基于軸加速度加載的數控加工中心可靠性試驗

耿文劍 吳淇 李德爽

摘? ?要： 加速壽命試驗方案應用在傳統數控加工中心可靠性試驗中，且需要利用專用設備，多數制造企業不具備試驗條件。提出一種基于軸加速度加載的可靠性試驗方法，設計了G代碼程序，利用直線軸和回轉軸（主軸）的加速度—時間圖、速度—時間圖兩者相結合的方式反映載荷加載情況。該試驗方法原理簡單、操作容易、試驗周期短，載荷等效情況好于傳統載荷加載方式。各軸加速度、速度、等效載荷等指標通過評定，為相關制造企業自行開展數控加工中心可靠性驗證和評定工作提供了參考方法。

關鍵詞： 軸加速度;載荷;數控加工中心;可靠性試驗;主軸

中圖分類號：TG659? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 05-064-06

工業技術創新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.012

引言

加工設備可靠性是產品可靠性的保障[1]。近年來，隨著智能制造產業不斷發展，數控加工中心的技術水平被擺在越來越突出的位置，數控加工中心可靠性成為評定數控設備性能、評價加工產品耐用程度的主要指標之一[2]。

由于機床主軸復雜度較高、壽命周期較長，所以數控加工中心需要一種加速壽命試驗的可靠性方案。加速壽命試驗最早應用于電子產品，而后應用于機械產品，其一般對直線軸和主軸施加負載進行載荷試驗，在行業內受到了普遍認可。

以往，加速壽命試驗的開展需要利用專用設備進行，多數制造企業不具備試驗條件。本文提出一種實現簡單、結果可信度較高的，基于軸加速度加載的試驗方法，給出了直線軸和回轉軸（主軸）的G代碼程序，以及相應的加速度—時間圖和速度—時間圖，并在科德數控股份有限公司（以下簡稱“我公司”）自行研發生產的KMC800U數控加工中心中加以驗證，為相關企業自行開展數控加工中心可靠性驗證和評定工作提供指導。

1? 軸加速度加載試驗原理

數控加工中心可靠性試驗[3]一般指模擬現場試驗[4]和現場跟蹤統計試驗。如果數控加工中心的供應商或客戶需要快速了解到機床的可靠性情況，則一般采取模擬現場試驗的方式進行快速試驗。

加載試驗是最能夠體現機床性能和可靠性指標的試驗。加載試驗方法包括基于載荷譜的方法和基于工況譜的方法。在基于載荷譜的方法中，鑒于傳動系統實際工作時受到的載荷是變化的，因此相應的扭矩和速度也是變化的，不同檔位的使用頻繁程度又導致各個檔位的使用時間也各不相同，這三者之間的對應關系就是由載荷譜體現的。工況譜反映的是設備在特定工作狀況下各個參數之間的相互關系。

為考核機床各動作可靠性，對傳動系統（也就是各軸）反復施加0.75倍的軸向載荷，利用加載裝置施加負載和開展測試。而軸加速度加載試驗方法讓機床各傳動系統利用自身的慣量，通過最高加速度，使機床快速起停并往復運動，真實等效出施加載荷的效果。移動部件的質量與加速度之積就是慣性力，轉動慣量與角加速度之積就是慣性力矩，等效于施加的負載。

2? 軸加速加載試驗方法

2.1? 直線軸加載方法

數控加工中心處于正常狀態，潤滑系統、氣動系統、液壓系統和電氣系統均正常[5]。編寫G代碼程序如下：

N50 G01X0Y0Z0F2000

N60 G01X150F#100

N70 G04F1

N80 X-150

N90 G04F1

N100 G01Y150F#101

N110 G04F1

N120 Y-150

N130 G04F1

N140 G01Z250F#102

N150 G04F1

N160 Z500

N170 G04F1

每個直線軸連續進行“加速—勻速—減速—停”循環，各軸順序執行，加速度—時間圖如圖1所示。其中，加速建立時間t1不高于200 ms，加速時間為t1與t2之和，暫停時間t3不低于2 s;最大加速度、各軸最大運行速度達到機床設計要求。

2.2? 回轉軸加載方法

數控加工中心處于正常狀態，潤滑系統、氣動系統、液壓系統和電氣系統均正常。編寫G代碼程序如下：

N180 S#103M03

N190 G04F2

N200 M05

N210 G04F1

N220 S#103M04

N230 G04F2

N240 M05

N250 G04F1

N260 L0

N270 M30

回轉軸連續進行“加速—勻速—減速—停”循環，速度—時間圖如圖2所示。其中，加速建立時間t1不高于2 s，速度穩定時間t2不低于2 s，暫停時間t3不低于2 s;最大運行速度達到機床設計要求。

