数控转台工况模拟试验台设计及实现*

陈云杰，陈 捷，杨 春

（南京工业大学机械与动力工程学院，南京 210009）

数控转台工况模拟试验台设计及实现*

陈云杰，陈 捷，杨 春

（南京工业大学机械与动力工程学院，南京 210009）

为了满足数控转台出厂前各项性能的检测，通过分析数控转台的性能需求，设计出数控转台工况模拟试验台。数控转台工况模拟试验台利用三个方向的液压油缸实现静态力的模拟加载；利用采集到的载荷谱输入进激振器，实现动态力的模拟加载。数控转台工况模拟试验台能模拟各种工况下的机床加工。有助于对数控转台的各项性能进行在线检测，并能降低试验成本、提高生产效率。该试验台经过实际使用，系统运行可靠，达到了设计要求。

数控转台；工况模拟；试验台

0 引言

数控转台是高档数控机床的重要功能部件，约占机床总价的1/4～1/3。数控转台为数控机床提供回转坐标，实现复杂曲面的加工。在2012年科技重大专项“项目四-关键部件”之课题59“数控转台产业化关键技术开发与应用”中，明确提出研究产品静动态性能测试和试验技术装置，突破关键零件加工瓶颈，确保产品批量生产的质量稳定性，满足主机配套要求，从而进行有关分析、计算和研究，同时开展相关技术攻关，实现数控转台的产业化［1］。

转台试验台出厂之前必须对其各项性能进行多次检测。传统的检测方法都是单一的检测，运用专业仪器，人工操作记录数据。这种检测方法需要耗费大量的人力物力且效率低下。而且，目前国内还没有关于数控转台检测的国家标准。各个厂家的标准不同，这对国产数控转台的质量的评价带来困难。此前，于春健等人对数控转台的精度、振动特性、测试设备等进行了深入的研究，但对数控转台在线检测设备的研究还不够全面［2-6］。杨春的专利中已经对转台工况模拟试验台进行初步介绍［7］。

本文所设计的数控转台工况模拟试验台系统，将模拟转台加工的工况，在近似实际工况下进行转台的各项性能检测，实现转台性能在线检测，同时节约了生产成本，提高了生产效率。

1 转台试验台试验要求

评价数控转台的主要指标有：重复定位精度、承载刚度、可靠性等。但数控转台的型式试验和出厂试验标准在我国尚为空白。通过研究国外相关标准和国内一些大重型旋转机械的出厂标准［8-11］以及结合吴明明提出的数控转台试验要求，对本试验台提出以下试验要求，具体要求如下。

（1）重复定位试验：转台台面内每30°选择一个目标点作为测量基准点，转台按数控系统设置的方向和角度转动，测出实际转动角度和指定角度之差即为定位精度，转台按一定角度正反重复转动5次，测出停止位和基准点的差值得到重复定位精度。

（2）空运转试验：在极限转速下，其运转试验时间≥10min，数控转台运转应正常、可靠，不应有振动、尖叫、工作失常等现象（仅限于产品型试验）；在空转运行试验时，对数控转台进行正反向运转、停止、锁紧、松开等动作，运转应不少于10次循环，其动作应灵活、可靠。

（3）静载试验：保持转台静止，分别让液压缸按转台额定载荷的20%，40%，60%，80%，100%分别加载30min，检测转台静态承载能力及刚度。

（4）承载运转试验：给转台加载最大承载的25%，50%，75%，100%，分别高速和低速运转，低速运转不得少于一圈，检测转台的动态承载能力及刚度。

（5）模拟实际工况实验：调用采集到的载荷谱，使激振器模拟动态载荷，并施加X、Y、Z三个方向的作用力，模拟静态加载，达到模拟实际工况的效果。测试相关的参数。

（6）制动力矩试验：在数控转台台面上施加切向力矩，观察台面转动的位移量。

（7）振动噪声试验：转台在空载和最大承载重量25%的轻载条件下中速连续运行60min，且在空运转条件下，转台运转的噪声声压级应不大于75dB（A）。

（8）温升试验：分别在最大承载的50%和100%的情况下，运转90min和30min，检测转台台面、液压油、支架的温度，判断温度是否异常，且涡轮蜗杆副啮合处温度不能高于75℃。

（9）跑合试验：转台按50%的占空比，中速连续空转100h，观察转台运行状况，考核转台的稳定性。

转台多次受载试验后，测量转台定位精度和重复定位精度的值并和出厂初始值比较，以此来评价转台的可靠性和精度保持性。

2 试验台控制系统的总体方案设计

2.1 转台试验台功能分析

数控转台在实际运转过程中的受力主要分为两类，一类为静载荷，另一类为动载荷。其中静载荷由转台上的工装夹具及工件质量引起的轴向力和倾覆力矩；而动载荷，由切削力产生，可分解为轴向、周向、径向载荷及倾覆力矩。切削力为交变载荷，是影响机床加工精度和切削效率的关键因素［12］。

