CN102501141B - 一种基于内置传感器的数控机床主轴现场动平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于内置传感器的数控机床主轴现场动平衡方法。该方法在动平衡实施中以数控机床内置光栅尺与主轴电机编码器信息为依据。当主轴以一定转速运转时，由于不平衡等因素所导致的振动将直接传递至各进给轴，而这种受迫振动将导致各进给轴静态位置的微量波动。基于此，本方法在主轴不平衡信息获取上，以主轴电机编码器输出的参考相作为键相信号触发计数板卡同步采样，通过计数板卡解码主轴各进给轴的静态位置波动信息，同时解码主轴电机编码器转速信息。与传统的基于振动传感器的现场动平衡方法相比，通过充分利用数控机床内置信息，该方法在保证平衡精度要求的同时减少了系统硬件成本，并可实现特殊环境要求的主轴现场动平衡控制。

Description

一种基于内置传感器的数控机床主轴现场动平衡方法

技术领域

本发明属于机械系统动态监测、诊断与维护技术领域中数控机床主轴转子现场动平衡技术领域，涉及传感器技术和数字信号处理领域，特别涉及到内置光栅尺动态位置信息的获取技术和基于光栅尺动态位置信息的数控机床主轴动平衡方法。

背景技术

大量研究证实主轴的振动容易在零件加工表面形成间距比粗糙度大得多、随机的或接近周期形式的成分构成的表面不平度，即表面波纹度，通常也被称作振纹。表面波纹度是评价产品加工质量的一项重要指标，以齿轮加工为例，齿轮的表面波纹度将带来传动噪声与振动问题，并最终影响到产品的寿命和可靠性。不平衡是导致高速电主轴振动的一项主要诱因，现场动平衡是用于解决机床主轴失衡问题最为常用的技术。然而目前，几乎所有的数控机床主轴现场动平衡仪器的振动信息都来源于外接的振动传感器如位移、速度或者加速度传感器。以加速度传感器为例，一个完整的平衡流程包括将其吸附在机床主轴表面，利用数据采集器采集振动信息并预处理后获取不平衡响应振动，由此计算得到不平衡矢量，最终通过执行机构完成配重达到主轴平衡目标。基于外接振动传感器测振是目前主轴现场平衡的主流方式，然而也存在很大的不足，首先是采用外置传感器增加了测试成本，影响产品的市场竞争力；其次外接传感器要求主轴留有安装位置，甚至需要设计专门的安装接口，而主轴上有限的安装空间容易对传感器的安装带来限制。随着数控机床运动精度要求的不断提高，机床各运动轴都采用伺服反馈控制技术，数控机床的内置传感器提供了丰富的动态运动信息。

发明内容

本发明提出一种基于内置光栅尺与主轴编码器信息的数控机床主轴现场动平衡技术。其目的是充分利用数控机床内置信息以减少系统硬件成本并实现特殊环境要求的主轴现场动平衡控制。与传统的基于振动传感器的现场动平衡方法相比，该方法在动平衡实施中以数控机床内置光栅尺与主轴电机编码器信息为依据。当主轴以一定转速运转时，由于不平衡等因素所导致的振动将直接传递至各进给轴，而这种受迫振动将导致各进给轴静态位置的微量波动。基于此，本方法在主轴不平衡信息获取上，以主轴电机编码器输出的参考相作为键相信号触发计数板卡同步采样，通过计数板卡解码主轴各进给轴的静态位置波动信息，同时解码主轴电机编码器转速信息。以此对主轴进行现场动平衡。

具体技术方案如下：

步骤一：数控机床主轴在平衡转速下空载运行，其他进给轴保持静止。利用计数板卡(两通道时，采集键相信号与主轴单向振动，多通道时，采集键相信号和主轴多向振动信号。方案以多通道采集为例进行说明)以一定的采样时间间隔采集主轴电机编码器的位置信息与各进给轴非进给状态下的位置波动信息，从而得到计数值格式的原始数据为，其中主轴电机编码器的位置信息用作键相信号，完成测试后停机。通道指的是通过数据采集并解码后得到的一路编码器或者长光栅动态信号。