3? 在數控加工中心中的驗證

選用我公司自行研發生產的KMC800U數控加工中心為試驗平臺。該數控加工中心是科德數控系列化立式加工中心最主要的一款機型，機床配置X/Y/Z/A/C五軸全閉環控制和自行研發生產的電主軸等，其主要設計參數如表1所示。

采用定時截尾的模擬現場試驗方式，試驗流程如圖3所示。其中，加載運行試驗的第1項和第2項方法為本文著重討論的方法。

3.1? 直線軸試驗結果

X軸加載參數：最大加速度 7 m/s2，運行速度 48 m/min。單次循環：加速時間為200 ms，暫停時間2 s，加速度—時間圖和速度—時間圖分別如圖4a和4b所示。

Y軸加載參數：最大加速度7 m/s2，運行速度48 m/min。單次循環：加速時間為200 ms，暫停時間2 s，加速度—時間圖和速度—時間圖分別如圖4c和4d所示。

Z軸加載參數：最大加速度7 m/s2，運行速度48 m/min。單次循環：加速時間為200 ms，暫停時間2 s，加速度—時間圖和速度—時間圖分別如圖4e和4f所示。

3.2? 主軸試驗結果

主軸加載參數：加速時間t1為600 ms，保持時間t2為1 s，暫停時間t3為2 s，運行速度為18 000 r/min。主軸速度—時間圖如圖5所示。

4? 討論

對試驗結果的評定如表2所示。試驗結果表明，各軸的模擬負載均超過數控加工中心設計最大負載的75%。與傳統載荷試驗相比，本文提出的方法只需通過數控程序控制各軸進行加速度運動，即可利用自身的慣量來等效模擬加載試驗。方法更加簡單明了，無需通過專用的儀器進行試驗和數據采集分析。試驗結果已經清楚地表明載荷等效情況已經達成，效果甚至比傳統載荷試驗更加優越。因此，各數控加工中心可以據此自行開展可靠性試驗和分析。事實上，該方法在“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項相關課題中作為數控加工中心可靠性驗收的重要標志之一，起到了重要作用。

當然，每個樣本的實際部件質量有少許差異，所以這個方法在計算精確度方面會有偏差。對于部件質量問題，后續需要研究一個更有效的方式來進行測繪，以便得出更精確的結果[7]。

5? 結束語

基于軸加速度的數控加工中心可靠性試驗方法，有著方法原理簡單、操作容易、試驗周期短等優點，能快速體現出數控加工中心的加載能力和運行穩定性，對整個數控加工中心的可靠性驗證起到了決定性作用。

只有真正掌握快速和有效的數控機床可靠性試驗方法，才能更好地保證數控機床質量的持續提高[8]。本文將先進的可靠性試驗理念與我公司自行研發的數控加工中心進行了有機結合，希望能夠促進我國數控機床研發朝著更高水平發展。

參考文獻

[1]? 張根保， 王立平. 國產數控機床可靠性技術綜述[J]. 航空制造技術， 2013（5）： 26-31.

[2]? 張根保， 柳劍. 數控機床可靠性概述[J]. 制造技術與機床， 2014（7）： 8-14.

[3]? 數控機床可靠性評定 第2部分： 加工中心： GB/T 23567.2-2018.

[4]? 張根保， 郭書恒. “數控機床可靠性技術”專題（十三）： 可靠性試驗技術[J]. 制造技術與機床， 2015（7）： 6-11， 22.

[5] 張根保， 范秀君. “數控機床可靠性技術”專題（二）： 可靠性增長體系[J]. 制造技術與機床， 2014（8）： 6-9.

[6]? 加工中心可靠性試驗規范： Q/DKD 011-2020[S].

[7]? 孫厚春. 數控機床可靠性技術的發展[J]. 山東工業技術， 2015（2）： 169.

[8]? 楊兆軍， 陳傳海， 陳菲， 等. 數控機床可靠性技術的研究進展[J]. 機械工程學報， 2013， 49（20）： 130-139.

作者簡介：

耿文劍（1980—），男，遼寧大連人，本科，中級工程師。研究方向：電子信息工程。

吳淇（1987—），通信作者，男，遼寧大連人，本科，中級工程師。研究方向：電子技術/質量管理。

E-mail： wuqi_14@163.com

李德爽（1986—），男，遼寧大連人，本科，中級工程師。研究方向：測控技術/質量管理。

（收稿日期：2020-08-28）