車床主軸旋轉精度測量系統設計*

魏協奔，曹艷彬，徐其航，申利鳳，孫培明

（揭陽職業技術學院，廣東揭陽 522000）

0 引言

車床是機械加工的重要設備之一，是衡量機械加工技術的重要機器。對于車床來說，其旋轉精度會極大地影響加工性能。車床的旋轉元器件包括齒輪箱、旋轉主軸、動力電機等部分，這些零部件組成的主軸系統影響了零件加工的精度、加工范圍以及加工的穩定性。在數控車床的加工中，主軸旋轉精度的高低會極大地影響所加工出來的零件的形狀精度、幾何精度、表面粗糙度以及表面質量。據不完全統計，在車床零件加工的產品中，有30%～50%的圓度誤差是由于車床主軸旋轉精度過大造成的，而且，在越精密的機床中，這種誤差就越明顯。隨著機械振動及故障診斷技術的不斷發展，在現代制造業的機械設備維修維護中，檢測傳感器的精度越來越高，監測方法也更多地從事后維修轉為在線監測。車床的旋轉精度是衡量車床性能的一個重要指標，是影響車床零件加工是否合格的主要因素。對車床主軸的測量以及回轉精度的信號分析，是對車床的振動監測及故障診斷的重要手段。因此，對機床主軸旋轉精度測量系統的設計也顯得尤為重要[1-2]。

在車削零件加工中，由于操作人員的技能不同，一般都會產生一定的加工誤差，而操作人員的加工技能是恒定的，加工誤差大的產品便成為廢品。因此，為了提高產品的合格率，必須提高機床的性能以及加工精度，此時，車床的主軸回轉精度就顯得特別重要。一般來說，影響車床零件加工精度的因素有設計誤差、機床的精密度、機床的制造誤差、夾具誤差、刀具誤差、彈性變形、工件本身受力受熱帶來的誤差、加工人員的測量或操作誤差等。在這些誤差中，對于車床來說，影響加工精度最大的是回轉精度。提高車床的回轉精度，可以提高零件的加工精度以及表面粗糙度，從而提高車床零件的加工精度。因此，如何測量和評定機床主軸的旋轉精度，提高現有機床的加工精度，越來越受到人們的重視[3-8]。

1 車床軸心軌跡測量

當軸系中心不平衡時，其重心不在軸心而造成不平衡，在主軸轉動時便會產生離心力，從而導致軸產生振動，引起軸運動中心圓過大。用裝于車床主軸軸承座上的x、y方向的電渦流傳感器來收集車床主軸在x及y方向的振動信號，通過將這兩個信號用算法進行相關法計算來反映軸在這兩個方向的振動及中心擺動情況，從而了解車床主軸的運動精度及其偏轉規律，進一步找到引起主軸不對中的原因。由于在一個方向的信息不能反映車床主軸的空間擺動方向，因此要綜合利用x及y方向的軸擺動產生的信號，通過相關法運算來描述軸在運行時的空間運動情況。

用軸在x、y方向的振動信號來分析軸的空間振動規律。由于轉軸是一個剛體，理論上分析軸的運動可用一條通過軸的軸線來等效。設x（t）及y（t）分別為在x及y方向的振動信號，用這兩個相互垂直的信號綜合成一個復量來描述軸的運動，如下所示：

車床的軸心軌跡是指車床在給定的轉速下，車床主軸軸心相對于軸承座在與軸線垂直的平面內的運行軌跡，一般為一條閉合的平面曲線。如果車床在運行時作用于轉子各個方向的約束力在所有徑向的大小都相等，且只有少許的殘余不平衡力作用于轉軸軸心上，這時軸心軌跡接近于一個圓形；如果作用于轉軸上的預載荷發生了變化，會導致車床轉軸振動加劇，從而使軸心軌跡形狀發生不同的變化。因此，可以通過了解車床主軸軸心軌跡形狀及其變化來獲得重要的車床運行信息。具體地說，車床主軸的軸心軌跡可用來確定車床主軸轉軸的最大振幅值及其振動方向，從而進一步確定車床主軸的渦動方面及其頻率，進一步診斷車床主軸的不平衡或中心不對中等故障。車床軸心位置是指車床主軸轉軸中心在不考慮徑向振動時，車床軸心相對于軸承座的位置。通過直流間隙電壓信號做出的轉軸中心位置圖來反映車床主軸軸心在軸承中隨機器轉速變化的函數曲線圖，進一步反映作用于車床主軸上的各種力的變化或運行條件改變而影響車床主軸軸載荷的情況。可以根據軸心在圖上的移動情況來得到有關軸承的運行狀況及趨勢、轉軸位置角、空間角和平均偏心率等機器狀態信息。最后，用診斷軸系不對中、主軸密封摩擦、軸承磨損或裝配松動等常見機器故障的特征信號來判斷車床的具體故障類型和故障位置。通過車床主軸軸心位置圖可判斷車床主軸軸頸是否處于正常位置、主軸對心情況、車床主軸軸承安裝是否合適、主軸的軸承選用是否合理等，同時還能反映出車床主軸的磨損情況。

