浅析数控机床试验中传感器的应用

北京金隅科技学校 李嵩松

浅析数控机床试验中传感器的应用

北京金隅科技学校 李嵩松

机床试验在数控机床设计制造过程中是重要的一部分。因通用机床类型及想要达到的目的不同，其需要进行的试验项目也不尽相同。本文介绍数控机床试验的分类和项目及试验目的，典型试验项目的检测方法和在机床试验中利用传感器等仪器的使用，这些检测装置能够达到显示、记录和控制机床试验过程的要求。

传感器能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置。在机床试验中利用传感器这种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

一、机床试验在数控机床设计制造过程中的重要性

1.机床试验的类型和项目

机床试验不仅是机床新产品开发阶段的重要组成部分，也是定型产品制造过程中不可缺少的一个部分，机床试验中传感器的使用是非常广泛的。通过传感器的使用在机床试验中能够获得稳定可靠的实验数据，为进一步研究提供依据和保障。

新产品通过机床试验能够全面评定机床的性能和技术水平，提出产品的结构和性能存在的问题，为完善产品提供有力的保障。对于定型产品，通过机床试验可以检验机床是否符合国家有关标准和技术条件，并且检验机床的可靠性和工作能力。

（1）机床试验的类型和目的

机床试验类型主要分为机床验收试验，新产品样机试验和机床研究试验三个类型。在三类机床试验中都有传感器的应用，通过传感器的应用能够获得准确的试验数据，保障试验顺利进行。

机床验收试验：主要目的是检验制造出的或修理过的机床是否符合所规定的技术要求，并检验各机构和部件协调动作的正确性以及机床的工作能力。

机床验收试验一般包括机床空运转试验、噪声试验、几何精度试验以及载荷试验。

新产品样机试验：主要目的是对新试制的机床进行样机试验，全面评价机床结构设计和制造工艺的技术水平，提出需要深入研究的课题和改进设计的措施。因此新产品样机试验是发展机床新产品不可或缺的一步。

新产品样机试验一般包括噪声试验、空运转振动试验、热变形试验、静刚度试验、主传动系统的功率和效率试验、切削抗振性试验、激振试验、定位精度试验、主轴回转精度试验、爬行试验、传动精度试验、加工精度试验、可靠性试验。

机床研究试验：机床研究试验是在研制新型机床过程中，常涉及到一些基础理论问题，对拟采用的新方案、新系统、新工艺、新材料等进行研究试验。

（2）各类通用机床试验的项目

各类通用机床所应进行的样机试验项目是根据机床的不同而不同，如附表所示。但也可根据各类机床样机试验规范细则和具体条件酌情调整。

2.数控机床样机试验项目及其分类

根据数控机床的特点和机械结构特点决定了数控机床的试验项目及其分类。

数控机床的主要特点：自动化程度高，加工精度高，加工质量稳定，可靠加工生产效率高，对零件的加工适应性强。

数控机床机械结构的主要特点：高刚度和高抗振性，减少机床热变形的影响，驱动系统机械结构稳定，高传动效率和无间隙传动装置，低摩擦因数的导轨。

根据数控机床的上述特点决定了数控机床的样机试验，除传动精度试验外，其余所有试验都需要进行。

机床试验可以分为三类：机床验收及空运转试验、抗振性切削试验、机床激振试验。

（1）机床验收及空运转试验

机床验收及空运转试验包括：机床的验收、空运转试验、机床几何精度检查、温升及热变形试验，静刚度试验、位置精度试验、加工精度及加工表面粗糙度试验、回转精度试验。

机床验收及空运转试验是机床样机和成型产品的关键步骤，项目较多，实施较为复杂。在项目中温升及热变形试验和静刚度试验是较为重要的试验。

（2）抗振性切削试验

一般选定一二种典型加工条件（刀具、切削范围、加工零件材料等均应固定），逐步改变切深、切宽或走刀量进行切削，用测振仪在各主要部件各方向测定其振动幅度。有条件时应进行频谱分析，以比较不同机床的振幅大小、起振条件、起振点等。

（3）机床激振试验

激振试验一般分为绝对激振和相对激振两类。相对激振用于对整机进行分析。绝对激振用来寻找机床的薄弱环节，一般用来对部件激振。

通过激振试验，确定机床的振动模式（振型）、固有频率、阻尼以及动刚度（或动柔度），找出薄弱环节。

二、数控机床样机试验项目的检测方法

1．典型试验项目的检测方法和仪器

数控机床的典型试验项目主要包括：机床热变形试验、机床噪声试验、机床静刚度试验、机床振动和动刚度试验。

机床热变形试验的主要检测方法可以分为直接试验法和间接试验法。主要应用的试验仪器：温度传感器、涡流传感器和信号放大器等。

机床噪声试验的主要检测方法可以采用声功率试验方法，也可以采用声压法。主要应用的试验仪器：传音器和信号放大器

机床静刚度试验的主要检测方法通过弹性加载检测着力点位移。主要应用的试验仪器：位移传感器，力传感器和信号放大器。

机床试验类型

机床振动和动刚度试验的主要检测方法是可以采用激振试验法测定机床的动态特性。主要应用的试验传感器为：压电式加速度传感器、电荷放大器。

（1）机床热变形试验

机床因受热变形而引起的几何精度与定位精度的变化，往往超过规定公差的若干倍，因此测量机床热变形是机床试验的重要项目。

热变形试验可以分为直接试验法和间接试验法：直接试验法是通过在典型加工工艺条件下加工一批典型零件，直接测定机床受热引起的综合变形。所用试验仪器为常规检验工具即可。

间接试验法是通过在机床运动或模拟状态下，精密测量机床的几何精度变化，主要检测机床主轴和定位元件的位移。所使用的传感器包括热电偶，热敏电阻类及半导体点温计等。

测量主轴单元的热变形是机床热变形试验的重要一项，主要试验方法为采用非接触式涡流传感器和适配的放大器测量主轴单元由于温升引起的轴向伸长测量。

试验中用到的电涡流传感器能实现静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量，准确地测量出被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体(必须是金属导体)与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析，振动研究和分析测量中，对非接触的高精度振动和位移信号能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运动状态，主要取决于其核心——转轴，而电涡流传感器，能直接非接触测量转轴的状态，对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定，可提供关键的信息。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响及结构简单等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。

