一种加工中心电主轴可靠性试验方法及系统

摘要

本发明公开了一种加工中心电主轴可靠性试验系统及方法，该方法的步骤为：1、搭建加工中心电主轴可靠性试验系统；2、确定试验环境及试验时间；3、对电主轴进行功能试验，排除早期故障；4、采集电主轴稳定状态的性能参数，并确定故障判据；5、对典型工件进行循环加工，监测电主轴的状态、性能参数，判断故障。该系统包括温度传感器、噪声传感器、力传感器、电涡流位移传感器、振动传感器以及与上述各部件相连的控制单元。本发明具有结构简单紧凑、成本低廉、原理简单、操作简便、试验精度高等优点。

说明书

技术领域

本发明主要涉及到加工设备的领域，特指一种针对加工中心电主轴可靠性的试验方法及系统。

背景技术

随着加工中心继续向着高速、高效和超精方向发展，其可靠性水平成为制约加工中心发展的主要瓶颈。通过实际调研发现，电主轴的寿命是影响加工中心可靠性的主要因素，因此要提高加工中心的可靠性必须要提高电主轴的寿命水平。

目前，提高电主轴的可靠性的方法主要有选择合适的高速轴承、设计合理的润滑和冷却系统、从结构方面设计考虑提高电主轴的动态和热态特性等，所有这些方法都没有从总体上来考虑电主轴可靠性问题。单方面性能的提高并不一定能够提高电主轴的可靠性水平，最关键的是要找出影响电主轴可靠性的主要因素。而解决这个问题的唯一方法就是进行可靠性试验，通过试验的方法找出电主轴的主要故障形式，然后通过数据分析得到故障机理，并提出改进措施，从而从根本上提高加工中心电主轴的可靠性。

由于加工中心电主轴的高速性、高精密性以及环境应力的复杂性，单独的电主轴可靠性试验并不容易实现。目前，电主轴的试验主要是为了检测其性能而进行的台架试验，台架试验是将电主轴从机床分离出来，加上相应的传感器、采集系统和加载系统，建立一个台架，对电主轴单独进行加载试验，检测电主轴各种性能参数。但是作为加工中心的电主轴影响其可靠性的因素众多，环境应力复杂，单独的台架试验并不能很好的反映电主轴的生存环境，得出的故障模式也并不一定是电主轴是主要失效形式，因此台架试验只适合做电主轴的性能试验，而不是可靠性试验。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、原理简单、操作简便、试验精度高的加工中心电主轴可靠性试验方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

一种加工中心电主轴可靠性试验方法，其特征在于步骤为：

①、搭建的试验系统：在加工中心工作室内设置用来实时测量电主轴轴心温度的温度传感器、用来监测电主轴空转时段噪声变化的噪声传感器、用来检测加工过程中电主轴加工载荷的力传感器、用来监测电主轴空转时段振动变化的振动传感器以及用来检测电主轴回转精度的电涡流位移传感器；

②、确定试验环境及试验时间；

③、对电主轴进行功能试验，排除早期故障；

④、利用步骤①中搭建的试验系统，采集电主轴稳定状态的性能参数，并确定故障判据；

⑤、对典型工件进行循环加工，监测电主轴的状态、性能参数，判断故障。

作为本发明的进一步改进：

所述步骤②中的试验环境包括工作电压、环境温度、湿度以及振动，所述工作电压的设置为50％的时间输入设计的标称电压、25％的时间输入设计的极限电压、25％的时间输入设计的下限电压，电压的容差为标称电压的±10％，产品通电工作状态应占试验时间的90％以上；环境温度为20～30℃左右；湿度为40％～75％。

所述步骤③中的功能试验为令电主轴连续空运转72h，每个循环时间不多于15min，每个循环之间的休止时间不得超过1min。

所述步骤④是在规定的冷却条件下，电主轴在低、中、高转速下连续运转，每级转速下不少于1h；在每一级转速达到稳定状态后，启动搭建的试验系统，采集电主轴稳定状态的空载状态参数。

