CN102706543A - 动力刀架综合性能测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明动力刀架综合性能测试方法属于数控机床刀架综合性能测试领域，特别涉及一种以传感器为传感元件的动力刀架综合性能测试装置，以labview为手段进行数据采集及处理的检测的方法。采用温度传感器、温度变送器、振动传感器、光栅微位移传感器、编码器、通用计数卡和工控机测量，用一系列的传感器获取刀架工作过程中温度、振动、Y轴的微位移以及刀盘换刀每一时刻的角速度值，并将这些值转化为电信号，通过一系列传送手段送到工控机，工控机通过软件将这些数据绘制成曲线图或者生成数据表格，本发明所述的动力刀架综合性能测试方法具有测量方法简单，灵敏度高，结果直观，测量准确，具有实际应用价值。

Description

动力刀架综合性能测试方法

技术领域

本发明属于数控机床刀架综合性能测试领域，特别涉及一种以传感器为传感元件的动力刀架综合性能测试装置，以labview为手段进行数据采集及处理的检测的方法。

背景技术

刀架是数控车床及车铣复合加工中心的关键功能部件，可实现数控车床及车铣复合加工中心的刀具储备、自动交换和夹持刀具进行切削等功能。当前，数控机床正在向高速、高效、高精度、复合化方向发展。作为关键功能部件，高性能的数控刀架对提高机床整体性能、可靠性、稳定性和效率有重要意义。高行性能的动力刀架要求换刀迅速，同时保证动力刀具高速运转的可靠性。但高速化的同时动力刀架的温升、振动等性能指标也会受到不同程度的影响。装在刀架上的刀盘的平面度误差、圆度误差以及转配时产生的各种误差也会随着速度的提高对刀架整体工作效果产生不同程度的影响。在实际加工过程中，刀架的温升对整个加工过程都有很大的影响。刀架的温升会使刀架内部的零部件变形，会影响刀具的工作效率以及工作质量，甚至导致加工工件变形，所以刀架的温升应严格控制在一定的范围之内。机床机械系统的故障往往通过振动表现出来，振动检测的准确程度对故障预测的结果影响很大。数控车床的内部振源主要是不平衡运动的旋转件、附件的振动和自激振动，其中影响最大的是主轴部件和被加工工件的不平衡运动。特别是目前数控车床的发展方向为高速、大进给参数，使主轴和加工工件的不平衡产生的影响就更为突出。当主轴部件和工件旋转时，由于其质量中心和旋转中心的偏心，而产生了绕回转中心旋转的离心力，它是使车床产生整机振动和不稳定的主要因素。目前，刀架综合性能测试的方法尚不完善，严重制约了数控车床及车铣复合加工中心行业的发展。哈尔滨理工大学的赵殿滨等人(赵殿滨，丁喜波，杨玉春，郝兰湘.数控刀架综合检测仪的研制.哈尔滨理工大学学报.1999，4(4))设计了由半导体激光器、光学元件及光电池组成的传感器，利用单片机控制和数据处理，实现了对刀架定位误差的自动检测，但其所研究的检测仪器仅仅检测了刀架的定位误差，没有考虑温度对刀架综合性能的影响，也不能对刀架振动情况进行测量。国内外对动力刀架性能检测通常只能进行简单的温度或者换刀速度、定位精度等性能的检测，而且上述性能指标的检测也只是单个的检测，尚未发现能够对刀架综合性能指标同时进行测量的装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有动力刀架综合性能检测技术不足的问题，发明一种以传感器为传感元件，采用温度传感器、温度变送器、振动传感器、噪声传感器、编码器、通用计数卡和工控机完成动力刀架综合性能指标的检测及数据信号的处理。经过一些列传送手段，将传感器输出的数据发送到工控机。工控机将传感器测得的数据绘制成曲线图或者生成数据表格，从曲线图和表格中可以直观地看出动力刀架各项技术参数的变化情况，解决动力刀架综合性能检测难的问题。

本发明采用的技术方案是：采用温度传感器、温度变送器、振动传感器、噪声传感器、编码器、通用计数卡和工控机完成动力刀架性能指标的检测及数据信号的处理。用一系列的传感器获取刀架工作过程中温度、噪声、振动、以及刀盘换刀每一时刻的角速度值，并将这些值转化为电信号，由数据采集卡发送到工控机，工控机通过软件将这些数据绘制成曲线图或者生成数据表格，还能将这些数据保存到Excel表格中，以便于后续分析。从曲线图中可以清晰地看出动力刀架在每一时刻各项指标的变化情况，如果发现超标情况，可以及时调整；

