CN110842644A - 一种基于数控负载信息的机床运动部件接触刚度退化率监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数控负载信息的机床运动部件接触刚度退化率监测方法，为了提高加工精度和机床寿命有必要对机床运动部件的接触刚度进行监测。为了方便快捷监测运动部件接触刚度的退化过程，本发明通过定期监测机床空载运行在标准的测试程序下的负载信息，确定驱动电机驱动运动部件匀速运动所需克服的摩擦力矩，进而根据摩擦力矩与接触刚度的关系计算运动部件接触刚度退化率。该监测方法可以在不影响机床正常工作的情况下准确便捷地评估运动部件的磨损和接触刚度退化趋势，并且监测成本低、简单易操作。

Description

一种基于数控负载信息的机床运动部件接触刚度退化率监测 方法

技术领域

本发明公开一种基于数控负载信息的机床运动部件接触刚度退化率监测方法，属于机床关键功能部件监测领域。

背景技术

数控机床有很多运动部件，如主轴、进给部件、自动换刀部件等。部件是指能完成一项具体功能的部件。运动部件则是能够进行运动(移动或转动)的部件，如数控机床中的主轴、进给部件等。而主轴和进给部件则直接影响机床的加工精度，因此对机床运动部件的接触刚度监测，尤其是对主轴和进给部件的接触刚度监测显得特别重要。

高精密数控机床集成了当前工业发展最前沿的技术，可以说是一个很复杂的系统，其性能的优劣受很多因素的影响，但机床运动部件对其性能影响最大，尤其是主轴和进给部件。主轴回转精度作为机床主轴的重要性能指标，其指标的优劣对被加工零件的粗糙度、形位公差和表面质量有着直接的影响，有相关研究报告表明：主轴的回转误差将带来百分之三十到百分之七十的精密车削过程中的圆度误差，且机床的精度越高，主轴的回转误差所占比重越大。因此，要提升加工质量，必须提升主轴的回转精度。而主轴的接触刚度对主轴的回转精度有重要影响，因此对主轴接触刚度的监测非常有必要。

滚珠丝杠副是机床进给部件中的关键零件，它的传动效率与传动精度以及同步性等都是非常重要的指标。对于目前高速度、高精度以及高负载的滚珠丝杠副产品来说，其精度保持性是至关重要的。所以在滚珠丝杠副实际运行过程中，对其精度保持性监测是保证其精确工作的前提。在实际运行过程中，滚珠在转动过程中产生的磨损将会影响其运动精度，因此监测滚珠丝杠副的磨损状态十分必要。在滚珠丝杠副运行过程中，接触刚度是监测的重要指标，摩擦磨损影响摩擦力矩，而摩擦力矩与预紧力息息相关，而预紧力又影响滚珠丝杠副的接触刚度。因此可以通过监测接触刚度来监测滚珠丝杠副的进给进度，进而反映加工精度。

目前，主轴接触刚度退化率的测量主要通过搭建实验装置，然后布置力传感器和位移传感器，力信号和位移信号送入带有数据采集和信号处理功能的电脑中，经分析处理得到主轴系统的刚度。丝杠接触刚度的测量主要是通过测量丝杠螺母间的相对位移，如果两个丝杠螺母间有位移，那么就意味着螺母间的垫片发生了变化，因此初始预紧力发生了变化，根据预紧力的变化可以大概推断出刚度的变化，但是无法求解具体数值，仅可以表示出刚降低的大概情况。以上测量主轴和丝杠接触刚度的方法实现起来都较为复杂，成本较高，精度较低。

本发明提出一种简单的接触刚度退化率测量方法，建立了一套在线测量接触刚度退化率的装置。根据国家测试机床主轴和滚珠丝杆副的相关标准，编写标准的机床测试程序。当机床空载执行标准测试程序时，通过机床通信接口(西门子数控系统的OPC UA、发那科数控系统的FOCAS和华中数控系统的hncsdk等)采集数控系统的负载信息，通过研究负载信息和接触刚度退化率的关系，然后根据它们之间的关系来计算接触刚度退化率。本方法不仅能定量分析主轴和滚珠丝杠副的接触刚度退化率，而且操作简单易行。目前，基于机床通信接口实现对数控机床的监控得到了广泛的应用，其可靠性高，灵敏度好，因此基于机床通信接口采集的负载信息来计算接触刚度退化率是可行的。并且在运动部件领域使用该方法测量接触刚度从未有过，其具有一定的创新性。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明涉及一种在线测量机床运动部件接触刚度退化率的试验装置，用来研究机床运动部件在工作状态下，负载信息(负载电流、负载扭矩和负载率等)与接触刚度之间的关系，以及滚珠丝杠副和主轴的磨损特性，并对其实现监控。

