陳佳炳 邵錚楊 徐華通 張中明 吳曉蘇

（杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控機(jī)床維修中心，杭州 310018）

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機(jī)床主軸徑向跳動(dòng)測量方法的改進(jìn)設(shè)計(jì)

陳佳炳 邵錚楊 徐華通 張中明 吳曉蘇

（杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控機(jī)床維修中心，杭州 310018）

摘 要：為了解決現(xiàn)有主軸徑向跳動(dòng)測量方法中數(shù)據(jù)量少、無法提供可視化圖形分析的難題，本研究采用杠桿、轉(zhuǎn)軸以及齒輪等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來改變可變電阻輸出值，將微小機(jī)械量位移轉(zhuǎn)換成微弱電信號(hào)，然后通過信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集和觸摸屏等環(huán)節(jié)組成數(shù)值處理系統(tǒng)。計(jì)算和圖形分析顯示，采用特殊工藝制作的可變電阻輸出值與線性機(jī)械位移量之間可以呈現(xiàn)嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，繪制出光滑的圖形曲線，從而更有效地指導(dǎo)技術(shù)工人進(jìn)行調(diào)試工作。研究結(jié)果表明，采用精密電阻作為微小機(jī)械偏移量傳感器，在信息處理方面比傳統(tǒng)測量方式具有更好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：主軸 徑向跳動(dòng) 精密電阻 數(shù)據(jù)采集

引言

數(shù)控機(jī)床主軸具有保證支承剛性、通過卡盤連接工件、輸出扭矩以及保證回轉(zhuǎn)精度（徑向跳動(dòng)精度及軸向竄動(dòng)精度）等作用[1]，其中徑向跳動(dòng)測量是關(guān)鍵技術(shù)之一。機(jī)床主軸在運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)發(fā)生一定程度的徑向跳動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)將影響零件的加工精度，并過早地導(dǎo)致刀具的損壞。其常見原因包括載荷不均勻、主軸箱受到撞擊或者金屬零件本身存在一定的缺陷等，從而造成錐孔局部變形、主軸的軸承磨損或者彎曲[2]。可見，在機(jī)床維修過程中，準(zhǔn)確測量主軸徑向跳動(dòng)數(shù)據(jù)將為技術(shù)工人檢測、調(diào)整和維修主軸設(shè)備提供重要的依據(jù)。反之，不正確的測量方式得到的數(shù)據(jù)將會(huì)對(duì)調(diào)整過程產(chǎn)生錯(cuò)誤的指導(dǎo)作用，并導(dǎo)致主軸維修工作的失敗。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 原有測量方式說明

圖1是采用人工方法測試主軸的徑向跳動(dòng)示意圖。人工測試主軸徑向跳動(dòng)方法描述如下：首先，將檢測棒插入主軸頭下的錐孔中并鎖緊，用手輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)，如果沒有感覺到明顯阻力，表明測試棒安裝完畢。其次，在主軸端部A點(diǎn)和距離端部300mm處B點(diǎn)先后進(jìn)行徑向跳動(dòng)測試。測量工具是指示器，采用直讀式千分表，從起始點(diǎn)開始，每隔90°讀取一個(gè)數(shù)據(jù)，直至讀完。最后，對(duì)這些樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行人工處理。這時(shí)，通常將測量中的負(fù)向和正向擺動(dòng)差值的絕對(duì)值作為最終計(jì)算結(jié)果。

圖1 傳統(tǒng)測量主軸徑向跳動(dòng)示意圖

1.2 原有技術(shù)的主要缺點(diǎn)

盡管上述過程是目前業(yè)界最常使用的測量方法，但是其缺陷也很明顯。第一，該測量方法采用人工觀察儀表讀數(shù)，讀取數(shù)據(jù)因?yàn)閭€(gè)體原因存在一定的差別。同時(shí)，采用手工記錄手段其數(shù)據(jù)容易受到意外的修改，從而給調(diào)試工作帶來困難。第二，該測量方式只能測量出主軸的最大徑向跳動(dòng)數(shù)值，卻無法判斷出主軸相關(guān)部件在某個(gè)具體部位的扭曲情況，即缺乏一個(gè)具有解析作用的立體圖形，而技術(shù)工人依然還要通過經(jīng)驗(yàn)來調(diào)整主軸系統(tǒng)。第三，由于數(shù)據(jù)是手工記錄，所以大量數(shù)據(jù)無法在線采集和保存，不利于今后利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備的故障診斷、分析和排除工作。

