高速電主軸熱誤差及振動測試系統設計與實驗

葉 鈺，袁 江，邱自學，劉傳進

（1.南通大學機械工程學院，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

高速電主軸是現代精密機床的核心部件，相較于傳統機床，其驅動電機安置于主軸內部，可降低機床設計難度，這種緊湊的結構使其具有重量小、動態特性好、能改善機床的動平衡等諸多優點，故在超高速機床中得以廣泛應用。但隨著當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重要，所以需要通過傳感器及其他設備檢測其運轉中的狀態，根據獲取的信號來分析電主軸在高速旋轉中的性能變化。

目前國內外學者對高速電主軸的參數測量已經取得諸多研究成果。文獻[4]在機床及其環境周邊放置35個DS18B20數字式溫度傳感器來研究環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，對其回轉精度進行了評價；文獻[6]利用壓電式傳感器對轉子進行動平衡實驗，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的測量，但是未將多種參數結合在一起考慮，比如溫度、振動、環境因素的綜合測量。且對數據的獲取基本通過有線傳輸，若測點較多則難免會出現布線繁雜、操作難度高等問題。

為多方位考慮轉速、環境溫度、冷卻等因素對電主軸熱誤差及振動的影響，設計了一套用于電主軸在運轉過程中振動、溫度、熱延伸等多參數的綜合測試系統，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 平臺開發的上位機軟件，可實現原始數據預處理，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值轉換以及最后結果的顯示和存儲。基于RFID傳感標簽技術設計并制作了溫度傳感標簽，可實現數據的無線傳輸。通過精度對比測試驗證了該測試系統的精確性和穩定性，可應用于現場測試。

2 測試系統設計

2.1系統原理

該測試系統由實驗裝夾平臺、電主軸系統、振動檢測模塊、溫度檢測模塊、位移檢測模塊、數據收發模塊、PC及上位機軟件等子系統組成，如圖1所示。通過變頻器啟動電主軸并調節其轉速；增壓水泵將經冷水機冷卻后的水送入電主軸冷卻套循環流動形成冷卻系統；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電主軸溫度的無線監測，標簽內部處理器將溫度數據和對應標簽編號發送至接收端；所有數據最終經各自信號接收端通過RS232轉USB串口傳送至上位機軟件作進一步分析處理。

圖1 測試系統結構組成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控機床在生產過程中最大的誤差，占總加工誤差的（40～70）%。主軸的熱態特性是影響機床加工精度的關鍵因素[8-9]。為監測電主軸溫度變化，設計了溫度采集標簽，如圖2所示。由熱電阻、RTD至數字輸出轉換器、無線收發模塊、微處理器、穩壓模塊、電源組成。熱電阻相對于數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。熱敏電阻至數字轉換器選用MAX31865轉換模塊，其內置15位模/數轉換器（ADC）、輸入保護、數字控制器、SPI兼容接口以及相關控制邏輯電路，微處理器通過SPI兼容接口與MAX31865 轉換模塊進行通信后讀出鉑電阻測得的溫度數據；通過NRF905無線發射模塊實現數據的無線傳輸。

圖2 溫度采集標簽結構圖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、電平轉換模塊、穩壓模塊等，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電平之間的轉換，進而進行通信。接收模塊需接收多個標簽的數據，為便于調試且清楚顯示數據，采用0.91寸OLED12832顯示模塊進行數據顯示，具有對比度高，功耗低等優點，通過I2C接口與微處理器進行通信。

圖3 接收端結構圖Fig.3 Structure Diagram of Receiving Module

相較于傳統實驗測試該模塊無需復雜的布線操作，使用傳感標簽技術獲取數據可在保證精度的前提下既可以穩定傳輸數據又可以降低測試系統的局限性和復雜度。

2.3 位移檢測模塊

電主軸在高速運轉的過程中存在熱延伸現象，研究發現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。設置測量類型為“位移”，采樣周期默認設置為200μs，為便于位移信號的實時記錄以及與后續溫度數據的對比分析，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端通訊I/O，通過RS232轉USB串口與電腦連接通信進行數據傳輸。

