动力刀架综合性能检测系统研究
《装备制造技术》２０１２年第１０期
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试验与研究
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的关键功能部件之一，其结构直接影响机床的切削性能和切削效率［１］，在一定程度上体现了数控车床的设计和制造水平［２］，并且与加工精度和生产效率密切相关［３］。
精确的检测手段及完善的试验平台是进一步研究产品性能和保证产品品质的前提。目前，国外刀架性能检测的实验只能进行换刀速度、惯性、不平衡扭矩、承载扭矩等的检测，而国内还没有开展刀架综合性能检测相关研究。为了提高国产数控机床整体运行的可靠性、稳定性及效率，研制快速、准确的数控刀架位置误差测量系统势在必行。鉴于此，本课题首先通过合理选择传感器，实现对相应的信号的检测；然后，通过研究全功能动力刀架在高速运转情况下
加速度、温升、微位移、噪声等性能指标的定位精度、
的动态检测方法以及综合性能检测关键技术，研发全功能数控动力刀架性能检测系统。
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动力刀架综合性能测试系统测试试验台的整体硬件结构如图１所示。该试验台以动力刀架为测试对象，试验台以铸铁工作台为基座，其台上安装有刀架箱体，刀架有电机驱动，并配备刀架冷却润滑装便于实时采集测得置。试验台旁边配有计算机系统，的试验数据，选择各种专业传感器对刀架进行测量，根据测量需要，合理布局各传感器及配套设备。
收稿日期：２０１２－０７－０４基金项目：辽宁省科技攻关项目（２０１０２２００２８），高档数控机床与基础制造装备科技重大专项“系列化全功能数控动力刀架”
（２００９ＺＸ０４０１１－０５１）
作者简介：王福吉（１９７４—），男，辽宁大连人，副教授，研究方向：功能部件、数控技术。
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动力刀架综合性能检测系统研究
王福吉，张博特，卢晓红，张智聪
（大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁大连１１６０２４）
摘要：通过研究动力刀架在运转情况下的定位精度、振动、温升、微位移、噪声等性能指标的动态检测方法以及综合性能检测关键技术，提出了一套动力刀架综合性能测试技术方案，研发了动力刀架性能测试系统，实现了动力刀架相应的性能指标的检测。
关键词：动力刀架；综合性能；测试系统中图分类号：ＴＧ５１９．１
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７２－５４５Ｘ（２０１２）１０－０００１－０３
数控动力刀架是数控车床及车铣复合加工中心
ＪＭ５８４０振动传感器
ＪＭ１８０１无线ＵＳＢ网关
３５６Ａ１５加速度
传感器
测试试验台
动力刀架
３７７Ｂ０２传声器ＧＷＣ１５０－３光栅尺
传感器铂电阻温度传感器＋温度变送器
光源
４８２Ｃ０５信号调理器＋数据采集卡单路数据采集盒４８２Ｃ０５信号调理器＋数据采集卡
ＰＣ１－８３１０数据采集卡
刀架综合性能测试系统
工控机ＩＰＣ６１０－Ｈ
数字准直仪
图１测试试验台硬件整体结构图
２测试系统开发环境
刀架性能检测系统的功能结构及系统总成
动力刀架综合测量软件使用ＬａｂＶＩＥＷ８．２开发系统结构把子程序的动态调用技术与Ｓｕｂｐａｎｅｌ环境。
控件结合，为以后程序功能扩展预留了接口［４］。
综合测试包括对测得数据的采集、存储、回放、清除及部分数据的分析和报表生成，总体框架应用了状态机的编程模式，采用ｗｈｉｌｅ循环内嵌套ｃａｓｅ结构，并用枚举型常量作为状态变量，进行状态转换。每个功能设置为一个状态分支，分支之间依靠状态转换变量连接。状态机的工作原理比较简单，ｗｈｉｌｅ循环保证程序的连续运行；ｃａｓｅ结构的分支与系统的状态一一对应，分支名称对应着状态的名称，分支的里面的执行代码对应着状态的行为；ｃａｓｅ结构的条件变量与系统的事件相对应，起到引发状态改变以及状态改变方向的作用［５］。
动力刀架综合性能测试系统软件主要实现刀架
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Equipment Manufactring Technology No.10，2012
箱体振动、刀盘振动、噪声、温度、Ｙ轴位移、刀盘分度精度的测试。动力刀架运转过程中箱体的振动情况采用美国ＰＣＢ公司的３５６Ａ１５型三轴向压电加速度传感器及配套４８２Ｃ０５信号调理器实现。图４所示为刀架箱体振动测试结果。通过测试可以判断刀架箱体在刀盘分度运动以及动力刀具在交流伺服电机驱动下进行主动切削过程中的振动情况。
动力刀架在分度运动及主动切削过程中会不可避免地产生噪声。系统采用美国ＰＣＢ公司的３７７Ｂ０２传声器及配套的４２６Ｅ０１前置放大器及ＰＣＩ６２５０数据采集卡实现噪声信号的检测。噪声测试分系统实时监测分度过程中的噪声界面如图５所示。通过噪音的分贝值可以判断刀架运转是否正常。
３刀架综合性能测试实验研究
动力刀架运转过程中初步选定的５个测温点的温度变化的测试是通过选用北京赛亿凌科技有限公司的ＳＴＴ－ＦＡ１Ｂ１Ｅ３Ｆ２Ｇ１Ｈ１ＰＡＷ１Ｓ０温度传感器完成，实验输出结果如图２所示。实验结果表明，刀盘分度液压马达所在位置的温度升高较快。后续如果想通过热误差检测和补偿提高刀架精度，可以依据温度检测结果选取有效测温关键点。
图２
刀架温度测试分系统
图４
刀架箱体振动测试结果
选用ＪＭ５８４０无线加速度传感器实现刀盘分度运动过程中的振动情况（如图３所示）。实验时，将ＪＭ５８４０无线加速度传感器节点吸附在刀盘上，刀盘转动过程中产生的振动通过无线通信的方式传递给无线网关，无线网关通过ＵＳＢ数据线将采集到的信号传递给上位机采集软件。从振动图形可以判断刀盘分度过程中的抖动情况，并可以判断分度过程中的振动源从而有效排除故障。
图５
噪声测试分系统运行结果