为了模拟数控加工过程中铣、锁、钻、磨等工况，试验台要能产生在数控转台的各个方向加载不同载荷的静、动态力及使转台产生转动，并进行测试数控转台的承载性能、承载刚度和精度保持性、动态性能、可靠性等。

2.2 转台试验台的组成及结构

转台试验台由电气测控系统、液压系统、激振系统、测试系统以及辅助机械结构组成。具体的总体方案如图1所示。

图1 试验台总体组成方案

电气测控系统以工控机IPC为核心，控制系统采用西门子公司的S7-300，测试系统采用NI公司的数据采集卡。S7-300作为下位机负责数字量、模拟量的控制，NI数据采集板卡负责模拟量的采集。图2为试验台电气测控系统的总体结构。

图2 试验台测控系统总体结构

液压系统由三组电机、变量泵、加载油缸组成，分别实现对转台的轴向、周向和径向的加载，产生静态力。三个方向油路的原理一样，以其中周向为例。系统模拟加载时，电磁换向阀切换到左位实现力的加载，当切换到右位时，实现系统的卸荷，使得油缸活塞返回到原位，油路中的比例减压阀用于实验过程中轴向力载荷大小的调节，而蓄能器在加载过程中起到保压的作用。图3为液压系统原理图。

图3 液压系统原理

机械辅助结构主要是用H型钢材制作的液压油缸安装支架以及液压缸模拟加载时用的辅助零部件。

3 转台试验台工况模拟系统的实现

数控转台工况模拟系统主要借鉴了车辆领域的道路模拟试验台的工作原理。道路模拟试验台系统中选择具有代表性的路况，在道路模拟试验时的迭代控制和确保试件关键点损伤与道路保持一致，合理的确定数据采集点的位置，采集到道路谱进行时频域分析，并对加速度信号进行频域分析，对比分析信号，无异常，则载荷谱采集及预处理完成后，对载荷谱压缩、外推和叠加处理。原始的载荷谱信息采集后，利用莱茵达准则剔除异值，使用最小二乘法消除趋势项，并进行信号的平稳性检查，最后进行傅里叶低通滤波处理，所得的载荷谱可用作模拟加载的信号源［13-15］。

数控转台工况模拟系统的实现的关键是加载载荷谱的选择。载荷谱，是指模拟实际工况加载时选择的加载信号源，可以是数控转台的静态承载力，或是依托实际切削、磨削等工况下传感器所采集到的切削力的数据。采用信号处理方法，获得载荷数据（频率、幅值），编辑成载荷谱，实现动态载荷的加载。

3.1 静态加载的实现

静态加载是由液压系统来完成的，系统根据被测数控转台的承载范围，输出数控转台所需承受的力，有效规避质量块准备及频繁起吊，可以降低成本，提高效率，依据转台实际承载选取载荷谱，计算机将对应的载荷信息下发到控制器，控制液压电磁阀的动作，输出满足要求的力值，并采集加载力值，反馈给控制器，构成闭环控制。图4为静态模拟加载的原理图。

图4 静态模拟加载系统工作原理

静态加载的关键零部件如图5所示，这些零部件将构成静态模拟加载系统的动力源及执行机构。

图5 静载模拟加载系统零部件

静态加载的上位机软件采用NI公司的LabVIEW进行G语言编程，以结构化和模块化的思想进行设计，包括实验参数及控制模块、过程数据监测、数据管理模块、报表生成模块（如用户管理、曲线打印等），本系统的界面如图6所示。

图6 静载自动模拟加载上位机界面

3.2 动态加载的实现

交变载荷对数控转台的性能参数指标的影响更大。数控转台制造商，并不配有锁床、铣床、钻床、磨床，即使有，也无法实现对每个数控转台进行切削检测。而利用动态模拟加载系统检测数控转台的关键性能参数并不需要耗费太多的试验成本。动态加载系统的工作原理是利用先进的信号采集系统将数控转台实际所承受的交变力采集、保存、处理，提取典型特征值，最终形成动态加载的载荷谱。上位机按照试验要求，选择载荷谱，并下发到激振器系统，系统产生相应的载荷（频率和幅值），图7为动态载荷加载系统的工作原理。

图7 动态载荷模拟加载系统原理图

3.2.1 载荷谱的选择

本文以铣齿机为例，选取强力铣齿机加工齿轮时所产生的切削力作为典型力进行分析，采用瑞士Kistler 9255B系列多分量测力系统，测量三个垂直方向的力，即Fx、Fy、Fz。这套系统具有结构小巧、灵敏度高、接近自然频率、温度误差小等优点。图8为测量铣齿切削力的场景。

