数控机床主轴动态性能检测系统研究
2021-3-5 来源： 兰州理工大学技术工程学院 作者：陈艳丽 吴冬霞 芮守凤 李永强
摘要：数控机床是机械行业的基础设备，数控机床的发展速度将会直接影响整个行业的发展速度，而主轴部件是数控机床的关键部件，主轴性能的高低可以直接影响数控机床的加工效率，因此技术人员一定要重视数控机床主轴研究工作，本文针对数控机床主轴动态性能检测系统做出了讨论，供技术人员参考使用。
关键词：数控机床；主轴；动态性能；检测系统
0 引言
为确保数控机床所生产零件可以应用在施工项目当中，那么首先要保证主轴系统内部结构以及刚度符合相关标准，因此在将数控机床应用在实际生产工作之前，技术人员应对数控机床主轴进行动态性能检测，同时为保证日常工作的工作效率与工作质量，在工作过程中，技术人员应加大对数控机床主轴动态性能检测系统的研究力度，以使得数控机床更新速度可以加快，加快机械行业发展速度。
1 、数控机床主轴动态性能检测内容
数控机床动态性能包含两部分内容，分别是机床固有频率与主振型，数控机床主轴动态性能检测系统主要检测内容为机床振动频率，比如如果技术人员对数控机床存在的受迫振动进行检测，判断是否可以通过某种方式避免共振情况的出现，再比如对它的自激振动进行检测，判断是否可以通过某种方式降低颤振产生的力。
技术人员想要对数控机床主轴动态性能检测系统进行优化，那么在工作开始过程中首先要做的就是完成主轴建模工作，目前技术人员可以选择的方法有以下两种：
①以主轴系统结构为基础，建立动力学微分方程，然后再利用解耦发进行求解，得出数控机床主轴模型的特征值与特征向量，进而确定数控机床的动态参数；或者是技术人员利用相关软件建立数控机床主轴有限元模型，然后再分析出动态参数。
②向数控机床内部结构发射信号，然后通过相应手段检测各结构在接收到信号后的变化，在根据参数的变化确定数控机床主轴的固有频率以及主振型。
2 、数控机床主轴动态性能检测系统设计
数控机床主动动态性能非常复杂，利用传统检测法无法对数控机床主轴进行全面检测，因此技术人员需要设计出适合检测数控机床主轴动态性能的系统，具体做法如下：
2.1 数控机床主轴动态性能检测系统总体设计方案
技术人员所设计的数控机床主轴动态性能检测系统可以分为两部分，分别是硬件系统与算法系统。具体设计方案如下：
①所设计硬件系统需要包含三部分，即信号发生设备、信号转换设备以及信号采集设备。算法系统需要包含三部分，即预处理部分、处理部分以及后处理部分。②根据所设计的数控机床主轴动态性能检测系统的功能将系统分成若干个模块，比如主轴回转精度分析模块、振动特性分析模块、热分析模块等等。
2.2 硬件系统总体设计方案
技术人员所设计的硬件系共包含三个组成部分，每一部分的具体功能如下：
①信号发生设备是指系统在运行过程中，利用系统以电信号的形式将检测部分的具体情况传递给信息中心，具体分类有以下几种：
1）激光位移传感器，主要功能为检测位移信号。2）加速度压电传感器，主要功能为检测主轴振动信号。3）温度传感器，主要功能为检测主轴温度。4）编码器，主要功能为判断主轴回转位置。
②信号发生装备所传递的信号形式繁多，因此当所传递信号被采集卡收集之前，需要在制定位置进行转换，这就是我们所说的信号转换装备。通常情况下，信号转换装备的工作内容包含以下几点：
1）将位移传感器中的位移信号转化为电压信号，即完成 mm→V 的转化。2）将加速度传感器中的加速度信号转化为电压信号，即完成 g→V 的转化。3）将温度传感器中的温度信号转化为电压信号，即完成℃→V 的转化。但是工作人员需要知道，当传递信号通过信号转换器完成转换工作后，其转换后的电压信号值一定在±10之内。
信号采集设备的工作原理为当它们接收到转换完成的电压信号后，将其还原为原始信号，即位移电压信号、加速度电压信号与温度电压信号都转变为原始位移信号，完成 V→mm、V→g、V→℃的转化，同时当信号采集设备完成信号转换工作后，会将转换完成的数字信号存储在指定位置。通常情况下信号采集装备的内部存储空间无法进行大规模数据存储工作，因此工作人员会选择将所转换数字信号存储在计算机当中。除上三部分之外，技术人员在设计数控机床主轴动态性能检测系统时会在其加入编码器，出现这种做法的原因主要有以下几点：
①工作人员使用的传统的数控机床主轴动态检测系统只能对主轴整体的回转精度、振动特性以及热特性进行检测，但是如果技术人员在系统中加入编码器，那么就可以对主轴附近的每个回转位置进行评估，获得更精准、更丰富的检测数据。②编码器还可以与其他信号进行了解，同时还可以使得所接收信号不受时间干扰。即添加编码器可以使所设计的系统同时接收主轴回转精度位移信号、振动特性、加速度信号以及热检测温度信号。③数控机床主轴动态性能检测系统所接收的各个信号之间存在一定的内部联系，这些联系可以对工作人员进行深度分析造成影响，改变工作人员所制定的工作计划。