具体测试步骤如下：

(1)确定影响刀架加工精度的的关键发热源；在整个系统中布置了5个温度传感器，在刀架和外部液压系统相连接的地方安装第一温度传感器，第二温度传感器装在刀架变速装置的位置，第三温度传感器装在驱动动力刀具的伺服电机上，第四、第五温度传感器分别装在刀架箱体轴承的前、后面。

(2)在实验平台上安装各种传感器

先将装有驱动装置、变速装置的刀架箱体4安装到实验平台上，在刀架箱体上装上振动传感器7，接收振动传感器7信号的无线网管18通过USB接口接到工控机25上；将5个温度变送器即第一、第二、第三、第四、第五温度变送器19、20、21、22、23固定在实验平台上，5个温度传感器即第一、第二、第三、第四、第五温度传感器3、5、6、8、9的工作端采用胶粘的方式贴到刀架箱体4上，5个温度传感器的另一端分别连接到温度变送器19、20、21、22、23上，第一、第二、第三、第四、第五温度变送器19、20、21、22、23之间通过并联的方式连接在一起，在每一个温度变送器电源正负极之间接一个电容；将三角形的光栅微位移传感器支架13固定在实验平台的工作平面上，在支架13上安装光栅微位移传感器12，光栅微位移传感器12的工作端和横轴11上的平面相接触，横轴11装在刀盘10的工作孔中；将光栅微位移传感器12与单路数据采集盒26相连，单路数据采集盒26通过串口和工控机25相连；角度编码器支架14固定在试验平台上，角度编码器15用螺钉固定在角度编码器支架14上，用连接轴16将角度编码器15的内圈和刀盘16相连，角度编码器15与数显表17通过数据线连接，角度编码器15测得的数据传到数显表17中，数显表17通过串口和工控机25相连；将第一、第二、第三、第四、第五温度变送器18、19、20、21、22和数据采集卡24连接到一起，数据采集卡24装到工控机25内；利用工控机25中的上位机软件来处理采集到的数据；

(3)测试软件的设置

光栅微位移传感器11和角度编码器15的信号分别经单路数据采集盒26和数显表17处理后是由串口输出到工控机25，在上微机软件中设置串口串行通讯波特率、数据位、停止位；第一、第二、第三、第四、第五温度传感器3、5、6、8、9产生的信号经过第一、第二、第三、第四、第五温度变送器19、20、21、22、23送到数据采集卡24，数据采集卡的初始化在上位机软件中设置；无线振动传感器自带有一个专业的振动测量软件，只需在的动力刀架综合测试软件中调用该软件即可；

(4)开始测试

在动力刀架4刚开始运转，角度编码器15和光栅微位移传感器12采集一次，分别测出动力刀架刀盘分度运动动态曲线和动力刀架Y轴位移曲线，保存数据；动力刀架开始预热，预热30分钟后，角度编码器15和光栅微位移传感器12再采集一次，保存数据。利用软件的数据回放功能，把两次测量结果调出来，生成曲线图进行对比，检查各项测量指标是否合格，判定被测刀架是否合格。

本发明的显著效果是以5个温度传感器测量刀架在工作过程中各部位的温升变化，以角度编码器测量刀盘分度运动过程中的分度误差，以振动传感器测量刀盘分度运动过程中刀盘的加速度，以光栅位移传感器测刀架Y轴方向的微位移误差；数据采集要进行两次，在刀架刚开始运转时采集一次；等刀架预热结束以后，再进行一次采集。把两次采集结果对比，就能得出在温度变化时，刀架各个部位的热变形情况与刀架各项性能变化情况之间的关系，刀架各项性能的变化情况。该测量方法具有计算简单，精度高，灵敏度高，测量准确的特点。

附图说明

图1-流程图

图2-实验台安装示意题。其中：1-显示器，2-打印机，3、5、6、8、9-第一、第二、第三、第四、第五温度传感器，4-动力刀架箱体，7-振动传感器，10-刀盘，11-横轴，12-光栅微位移传感器，13-光栅微位移传感器支架，14-角度编码器支架，15-角度编码器，16-连接轴，17-数显表，18-振动传感器无线网关，、19、20、21、22、23-第一、第二、第三、第四、第五温度变送器，24-数据采集卡，25-工控机，26-单路数据采集盒。

