CN104977126B - 一种主轴动不平衡检测计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种主轴动不平衡检测计算方法，属于高速主轴在线动平衡技术领域。包括以下步骤：采集轴套变形信号及主轴转动相位信号；通过信号的幅频转换，提取主轴转速同频信号，并确定采集信号的相位角θ；获得两加速度传感器所在位置的同一相位的轴套最大变形量y₂、y₆；确定动不平衡位置D(l_D，y_D)，l_D为轴向位置，y_D为最大变形量；计算主轴动不平衡所产生的离心力F_D的矢量方向θ和位置l_D。本发明适合一体式轴套下各种主轴运行工况，实现主轴动不平衡的计算。本发明用于主轴动不平衡在线调整系统，可实现高速主轴动平衡状态的监控、分析、调整，结构紧凑，可适应高速旋转状态，而且损耗低、效率高。检测计算精确。

Description

一种主轴动不平衡检测计算方法及系统

技术领域

本发明属于高速主轴在线动平衡技术领域，特别是涉及一种主轴动不平衡检测计算方法。

背景技术

高速数控机床是装备制造业的技术基础和发展方向之一，高速数控机床的技术水平高低是衡量一个国家制造业水平高低的标志。主轴是所有旋转加工的数控机床中最为关键的部件之一，其性能对整台机床的加工精度、可靠性等都有至关重要的影响。旋转不平衡是影响主轴回转精度的主要因素之一，在主轴上实现动平衡已成为一项不可或缺的关键技术,它是以提高主轴的回转精度、可靠性及使用寿命为奋斗的终极目标。在线检测主轴不平衡状态是在线执行主轴动平衡调整的前提，因此，开发出一种主轴动不平衡计算方法根据对主轴变形模拟量获得主轴不平衡值将是在线动平衡系统考虑的重要问题。针对一体式轴套主轴开发一种主轴动不平衡计算方法一直是行业内的难点。首先，在一体式轴套将主轴轴承全部包裹在轴套内，没有给动不平衡的测量提供测量点。因此，需要一种测量方式进行主轴动平衡检测，任何不正确的测量都难以满足主轴动平衡检测的需求。再者，由于高速数控机床主轴高速旋转，而主轴动平衡状态需要实时保证，如何在极短的时间内完成主轴动不平衡状态的测量和计算都具有挑战性。目前，国内外还未发现一种适合于一体式轴套高速主轴的、高效的在线动平衡检测计算方法。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供一种主轴动不平衡检测计算方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明一种主轴动不平衡检测计算方法，包括以下步骤：

①采集传感器信号：所述主轴置于轴套中，加速度传感器为两个，测量由于主轴动不平衡作用在轴套上引起轴套变形的加速度模拟信号；同时采集相位传感器信号，所述相位传感器设置在对应主轴中心标记线处，检测识别主轴转动相位标记；

②信号的幅频转换：通过采集卡对采集到的加速度模拟信号转换成时域信号，将时域信号转换为频域信号；将相位传感器信号转换成时域信号；

③提取主轴转速同频信号，并确定采集信号的相位角：根据主轴转速特征，在获得的加速度信号频域特性时得到与主轴转速同频率的加速度信号及幅值，并根据加速度信号和相位信号的时间对应关系，得到该频率下轴套最大变形时主轴旋转的角度即为采集信号的相位角θ；

④获得主轴套变形量：根据第③步所述幅值建立周期函数，对该函数进行二次积分，分别得到两加速度传感器所在位置的同一相位的轴套最大变形量y₂、y₆；

⑤确定动不平衡位置：由已知的轴套固定端变形为零和第④步骤中轴套最大变形量y₂、y₆的位置，根据该四点位置拟合一光滑曲线f(x)，该曲线二次可导，设f(x)”＝0，则x＝l_D，计算f(l_D)＝y_D，l_D为轴向位置，y_D为最大变形量，得到曲线最大幅值点D；

⑥计算主轴动不平衡所产生的离心力：根据轴套的弹性模量k、主轴轴套的最大变形量y_D，根据胡克定律，f＝ky,计算得到轴套获得的该变形所承受的作用力F_D；该作用力即为主轴动不平衡所产生离心力的等效力，该作用力所处位置及与主轴相对应的相位关系即为主轴动不平衡所产生离心力F_D的矢量方向θ和位置l_D。

采用本发明主轴动不平衡检测计算方法的系统，包括两个加速度传感器、相位传感器、数据采集卡和工控机，两个加速度传感器和相位传感器检测主轴的不平衡信号，数据采集卡连接加速度传感器和相位传感器，通过数据采集卡采集信号，工控机根据采集的信号分析主轴动不平衡特性，计算主轴动不平衡等效离心力及其矢量方向和位置。

进一步地，所述主轴置于轴套中，加速度传感器为两个，两个加速度传感器分别固定在主轴轴套上，检测主轴轴套产生的变形信号。

进一步地，所述相位传感器为红外信号传感器，设置在对应主轴中心标记线处，检测识别主轴转动相位标记，相位传感器测量中心与主轴中心线保持水平。

本发明的有益效果为：

本发明的主轴动不平衡检测计算方法适合一体式轴套下各种主轴运行工况，实现主轴动不平衡的计算。本发明用于主轴动不平衡在线调整系统，可实现高速主轴动平衡状态的监控、分析、调整，从所获特性可知该系统可提高高速主轴的回转精度，从而实现高质量零件的加工。

