葉 鈺，袁 江，邱自學(xué)，劉傳進

（1.南通大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.南通國盛機電集團有限公司，江蘇 南通 226002）

1 引言

高速電主軸是現(xiàn)代精密機床的核心部件，相較于傳統(tǒng)機床，其驅(qū)動電機安置于主軸內(nèi)部，可降低機床設(shè)計難度，這種緊湊的結(jié)構(gòu)使其具有重量小、動態(tài)特性好、能改善機床的動平衡等諸多優(yōu)點，故在超高速機床中得以廣泛應(yīng)用。但隨著當(dāng)下對加工精度要求的不斷提高，電主軸本身存在的振動、熱變形等問題帶來的影響日趨明顯[1-3]。高速電主軸的各項指標參數(shù)反映了其性能高低，作為機床的獨立單元，對電主軸性能指標的研究至關(guān)重要，所以需要通過傳感器及其他設(shè)備檢測其運轉(zhuǎn)中的狀態(tài)，根據(jù)獲取的信號來分析電主軸在高速旋轉(zhuǎn)中的性能變化。

目前國內(nèi)外學(xué)者對高速電主軸的參數(shù)測量已經(jīng)取得諸多研究成果。文獻[4]在機床及其環(huán)境周邊放置35個DS18B20數(shù)字式溫度傳感器來研究環(huán)境溫度對主軸熱變形的影響；文獻[5]采用兩個激光多普勒測振儀測量電主軸的徑向和軸向運動，對其回轉(zhuǎn)精度進行了評價；文獻[6]利用壓電式傳感器對轉(zhuǎn)子進行動平衡實驗，通過STM32F103RCT6 微處理器將傳感器獲取的電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，能快速提取振動信號；文獻[7]采用電容位移傳感器和精密標準球相結(jié)合的方式測量電主軸的軸向熱變形量。上述研究雖然完成了對目標參數(shù)的測量，但是未將多種參數(shù)結(jié)合在一起考慮，比如溫度、振動、環(huán)境因素的綜合測量。且對數(shù)據(jù)的獲取基本通過有線傳輸，若測點較多則難免會出現(xiàn)布線繁雜、操作難度高等問題。

為多方位考慮轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度、冷卻等因素對電主軸熱誤差及振動的影響，設(shè)計了一套用于電主軸在運轉(zhuǎn)過程中振動、溫度、熱延伸等多參數(shù)的綜合測試系統(tǒng)，包括搭載了可安裝不同型號、尺寸大小電主軸的裝夾裝置的實驗平臺、振動信號采集模塊、溫度采集模塊、軸向位移采集模塊以及基于LabVIEW 平臺開發(fā)的上位機軟件，可實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括振動信號的濾波和時域分析，溫度和熱延伸初始信號的數(shù)值轉(zhuǎn)換以及最后結(jié)果的顯示和存儲?；赗FID傳感標簽技術(shù)設(shè)計并制作了溫度傳感標簽，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。通過精度對比測試驗證了該測試系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性，可應(yīng)用于現(xiàn)場測試。

2 測試系統(tǒng)設(shè)計

2.1系統(tǒng)原理

該測試系統(tǒng)由實驗裝夾平臺、電主軸系統(tǒng)、振動檢測模塊、溫度檢測模塊、位移檢測模塊、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、PC及上位機軟件等子系統(tǒng)組成，如圖1所示。通過變頻器啟動電主軸并調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速；增壓水泵將經(jīng)冷水機冷卻后的水送入電主軸冷卻套循環(huán)流動形成冷卻系統(tǒng)；加速度傳感器以磁力座吸附于軸身徑向位置；激光位移傳感器安裝于主軸前端并與主軸中心延長線保持重合；在軸身外殼上分布多個溫度傳感標簽來實現(xiàn)電主軸溫度的無線監(jiān)測，標簽內(nèi)部處理器將溫度數(shù)據(jù)和對應(yīng)標簽編號發(fā)送至接收端；所有數(shù)據(jù)最終經(jīng)各自信號接收端通過RS232轉(zhuǎn)USB串口傳送至上位機軟件作進一步分析處理。

圖1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structure Composition of Test System

