主轴性能测试实验台

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随着科学技术的发展和制造技术的不断进步，作为制造业母机 的数控机床的需求也愈来愈强烈 。数控 车床是装备制造业 的技术基赐发展方向之- ，而主轴则是数控车床中的核心功能部件 ，它的性能直接决定了数控车床的相关性能指标 ，是代表数控机床技术水平的关键部件。国内有多个厂家具有研发和生产主轴 的经验 ，像台湾旭泰、普森，台大等企业很多年前就开始主轴的研制，但与 国外同类产品相 比，其在设计 、加工和装配等方面都存在-定的差距 。 目前国内针对主轴开展的试验相对 比较单-，多为精度和静刚度的试验和检验，不能全面的对主轴的各方面性能进行评价 ，而且没有根据测试结果对主轴装配合理性进行评估 。

1 主轴性能实验台结构针对 目前国内数控车床主轴性能检测 内容较为单- ，很多能够对主轴使用效果产生影 响的性能指标未开展相关测试的现状 ，本文提出了-种用于 ETC系列主轴的性能测试平台，其整体结构布局可参阅图 1。本实验台主要有平 台基座 I、被测主轴箱 Ⅱ、主轴刚性测量拈 Ⅲ、主轴温升热变形测量拈 Ⅳ、输 出扭矩测量拈 V、皮带张紧力测量拈 Ⅵ、噪声测量拈 Ⅶ、液压站Ⅷ 、控制系统Ⅸ组成部分 。

图 1 主轴性能实验 台总体结构布局通过对主轴 的轴承预紧力 、轴承刚性 、轴承座等的调整 ，模拟出主轴在不同的装配 的试验环境下装配后可能出现 的问题 ，找 出不同的装配情况对主轴各种性能的影响，指 出合理 的装配关系。

前轴承预紧力调节。由于隔圈配磨面的加工公差有较高要求，若使用在两个角接触球轴承中间增加不同的隔圈 ，通过隔圈厚度差来调节轴 承的预紧力准确性不容易保证，故通过选用不同预紧配置的前轴承，实现轴承预紧力的变化 ，这样可以保障测试的准确性 。

轴承刚性调节。调整贝帽预紧、轴承压盖的预紧等，使得轴 承刚性发生改变 ，可 以测试对主轴的静 刚度和振动模态等性能 的影 响。

轴承座调节 。在主轴后端增加轴承座，通过顶丝调整轴承座向各个方向的窜动 ，来实现 主轴前后轴承 的同轴度的变化。

主轴性能实验 台的工作原理参 阅图 2，利用数控 系统或工控机等作为上位机，以PLC作为下位机对液压站进行控制 ，将测试过程 中产生的力 、变形 、转速 、精度 、扭矩等信号通过 A/D转换后传回上位机，通过内部算法进行处理得出准确合理 的精度 、刚性 、力 、综合性 能等指标 ，并通过界面软件予以显示。

精度指标 - H 电子千分表l刚度指标 I 1"-I 1力项目指标I- [互 l] 压 堡壁墨I算 垒 旦H 篮壁墨1法及 上 .[ 口 亟界 -- 位 匡巫面 机 L-匝亘日- 动平衡指标 - 软 -[： 口 中克现场动平衡仪件 也 H 主塑堡 I口-I综合性能指标I- ÷ 米依激光三角测量巫亘基金项 目：高速 ，复合数控机床及关键技术创新能力平台(2011ZX04016-021)。

图 2 控制系统工作原理工 艺 与 装 备 452实验 台功能及测试方法2.1精度指标测试主轴 的回转精度是影响机床加 工的精度 和加工件表面光洁度 的重要 因素之- ，因此对 主轴精度的分 析和研究 日益引起人们的重视。本实验台重点测试主轴的轴向几何精度和径向几何精度 。其中轴 向几何精度包括 主轴的周期性轴向窜动和主轴的卡盘定位端面的跳动 ，径 向几何精度包括主轴轴端的卡盘定位锥面的径向跳动和主轴孔轴线的径 向跳动 。

此外 ，本实验台还测试 了皮带轮根部的精度和主轴编码器的精度 。皮带轮带轮根部跳动的-致性对皮带运行时 的噪音 和发热影响很大 ，应对皮带轮根部 的精度进行测量。编码器的精度测试可以考察主轴 的转速情况。

2.2静 刚度指标测试通 过施加在卡持到主轴上的圆棒的力以及 利用 百分表检测出的主轴头位移，计算出主轴的静态刚性 。加力点和测量点的作用位置按照图 3所示进行布置，保持此位置不变进行所有的数据 的多次测量。

图 3 静刚度实验设备安装 示意图由于连接表架等本身存在灵 敏度误差 以及反 向间隙等因素的误差，因此存在当加载变化时，千分表的读数却没有发生变化 的情况 ，此时的数据不能作为最后 的计算数据 。只有当千分表 的数值随预加载荷的变化 而变化时的数据才可使用。为了减少测量误差 ，分 2次重复测量取平均值 计算 图 3所示方式 的主轴静刚度 ，并去除其线性较差 的部分，按照公式 (1)和公式(2)计算 ：主轴径向静刚度主轴径向静刚度 ∑(F；/r；) 9.8/n(il，2n) (1)式 中：n-有效测量数 ；F.-第 i次测量所加载的主轴径向力 ；rl-第 i次测量时卡盘与主轴在径 向变形量。