步骤二：将测得的主轴电机位置计数值通过公式(1)转换为相应的转速值。

$v_i=\left\{\begin{array}{cc}(x_{o\left(2\right)}-x_{o\left(0\right)})/\left(2T_s\right)& i=0\\ (x_{o(i+1)}-x_{o(i-1)})/\left(2T_s\right)& i=\mathrm{1,2},...n-1\\ (x_{o\left(n\right)}-x_{o(n-2)})/\left(2T_s\right)& i=n\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：x_oi-----为主轴电机计数值，其中i＝0，1…n

n-----采样长度

T_S-----采样时间间隔

v_i-----对应的速度序列

将测得的光栅尺计数值通过公式(2)转换为相应位置波动值。

V(n)＝C(n)×f    (2)

其中：C(n)-----进给轴光栅计数值

f-----进给轴直线光栅尺栅距

V(n)-----进给轴非进给状态下的直线光栅尺位置波动值

步骤三：对应于“步骤一”中的多通道测试时，利用傅里叶变化与频谱校正技术，精确地求出主轴振动的幅值、频率、相位用于表征主轴的原始振动振动信息；

步骤四：根据所选平衡面，结合主轴原始振动数据，确定添加不平衡试重的大小和方位；在添加试重后重新启动数控机床主轴至平衡工作转速；

步骤五：重复步骤一至步骤三，采集加试重后平衡转速下的振动数据，计算得到工作转速下单位不平衡试重(如1g∠0°)的标准不平衡振动响应；

步骤六：主轴停止运行，取出试重，以原始振动为平衡目标，之前计算得到的标准不平衡振动响应为影响系数，求取各配重的合理大小和相位；

步骤七：添加平衡配重后，测试平衡转速下的结果，如满足平衡要求，则本次平衡结束；否则，重复上述步骤四～七直至达到平衡目标。

基于上述条件，专利提出一种基于内置传感器的数控机床主轴动平衡方法，相对于传统的现场动平衡方法，该方法具有如下优点：

①.基于内置传感器信息的现场动平衡技术，通过读取机床内部反馈信息实现主轴多方向振动测试，无需外接传感器，大幅降低测试成本；

②.本方法利用内置编码器获取转速信号，通过内置光栅尺传感器获取多个方向的振动信息，所采集信号具有很高的精度与信噪比，为高精度的平衡控制提供了保障；

③.由于安装空间限制等问题，外接传感器测振方式往往受到限制，同时，外接传感器方式还可能对主轴结构特性带来负面影响。基于内置传感器振动信息获取原理的主轴动平衡方法则可避免传统方法的诸多不便。

附图说明：

图1为本发明的数控机床主轴部分结构示意图；

图2为本发明的测试系统简图；

图3为本发明的同步采集的原始数据图；

图4为本发明的由所述公式转换后的键相与Y轴静态位置波动数据。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-4，下面以一台数控蜗杆砂轮磨齿机为例并结合附图进一步详述本发明的实施过程，该机床具有三套直线轴(X、Y与Z轴)和两套旋转轴(B与C轴)。X轴、Y轴与Z轴均由伺服电机直联滚珠丝杆直接驱动，无增减速机构，且都为闭环控制轴，通过X轴、Y轴与Z轴的进给可以实现B轴(砂轮磨头)的前后、左右与上下的运动控制。B轴为直驱电主轴，刀具随主轴旋转实现对加工件的切削。其中，X轴直线光栅尺栅距为20μm，Y轴直线光栅尺栅距为5μm，Z轴直线光栅尺栅距为20μm，B轴电机编码器为5000线(本专利所采用的计数卡可以实现光栅尺和编码器增量信号的4096次细分，所以精度完全满足平衡计算要求)。机床结构如图1所示。对该数控机床基于内置传感器的主轴动平衡实施过程如下，在本示例中采用单块计数板卡实现主轴动平衡(两通道)，平衡转速为3000r/min。

步骤一：利用三通线，将磨齿机床主轴(B轴)电机编码器和Z轴直线光栅尺的位置反馈信号接入IK220计数卡。测试系统架构如图2所示；

步骤二：启动数控机床使主轴(B轴)至平衡目标转速3000r/min定速运行，并保持各直线进给轴处于非进给状态；

步骤三：根据设定的采样频率，以主轴电机编码器参考相作为采样触发信号，通过计数卡从机床伺服控制系统同步采集机床主轴电机编码器和Z轴直线光栅尺的运动信息。所采集的原始数据如图3所示；

