主軸轉動時的剛度和固有頻(pin)率(lv)的測(ce)量(liang)——通過確(que)定主軸固有頻(pin)率(lv)，有助于優化(hua)加工條件，如防(fang)止抖振。

此外，由于在(zai)運(yun)行過程中(zhong)測量主軸特性(xing)成(cheng)為可(ke)能(neng)(neng)，相信(xin)在(zai)未來有可(ke)能(neng)(neng)通過主軸異(yi)常診斷等手段(duan)對主軸單元(yuan)狀態進(jin)行監測，并(bing)將繼(ji)續推動發展建(jian)立動態剛(gang)度(du)測量系統。