本发明进一步提供一种加工中心电主轴可靠性试验系统，其特征在于包括：

温度传感器，装设于加工中心工作室内，用来实时测量电主轴的轴心温度；

噪声传感器，装设于加工中心工作室内，用来实时监测电主轴空转时段的噪声变化；

力传感器，安装在试验工件下面，用来检测加工工程中电主轴的加工载荷；

电涡流位移传感器，用来检测电主轴的回转精度；

振动传感器，用来监测电主轴在空转时段的振动变化；

控制单元，用来与上述各部件相连并对上述部件检测的数据进行显示和处理。

所述温度传感器通过支架固定在电主轴的外壳上，所述温度传感器的测量端对准电主轴的前轴端。

所述振动传感器为三向加速度传感器。

所述电涡流位移传感器固定于电主轴的前端处，所述电涡流位移传感器的探头对准电主轴的刀柄部。

所述力传感器为六分量力传感器，用来检测电主轴在x、y、z三个方向所承受的力和扭矩。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

1、本发明电主轴可靠性试验方法及系统，是直接在加工中心的工作室中搭建可靠监控系统，比起电主轴台架其成本更低搭建时间更短，也更容易实施。同时该试验方法是用循环加工典型工件来考核电主轴的可靠性，这也是加工中心实际的使用环境，从而在重点考核电主轴的同时充分暴露加工中心的故障，这对于加工中心可靠性的评估有重要的参考价值。

2、本发明中电主轴工作的环境对于电主轴的可靠性有重要影响，在台架上做可靠性试验并不能将所有的环境应力都施加在电主轴上，得出的可靠性数据也并不可信，而该电主轴可靠性试验方法是在加工中心上直接进行电主轴的可靠性试验，可以很好的克服台架试验的缺点，充分利用加工中心在加工时的环境应力，暴露电主轴的故障。

3、本发明为了使电主轴尽量短时间的出现故障，本发明试验在选择工件时选用强度比较大的45号钢，并选用大进给、大切深和高速度，使电主轴处在最差工况，扭矩、径向力和轴向力都比较大，促使电主轴故障出现。比起实验台架只能通过测功机给予电主轴扭转载荷，该可靠性试验方法有很大的优势。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是本发明加工中心电主轴在线可靠性试验系统的结构示意图；

图3是本发明中各传感器的布置示意图；

图4是本发明具体实施中采用频域三点误差分离方法的原理示意图；

图5是本发明在具体应用实例中加工零件毛坯的示意图；

图6是本发明在具体应用实例中加工后零件的示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。

本发明的一种加工中心电主轴可靠性试验方法，其步骤为：

①、搭建的试验系统：在加工中心工作室9内设置用来实时测量电主轴1轴心温度的温度传感器、用来实时监测电主轴1空转时段噪声变化的噪声传感器、用来检测加工工程中电主轴1加工载荷的力传感器、用来监测电主轴1空转时段振动变化的振动传感器以及用来检测电主轴1回转精度的电涡流位移传感器；

②、确定试验环境及试验时间；

③、对电主轴1进行功能试验，排除早期故障；

④、利用步骤①中搭建的试验系统，采集电主轴1稳定状态的性能参数，并确定故障判据；

⑤、对典型工件6进行循环加工，监测电主轴1的状态、性能参数，判断故障。

如图1和图2所示，本发明的加工中心电主轴可靠性试验系统包括：温度传感器，装设于加工中心工作室9内，用来实时测量电主轴1的轴心温度；噪声传感器，装设于加工中心工作室9内，用来实时监测电主轴1空转时段的噪声变化；力传感器，安装在试验工件下面，用来检测加工工程中电主轴1的加工载荷；电涡流位移传感器，用来检测电主轴1的回转精度；振动传感器，用来监测电主轴1在空转时段的振动变化；控制单元，用来与上述各部件相连并对上述部件检测的数据进行显示和处理。该系统即为上述方法中所搭建的试验系统。典型工件6通过夹座8固定，刀具5位于典型工件6的正上方。

在本实施例中，加工中心循环加工典型工件6，开始加工时启动温度传感器，实时测量电主轴1轴心温升；在刀具切削过程中启动安装在典型工件6下的力传感器，采集15min时长的电主轴1加工载荷；在执行换刀之前和工件加工完后电主轴1继续空转30min，同时启动振动传感器、噪声传感器和电涡流位移传感器，测量电主轴1的性能、状态参数，判断电主轴1是否故障。