动力刀架的Ｙ轴位移随动检测功能通过ＧＷＣ１５０－３型光栅位移传感器及配套单路数据采集盒实现。带Ｙ轴功能的刀架沿垂直滑板做Ｙ方向运动，运动精度由光栅进行测量。测量时由刀盘面上伸出带平面的轴，光栅副中的主光栅（标尺光栅）在重力的作用下与该平面接触，随平面（刀盘）一起移动，而
图３
刀盘分度运动过程中的振动情况
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《装备制造技术》２０１２年第１０期
在安装副光栅（指示光栅）则安装固定在专门的支架上。
时应用千分表检查机床工作台的主光栅安装面与副光栅面的方向平行度，要求平行度为０．１ｍｍ／１０００ｍｍ以内。当刀架刀盘进行Ｙ向运动时，带动带平面的轴运动，与带平面的轴接触的主光栅与固定不动的副光栅间产生相对位移，产生位移信号，位移信号由数据采集盒接受并进行调理，在通过ＲＳ２３２串口送到工控机，由上位机软件进行分析处理。Ｙ轴位移测量分析界面如图６所示。
动力刀架刀盘旋转特定工位时的定位精度及重复定位精度采用ＡｃｒｏＢｅａｍ的数字自准直仪Ｃｏｌｌａｐｅｘ
ＡＣ实现。自准直仪的精度主要依赖于多面棱镜的安
在安装装。首先将多面棱镜安装在刀盘的中心轴上，
多面棱镜的时候一定要尽力保持镜面和水平面的垂直；然后，将支撑仪器主机的三脚架摆好，三脚架顶端有一个水平仪，通过分别调整三角架的三根支撑腿使三脚架上端的平面处于水平；接下来，用光源光纤将光源主机与仪器主机连接起来，用ＵＳＢ数据线将仪器主机连接到电脑上。打开光源主机的电源，通过调整仪器主机上二维调节旋钮，使仪器主机正对着多面棱镜竖直面。定位精度及重复定位精度测量界面如图７所示。
４结束语
图６
轴位移测量界面
本文在分析刀架综合性能相关测量原理与方法的基础上，把相关原理与方法系统化，制定了动力刀架定位精度、加速度、温升、微位移、噪声等性能指标的综合在线测量方案并测试了分系统所需仪器设备选型和配置。测试实验结果表明该测试系统功能正常，操作简单，运行稳定可靠，能很好地对动力刀架的综合性能进行评判，对动力刀架测试标准的建立具有良好的意义，有利于国内动力刀架产品品质的提高。
参考文献：
［１］杨惠娟，刘伟，何方．数控机床刀架模拟软件的设计与实现［Ｊ］．小型微型计算机系统，２００８，２９（１２）：２３６５－２３６８．［２］王丽洁，等．数控加工工艺与装备［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００６．
［３］王丽杰，孙慧，丁喜波，白亚梅．多工位数控刀架误差测量系统的研究［Ｊ］．传感器世界，２００７，（８）：１１－１３．
［４］窦小龙，杨建国，关贺，等．温度测点优化在机床主轴热误差建模中的应用［Ｊ］．航空精密制造技术，２００３，３９（４）：３３－３６．［５］聂影，冯向军，廖瑛，等．基于ＬａｂＶＩＥＷ的状态机模型研究［Ｊ］．计算机测量与控制，２００７，（９）：１１６６－１１６８．
图７
定位精度及重复定位精度测量界面
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＣｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＴｅｓｔＳｙｓｔｅｍｏｆＰｏｗｅｒＴｏｏｌＲｅｓｔ
ＷＡＮＧＦｕ－ｊｉ，ＺＨＡＮＧＢｏ－ｔｅ，ＬＵＸｉａｏ－ｈｏｎｇ，ＺＨＡＮＧＺｈｉ－ｃｏｎｇ
（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＰｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄＮｏｎ－ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＭａｃｈｉｎｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，
ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ１１６０２４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｉｓ，ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｔｅｓｔｓｃｈｅｍｅａｎｄｍｅａｓｕｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｐｏｗｅｒｔｏｏｌｒｅｓｔａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｔｏｍｅｅｔｔｈｅｄｅｍａｎｄｓｏｆｅｘｅｃｕｔｉｎｇｔｈｅｏｎ－ｌｉｎｅｔｅｓｔｏｆｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｌｏｃａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙ，ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｍｉｃｒｏｍｅｔｒｉｃｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｎｏｉｓｅ，ｅｔｃ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｅｓｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ，ａｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｏｆｐｏｗｅｒｔｏｏｌｒｅｓｔａｒｅａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒｔｏｏｌｒｅｓｔ；ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍ
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