2.2 溫度檢測模塊

研究表明主軸熱誤差是數(shù)控機床在生產(chǎn)過程中最大的誤差，占總加工誤差的（40～70）%。主軸的熱態(tài)特性是影響機床加工精度的關(guān)鍵因素[8-9]。為監(jiān)測電主軸溫度變化，設(shè)計了溫度采集標簽，如圖2所示。由熱電阻、RTD至數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換器、無線收發(fā)模塊、微處理器、穩(wěn)壓模塊、電源組成。熱電阻相對于數(shù)字式傳感器可更好地抵抗磁場干擾；其體積僅米粒大小，方便測點布置；三線制接法可消除引線電阻的誤差。熱敏電阻至數(shù)字轉(zhuǎn)換器選用MAX31865轉(zhuǎn)換模塊，其內(nèi)置15位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、輸入保護、數(shù)字控制器、SPI兼容接口以及相關(guān)控制邏輯電路，微處理器通過SPI兼容接口與MAX31865 轉(zhuǎn)換模塊進行通信后讀出鉑電阻測得的溫度數(shù)據(jù)；通過NRF905無線發(fā)射模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

圖2 溫度采集標簽結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure Diagram of Temperature Collection Label

溫度接收端包括微處理器模塊、無線接收模塊、液晶顯示模塊、電平轉(zhuǎn)換模塊、穩(wěn)壓模塊等，如圖3所示。MAX232芯片可完成單片機輸出的TTL電平與計算機識別的232電平之間的轉(zhuǎn)換，進而進行通信。接收模塊需接收多個標簽的數(shù)據(jù)，為便于調(diào)試且清楚顯示數(shù)據(jù)，采用0.91寸OLED12832顯示模塊進行數(shù)據(jù)顯示，具有對比度高，功耗低等優(yōu)點，通過I2C接口與微處理器進行通信。

圖3 接收端結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure Diagram of Receiving Module

相較于傳統(tǒng)實驗測試該模塊無需復(fù)雜的布線操作，使用傳感標簽技術(shù)獲取數(shù)據(jù)可在保證精度的前提下既可以穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)又可以降低測試系統(tǒng)的局限性和復(fù)雜度。

2.3 位移檢測模塊

電主軸在高速運轉(zhuǎn)的過程中存在熱延伸現(xiàn)象，研究發(fā)現(xiàn)溫度對主軸軸向熱延伸誤差的影響大于徑向熱漂移誤差[10]，電主軸的熱延伸是軸向緩慢變化的過程，且變化量僅為微米級，故測試系統(tǒng)對位移檢測傳感器的精度要求較高。選用日本基恩士公司LK-H025系列激光位移傳感器，如圖4所示。

圖4 傳感器測頭安裝與控制器接口接線示意圖Fig.4 Sensor Probe Installation and Controller Wiring Diagram

采樣前先將測頭以漫反射安裝方式固定在夾具上。由于測頭檢測范圍為（20±3）mm，安裝時需注意測頭與熱變形測點的距離。設(shè)置測量類型為“位移”，采樣周期默認設(shè)置為200μs，為便于位移信號的實時記錄以及與后續(xù)溫度數(shù)據(jù)的對比分析，需將位移信號輸送至上位機軟件，利用6P6C水晶接頭引出控制器的網(wǎng)端通訊I/O，通過RS232轉(zhuǎn)USB串口與電腦連接通信進行數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 振動檢測模塊

機床在高速磨削作業(yè)時的振動大小與主軸轉(zhuǎn)速、溫度、軸承預(yù)緊力等息息相關(guān)，電主軸作為機床的主要運動部件，其振動量對刀具的磨損和產(chǎn)品的加工精度影響極大，甚至影響到整個機床系統(tǒng)的穩(wěn)定性[11-12]。選用國內(nèi)某公司生產(chǎn)的基于Zigbee 無線數(shù)據(jù)通訊的三軸MEMS加速度傳感器，其特點是無可移動的機械零件，在振動和沖擊環(huán)境中具有很好的穩(wěn)定性。系統(tǒng)原理，如圖5所示。該傳感器底部添加了磁力座的設(shè)計，可緊固吸附在電主軸機殼上，保證測試過程中準確獲取電主軸振動加速度值。數(shù)據(jù)接收模塊通過RS232轉(zhuǎn)USB串口和電腦通訊，利用LabVIEW 編寫上位機程序采集并處理數(shù)據(jù)，同時在前面板實時顯示振動信號的波形，可直觀了解主軸運轉(zhuǎn)過程中的振動變化。

圖5 振動信號采集Fig.5 Vibration Signal Acquisition

2.5 軟件設(shè)計

以LabVIEW2013 平臺設(shè)計并開發(fā)上位機軟件，軟件流程，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.6 System Software Flow Chart

首先在前面板完成串口選擇、波特率、采樣頻率等參數(shù)的初始化配置；然后用VISA寫入函數(shù)向測試區(qū)分別寫入激光位移傳感器和加速度傳感器各自對應(yīng)的信號采集指令：MM100000000000、0xAA0x550x7F0x20；測試區(qū)收到信號采集指令后開始執(zhí)行測試任務(wù)并回傳數(shù)據(jù)；上位機接收數(shù)據(jù)后對獲取的原始信號進行相應(yīng)處理，然后將各個測點溫度、熱延伸量、加速度值及相應(yīng)波形顯示于前面板，便于觀察分析；最后將數(shù)據(jù)通過創(chuàng)建數(shù)組的方式寫入Excel表格文檔保存，方便后續(xù)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出和調(diào)用。