在本实施例中，温度传感器选用红外线测温传感器，温度范围为0℃～200℃，该传感器通过带有磁铁的支架2固定在电主轴1的外壳上，测量头对准电主轴1前轴端(安装位置如图3)，实时监测电主轴1的轴心在加工过程中的温度变化，监控其温升故障。振动传感器采用三向加速度传感器，该带有磁铁的加速度传感器3吸附在电主轴1前端，其主要包括传感器探头、恒流源、传感器供电及信号输出电缆，用来测量电主轴1轴向、径向和周向的振动，监测电主轴1空转时段的振动变化。噪声传感器通过支架安装在加工中心工作室9内，传感器选用自由声场传感器，其由传声器及其配套恒流源前置放大器组成，通过两通道电荷放大器对其进行电荷放大。监测电主轴1空转时段噪声变化。电主轴1回转精度的测量选用电涡流位移传感器，该传感器包括电涡流位移传感器探头、电涡流位移传感器变送器、电涡流位移传感器供电以及信号输出电缆三个部分。传感器通过带有磁铁的位移传感器支架4安装在电主轴1的前端(安装位置如图3)，传感器探头对准电主轴1刀柄部分，测量电主轴1的回转精度，同时采用频域三点误差分离法对电主轴1回转误差进行分离。该方法由日本学者青木保雄和大圆成夫提出，其原理是利用频谱技术把圆度误差和形状误差分离开来(如图4)：

以传感器A、B、C测量轴线的交点0为测量原点建立测量坐标系XOY，为被测零件的圆度形状误差，x(θ)、y(θ)分别为被测回转轴在θ处回转运动误差在坐标轴X，Y方向的分量。φ_BA、φ_CA分别为传感器B、C与传感器A之间的夹角。输出信号S_A(θ)、S_B(θ)、S_C(θ)分别是测量探头A、B、C和电主轴1间的间隙信号，由电主轴1的回转误差x(θ)、y(θ)和基准的圆度误差r(θ)组成。基于圆度误差的周期性构造三点法基本方程如下：

s(θ)＝c₁r(θ)+c₂r(θ+φ_BA)+c₃r(θ+_cA)

其中c₁、c₂、c₃为传感器A、B、C的灵敏度，一般取c₁＝1

利用离散傅里叶变换与反变换解三点法基本方程可以得到回转误差和圆度误差。

在典型工件6的下面，安装六分量力传感器7作为力传感器。在循环加工典型工件6的过程中传感器同时检测电主轴1在x、y、z三个方向所承受的力和扭矩，同时，每加工一个工件就逐量增加系统的加工工艺参数(如进给量、吃刀量以及电主轴1的转动速度等)，从而逐渐增大电主轴1所受的力和扭矩，绘制出电主轴1温度、振动、噪声以及回转精度与电主轴1载荷的关系图，在发生故障的情况下，检测出电主轴1发生故障时的工况。

采用以上组建的加工中心可靠性试验系统进行电主轴1的可靠性试验，循环加工典型工件6，使电主轴1处在实际的复杂环境应力下，利用各种传感器监测其状态、性能参数，根据故障判据，准确获取电主轴1的故障模式及故障信息，明确电主轴1的薄弱环节，为提高电主轴1的可靠性提供试验依据。

步骤②中，工作环境包括工作电压、环境温度、湿度以及振动。工作电压为50％的时间输入设计的标称电压，25％的时间输入设计的极限电压，25％的时间输入设计的下限电压，电压的容差为标称电压的±10％，产品通电工作状态应占试验时间的90％以上，具体断电时间段应随机选择；环境温度根据实际情况，一般为25℃左右；湿度为40％～75％；振动条件参考标准GJB150.16-1986。试验时间包括累计试验时间、试验周期和每天工作时间。试验为定时结尾，累计试验时间1500小时，以典型工件的加工时间为试验周期，每天工作时间8小时。

例如：(1)工作电压；产品工作状态的电应力中，50％的时间输入设计的标称电压，25％的时间输入设计的极限电压，25％的时间输入设计的下限电压，电压的容差为标称电压的±10％，产品通电工作状态应占试验时间的90％，具体断电时间段应随机选择。