同时系统所检测数据不仅可以反应出主轴当时的动态性能，当经过一段时间的数据积累后，技术人员还可以判断主轴过去的动态性能，并且根据这些数据，判断主轴动态性能发展趋势。
在大数据技术日益成熟的今天，该技术员不仅可以应用在互联网行业，还可以应用到机械行业。在构建数控机床主轴动态性能检测系统时进行数据挖掘工作，技术人员可以获得一些以前没有注意到的隐形信息，使得所构建系统可以更好的进行服务，提高工作质量。
2.3 算法系统设计方案
如果技术人员想要对硬件系统所采集的数据进行分析、存储，那么就一定需要利用相关系统进行完成，这就是数控机床主轴动态检测系统算法系统出现的前提。通常情况下，技术人员在设计算法系统时，会使用 Mtlab，造成这种现象的原因主要时因为 Mtlab 可以为技术人员提供简易编程环境与覆盖面非常广的函数库，同时它还具有非常厉害的数据处理能力，可以提高数据分析效率与分析质量。目前技术人员所设计的算法系统拥有三个模块，分别是预处理模块、处理模块以及后处理模块，其具体功能如下：
2.3.1 预处理模块
预处理模块的主要功能有三点，分别是数据读取功能、参数设置功能以及数据滤波处理功能，其工作流程为：首先将 LMS 采集卡中所采集的数据上传至 Mtlab 环境中，然后根据实际情况完成参数设置，最后对上传数据进行滤波处理。为保证工作质量与工作效率，技术人员要明确需要对哪些参数进行设置，他们分别是传感器类型、样本信息频率、实际位置、对应采集通道、采集卡采样频率、所占通道总数以及具体检测时间。预处理模块在运行过程中可以将各项检测工艺的工艺参数进行留底，同时还可以直接被处理模块调用，即技术人员所设计检测系统可以应用在多种检测工艺中。在系统运行过程中，周围会出现一些噪音，数据滤波处理功能主要是为了解决这些噪音污染，以免影响工作质量与工作效率。技术人员可以将噪音来源分为三类，分别是硬件系统自身所产生噪音、环境噪音以及随机噪音。为确保数据分析的精准度不受影响，技术人员通常会使用低通滤液、去直流分量以及平滑滤波这三种方法进行解决。
2.3.2 处理模块
处理模块的主要功能为对已经完成预处理的数据进行具体动态分析，同时将分析所得数据上传至数据库中，以方便后处理模块进行使用。在完成数据处理工作时，主轴动态性能分析主要在三个模块中进行，分别是回转精度模块、振动特性模块以及热特性模块，当数据动态分析工作完成后，系统回将分析后的数据上传至编码器中进行进一步处理，同时在数据库中完成更新。技术人员所搭建的数据库会对存储信息进行编号，出现这一现象的原因主要有以下几点：
①后处理模块不需要对所显示的数据进行分析处理，可以直接使用。②技术人员可以用存储数据进行主轴动态分析工作。③在检测工作完成后，数据库会进行实时更新，可以为技术人员找到主轴过去的动态信息提供便利，同时当数据存储量足够时，技术人员可以对主轴动态性能发展方向进行分析。
2.3.3 后处理模块
后处理模块的主要功能是展示系统最终结果，即结合用户需求，在 Matlab 中显示主轴回转精度、振动特性以及热特性结果。由于系统内部具有相应处理结构，因此技术人员可以获得非常详细的数据，具体情况如下：①在回转精度模块中，技术人员可以获得两类主轴回转精度信息，分别是在某一转速下，主轴的径向跳动信息、轴向窜动信息、轴线摆动信息；与在不同转速下，主轴的径向跳动信息、轴向窜动信息、轴线摆动信息。②在振动特性模块中，技术人员可以获得两类主轴振动特性信息，分别是在某一转速下，一个或多个测点的 X、Z 方向的实际加速度，和
XY 两方向的实际合成加速度与 YZ 两方向的实际合成加速度；与在不同转速下，多个测点各方向的实际加速度与合成加速度。③在热特性模块中，技术人员可以获得两类热特性信息，分别是主轴平衡温度；与主轴温度上升特性曲线。
3 、结束语
通过实际工作技术人员可以发现影响数控机床主轴动态性能检测系统的因素有很多，在实际工作过程中，工作人员不要忽略任何一项因素，对于所出现的突发事故进行及时处理，以保证工作质量与工作效率，而且如果技术人员可以构建出合适的数控机床主轴动态性能检测系统，那么不仅可以提高数控机床的工作质量，还可以推动机械行业的发展，使得机械行业在社会发展中拥有更高的地位。
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