本发明结构紧凑，可适应高速旋转状态，而且损耗低、效率高。检测计算精确。

附图说明

图1为本发明主轴与轴套的装配关系及动平衡检测仪器布置示意图。

图2为主轴动平衡检测计算的原理示意图。

图3为本发明待测等效动不平衡离心力矢量方向的示意图。

图4为本发明计算的流程图。

其中，1-轴套固定端Ⅰ，2-加速度传感器Ⅰ，3-主轴，4-轴套，5-轴承，6-加速度传感器Ⅱ，7-轴套固定Ⅱ，8-主轴相位标志线，9-相位传感器，10-数据采集卡，11-工控机；

x、y为坐标轴，坐标原点O为轴套一端固定点，x为轴套轴向，指向轴套另一固定点；y为轴套径向，I点表示轴套上另一端的固定点，F₂、F₆为加速度传感器Ⅰ、Ⅱ的测量位置，F_D为拟合的轴套最大变形位置，l_D、l₂、l₆、L分别表示长度，即为轴向坐标值，y₂、y₆、y_D为轴套在该点的变形量，θ表示F_D的矢量方向。

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明作进一步详述。

实施例：如图1所示，本发明一种主轴动不平衡检测计算方法，包括以下步骤：

①采集传感器信号：所述主轴置于轴套中，加速度传感器为两个，测量由于主轴动不平衡作用在轴套上引起轴套变形的加速度模拟信号；同时采集相位传感器信号，所述相位传感器设置在对应主轴中心标记线处，检测识别主轴转动相位标记；

②信号的幅频转换：通过采集卡对采集到的加速度模拟信号转换成时域信号，将时域信号转换为频域信号；将相位传感器信号转换成时域信号；

③提取主轴转速同频信号，并确定采集信号的相位角：根据主轴转速特征，在获得的加速度信号频域特性得到与主轴转速同频率的加速度信号及幅值，并根据加速度信号和相位信号的时间对应关系，得到该频率下轴套最大变形时主轴旋转的角度即为采集信号的相位角θ；

④获得主轴套变形量：根据第③步所述幅值建立周期函数，对该函数进行二次积分，分别得到两加速度传感器所在位置的同一相位的轴套最大变形量y₂、y₆；

⑤确定动不平衡位置：由已知的轴套固定端变形为零和第④步骤中轴套最大变形量y₂、y₆的位置，根据该四点位置拟合一光滑曲线f(x)，该曲线二次可导，设f(x)”＝0，则x＝l_D，计算f(l_D)＝y_D，l_D为轴向位置，y_D为最大变形量，得到曲线最大幅值点D；

⑥计算主轴动不平衡所产生的离心力：根据轴套的弹性模量k、主轴轴套的最大变形量y_D，根据胡克定律，f＝ky,计算得到轴套获得的该变形所承受的作用力F_D；该作用力即为主轴动不平衡所产生离心力的等效力，该作用力所处位置及与主轴相对应的相位关系即为主轴动不平衡所产生离心力F_D的矢量方向θ和位置l_D。

本发明主轴动不平衡检测计算系统，包括两个加速度传感器、相位传感器9、数据采集卡10和工控机11，两个加速度传感器2、6和相位传感器9检测主轴3的不平衡信号，数据采集卡10分别连接加速度传感器Ⅰ2、加速度传感器Ⅱ6和相位传感器9，通过数据采集卡10采集信号，工控机11根据采集的信号分析主轴3动不平衡特性，计算主轴3动不平衡等效离心力及其矢量方向和位置。

所述主轴3置于轴套4中，加速度传感器为两个，两个加速度传感器分别固定在主轴轴套4上，检测主轴轴套4产生的变形信号。

所述相位传感器9为红外信号传感器，设置在对应主轴3中心标记线处，检测识别主轴3转动相位标记，相位传感器9测量中心与主轴3中心线保持水平。

Claims (1)

1.一种主轴动不平衡检测计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

①采集传感器信号：所述主轴置于轴套中，加速度传感器为两个，测量由于主轴动不平衡作用在轴套上引起轴套变形的加速度模拟信号；同时采集相位传感器信号，所述相位传感器设置在对应主轴中心标记线处，检测识别主轴转动相位标记；

②信号的幅频转换：通过采集卡对采集到的加速度模拟信号转换成时域信号，将时域信号转换为频域信号；将相位传感器信号转换成时域信号；

③提取主轴转速同频信号，并确定采集信号的相位角：根据主轴转速特征，在获得的加速度信号频域特性时得到与主轴转速同频率的加速度信号及幅值，并根据加速度信号和相位信号的时间对应关系，得到该频率下轴套最大变形时主轴旋转的角度即为采集信号的相位角θ；

④获得主轴套变形量：根据第③步所述幅值建立周期函数，对该函数进行二次积分，分别得到两加速度传感器所在位置的同一相位的轴套最大变形量y₂、y₆；

⑤确定动不平衡位置：由已知的轴套固定端变形为零和第④步骤中轴套最大变形量y₂、y₆的位置，根据该四点位置拟合一光滑曲线f(x)，该曲线二次可导，设f(x)”＝0，则x＝l_D，计算f(l_D)＝y_D，l_D为轴向位置，y_D为最大变形量，得到曲线最大幅值点D；

⑥计算主轴动不平衡所产生的离心力：根据轴套的弹性模量k、主轴轴套的最大变形量y_D，根据胡克定律，f＝ky,计算得到轴套获得的该变形所承受的作用力F_D；该作用力即为主轴动不平衡所产生离心力的等效力，该作用力所处位置及与主轴相对应的相位关系即为主轴动不平衡所产生离心力F_D的矢量方向θ和位置l_D。