2 測量方法的改進(jìn)

2.1 總體方案的改進(jìn)設(shè)計(jì)

圖2是一種由線位移測量傳感器、可編程控制器、變頻器和觸摸屏等元件組成的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的新方案。其中，位移傳感器采用的是通過專用設(shè)備修刻過的高精密電阻[3]，最小能夠感受測試棒0.2μm的位移量。通過變送器可以將其轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流信號(hào)。該信號(hào)由可編程控制器采集、存儲(chǔ)并運(yùn)算。測試過程中，通過屏幕命令，可使變頻器控制主軸電機(jī)轉(zhuǎn)過合適的角度，并同時(shí)采集數(shù)據(jù)，觸摸屏幕用于顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、運(yùn)算結(jié)果等；也可以啟動(dòng)或停止各種操作等。比較圖1和圖2的虛線框部分，前者是人工測量，后者是自動(dòng)測量。自動(dòng)測量中，一次按下啟動(dòng)鍵后，所有動(dòng)作與數(shù)據(jù)處理將自動(dòng)完成，并生成數(shù)據(jù)表格和圖形。

圖2 改進(jìn)后的主軸徑向跳動(dòng)測量方案

2.2 傳感器設(shè)計(jì)

為了克服傳統(tǒng)杠桿式指示器無法直接獲得電學(xué)量測量信號(hào)諸如電壓、電流或者電阻值等缺點(diǎn)[4]，我們重新設(shè)計(jì)了傳感器的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。Ci是傳統(tǒng)的檢棒；S1是新設(shè)計(jì)的傳感器測量頭；S2是反力彈簧；BL是起固定作用的鐵板；LE是齒條，GE是齒輪，通過兩者之間的嚙合，將傳感器在直線方向的偏移量轉(zhuǎn)換成指針PT的角位移；Rx是由康銅組成的電阻絲，其本身被緊密地繞制在圓形骨架上，并通過指針與電阻絲之間的相對(duì)滑動(dòng)，精確地將線位移量轉(zhuǎn)換成電阻變化量；而Rx、R1、R2和R3組成了一個(gè)平衡電橋，在標(biāo)準(zhǔn)電勢E的作用下，電橋兩端輸出值為Ub的電動(dòng)勢。該信號(hào)可以通過圖2所示的可編程控制器所接收，并形成標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA的信號(hào)。

圖3 線性位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4 西門子PLC數(shù)據(jù)采集程序樣例

由于可編程控制器具有性能穩(wěn)定、指令豐富以及性價(jià)比優(yōu)越等特點(diǎn)，所以采用可編程控制器來采集傳感器信號(hào)是一種比較好的選擇[5]。圖4是采用西門子S7-200系列可編程控制器梯形圖編寫的一部分?jǐn)?shù)據(jù)采集程序。其中，SM0.0是一個(gè)?！?”節(jié)點(diǎn)，表示其后的運(yùn)算模塊恒常有效。I_DI模塊是將線位移傳感器的16位帶符號(hào)整數(shù)轉(zhuǎn)換成32位帶符號(hào)整數(shù)，以提高整體的運(yùn)算精度，轉(zhuǎn)換后的存儲(chǔ)地址是VD100；DI_R模塊是將32位帶符號(hào)整數(shù)轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)，轉(zhuǎn)換后的存放地址是VD104；MUL_R和ADD_R分別是乘法和加法模塊，分別用來計(jì)算直線方程的斜率和截距，VD112存放的是當(dāng)前采集的線性位移量，單位是μm。由于梯形圖在運(yùn)算過程中采用功能模塊，所以其在形式上并不是很直觀。

現(xiàn)在描述其數(shù)學(xué)處理過程。為了在內(nèi)存中能夠正確測量到線位移測量值，這里需要建立一個(gè)直線方程，即式（1）。

其中，x代表從線位移傳感器中所獲得的無量綱整數(shù)，其全量程數(shù)值范圍是0～32700；y代表線性位移工程量，單位是μm，數(shù)值范圍是0～1000；k為直線方程的斜率；b為直線方程的截距。對(duì)于一個(gè)已知直線方程來說，其靜態(tài)斜率計(jì)算過程如下：