(2)环境温度；加工中心电主轴1工作时环境空气温度最高不能超过40℃，最低不能低于-10℃，因此选择在试验环境的温度为25℃左右进行。

(3)湿度；试验环境相对湿度不大于90％，一般取40％～75％。

(4)振动；基本运输振动条件，参考标准GJB150.16-1986确定。

(5)试验时间；1)累计定时试验的时间不小于1500小时；2)24h为一试验周期，其中加工中心进行切削加工的时间在90％左右；3)每天工作的时间不少于8小时。

步骤③中，功能试验选用数控铣程序模拟工作状态，连续空运转72h，每个循环时间不多于15min，每个循环之间的休止时间不得超过1min。整个运转过程中不应发生故障，如遇停电等自然故障，允许再启动后进行，运行时间可累计。凡中间出现故障而停机，则必须在排除故障后重新进行连续72h模拟切削空运转试验。

例如：试验用的加工中心电主轴1样品应该满足标准JBT 10801.2-2007规定，为保证试验样品在试验前已经过一定运行时间(即样品已渡过早期故障期进人偶然故障期)在进行加工中心电主轴可靠性试验之前，要对加工中心电主轴1进行功能试验，排除早期故障。

1)用按键、开关或人工操纵对机床进行功能检验，试验其动作的灵活性和功能的可靠性。在电主轴1的低、中、高转速下，做电主轴1启动、正转、反转、停止(包括制动)的连续试验，连续操作不少于7次，试验其动作的灵活性。其中电主轴1做低、中、高转速变换试验，转速的指令值与显示值(实测值)之差不得大于10％；

2)用数控装置指令控制电主轴1转速，进行低、中、高三档转速变换正转、反转及启动、定向、停止等试验，动作应灵活、可靠；

3)用控制指令进行电主轴1锁刀、松刀、吹气等动作，反复进行10次。电主轴1拉刀机构动作应灵活、可靠、无故障；

4)用数控铣程序模拟工作状态，做不切削连续空运转试验，整个运转过程中不应发生故障。连续空运转时间为72h，每个循环时间不多于15min，每个循环之间的休止时间不得超过1min。整个运转过程中不应发生故障，如遇停电等自然故障，允许再启动后进行，运行时间可累计。凡中间出现故障而停机，则必须在排除故障后重新进行连续72h模拟切削空运转试验。

步骤④中，状态、性能参数通过可靠性试验系统测得，在规定的冷却条件下，电主轴1在低、中、高转速下连续运转，每级转速下不少于1h。在每一级转速达到稳定状态后，启动温度、振动、噪声及回转精度采集系统，采集电主轴1稳定状态的空载状态参数，采集时间为30min。状态、性能参数包括温度、振动、噪声、回转精度以及载荷，其中温度传感器在加工过程中始终处于监测状态，六分量力传感器在加工过程中测量15min。每次执行换刀之前和加工完工件之后，电主轴1以当前速度继续空转30min，同时启动噪声检测装置、振动检测装置以及回转精度检测装置，对电主轴1状态、性能进行检测，根据故障判据判断电主轴1是否故障。本实施例中，如图6所示，具体实施例中，对典型工件6的加工，毛坯的材料为45号钢，冷却方式为油雾冷却。

例如：1)在规定的冷却条件下，电主轴1在低、中、高转速下连续运转，每级转速下不少于1h。在每一级转速达到稳定状态后，启动温度、振动、噪声及回转精度采集系统，采集电主轴1稳定状态的空载状态参数，采集时间为30min。

2)产品在规定的条件下，规定的时间内，发生下列情况可以确定电主轴1故障：

①不能完成规定的功能(功能性故障)，如电主轴1不转、不能换刀等。

②状态故障，如振动加剧(电主轴1振动值超过稳态振动幅值2倍)、噪声大(电主轴1噪声声强超过70dB持续30min)、发热大(电主轴1温度超过60℃持续2h)等。

③一个或几个性能参数超出允许的变化范围(参数性故障)，如电主轴1的回转精度和加工零件精度。

对典型工件进行循环加工，监测电主轴1的状态、性能参数和载荷参数，判断故障：

1)电主轴1通电预热，中速空载运转一段时间30min左右；

2)典型工件6如图6，毛坯如图5，材料为45号钢，冷却方式为油雾冷却，加工参数如下：

①对毛坯轮廓进行粗铣

②对毛坯轮廓进行精铣

  刀具  D10球刀，970L100-TRIBON  转速(转/分)  15000  进给(mm/分)  1500  吃刀量(mm)  0.3

3)在加工过程中对电主轴1温度进行监控，六分量力传感器采集15min。每执行一次换刀之前，电主轴1继续空转30min，同时启动噪声检测装置、振动检测装置以及回转精度检测装置，对电主轴1状态、性能进行检测，根据故障判据判断电主轴1是否故障；

