?機床主軸動(dòng)態(tài)剛度測量系統

機床主軸動(dòng)態(tài)剛度測量系統

    隨著(zhù)設備智能化的提高，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，對機床設備熱位移的監測和補償、幾何誤差的測量和補償等提出了要求。為了防止抖振和進(jìn)行主軸異常診斷以及預測剩余壽命等，需要通過(guò)軸承運行狀態(tài)的可視化來(lái)促進(jìn)主軸單元狀態(tài)的監測。

1、常規主軸性能控制存在的問(wèn)題

影響主軸性能的主要因素為軸承預緊力。較大的預緊力有利于剛度，但不利于高速，引起發(fā)熱，影響壽命特性；較小的預緊力有利于高速、發(fā)熱和壽命特性，但不利于剛度。此外，預緊力變化會(huì )造成主軸性能的不一致，進(jìn)而影響加工件的精度。因此，獲得穩定主軸性能的一種潛在方法是適當的預緊力控制。

軸承預緊力通常根據主軸固有頻率、軸向靜剛度或啟動(dòng)力矩進(jìn)行設置，這些參數通常在主軸靜止時(shí)進(jìn)行測量。然而，在加工過(guò)程中，主軸是旋轉的，因此預緊力會(huì )隨著(zhù)離心力和熱量的影響而變化。此外，在主軸方向可改變的機床中，預緊力又因作用于軸承的主軸重力而改變，這取決于主軸方向。盡管存在這些點(diǎn)，但實(shí)際上沒(méi)有在主軸運行期間測量預緊力的情況。

JTEKT公司采用磁軸承技術(shù)開(kāi)發(fā)的動(dòng)態(tài)剛度測量系統，能在任意運行狀態(tài)下測量主軸性能。 

2、設計特點(diǎn)

動(dòng)態(tài)剛度測量系統如圖1所示。該系統由徑向激振器和軸向激振器組成，安裝在主軸箱上。采用非接觸法，利用電磁鐵的吸力將一個(gè)芯軸安裝在主軸端部，然后以不同頻率振動(dòng)，用傳感器檢測此時(shí)的位移。

圖1  動(dòng)態(tài)剛度測量系統原理

3、測量實(shí)例

當轉速為5 000 r/ min，且主軸在徑向振動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)剛度測量實(shí)例如圖2所示。X軸為輸入頻率，Y軸為量綱一的剛度。當頻率為900 Hz左右時(shí)剛度降低，并能確定主軸在徑向的一維固有頻率。

此外，主軸方向和轉速對固有頻率測量的影響如圖3所示。主軸固有頻率隨轉速的變化而變化，并且結果也隨主軸方向的不同而變化，這與考慮運行時(shí)軸承接觸角變化和主軸方向影響的理論值有很好的一致性，表明主軸運行時(shí)可測量主軸剛度。

圖2   動(dòng)態(tài)剛度測量實(shí)例

圖3   主軸方向和轉速對固有頻率測量的影響

基于以上結果，認為采用動(dòng)態(tài)剛度測量系統將使以下方面成為可能。

1)主軸靜止時(shí)的剛度和固有頻率的測量——以與常規方法相同的方式應用于預緊力控制。

2)主軸轉動(dòng)時(shí)的剛度和固有頻率的測量——通過(guò)確定主軸固有頻率，有助于優(yōu)化加工條件，如防止抖振。

此外，由于在運行過(guò)程中測量主軸特性成為可能，相信在未來(lái)有可能通過(guò)主軸異常診斷等手段對主軸單元狀態(tài)進(jìn)行監測，并將繼續推動(dòng)發(fā)展建立動(dòng)態(tài)剛度測量系統。

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