（2）机床噪声试验

机床噪声试验的内容，包括测定机床的总噪声水平和寻找机床的主要噪声源两项主要内容。为测定总噪声水平，推荐采用声功率试验的工程法。在试验条件不具备的情况下，允许测量声压级。

机床主轴单元噪声试验作为机床试验中的重要环节，是决定机床性能的主要试验。试验中所用的传感器为传声器，具体试验布置如图1所示，机床噪声试验中要避免空气流动对传声器的影响，背景噪声符合测量要求。在测试前传声器要进行校准，并符合要求才能保证试验准确。

（3）机床静刚度试验

机床静刚度是指机床在静载荷作用下抵抗变形的能力，所谓静载荷是指不随时间变化而变化的或变化极其缓慢的力。重力、夹紧力和热应力属于静载荷。

机床静刚度试验的方法为：在常用切削位置和行程处，进行弹性加载或重力加载，记录着力点的位移及各主要部件位移，然后进行数据整理和计算。

机床静刚度试验可以针对整台机床也可针对一些重要部件，机床主轴单元作为机床的核心部件测量主轴单元的静刚度试验是非常重要的机床试验。

通过试验既能考察主轴单元的结构和轴承类型及其配置方式的适用性，还可以了解轴承的顶紧状态、主轴部件的制造及装配质量。

试验方法为主轴单元应紧固在试验台上，选择套筒作为测量基准，测量主轴端部相对套筒的位移；加载所用测力仪要有良好的线性特性，试验前先校准；径向加载时，因条件限制无法在靠近主轴前端截面处加载，故分别在距主轴前端截面不同距离处径向加载，线性回归出相当于在靠近主轴前端截面处加载对应测点的位移值。试验仪器和测点布置如图2所示。试验主要仪器为测力计和电感测微仪，在测试前试验仪器要进行校准，并符合要求，才能保证试验准确。

（4）机床振动和动刚度试验

机床振动和动刚度试验是机床试验中极其重要的环节，主要试验目的为：减少和消除振动，以使机床达到正常的工作状态，保证加工精度和表面粗糙度。找出机床振动的振源及机床的薄弱环节，提出改进措施。

目前应用最为广泛的机床振动试验方法为激振法，因为以机床的切削过程作为试验条件不易控制，重复性差，以仿真激振的方法来模拟切削过程是比较稳定和准确的一种方法。

机床振动测试系统由以下部分组成：①激振部分：包括激振器，信号源，功率放大器，常用的激励信号有正弦、随机、瞬态和周期等。由于信号源提供的信号相当弱小，当激励一个结构，往往还需把激励信号放大，以至于能推动激振器，这就是功率放大器的作用。功率放大器必须和激振器相匹配。②信号测量与采集部分：包括力传感器，响应传感器，适调放大器。③数据采集、处理部分：包括记录并处理测试数据，例如确定频率响应函数；从测试得到的频响函数中导出并确定模态参数(共振频率，阻尼系数，模态振型向量)。

试验仪器配置如图3所示。

图1 噪声传感器布置和仪器配置

图2 测点分布和仪器配置

图3 试验仪器配置

2．利用压电传感器检测技术的优势

机床振动和动刚度试验是为了全面了解机床特性，较准确地找到该机床的薄弱环节，同时也有利于更准确地建立机床动力学模型，从而为动态优化设计提供依据和目标。激振试验则是进行机床试验模态分析的重要手段，目的是通过人为的外部激励方法，比较全面地测到机床结构的固有特性参数，为全面分析和改进机床的动态特性提供依据。激振试验所用的传感器为压电传感器。

压电传感器是以压电晶体为敏感元件的加速度传感器。当晶体变形时，它的两个极面上会产生与其变形成正比的电荷，而变形是与晶体受到的力成正比的。加速度计的好处是:质量越小，把它粘在结构上时对结构的影响就越小，测量也就越精确。另外，在做常规的振动分析时，加速度信号可以通过积分电路正确地积分，从而得到速度和位移。而将速度传感器和位移传感器跟微分电路一起使用是不适合的，因为它会放大高频噪声。基于以上考虑，使加速度计在模态分析试验中成为应用最广泛的运动传感器，充分体现了压电传感器在机床试验中的优势。

三、结语

传感器的应用是实现自动检测和自动控制的首要环节。在工业生产和试验过程中，经常会遇到各种转速的测量和控制问题。近年来，随着电子技术的迅速发展，工业测控设备不断更新，频率测量的方法和设备也有新的进展。在实际应用中，选择不同的技术设计方案，效果可能相差甚远。这就要求在工作中我们要根据需要选用适当的传感器，发挥传感器本身的优势，从而得到我们所需的真实可靠的试验数据，为我们工作提供更便捷的帮助。□

李嵩松，高级工程师，工程硕士，主要研究方向：重型超重型机床设计与制造