4)循环进行以上任务，直至出现故障；

5)对出现的故障要做好记录，分析原因，并进行纠正，然后重新开始试验，计算累计工作时间。

步骤⑤中，故障判据为：

1)不能完成规定的功能(功能性故障)，如电主轴1不转、不能换刀等。

2)状态故障，如振动加剧(电主轴1振动值超过稳态振动幅值2倍持续30min)、噪声大(电主轴1噪声声强超过70dB持续30min)、发热大(电主轴1温度超过60℃持续2h)等。

3)性能参数超出允许的变化范围(参数性故障)，如电主轴1的回转精度和加工零件精度。

故障的处理包括以下几个步骤：

1)及时记录故障现象并尽可能予以证实。记录内容包括：故障部位、故障现象、故障原因、当时环境条件，故障时间等等；

2)进行故障定位。进行必要的失效分析和故障诊断，找出故障机理；

3)初步估计故障的类别，在得到正确的失效分析和故障诊断后，找出故障机理；

4)估计可能产生的从属故障，某些故障会对其他部分产生软损伤；

5)根据上述分析研究结论确定修复措施，包括对软损伤部位的修复；

6)出故障的不予修复的单元、插件、零部件、元器件等应按规定妥善保管一定时期，供需要时分析；

7)电主轴1在修复后立即投入试验。

下面对加工中心电主轴1可靠性试验、故障判断和故障处理进行举例说明：

加工中心选用VMC650m高速五轴加工中心，该加工中心采用Heidenhain iTNC530数控系统，电主轴1最高转速24000r/m，最大扭矩75Nm，最大功率32kW，为考核其电主轴1的可靠性，本实验在加工中心工作室内搭建电主轴1可靠性试验系统，进行可靠性试验。

首先对电主轴1进行功能试验，排除早期故障，逐步进行，由于未发生电主轴1早期故障，继续进行下一步试验。在规定的冷却条件下，电主轴1在低、中、高转速下连续运转，每级转速下不少于1h，采集电主轴1稳定状态的性能参数，采集时间为30min，电主轴1初期稳态振动幅值，最大幅值为Y方向0.2859m/ss；稳定状态温度维持在30℃左右；回转精度保持稳定。

以选用的加工参数加工材料为45号钢的典型工件6，粗加工时间为4h，精加工时间为2h，循环加工典型工件6并监控电主轴1状态、性能参数，每加工一个工件传感器采集两次，总共时间为1h，加上电主轴1预热30min和装夹时间，每天8h工作时间内加工一个工件，并评估电主轴1的状态。

前期电主轴1状态稳定，在经历了845h的高强度加工后电主轴1温升逐渐增加，精加工2.5h后温度增加到56.5℃，可以判断电主轴1存在故障风险。

加工完工件，电主轴1继续空转，同时启动噪声检测装置、振动检测装置以及回转精度检测装置，对电主轴1状态、性能进行检测。采用三向加速度传感器检测电主轴1振动，对采集的振动信号进行分析，分析参数如下表

采集的振动信号与初期稳态振动信号进行比较，可以看出电主轴1的最大振幅幅值有明显增加(如下表)，振幅最大和次大都增大两倍多。

噪声传感器检测的噪声信号，通过分析，与初期稳态噪声信号相比，噪声强度也增加了两部左右。

根据以上性能数据，参照故障判据判断电主轴1为状态故障，此时应该停止试验；对故障进行处理，修复电主轴1后继续试验。

在1450h时，电主轴1刀具不能松开，判断拉刀机构出现故障，同样，对故障进行处理，修复电主轴1后继续试验。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，例如，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。