图8 9255B切削力测量系统测量强力铣削力

将采集到的信号做如下处理，处理流程如图9所示。

分析所测信号发现，强力铣削力信号是一组随机非平稳信号，进行成形铣齿加工时，信号的频率成分比较丰富，所以利用小波分层阈值消噪法对信号进行降噪［16］。再利用小波重构对消噪处理过的细节系数和近似系数进行信号重构。再提取出最优小波分解树的终端节点，将终端节点能量占总能量比值较大的节点系数保留，其余节点系数置零，利用write函数重构小波分解树，并在matlab中利用wprec函数进行信号的重构。重构完的信号任然存在毛刺，再利用五点三次平滑去噪法平滑处理［17］。处理完的信号相比原始信号，许多干扰信号得以过滤。再利用镜像延拓法对信号进行镜像延拓处理。把所得信号经过经验模态分解和经验包络求IF，得到最终的结果如图10所示，从中可以看出，此段时间内，数控转台主要承受这几个频率分量力的作用。

图9 实际信号处理流程图

图10 经验包络求取IMF1的瞬时频率

3.2.2 激振器实现动态载荷的加载

动态力的产生由激振系统提供。为了复现机床加工过程中数控转台所承受的交变载荷，本系统利用激振器来模拟交变载荷加载。当上位机发出指令后，激振器的偏心电机转速相应的发生变化。这里的上位机使用的是NI公司的LabVIEW，激振器控制器作为下位机，上下位机之间通过串口进行通信。上下位机利用RS232串口线成功通信之后，在上位机界面中可以写入转速命令值，激振器控制器将此控制信号转化为对应的电流值，驱动偏心电机进行运动。图11为激振系统结构图。

图11 激振系统结构图

4 结论

本文以数控转台工况模拟试验台为对象，完成了试验台总体方案的设计、并通过采集铣齿加工过程中数控转台的载荷谱，进行静动态力的模拟加载，通过实际的运行使用，证明本系统运行可靠，达到了预期的效果。

［1］国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）［EB/OL］，http：//www.gov.cn/jrzg/20 06-02/09/content_183787.htm.2006-02-09.

［2］于春建，黄筱调.大重型数控转台静压主轴承载及蜗轮蜗杆啮合侧隙优化［J］.南京工业大学学报（自然科学版），2011，33（3）：74-77.

［3］Chunjian Yu，Xiaodiao Huang，ChengGang Fang and Ke-Fang Dai.Research on Damping and Vibration Characteristic of the Large and Precision NC Rotary Table［J］.Advanced Materials Research.2010，（97-101）：1216-1222.

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［7］一种模拟工况的数控转台试验台载荷加载控制系统及控制方法［P］.中国：CN10325605A.

［8］GB/T 3669-1995.船用起重机回转支承［S］.

［9］GB/T 6404.1-2005.齿轮装置的验收规范第1部分空气传播噪声的试验规范［S］.

［10］GB/T 6404.2-2005.齿轮装置的验收规范第2部分验收试验中齿轮装置机械振动测定［S］.

［11］GB/T 28698-2012.滚动轴承电机用深沟球轴承技术条件［S］.

［12］杨叔子.机械加工工艺师手册［M］.北京：机械工业出版社，2001.

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［15］胡文伟，易明.轿车车头道路模拟试验加载谱研究［J］.同济大学学报，2003，31（7）：861-863.

［16］王秉仁，杨艳霞，蔡伟，等.小波阈值降噪技术在振动信号处理中的应用［J］.噪声与振动控制，2008，12（6）：9-12.

［17］史源源.平滑去噪法在柴油机隔振器效果分析中的应用［J］.机械工程与自动化，2009（3）：100-104.

（编辑 赵蓉）

Design and Im plement of NC Rotary Table Condition Simulation Test Bed

CHEN Yun-jie，CHEN Jie，YANG Chun
（School of Mechanical and Power Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 210009，China）

In order tomeet the various performance testof NC rotary table before delivery，through the analysis of the performance requirement of NC rotary table，designed the working condition of NC rotary table simulation test bench.Working condition of NC rotary table simulation experiment using three directions of the hydraulic oil cylinder to realize the load simulation of static force；Using the collected the load spectrum of input into the vibrator，load simulation of the dynamic force.Variousworking conditions ofmachine tool processing can be simulated by working condition of NC rotary table simulation testbed.It is help to on-line detection of various properties of NC rotary table，and reduce test cost，and improve production efficiency. Though actual use，this test bed results show that the system is reliable，has reached the design requirements.

NC rotary table；working condition simulation；test bench

TH122；TG65

A

1001-2265（2015）08-0032-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.08.008

2014-10-31

国家科技重大专项项目：高档数控机床用数控转台产业化关键技术开发与应用（2012ZX04002-041）

陈云杰（1990-），男，江苏泰州人，南京工业大学硕士研究生，研究方向为数控转台可靠性，（E-mail）njtechcyj@qq.com；通讯作者：陈捷（1971-），女，云南保山人，南京工业大学教授，研究方向动态测试，（E-mail）820967156@qq.com。