以立式加工中心为研究对象分析切削负载传递路径，立式加工中心主体结构及负载信息传递路径如附图1所示，加工过程中负载传递可分为两条路径。一条是经过进给传动系统最终传递到进给伺服驱动电机，另一条是通过主轴扭矩传动系统传递到主轴驱动电机。

(1)进给传递系统

进给传动系统切削过程中以X方向为例，刀具在沿进给X方向产生的切削力Fx，经过滚珠丝杆副转换成切削力矩M_cx作用在联轴器右端，与此同时滚珠丝杠传动过程中的摩擦力矩M_f也作用在联轴器右端。在进给传递系统中伺服电机输出力矩M_s、切削力矩M_cx、摩擦力矩M_f、转动惯量力矩M_G等效平衡。当机床空载运行标准测试程序时，滚珠丝杆副匀速空载运动，切削力学M_cx和转动惯量力矩M_G都为0，此时，伺服电机输出力矩M_s与摩擦力矩M_f等效平衡，摩擦力矩能够反映接触刚度的大小，而负载信息反映的是电机输出力矩的大小，因此可以通过监测滚珠丝杠副的负载信息来监测其接触刚度退化率。

(2)主轴传递系统

主轴扭矩传动系统切削过程中切削力作用在刀尖位置，产生切削力矩M_c，在负载传递过程中主轴电机输出力矩M_m、切削力矩M_c、摩擦力矩M_f、转动惯量力矩M_G实现转矩平衡。当机床空载运行标准测试程序时，机床主轴匀速转动，切削力学M_cx和转动惯量力矩M_G都为0，此时，主轴电机输出力矩M_m与摩擦力矩M_f大小相等，摩擦力矩能够反映接触刚度的大小，而负载信息反映的是电机输出力矩的大小，因此可以通过监测主轴的负载信息来监测其接触刚度退化率。

本发明采用的技术方案为一种基于数控负载信息的机床运动部件接触刚度退化率监测方法。实现该方法的试验装置包括具有通信接口的数控机床(西门子数控系统、发那科数控系统和华中数控系统等)、网线和计算机。首先，根据国家测试机床主轴和滚珠丝杆副的相关标准，编写标准的机床测试程序。然后，在数控系统上配置好通信的相关参数，包括IP和端口等，用网线将数控系统具备与外置计算机进行交互的网络端口跟计算机的网络端口相连。运行采集软件，采集机床运行在标准测试程序时主轴、X轴、Y轴和Z轴的负载信息，并将数据保存。

当新机床第一次空载运行标准测试程序时，通过数控系统通信接口分别采集主轴、X轴、Y轴和Z轴的负载信息，负载信息包括负载电流、负载扭矩和负载率等，由于负载扭矩、负载电流和负载率可以相互换算，因此下面以负载率为例进行说明，将采集到的4组负载率分别取平均，并且记录下来。然后每天机床开机后都空载运行一遍标准测试程序，分别采集主轴、X轴、Y轴和Z轴的负载率，将采集到的4组数据分别取平均。最后根据负载率相比第一次空载运行时的负载率的变化率可以得出接触刚度退化率和接触刚度变化趋势。

不破坏和不影响数控机床正常工作的情况下，仅仅通过定期监测机床运行在标准测试程序时主轴、X轴、Y轴和Z轴的负载信息，根据负载信息的变化规律，即可实现对机床运动部件磨损及接触刚度退化率和接触刚度变化趋势的评估和预测。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明的装置是基于机床通信接口实时测量负载信息，通过负载信息相比新机床时所测数据的变化率进而求出接触刚度退化率。在测量过程中，操作简单，无需停机，效果好。在无需拆装的情况下可以监测机床运动部件的接触刚度退化率和退化趋势。