溫度傳感標簽工作流程，如圖7所示。由于各傳感標簽的標志位不同，在讀取信號后先通過截取字符串函數(shù)獲取標簽標志位，然后用條件結(jié)構(gòu)進行判斷歸類，再對溫度數(shù)據(jù)進行顯示并保存。當(dāng)多個標簽與接收端通信時，標簽和接收端分別為發(fā)射模式和接收模式，接收端檢測到同一頻段載波后進入地址匹配，當(dāng)識別到同一地址后開始接收數(shù)據(jù)。命令端工作流程，如圖7（a）所示。命令端一開始設(shè)置為發(fā)射模式，定義一個自加變量i，并把變量值賦給TxBuf［0］，標簽端設(shè)置為接收模式，等待接收命令端指令；標簽收到信息后進行如下判斷：若RxBuf［0］與自身的標簽編號值相等，則獲取溫度數(shù)據(jù)并將原接收模式改為發(fā)射模式，給接收端發(fā)送數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)接收下一個信號。

接收端工作流程，如圖7（b）所示。接收到數(shù)據(jù)信息后進行顯示，此時串口處于接收中斷使能狀態(tài)，若收到上位機的數(shù)據(jù)獲取命令，則進行串口發(fā)送中斷使能，將收到的信息發(fā)送至上位機。

圖7 溫度傳感標簽工作流程圖Fig.7 Temperature Sensing Label Flow Chart

3 實驗與分析

在設(shè)計的實驗平臺上安裝激光位移傳感器滑動支架和電主軸裝夾平臺，如圖8所示。配合相應(yīng)的夾具可以根據(jù)實際需要安裝不同型號尺寸的電主軸進行測試。在底部4個底腳各安裝1只福馬輪，除了固定支撐和調(diào)節(jié)實驗平臺的高度之外，還可借助滾輪移動實驗平臺，使其具有良好的機動性，可保證測試不受場地限制，在該平臺上進行實驗測試以驗證該系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

圖8 實驗平臺Fig.8 Test Platform

3.1 精度實驗

將溫度傳感標簽安裝于電主軸前軸承表面，選用工廠測試常用的紅外測溫儀和溫度標簽測量同一點溫度進行精度對比實驗。電主軸以6000r/min的轉(zhuǎn)速運行80min，每4min記錄一次溫度數(shù)據(jù)，溫度數(shù)據(jù)，如圖9所示。

圖9 溫度傳感標簽與紅外測溫儀測試對比Fig.9 Comparison of Intelligent Sensor Label and Infrared Thermometer

溫度傳感標簽與紅外測溫儀測得的前軸承位置溫度數(shù)據(jù)相對誤差最大不超過6.2%，如圖10所示。且未受到電主軸強磁場的干擾，溫度標簽在整個測試過程中接收數(shù)據(jù)穩(wěn)定，表明本測試系統(tǒng)溫度采集模塊精度較高，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強。

圖10 相對誤差Fig.10 Relative Error

測試系統(tǒng)的位移檢測模塊采用激光位移傳感器。激光位移傳感器是現(xiàn)在工業(yè)上廣泛應(yīng)用的檢測裝置，精度較高，所選用的基恩士LK-H025特點是檢測光點小（25μm）、重復(fù)精度高（0.02μm），足夠滿足測試要求，故不再作精度對比。在一般振動測試中激光位移傳感器也可以用于振動測量，即以測點位移變化來反應(yīng)振動大小。但激光位移傳感器和電渦流傳感器等非接觸式傳感器對高頻信號并不敏感，而機械故障往往以高頻信號來表現(xiàn)，加速度傳感器可敏銳感知高頻信號，為故障預(yù)警提供保障。選用兩種常用類型的加速度傳感器VB20和ACC375進行精度對比實驗，兩者參數(shù)對比，如表1所示。將兩種傳感器分別安裝于同一電主軸的相同位置，記錄電主軸在6000r/min轉(zhuǎn)速下的振動量，在記錄數(shù)據(jù)中取電主軸運轉(zhuǎn)相同間隔時間的振動量對比，如表2所示。