步骤四：由步骤三获得的原始数据分别是主轴电机和Z轴直线光栅尺位置波动的累积计数值，通过处理将其分别转换为电机的速度信息和Z轴静态位置波动信息，转换后数据如图4所示；

步骤五：运用快速傅里叶变换及频谱内插技术，精确地求出Z轴直线光栅尺拾取信号的幅值、频率、相位；

步骤六：根据所选的平衡面，结合主轴原始振动数据，确定添加不平衡试重的大小和方位(加试重4.9g∠90°)；

步骤七：重复步骤二至步骤五，采集试重后平衡转速下的Z轴直线光栅尺的静态位置波动信息，求出添加试重后的振动信号的幅值、频率、相位信息。综合原始振动信息计算得到试重不平衡响应，即影响系数；

步骤八：停止主轴，取出试重，以原始振动为平衡目标，之前计算得到的标准不平衡振动响应为影响系数，求取各配重的合理大小和相位；

步骤九：进行平衡配重，并采集配重后平衡转速下的振动数据，如果满足平衡要求，则平衡结束。否则，重复步骤二至步骤八。

鉴于数控机床内置传感器信息的诸多优势，围绕该方向的研究已经取得一定成果，例如永磁同步电机的电流信息利用。然而国内外研究现状调研结果显示：尚无基于内置传感器信息的数控机床主轴动平衡方法的相关文献和专利公开发布。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (2)

1.一种基于内置传感器的数控机床主轴现场动平衡方法，其特征在于：

步骤一：数控机床主轴在平衡转速下空载运行，其他进给轴保持静止；利用计数板卡按照采样时间间隔采集主轴电机编码器的位置信息与各进给轴非进给状态下的位置波动信息，从而得到计数值格式的原始数据，其中主轴电机编码器的位置信息用作键相信号，完成测试后停机；

步骤二：将测得的主轴电机位置计数值通过公式（1）转换为相应的转速值：

$v_i=\left\{\begin{array}{cc}(x_{o\left(2\right)}-x_{o\left(0\right)})/\left(2T_s\right)& i=0\\ (x_{o(i+1)}-x_{o(i-1)})/\left(2T_s\right)& i=\mathrm{1,2},...n-1\\ (x_{o\left(n\right)}-x_{o(n-2)})/\left(2T_s\right)& i=n\end{array}\right.---\left(1\right);$

其中：x_oi-----主轴电机计数值，i=0,1...n；

n-----采样长度；

Ts-----采样时间间隔；

v_i-----对应的速度序列；

将测得的光栅尺计数值通过公式（2）转换为相应位置波动值：

V(n)=C(n)×f      （2）；

其中：C(n)-----进给轴光栅计数值；

f-----进给轴直线光栅尺栅距；

V(n)-----进给轴非进给状态下的直线光栅尺位置波动值；

步骤三：对应于“步骤一”中的多通道测试时，利用快速傅里叶变换与频谱校正技术，精确求取主轴振动的幅值、频率、相位用于表征主轴的原始振动信息；

步骤四：根据所选平衡面，结合主轴原始振动数据，确定添加不平衡试重的大小和方位；在添加试重后重新启动数控机床主轴至平衡工作转速；

步骤五：重复步骤一至步骤三，采集加试重后平衡转速下的振动数据，计算得到工作转速下单位不平衡试重的标准不平衡振动响应；

步骤六：主轴停止运行，取出试重，以原始振动为平衡目标，之前计算得到的标准不平衡振动响应为影响系数，求取各配重的合理大小和相位；

步骤七：添加平衡配重后，测试平衡转速下的结果，如满足平衡要求，则本次平衡结束；否则，重复上述步骤四至步骤七直至达到平衡目标。

2.如权利要求1所述基于内置传感器的数控机床主轴现场动平衡方法，其特征在于：

双通道模式时，采集1通道键相信号与1通道主轴单向振动信号，多通道模式时，采集1通道键相信号与若干通道主轴各向振动信号；

所述通道指的是通过数据采集并解码后得到的一路编码器或者长光栅动态信号。

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