主轴的轴 向静刚度测量主轴轴向静刚度时，因连接件的误差影响较大，这里只采用数据较好的部分计算再求平均值，以减少误差 。

主轴轴向静刚度 ∑(F/ri) 9-8，n( 1，2n) (2)式中 ：n-有效测量数 ；Fi-第 j次测量所加载 的主轴轴向力；rj-第j次测量时卡盘与主轴在轴向变形量。

2.3力项 目指标测试(1)卡盘锁紧力卡盘通过油缸拉杆进行锁紧，但现实生产中，经常出现卡盘锁紧不牢或者卡爪锁紧力不均匀的情况 ，本实验台在卡盘中间放置压力传感器进行测试 ，对卡盘锁紧力进行验证。同时根据实际样件材料不同或者客户的不同需求 ，需要相应的卡盘的锁 紧力也所不 同，卡盘锁紧力 的测 量 可以找 出油 缸 的压力 和卡盘 锁紧力 之 间的对应 关系，从而画出锁 紧力和油缸压力 的对应曲线。

(2)皮带张紧力在实际生产中经常出现因为皮带张 紧力 的问题 产生皮带跳动或者爬行 的现象 ，而皮带张紧力的大小 又直接影 响到主轴系统 的噪音 、温升等问题 ，使用厂家专用测力计进行测试，同时对 比厂家给出的皮 带张紧力数值 ，进行验证 ，通过试验数据找 出相应 的合理 的张紧力数值 ，达 到减小主轴皮带噪音等的目的。

2.4 动平衡指标测试振动是衡量转动设备运行状态好坏的重要指标。对于机床来说，解决主轴转动部件失衡，降低设备振动是人们关心的重要问题。本实验 台采用试重法 ，进行主轴动平衡测试 。主轴前端面处设置-个加速度传感器 ，在设定为3000rpm的转速下 ，利用现场动平衡仪测试其振动速度 ，经过初始运行 ，可以得 到初始 的振动速度和相位值 ，然后在直径主轴端进行配重，经过测试运行后，得到-次配重的振动速度和角度值 ，从而得到二次配重所需要 的重量和相位值 ，利用天平进行称重 ，于是配 以相 同的重量和相位值，使主轴的测试点的振动速度明显变小 ，达到好的平衡效果。

2.5综合性能指标测试(1)噪声测试 。研究主轴在运行过程 中的噪声测试 ，噪声是主轴运行状态下 出现的主要问题 。测试方法为 ：分别在主轴侧面适当距离放置两个柱子进行布网，用声强探头可以立体式测试噪声声源在四周面的传递，准确的测量出主轴在各个频域下的噪声 ，使主轴转动并监测其噪声情况。

(2)振动测试 。此项 测试 在主轴 运转半小时以后进行 ，以防止热效应引起误差 ，进 行空转振 动实验测试 ，主轴转速从低速到高速逐步测量主轴箱 ，响应信 号采 用加速度传感器获取，通过多通道动态信号采集分析系统来记录分析数据。

(3)主轴温升热变形测试 。米铱激光三角测量仪采集记录主轴检棒 在相对方 向上 的位移变化值 ，连接架可 以通过支架固定在试验台上 ，检棒直接与主轴相连，在实验过程中随主轴-起旋转。由五个激光测量仪分为 x、Y、z三个方向对安装在主轴上的检棒进行测量 ，检测出检棒上的点上因为主轴温升造成的位移变化值，并记录 5个测量块的读数 。 (下转第 47页)工 艺 与 装 备 47集控关 门控制可 以通过开门列车线失 电实现关 门控制 。

2.2.2本地开关 门本地开关门是指乘客及乘 务员可 以通过每个侧 门上的开关 门按钮对 门进行控 制。本地开关门控 制通过 门控单元内部软件进行控制，其可控的前提条件条件：(1)门控单元接收到速度小于 5KM/H的硬线信号。

2.2.3手动隔离当侧门系统出现故障时，乘务人员可以通过四角钥匙 ，对门进行 电气 隔离 ，隔离后门处于锁闭状态 ，门控单元 对开 门信 号 进行 屏 蔽 ，隔离 信号 通 过 MVB反 馈 给TCMS，对 门的状态进行监控 。

2.2.4 紧急解锁侧门的内外两侧设有紧急解锁装置。在紧急情况下 ，通过 紧急解锁装置将 门与电子 -气路 系统隔离并实现机械解锁 ，实现手动开门。当列车行驶速度低于 15km/h时，紧急解锁装置将起作用。

2.2.5 防挤压功能侧 门扇上应安装感应器(边缘 )，当门扇与门框间有人或有障碍物时 ，感应器可以立即启动门重新开启 。在感应装置感应到有人或障碍物被挤压的情况下，具体需要实现 的功能可以通过门控单元 内部逻辑 电路来实现。

3 结论动车组的侧门控制采用硬线控制 ，将硬线信号通过高电平的形式给门控单元，门控单元将内部逻辑对门进行控制。四个门控单元通过 CAN线进行通信。网络主要以监控为主 ，主要监控侧 门的开到位信息 、关锁到位信息 、紧急解锁信息及故障信息。本文的控制设计思路优点是实现功能全面 ，安全性 能提高 、控制上简单方便 、检修方便 、能够有效的摆脱网络出现故 障后对门控的影响。