表1 加速度傳感器指標參數(shù)Tab.1 Acceleration Sensor Index Parameters

表2 振動數(shù)據(jù)對比（mm/s2）Tab.2 Vibration Data Comparison（mm/s2）

測試系統(tǒng)選用的VB20加速度傳感器具有更高的測量范圍，可保證測試的精確性；通過磁力座吸附于測試位置，安裝方便，不會對電主軸造成損傷；測試數(shù)據(jù)可以通過無線傳輸?shù)姆绞将@取，提高了測試系統(tǒng)的簡便性。對比表2傳感器的測量數(shù)據(jù)，誤差最大不超過0.02704mm/s2，在價格相近的前提下，本測試系統(tǒng)選用的加速度傳感器測量范圍更大、安裝和數(shù)據(jù)傳輸更簡便、精度更高，能更好的滿足測試需要。

3.2 實驗測試及數(shù)據(jù)分析

為確保該測試系統(tǒng)的可行性，進行如下實驗：選用國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的ER16系列高速水冷電主軸作為測試對象，其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，如表3所示。將加速度傳感器水平安置在電主軸徑向位置測量徑向振動量；選用4個溫度傳感標簽安裝在電主軸前后端及線圈附近機殼上；通過無線傳輸?shù)姆绞将@得振動加速度信號和溫度信號至上位機軟件；通過變頻器驅(qū)動電主軸并調(diào)節(jié)電主軸轉(zhuǎn)速使其在6000r/min轉(zhuǎn)速下運行80min至溫升達到穩(wěn)定狀態(tài)，得到的溫度和熱延伸數(shù)據(jù)，如圖11、圖12所示。

圖11 溫升曲線Fig.11 Temperature Rise Curve

圖12 熱延伸數(shù)據(jù)Fig.12 Thermal Extension Data

表3 電主軸指標參數(shù)Tab.3 Motorized Spindle Index Parameters

從圖11和12中可以看出，電主軸熱延伸量和測點溫度呈先上升后穩(wěn)定的趨勢，在前30min內(nèi)增速最快，后續(xù)趨于穩(wěn)定，整體呈非線性變化。對于電主軸發(fā)熱源：電磁線圈（標簽2）的溫度值較低，這是因為溫度傳感標簽布置在主軸前端靠近轉(zhuǎn)軸的線圈部位的表面，受電主軸冷卻結(jié)構(gòu)的影響，不能較為準確的獲取主軸內(nèi)部電磁線圈位置的實際溫度值。

將上位機軟件保存的振動數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab中繪制出電主軸振動的時程曲線圖，如圖13所示。

圖13 振動信號Fig.13 Vibration Signal

從圖13中可以看出，電主軸的振動在一開始有很大的沖擊后逐漸減緩，運轉(zhuǎn)一段時間后，振動幅值開始增大，最后趨于穩(wěn)定。一開始的沖擊峰值是由于電主軸剛啟動時潤滑不夠充分，導(dǎo)致其在剛開機運行時振動瞬間增大，隨著主軸運轉(zhuǎn)，潤滑油氣開始均勻分布在轉(zhuǎn)軸各處，減緩主軸的振動。但是隨著溫度開始上升，金屬材料升溫膨脹，進而導(dǎo)致電主軸剛性結(jié)構(gòu)變化，從而影響主軸的振動。結(jié)合電主軸溫度測點的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)振動、溫升和熱延伸三者的變化過程很吻合。主軸隨著溫度升高產(chǎn)生熱誤差，引起主軸結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，振幅開始隨之上升，溫升穩(wěn)定后，溫度場對主軸結(jié)構(gòu)的影響不再增大，軸向熱延伸逐漸減小，主軸振幅也恢復(fù)平穩(wěn)。電主軸溫度對振動的影響關(guān)系，如圖14所示。

圖14 溫度-振動影響關(guān)系圖Fig.14 Influence Diagram of Temperature and Vibration

4 結(jié)論

設(shè)計一套電主軸熱誤差及振動測試系統(tǒng)，可以實現(xiàn)不同型號尺寸的電主軸在高速運轉(zhuǎn)過程中的溫度、軸向熱延伸及振動等多種因素的實時監(jiān)測。基于無線射頻識別技術(shù)設(shè)計了溫度傳感標簽可實現(xiàn)主軸溫度的無線監(jiān)測，相較于傳統(tǒng)測試省去了復(fù)雜的布線操作，在保證測量精度的前提下，提高了測試的便利性；以LabVIEW 平臺開發(fā)了上位機軟件可對原始信號作預(yù)處理并實時顯示和保存數(shù)據(jù)；通過實驗驗證了該系統(tǒng)可以有效獲取所需數(shù)據(jù)信息，通信協(xié)議簡單，功耗低，信號傳輸穩(wěn)定，有助于進一步深入研究電主軸溫度、熱變形、振動等因素之間的相互作用關(guān)系。