图3-数据回放功能示意图，图4-数据回放与分析部分程序，图5-Excel文档编辑程序。

图6-测试系统的实验结果，图中A区域为温度传感器测试结果显示区域，其中的曲线表示的是在测试过场中刀架箱体温度的变化；B区域为角度编码器测试结果显示区域，其中：a-允许的角速度速度波动最大范围，b-允许的角速度速度波动最小范围，c1-第一次测得的刀架分度运动动态特性曲线，c2-第二次测得的刀架分度运动动态特性曲线；C区域为振动传感器显示区域，曲线表示的是Z轴在整个实验过程中的振动曲线；D区域为光栅微位移传感器测试结果显示区域，其中：a-理想的运动曲线，c-第一次测得的运动曲线，b-第二次测得的运动曲线。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式：动力刀架综合测试仪以传感器获取各项测量信号，传感器将各项测量量的变化转化成电信号输出，通过数据采集设备将数据传送到工控机，利用上位机软件处理这些数据。LabVIEW是美国国家仪器公司推出的一门图形化编程语言，具有强大的信号处理能力，具有标准的、功能强大的接口总线、板卡级相应软。因此本发明以LabVIEW为软件开发平台；本实施例中温度传感器选用STT-FA1B1E3F2G1H1PAW1S0传感器，选用温度变送器STWB-X100 T-r06-F05-P5；数据采集卡选用美国NI PCI-8310系列多功能数据采集卡；角度编码器选用德国HEIDENHAIN RON886分离式联轴器带内置轴承的角度编码器，配合成套的ND287数显表，可实现高的测试精度，编码器的尺寸为Φ200×36.3mm；测量带Y轴功能动力刀架在Y轴上的位移量，本系统采用GWC光栅位移传感器数据采集系统，包括GWC系列光栅位移传感器和新颖的数据采集盒两大部分组成；振动传感器选用扬州晶明科技的JM5840无线加速度传感器，该加速度传感器还带有一个配套的JM1801USB无线网关。刀盘选用型号为大连高金数控集团的DTS-83.刀盘主要尺寸为：Φ328×356mm，共有12个刀位，可安装12把刀具。采用的工控机为研华工控机IPC-610 CPU2.4G，内存512M，硬盘80G 17’液晶(4:3)2*RS232，2*USB，1*EPP，1*RJ45。

动力刀架综合性能测试装置及方法以传感器为传感元件，采集动力刀架系统在工作时的温度、角位移、振动等变化量，将这些变化量转化为电信号输出。该测量装置依据的基本原理是：温度传感器测量3、5、6、8、9动力刀架4在整个测试过程中的温度变化，振动传感器7测量动力刀架4在测试过程中的振动，角度编码器测15量两次刀盘分度运动时的角速度，光栅微位移传感器12分两次测量刀架Y轴移动的精度，这两次测量分别是在实验装置安装好之后，温升还很小几乎可以忽略的时候测量一次，等刀架预热结束以后，在测试一次。然后将两次测量的结果用上位机软件LabVIEW的数据回放功能放到一起比较，通过两次测量结果的比较得出温度变化时，动力刀架Y轴位移精度及刀盘分度运动精度的变化情况，而动力刀架各项性能是否合格，可以很直观地从曲线图中看书来，

具体步骤如下：

(1)确定影响动力刀架工作性能的的关键发热源；关键热源的确定为后续测量的有效性提供了基础。刀架箱体关键发热源是根据刀架箱体的具体结构而定的，布有电动机、轴承、液压系统等装置的位置比较容易发热，再结合结合工人师傅多年经验，最终在整个系统中布置了5个温度传感器，在刀架和外部液压系统相连接的地方安装第一温度传感器，第二温度传感器装在刀架变速装置的位置，第三温度传感器装在驱动动力刀具的伺服电机上，第四、第五温度传感器分别装在刀架箱体轴承的前、后面