2 車床主軸旋轉精度測量系統設計

和加速度傳感器的安裝相比，電渦流傳感器的安裝比較麻煩，主要體現在探頭的固定上，很多時候都要另外設計支架來固定電渦流傳感器。除了測試目標之外，傳感器附近其他金屬物的存在，以及不適當的安裝位置，都會影響正確測試。為確保精確的振動檢測，必須滿足以下條件。

（1）測試目標的表面必須大于傳感器末端直徑的3倍以上。

（2）傳感器末端直徑3倍以內的范圍內不能存在導電材料。

（3）為避免傳感器之間的相互影響，傳感器之間的距離必須大于傳感器末端直徑的10倍以上。

（4）應用足夠剛性的方式進行安裝，避免傳感器振動。

另外，傳感器離測點表面不能太近，具體要求和傳感器的型號有關，測量主軸旋轉精度時，一般要裝夾標準件。通常是在一個平面內正交的兩個方向分別安裝一個探頭，即兩個測點相差90h，如圖1所示。

探頭的安裝位置應盡量靠近標準件，電渦流傳感器的中心線應與軸心線正交。傳感器的監測軸表面1.5倍探頭直徑寬度的范圍內，由于電渦流傳感器的原理要求，測量的圓周面應無刻畫痕跡、無表面坑洼或不連續的表面，而且在傳感器的范圍內不能有噴鍍金屬或電鍍，測量表面的粗糙度應控制在0.4～0.8μm之間。

圖1 電渦流傳感器安裝方法

3 系統測試

徑向跳動量測試實驗，使用ENTEK2100系列電渦流傳感器測量車床主軸旋轉精度。以標準件水平徑向為x、豎直方向為y，分別在x、y方向安裝電渦流傳感器；測量主軸的徑向跳動量，x、y方向分別裝上傳感器，且x與y相互垂直；以軸心軌跡圖、波形圖、頻譜圖形式顯示出來。如圖2～4所示，CH1為車床主軸水平方向x；CH2為車床主軸垂直方向y。以不同速度進行車床空轉測試。

圖2 260 r/min軸心軌跡圖

圖3 800 r/min軸心軌跡圖

圖4 1 120 r/min軸心軌跡圖

主軸在空轉轉速為105 r/min、260 r/min、560 r/min、800 r/min、1 120 r/min的測量結果如表1所示。

表1 主軸在不同空轉轉速下的測量結果

由測量結果可知，在260 r/min和1 120 r/min時，x方向的振幅最大，從波形圖可以看出其波形上下兩部分明顯不對稱，比較穩定、光滑、重復性好；從頻譜圖看，其最大振幅都出現在25 Hz，說明其方向上的回轉精度不好，出現不平衡情況。產生的原因可能是由于安裝在x方向的傳感器是貼在車床上的，在260 r/min和1 120 r/min的25 Hz，主軸頻率與車床本身的低頻固定頻率，即第一階固有頻率接近，振動會被增幅或減幅。這次實驗就是增幅，需要調整安裝位置后再測260 r/min和1 120 r/min，而在其他轉速情況，x、y方向振幅保持在較穩定的范圍內，符合加工精度要求的范圍。

4 結束語

從實驗結果可以得出，本研究采用電渦流傳感器、XM120振動模塊、XM500網關模塊實現機床主軸旋轉精度的動態測量，有效解決了車床旋轉中軸心軌跡的檢測問題。研究車床主軸旋轉精度的測量方法，設計非接觸式測量系統來實現機床主軸旋轉精度的動態測量，并根據所采集信號初步估計車床主軸的運動情況，具有一定的理論依據及實際應用意義。