2)本发明是基于机床空载运行在标准测试程序下进行的，由于滚珠丝杠副和主轴在此状态下无额外冲击和附加载荷，与常规的丝杠和主轴接触刚度测量实验装置相比，此方法成本较低，操作简单，测量较为方便，并且可以实现在线测量。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图。

图2是接触刚度退化率趋势图。

图3是本方法的实施示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明了，下面以某型立式加工中心为例，详细说明本发明的实施方式。

负载信息包括负载率、负载电流和负载扭矩，由于负载扭矩、负载电流和负载率可以相互换算，并且采用本发明的方法来计算接触刚度退化率可以通过这三种变量中的任何一种进行计算，计算方式也相同，因此下面以负载率为例进行说明。

第一步：搭建一种在线测量机床运动部件接触刚度退化率的装置，该装置包括具有通信接口的数控机床(西门子数控系统、发那科数控系统和华中数控系统等)、网线和计算机。

第二步：在数控机床的系统上配置好通信相关参数，包括IP和端口等，然后用网线将数控系统具备与外置计算机进行交互的网络端口跟计算机的网络端口相连。

第三步：给新机床上电，开机，编写标准测试程序，运行采集软件，数控机床运行在标准测试程序，此时，采集数控机床的主轴、X轴、Y轴和Z轴的转速、负载率数据，并将数据保存为.csv文件，其中第一列为主轴转速N、第二列为主轴负载率L_asp、第三列为X轴进给速度V_x、第四列为X轴负载率L_ax、第五列为Y轴进给速度V_y、第六列为Y轴负载率L_ay、第七列为Z轴进给速度V_z、第八列为Z轴负载率L_az。

第四步：当采集软件检测到标准测试程序走完以后会自动的读取上一步保存的.csv文件，当读取到主轴转速N等于标准测试程序中主轴转速的设定值时，将该行对应的主轴负载率记为L_aspi，i＝1,2,3……n。读取完之后，计算出主轴初始负载率的均值为：

当读取到X轴进给速度V_x等于标准测试程序中设定的X轴进给速度时，将该行对应的X轴负载率记为L_axi，读取完之后，计算出X轴初始负载率的均值为：

Y、Z轴同理，所有计算完毕之后，将计算出来的四个数值作为接触刚度未退化时的初始负载率，并将其保存为.txt文件。

第五步：每天机床开机之后先运行一遍标准测试程序，运行采集软件，将采集数据进行保存，保存方式与上面相同。

第六步：当采集软件检测到标准测试程序走完以后会自动的读取上一步保存的.csv文件，当读取到转速N等于NC程序中的设定值时，将该行对应的主轴负载率记为L_aspi。读取完之后，计算出主轴当前负载率的均值为：

当读取到X轴进给速度V_x等于NC程序中的设定的X轴进给速度时，将该行对应的X轴负载率记为L_axi。读取完之后，计算出X轴当前负载率的均值为：

Y、Z轴与X轴计算方式相同，此处不再赘述。通过读取之前保存的.txt，读取出接触刚度未退化时的初始主轴负载率

X轴负载率

Y轴负载率

和Z轴负载率

主轴、X轴、Y轴和Z轴随着接触刚度的退化，空载运行相同的NC程序负载率会增大，因此可以通过负载率的变化计算出接触刚度退化率，通过负载率计算主轴接触刚度退化率为：

式中η_sh1为通过负载率计算出的接触刚度退化率，

为主轴当前负载率的均值，

为主轴初始负载率的均值。

通过负载率计算X轴滚珠丝杠副接触刚度退化率为：

式中η_X1为通过X轴负载率计算出的接触刚度退化率，

为X轴当前负载率的均值，

为X轴初始负载率的均值。

Y轴和Z轴的滚珠丝杠副接触刚度退化率计算方式与X轴相同。

Claims (6)

1.一种基于数控负载信息的机床运动部件接触刚度退化率监测方法，其特征在于：第一步：搭建一种在线测量机床运动部件接触刚度退化率的装置，该装置包括具有通信接口的数控机床、网线和计算机；