(2)测量装置在实验平台的安装

先将装有驱动装置、变速装置的动力刀架箱体4安装到实验平台上，在动力刀架箱体4上装上振动传感器7，接收振动传感器7信号的振动传感器无限网关18通过USB接口接到工控机25上；将5个温度变送器即第一、第二、第三、第四、第五温度变送器19、20、21、22、23固定在实验平台上，温度传感器即第一、第二、第三、第四、第五温度变送器3、5、6、8、9的工作端采用胶粘的方式贴到动力刀架箱体4上，另一端连接到温度变送器19、20、21、22、23上，温度变送器之间通过并联的方式连接在一起，为了提高抗干扰能力，在每一个温度变送器电源正负极之间接一个电容；将三角形的光栅微位移传感器支架13通过预置的孔固定实验平台的工作平面上，在支架上装上光栅微位移传感器12。光栅微位移传感器12的工作端和一个从刀盘10的工作孔中伸出的横轴11的工作面接触，单路数据采集盒26和光栅微位移传感器12相连后，再通过串口和工控机25相连；最后，将温度变送器19、20、21、22、23和数据采集卡24连接到一起，数据采集24卡装到工控机25内；角度编码器支架14安装在实验平台上，角度编码器15外圈通过螺钉固定在支架14上，在角度编码器的内圈上连接一个连接轴15，连接轴15的另一端通过螺钉和刀盘10相连，角度编码器测得的数据先传到数显表17，数显表17通过串口将数据送到和工控机25

(3)测试软件的设置

该测量方法包括多个测量量，每个测量量从传感器到工控机的传输方式都不相同，因此对各个传感器的初始化工作也不一样。处理温度传感器3、5、6、8、9信号的数据采集卡24需要在上位机中进行初始化工作，光栅微位移传感器12以及角度编码器15的信号分别经过单路数据采集盒26和数显表17处理以后，均由串口输出到工控机25，因此需要在上位机软件中设置串口的串行波特率、数据位和停止位。无线振动传感器自带的有一个专业的振动测量软件，只需在动力刀架综合测试软件中调用该软件即可。

(4)测试开始

启动测试软件，输入相关参数，根据测量需要，整个界面设计为三个部分：控制区，设置区和显示区。软件预先编程，可以对信号进行滤波等相关处理。测试人员只需通过设置区输入测试条件，如被测刀架刀盘的中心高、、最高转速、Y轴位移量、实验时间等等，以及被测刀架的基本信息，如刀架型号、刀盘直径、装刀数量等；通过控制区可以实现数据采集与停止、数据保存、数据处理、数据查询等功能；通过显示区可以方便观察实时数据的记录。

在动力刀架刚开始运转，温升还小到可以忽略的时候，角度编码器和光栅微位移传感器采集一次，分别测出动力刀架刀盘分度运动动态曲线，和动力刀架Y轴位移曲线，保存数据；动力刀架开始预热，预热30分钟结束，角度编码器和光栅微位移传感器再采集一次，保存数据。角度编码器工作时，外圈固定在支架上，内圈通过横轴由刀盘带动着旋转。

测试系统软件的一个主要功能就是数据的回放和处理部分，设置该功能则可以选择性查看之前数据存储文件夹下保存的TDMS格式的历史数据。点击“数据回放”按钮后会弹出用户对话框供查看需要的文件，如果需要放弃本次操作可以点击“取消”，返回空闲状态继续等待其他操作。数据以TDMS格式的文件存储，回放功能也就主要围绕TDMS读取vi进行程序设计，程序流程比较简明，如图3所示。数据回放的同时还完成了相关的数据分析，包括速度、加速度、温度和位移等时域信号的最值提取，以及振动信号的频谱分析，并把TMDS中文件数据输出到Excel中保存，方便脱离该测试系统查看和供其他分析使用，其程序实现如图4所示，其中Excel文档输出编辑为子程序调用的模式，程序如图5所示。利用软件的记录查看功能，把第一次测量的数据调出来。把两次测量结果进行对比。即可看出刀架箱体在温升和没有温升时候刀盘的分度精度及Y轴微位移精度变化情况，以及随着温度的升高刀架箱体的振动变换情况。

图6记录了两次测量的结果，A区域中显示的是第三温度传感器6的测量结果，从图中可以看出，经过30分钟的预热，刀架箱体的温度逐渐趋于稳定，但是由于内部冷却系统的作用，会稍有波动。B区域中显示的是角度编码器测得的刀盘分度运动动态特性曲线，a、b曲线围成的区域是产品的合格区，c1的曲线表示第一次测量的结果，c2曲线表示第二次测量的结果，C区域显示的是振动传感器测得的动力刀架在整个工作过程中Z轴方向的振动情况，从图6的C区域中可以看出，在刚开始测试的时候，动力刀架振动比价剧烈，随着温度的升高预热的结束，动力刀架的振动成下降趋势，最终趋于平缓，图中有两处明显的波动，这是由动力刀架换刀引起的。D区域表示的是光栅微位移传感器的测得的结果，a曲线为理想的运动曲线，但在实际的工作中，不可能实现这样的曲线，如图6D区域中所示，实际的曲线会有一个平缓的加速过程。c曲线是第一次的测量结果，b曲线是第二次的测量结果。从图6D区域中可以明显的看出第一次测量时，运动曲线波动较大，跟理想状态的差距也比较大，而且最后的定位误差也较大，而第二次的测量结果不但运动曲线波动小，而且跟理想状态的差距也很小，最终的定位误差也很小。

