钳工技师论文高速电主轴轴向热伸长及径向振动测试平台搭建

第一篇：钳工技师论文高速电主轴轴向热伸长及径向振动测试平台搭建

省 技 师 职 务 申 请

评 审 论 文

论文题目：高速电主轴轴向热伸长及径向振动测试平台搭建

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原技术工种名称：钳 工 高 级 工

申 报 时 间：

省人力资源和社会保障厅制 【摘要】高速电主轴是高速数控机床中关键功能部件之一，在高速切削机床上得到广泛应用，电主轴的轴向热伸长及径向振动直接影响主轴刀具的加工精度，稳定性及加工范围，如何测量电主轴的热变形量及振动量，对研究电主轴综合加工能力有着十分重要的作用。

【关键词】电主轴 热伸长 振动

【前言】在数控机床加工行业，减少加工时间是提高生产效率的有效方法，数控机床的高速加工能力更能显示机床的综合性能，高速电主轴的性能直接决定了机床的高速加工能力，本文以高速电主轴轴向热伸长及径向振动测试平台的搭建为主要内容，采用电涡流位移传感器、红外线温度传感器、数据采集卡和电脑计算机，利用VB6.0编程制作软件，开发高速电主轴综合性能测试系统。

一、电主轴概述

电主轴是高速数控机床的核心部件，它采用无外壳电动机，将带有冷却套的电动机定子装配在主轴壳体内，转子和机床主轴的旋转部件做成一体，主轴的变速通过变频器控制，电主轴具有结构紧凑、响应快、转速高、功率大等优点，不过，随着主轴转速和进给速度的提高也会引来一些负面影响，如主轴发热、振动问题，也是造成主轴损坏的重要因素，也是影响加工精度的重要原因，电主轴基本结构图如图1-1。

图1-1 电主轴基本结构图

二、高速电主轴的热源及振动分析

1、高速电主轴的热源分析

高速电主轴是高速机床的核心部件，同时也是机床的主要热源，电主轴中电动机的发热和轴承的摩擦发热是不可避免的，由此引起的热变形严重地影响机床的加工精度，因此，对电主轴的热特性进行分析也是必要的，本文将利用高精度电涡流位移传感器及红外线温度传感器对高速电主轴的轴向热伸长进行非接触测量。

2、高速电主轴振动的分析

机械振动是指物体在某一中心位置两侧所做的往复运动，简称振动。

机床的振动大小对机械加工的精度、工件的表面质量、机床的有效寿命等有着不可小视的影响，影响机床振动的因素很多，如床身加工精度、导轨的加工精度、机床主轴的自身振动、数控系统的控制精度等等，其中电主轴的振动大小是影响机床系统振动的主要原因之一，同时也是衡量电主轴动态性能好坏最直接的指标。电主轴高速运转时，由偏心质量产生的机械振动是轴系振动的主要成分之一，任何微小的不平衡质量将引起电主轴不同程度的机械振动，因此，电主轴的转轴必须进行严格的动平衡，对主轴进行振动监测显得非常重要，因此，本文将利用高精度电涡流位移传感器对高速电主轴的径向振动量进行在线监测。

三、高速电主轴轴向热伸长及径向振动测试平台搭建

1、平台说明

测试平台采用平整工作台支架支承，并使用25mm钢板作主轴安装底板，以增加刚性，主轴由前后等高V型块支承，再用压紧块压紧，构成主轴安装夹具，确保主轴安装牢固及高速转动时的稳定性，电主轴使用变频器控制，并采用油冷机对主轴发热进行冷却控温，主轴热伸长及振动量通过传感器检测，经数据采集卡收集数据，再由测试软件计算后在电脑显示及保存。装配效果如图3-1。

图3-1 测试平台装配效果图

1油冷机 2变频器 3、4、12电涡流位移传感器 5、15计算机 6电主轴 7主轴压紧块 8主轴支架 9数据采集卡 10红外线温度传感器 11、13传感器支架 14平台支架

2、测试系统软件

测试系统软件在软件科冯先生悉心指导下完成，软件通过Visual Basic 6.0进行编写，实用性强、可靠性高，软件可设置采样间隔和时间，实现单通道、双通道及四通道进行数据采集，对电主轴进行全方位监控，还可对检测结果保存及打印。四通道数据采集界面如图3-2。

图3-2 四通道数据采集界面

四、高速电主轴轴向热伸长及径向振动测试实验

1、高速电主轴轴向热伸长测试

采用红外线温度传感器和电涡流位移传感器各一个，安装位置如图4-1。电主轴采用变频器控制，可设置规定转速和运行时间，红外线温度传感器实时监测并记录转轴的温度变化，电涡流位移传感器实时监测转轴随转速、运行时间和温度的变化所产生的位移量。

图4-1探头安装位置---轴向热伸长

2、高速电主轴径向振动测试

采用电涡流位移传感器2个，探头安装位置如图4-2。电主轴采用变频器控制，可设置转速和运行时间，X、Y轴方向探头分别实时监测X、Y方向振动位移量。

图4-2探头安装位置---径向振动 【结束语】电主轴是高速数控机床中的关键功能部件之一，在高速切削机床上得到广泛应用，它的性能直接决定了机床的高速加工性能，为提高零件的加工精度和表面质量以及生产率提供了保证。

本系统主要用于监控高速电主轴的工作参数，用户可根据电主轴的实时数据了解电主轴的当前工作状况，并根据参数的变化改变相应的控制，以提高工作效率，减少故障的产生。采用红外线温度传感器、电涡流位移传感器对高速电主轴的轴端温度、轴向热伸长和径向振动（X、Y双向）四个参量进行了非接触实时测量。

本系统为基本实时监测系统，用户还可以整合相关的电主轴控制策略，根据各项参数的实时监测变化，对电主轴进行自动适应调整，从而实现电主轴的智能化监测与控制，以上构想还有待进一步研究。

【致谢】感谢广东科杰机械自动化有限公司提供的资源帮助，感谢对本测试系统软件提供专业指导及制作的软件科冯宁先生，对关心和提供指导的各位同事，朋友表示衷心的感谢！

【参考文献】数字化手册编委会 编 机械设计手册（软件版）V3.0 机械行业标准 JB/T 10801.2-2007 加工中心用电主轴 技术条件 国家标准 GB/T 11348.1-1999 旋转机械转轴径向振动的测量和评定 国家标准 GB/T 17421.3-2009 机床检验通则 热效应的确定 国家标准 GB/T 16768-1997 金属切削机床 振动测量方法 上海欧丹仪器电子有限公司产品说明书 北京啊尔泰科技发展有限公司产品说明书