第二步：在数控机床的系统上配置好通信相关参数，包括IP和端口，然后用网线将数控系统具备与外置计算机进行交互的网络端口跟计算机的网络端口相连；

第三步：给新机床上电，开机，编写标准测试程序，运行采集软件，数控机床运行在标准测试程序，此时，采集数控机床的主轴、X轴、Y轴和Z轴的转速、负载率数据，并将数据保存为.csv文件，其中第一列为主轴转速N、第二列为主轴负载率L_asp、第三列为X轴进给速度V_x、第四列为X轴负载率L_ax、第五列为Y轴进给速度V_y、第六列为Y轴负载率L_ay、第七列为Z轴进给速度V_z、第八列为Z轴负载率L_az；

第四步：当采集软件检测到标准测试程序走完以后会自动的读取上一步保存的.csv文件，当读取到主轴转速N等于标准测试程序中主轴转速的设定值时，将对应的主轴负载率记为L_aspi，i＝1,2,3……n；读取完之后，计算出主轴初始负载率的均值为：

当读取到X轴进给速度V_x等于标准测试程序中设定的X轴进给速度时，将该行对应的X轴负载率记为L_axi，读取完之后，计算出X轴初始负载率的均值为：

Y、Z轴同理，所有计算完毕之后，将计算出来的四个数值作为接触刚度未退化时的初始负载率，并将其保存为.txt文件；

第五步：每天机床开机之后先运行一遍标准测试程序，运行采集软件，将采集数据进行保存；

第六步：当采集软件检测到标准测试程序走完以后会自动的读取上一步保存的.csv文件，当读取到转速N等于NC程序中的设定值时，将该行对应的主轴负载率记为L_aspi；读取完之后，计算出主轴当前负载率的均值为：

当读取到X轴进给速度V_x等于NC程序中的设定的X轴进给速度时，将该行对应的X轴负载率记为L_axi；读取完之后，计算出X轴当前负载率的均值为：

Y、Z轴与X轴计算方式相同，此处不再赘述；通过读取之前保存的.txt，读取出接触刚度未退化时的初始主轴负载率

X轴负载率

Y轴负载率和Z轴负载率

主轴、X轴、Y轴和Z轴随着接触刚度的退化，空载运行相同的NC程序负载率会增大，因此可以通过负载率的变化计算出接触刚度退化率，通过负载率计算主轴接触刚度退化率为：

式中η_spl为通过负载率计算出的接触刚度退化率，

为主轴当前负载率的均值，

为主轴初始负载率的均值；

通过负载率计算X轴滚珠丝杠副接触刚度退化率为：

式中η_Xl为通过X轴负载率计算出的接触刚度退化率，

为X轴当前负载率的均值，

为X轴初始负载率的均值；

Y轴和Z轴的滚珠丝杠副接触刚度退化率计算方式与X轴相同。

2.根据权利要求1所述的一种基于数控负载信息的机床运动部件接触刚度退化率监测方法，其特征在于：通过定期监测机床空载运行在标准的测试程序下的负载信息，确定驱动电机驱动运动部件匀速运动所需克服的摩擦力矩，进而根据摩擦力矩与接触刚度的关系计算运动部件接触刚度退化率。

3.根据权利要求2所述的一种基于数控负载信息的机床运动部件接触刚度退化率监测方法，其特征在于：所述的标准测试程序是基于测试机床主轴和滚珠丝杆副的相关标准进行编写。

4.根据权利要求1所述的一种基于数控负载信息的机床运动部件接触刚度退化率监测方法，其特征在于：所述的现场采集设备采集所述的数控机床的负载信息，然后根据负载信息、摩擦力矩、和接触刚度的关系，求解出接触刚度退化率，用来实现接触刚度退化率的监测。

5.根据权利要求1所述的一种基于数控负载信息的机床运动部件接触刚度退化率监测方法，其特征在于：由于主轴和滚珠丝杠副监测方法相同，而且所述负载信息包括负载率、负载电流和负载扭矩，他们之间能够相互换算，监测主轴的负载率进行说明；当所述数控机床为新机床时，空载执行标准测试程序，用所述采集设备采集主轴负载率，并求出负载率的均值，记为

然后每隔相同的一段时间空载执行标准测试程序，采集主轴负载率并求出均值，记为

根据负载率变化率即可得出接触刚度退化率公式：

接触刚度退化率：

6.根据权利要求5所述的一种基于数控负载信息的机床运动部件接触刚度退化率监测方法，其特征在于：通过绘制所述的接触刚度退化率图像对接触刚度退化率趋势进行评估和预测，根据预估的结果对机床进行提前维护。

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