2.4 振動檢測模塊

機床在高速磨削作業時的振動大小與主軸轉速、溫度、軸承預緊力等息息相關，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品的加工精度影響極大，甚至影響到整個機床系統的穩定性[11-12]。選用國內某公司生產的基于Zigbee 無線數據通訊的三軸MEMS加速度傳感器，其特點是無可移動的機械零件，在振動和沖擊環境中具有很好的穩定性。系統原理，如圖5所示。該傳感器底部添加了磁力座的設計，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。數據接收模塊通過RS232轉USB串口和電腦通訊，利用LabVIEW 編寫上位機程序采集并處理數據，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 軟件設計

以LabVIEW2013 平臺設計并開發上位機軟件，軟件流程，如圖6所示。

圖6 系統軟件流程圖Fig.6 System Software Flow Chart

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

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獲取標簽標志位，然后用條件結構進行判斷歸類，再對溫度數據進行顯示并保存。當多個標簽與接收端通信時，標簽和接收端分別為發射模式和接收模式，接收端檢測到同一頻段載波后進入地址匹配，當識別到同一地址后開始接收數據。命令端工作流程，如圖7（a）所示。命令端一開始設置為發射模式，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，則獲取溫度數據并將原接收模式改為發射模式，給接收端發送數據，否則繼續接收下一個信號。

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

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。配合相應的夾具可以根據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，除了固定支撐和調節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的可靠性和穩定性。

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的轉速運行80min，每4min記錄一次溫度數據，溫度數據，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據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據穩定，表明本測試系統溫度采集模塊精度較高，穩定性好，抗干擾能力強。

圖10 相對誤差Fig.10 Relative Error

測試系統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在工業上廣泛應用的檢測裝置，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，加速度傳感器可敏銳感知高頻信號，為故障預警提供保障。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轉速下的振動量，在記錄數據中取電主軸運轉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Tab.1 Acceleration Sensor Index Parameters

表2 振動數據對比（mm/s2）Tab.2 Vibration Data Comparison（mm/s2）

測試系統選用的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；測試數據可以通過無線傳輸的方式獲取，提高了測試系統的簡便性。對比表2傳感器的測量數據，誤差最大不超過0.02704mm/s2，在價格相近的前提下，本測試系統選用的加速度傳感器測量范圍更大、安裝和數據傳輸更簡便、精度更高，能更好的滿足測試需要。

3.2 實驗測試及數據分析

為確保該測試系統的可行性，進行如下實驗：選用國內某廠家生產的ER16系列高速水冷電主軸作為測試對象，其關鍵技術參數，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；通過無線傳輸的方式獲得振動加速度信號和溫度信號至上位機軟件；通過變頻器驅動電主軸并調節電主軸轉速使其在6000r/min轉速下運行80min至溫升達到穩定狀態，得到的溫度和熱延伸數據，如圖11、圖12所示。

圖11 溫升曲線Fig.11 Temperature Rise Curve

圖12 熱延伸數據Fig.12 Thermal Extension Data

表3 電主軸指標參數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定的趨勢，在前30min內增速最快，后續趨于穩定，整體呈非線性變化。對于電主軸發熱源：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軸的線圈部位的表面，受電主軸冷卻結構的影響，不能較為準確的獲取主軸內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據導入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，運轉一段時間后，振動幅值開始增大，最后趨于穩定。一開始的沖擊峰值是由于電主軸剛啟動時潤滑不夠充分，導致其在剛開機運行時振動瞬間增大，隨著主軸運轉，潤滑油氣開始均勻分布在轉軸各處，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，進而導致電主軸剛性結構變化，從而影響主軸的振動。結合電主軸溫度測點的數據分析，發現振動、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生熱誤差，引起主軸結構發生變化，振幅開始隨之上升，溫升穩定后，溫度場對主軸結構的影響不再增大，軸向熱延伸逐漸減小，主軸振幅也恢復平穩。電主軸溫度對振動的影響關系，如圖14所示。

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

4 結論

設計一套電主軸熱誤差及振動測試系統，可以實現不同型號尺寸的電主軸在高速運轉過程中的溫度、軸向熱延伸及振動等多種因素的實時監測。基于無線射頻識別技術設計了溫度傳感標簽可實現主軸溫度的無線監測，相較于傳統測試省去了復雜的布線操作，在保證測量精度的前提下，提高了測試的便利性；以LabVIEW 平臺開發了上位機軟件可對原始信號作預處理并實時顯示和保存數據；通過實驗驗證了該系統可以有效獲取所需數據信息，通信協議簡單，功耗低，信號傳輸穩定，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系。