本发明所述的动力刀架综合性能测试方法具有结构简单，灵敏度高，结果直观，测量准确等特点，具有实际应用价值。

Claims (1)

1.一种动力刀架综合性能测试方法，其特征是，采用温度传感器、温度变送器、振动传感器、噪声传感器、编码器、通用计数卡和工控机进行综合性能测试，综合性能包括刀架工作过程中的温度、噪声、振动、以及刀盘换刀每一时刻的角速度值，并将这些值转化为电信号，由数据采集卡发送到工控机，工控机通过软件将这些数据绘制成曲线图或者生成数据表格，并将这些数据保存到Excel表格中，在数据采集完成后，利用软件的数据回放功能，将测量结果回放出来，进行分析对比，从曲线图中即可看出温度升高对各项测量指标的影响，以及刀架的各项性能指标是否都在合格范围之内，具体测试步骤如下：

(1)确定影响刀架加工精度的的关键发热源；在整个系统中布置了5个温度传感器，在刀架和外部液压系统相连接的地方安装第一温度传感器，第二温度传感器装在刀架变速装置的位置，第三温度传感器装在驱动动力刀具的伺服电机上，第四、第五温度传感器分别装在刀架箱体轴承的前、后面。

(2)在实验平台上安装各种传感器

先将装有驱动装置、变速装置的刀架箱体(4)安装到实验平台上，在刀架箱体上装上振动传感器(7)，接收振动传感器(7)信号的无线网管(18)通过USB接口接到工控机(25)上；将5个温度变送器即第一、第二、第三、第四、第五温度变送器(19、20、21、22、23)固定在实验平台上，5个温度传感器即第一、第二、第三、第四、第五温度传感器(3、5、6、8、9)的工作端采用胶粘的方式贴到刀架箱体(4)上，5个温度传感器的另一端分别连接到温度变送器(19、20、21、22、23)上，第一、第二、第三、第四、第五温度变送器(19、20、21、22、23)之间通过并联的方式连接在一起，在每一个温度变送器电源正负极之间接一个电容；将三角形的光栅微位移传感器支架(13)固定在实验平台的工作平面上，在支架(13)上安装光栅微位移传感器(12)，光栅微位移传感器(12)的工作端和横轴(11)上的平面相接触，横轴(11)装在刀盘(10)的工作孔中；将光栅微位移传感器(12)与单路数据采集盒(26)相连，单路数据采集盒(26)通过串口和工控机(25)相连；角度编码器支架(14)固定在试验平台上，角度编码器(15)用螺钉固定在角度编码器支架(14)上，用连接轴(16)将角度编码器(15)的内圈和刀盘(16)相连，角度编码器(15)与数显表(17)通过数据线连接，角度编码器(15)测得的数据传到数显表(17)中，数显表(17)通过串口和工控机(25)相连；将第一、第二、第三、第四、第五温度变送器(18、19、20、21、22)和数据采集卡(24)连接到一起，数据采集卡(24)装到工控机(25)内；利用工控机(25)中的上位机软件来处理采集到的数据；

(3)测试软件的设置

光栅微位移传感器(11)和角度编码器(15)的信号分别经单路数据采集盒(26)和数显表(17)处理后是由串口输出到工控机(25)，在上微机软件中设置串口串行通讯波特率、数据位、停止位；第一、第二、第三、第四、第五温度传感器(3、5、6、8、9)产生的信号经过第一、第二、第三、第四、第五温度变送器(19、20、21、22、23)送到数据采集卡(24)，数据采集卡的初始化在上位机LabVIEW中设置；无线振动传感器自带有一个专业的振动测量软件，只需在的动力刀架综合测试软件中调用该软件即可；

(4)开始测试

在动力刀架(4)刚开始运转，角度编码器(15)和光栅微位移传感器(12)采集一次，分别测出动力刀架刀盘分度运动动态曲线和动力刀架Y轴位移曲线，保存数据；动力刀架开始预热，预热30分钟后，角度编码器(15)和光栅微位移传感器(12)再采集一次，保存数据。利用软件的数据回放功能，把两次测量结果调出来，生成曲线图进行对比，检查各项测量指标是否合格，判定被测刀架是否合格。

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