為了計(jì)算截距，將一個(gè)特殊點(diǎn)P1（6400，0）帶入式（1），得：

因此，根據(jù)前面的斜率k和截距b，我們可以寫出如下的直線方程：

這個(gè)表達(dá)式滿足以下條件：y∈[0,1000]，x∈[[6400,32000]]。圖5是線性測量方程的建立方法，其有效測量范圍是0～1000μm。

圖5 線性測量方程的建立方法

4 圖形實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將可編程序控制器中所采集的各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)以光滑的形式連接起來，形成如圖6所示的圖形。將檢測到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)學(xué)模型，首先在屏幕上會(huì)顯示出理想圓柱體[6]。接著，根據(jù)剛才所測量的數(shù)據(jù)，會(huì)顯示出實(shí)際的圓柱體。由于這些數(shù)據(jù)是在理想圓柱體曲線上形成的增量，因此這兩個(gè)圓柱體是有差別的。差別越大，說明主軸徑向跳動(dòng)誤差越大[7]。由于是圖形化顯示，所以可以清晰地顯示主軸有關(guān)部件扭曲的具體位置。這對(duì)指導(dǎo)技術(shù)工人調(diào)整主軸機(jī)構(gòu)具有重要的指導(dǎo)意義。

在直角坐標(biāo)系X-Y-Z中，左邊是標(biāo)準(zhǔn)圓柱體O，右邊是實(shí)測圓柱體O’。其中，Pu1、Pu2、…、Pun是上端各點(diǎn)圓柱體邊緣偏差值，Pd1、Pd2…Pdn是下端各點(diǎn)圓柱體邊緣偏差值。在另一個(gè)直角坐標(biāo)系X-Y中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ是4個(gè)象限中的邊緣偏差值。當(dāng)所有偏差值均小于規(guī)定值δ時(shí)，主軸的徑向跳動(dòng)是合格的；反之，是不合格的，需要進(jìn)行人工調(diào)整。可見，基于數(shù)據(jù)采集的圖形顯示，為現(xiàn)場維修人員提供了更為直觀的主軸徑向跳動(dòng)信息。

圖6 數(shù)據(jù)采集與圖形處理

5 結(jié)束語

主軸徑向跳動(dòng)在數(shù)值上看起來很小，但是一定的誤差仍然會(huì)給刀具帶來巨大的影響。只有降低這一徑向跳動(dòng)誤差，才有可能大大提高刀具的使用壽命和生產(chǎn)效率[8]。主軸徑向跳動(dòng)測量方法的數(shù)字化與圖形化為主軸性能調(diào)整和維修提供了重要依據(jù)。本研究采用通過可變電阻的變化來反映實(shí)際的機(jī)械裝置的位移量變化。由于這個(gè)電阻在特種設(shè)備上經(jīng)過精密修刻過，其電阻值精確且穩(wěn)定，所以在一定條件下測量得到的數(shù)據(jù)比起傳統(tǒng)的機(jī)械杠桿表更精確。這個(gè)測量手段的使用可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的在線信息收集、存儲(chǔ)、圖像處理以及數(shù)學(xué)建模等功能，對(duì)減輕數(shù)控機(jī)床維修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和提升維修工作的技術(shù)含量，具有重要的意義。

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Machine Tool Spindle Radial Runout Measurement Improvement Research

CHEN Jiabing,SHAO Zhengyang,XU Huatong,ZHANG Zhongming,WU Xiaosu
(Hangzhou Vocational and T echnical College of CNC machine tool repair center, Hangzhou 310018)

Abstract:In order to solve the existing main shaft radial runout measurement method of the data quantity is little and can't provide the problem of vis ual graphics analys is, this study adopts the lever, shaft, and gear transmission mechanism to change the variable resistance output value, converting displacement tiny mechanical quantity into a weak electrical signals, then through the signal conversion, data acquis ition and touch s creen of numerical processing system. Calculation and graphic analys is showed that the use of special craft of variable resistance between output value and linear mechanical displacement can be strict corresponding relation, which can draw the pattern of the smooth curve, aims to more effectively guide the technical workers f or debugging. The res earch res ults show that using precis e res istance as tiny mechanical dis placement s ensor in the as pect of information processing than traditional m easurement method has better application prospect.

Key words:spindle radial runout, precise resistance, data collection

基金項(xiàng)目：浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2015R452003）。