機(jī)床主軸動態(tài)剛度測量系統(tǒng)

    隨著設(shè)備智能化的提高，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，對機(jī)床設(shè)備熱位移的監(jiān)測和補(bǔ)償、幾何誤差的測量和補(bǔ)償?shù)忍岢隽艘?。為了防止抖振和進(jìn)行主軸異常診斷以及預(yù)測剩余壽命等，需要通過軸承運(yùn)行狀態(tài)的可視化來促進(jìn)主軸單元狀態(tài)的監(jiān)測。

1、常規(guī)主軸性能控制存在的問題

影響主軸性能的主要因素為軸承預(yù)緊力。較大的預(yù)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(yù)緊力有利于高速、發(fā)熱和壽命特性，但不利于剛度。此外，預(yù)緊力變化會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(wěn)定主軸性能的一種潛在方法是適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力控制。

軸承預(yù)緊力通常根據(jù)主軸固有頻率、軸向靜剛度或啟動力矩進(jìn)行設(shè)置，這些參數(shù)通常在主軸靜止時(shí)進(jìn)行測量。然而，在加工過程中，主軸是旋轉(zhuǎn)的，因此預(yù)緊力會隨著離心力和熱量的影響而變化。此外，在主軸方向可改變的機(jī)床中，預(yù)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)際上沒有在主軸運(yùn)行期間測量預(yù)緊力的情況。

JTEKT公司采用磁軸承技術(shù)開發(fā)的動態(tài)剛度測量系統(tǒng)，能在任意運(yùn)行狀態(tài)下測量主軸性能。 

2、設(shè)計(jì)特點(diǎn)

動態(tài)剛度測量系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)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芯軸安裝在主軸端部，然后以不同頻率振動，用傳感器檢測此時(shí)的位移。

圖1  動態(tài)剛度測量系統(tǒng)原理

3、測量實(shí)例

當(dāng)轉(zhuǎn)速為5 000 r/ min，且主軸在徑向振動時(shí)的動態(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(dāng)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(zhuǎn)速對固有頻率測量的影響如圖3所示。主軸固有頻率隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，并且結(jié)果也隨主軸方向的不同而變化，這與考慮運(yùn)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(yùn)行時(shí)可測量主軸剛度。

圖2   動態(tài)剛度測量實(shí)例

圖3   主軸方向和轉(zhuǎn)速對固有頻率測量的影響

基于以上結(jié)果，認(rèn)為采用動態(tài)剛度測量系統(tǒng)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(guī)方法相同的方式應(yīng)用于預(yù)緊力控制。

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

此外，由于在運(yùn)行過程中測量主軸特性成為可能，相信在未來有可能通過主軸異常診斷等手段對主軸單元狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并將繼續(xù)推動發(fā)展建立動態(tài)剛度測量系統(tǒng)。

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