机床振动（共6篇）
机床振动 篇1
机床工作时产生的振动, 不仅会影响机床的动态精度和被加工零件的质量, 而且还要降低生产效率和刀具的耐用度, 振动剧烈时甚至会降低机床的使用性能, 伴随振动所发出的噪音会影响机床工人的健康。随着我国机床工业的飞速发展, 机床的振动问题也就更加引起人们的重视。
一般的说, 机床工作时所产生的振动基本上有两大类:
1) 受迫振动;
2) 自激振动。例如在车床、铣床和磨床上, 经常见到回转主轴系统的受迫振动, 其频率取决于回转主轴系统的转速 (在铣削时还与铣刀的齿数有关) 。在机床上发生的自激振动类型较多, 例如有回转主轴 (或与工件、或与刀具联系) 系统的扭转或弯曲自激振动;机床床身、立柱、横梁等支撑件的弯曲或扭摆自激振动;还有工作台等移动部件在低速运行时所发生的张弛摩擦自激振动 (通称爬行) 等等。通常把金属切削过程中表现为刀具与工件之间强烈的相对振动的这种自激振动称为“颤振”。
机床工作时发生振动是常见的。机床振动不仅歪曲了工件的几何形状和尺寸, 而且还将在已加工表面上留下振纹, 降低了精度和表面光洁度, 加剧了金属表面层的冷硬情况, 振动时刀具的耐用度也将急剧下降, 甚至导致刀刃的崩坏, 这个问题对于性质较脆的硬质合金刀具和陶瓷刀具来说尤为严重。机床发生振动后, 往往迫使操作工人降低切削用量, 因而限制了机床的生产率。此外, 在机床自动线中, 只要有一台机床发生振动而被迫暂停运转, 就会破坏生产的节律, 引起生产过程的混乱。可见机床振动是必须引起注意的一个重要问题。随着科学技术的飞跃发展, 对机床零件的制造精度和表面质量提出了更高的要求, 从而使机床振动问题的研究成为研制、生产和使用机床等部门必须面对的重大课题, 研究机床振动的目的在于探究机床振动的原因, 谋求防止和消除机床振动的方法, 以研制抗振性更佳的机床。
一般来说, 增强“机床-刀具-工件”工艺弹性系统的刚度, 是提高工艺系统抗振性从而防止振动的最普遍方法, 它在任何情况下可用来防止受迫振动和自激振动, 并能消除破坏工作过程平稳进行的个别冲击因素的影响。因此, 为了提高整个工艺系统的刚度, 增强工艺系统各环节特别是切削力传递路线上最薄弱环节的刚度, 显然是很重要的。当减轻零件的重量既不会降低系统的刚度, 也不会使系统特性发生其他不利的变化时, 减轻主振系统的质量同提高系统刚度的作用一样, 都能提高系统的固有振动频率, 从而减小了振动的振幅, 即起到了提高系统抗振性的作用。必须指出, 增加振动系统的阻尼, 例如适当调节零件某些配合处的间隙, 以及采用阻尼消振装置等, 将增加系统对激振能量的耗散作用, 从而就能防止和消除振动, 保证系统平稳的工作。当振动发生以后, 减小激发振动时的激振力, 即减小受迫振动时的外激振力, 或自激振动式的内激振力, 往往是必须采取的消振措施, 对于前者例如可减少迴转零件的不平衡所引起的离心力、断续切削所产生的冲击力等等, 为此必须做到:
1) 对于转速在600转/min以上的零件必须予以平衡, 磨床上的砂轮应予仔细平衡, 并经常修正以保持其正确的外形, 也可采取自动平衡装置。机床上使用的卡盘、刀盘等均要予以平衡;
2) 提高皮带传动、链传动、齿轮传动及其他传动装置的稳定性。在较高转速档下, 使主轴直接用皮带或连轴节与电动机发生传动关系;采用最完善的皮带接头, 使其连接后的刚度和厚度变化最小;用三角皮带代替平皮带, 使三角皮带的刚度和厚度尽可能均匀些;采用纤维织成的传动带;以斜齿轮或人字齿轮代替正齿轮;在铣床主轴上安装飞轮等。对于高精度的小功率机床, 尽量不用齿轮、皮带等可能成为外来振源的元件。使动力源与机床本体充分隔离, 用丝带来传动。适当调节三角皮带拉力, 合理选择皮带长度, 使其扰动频率不接近主轴的转速。尽量使皮带拉力的主方向不同工件或刀具运动的主方向相重合, 以避免皮带扰动的影响;
3) 改善以联轴节相连的各轴的轴心线间的不同轴度, 从高速轴和主轴上去除带动油泵的凸轮;对于后者则借助于改变切削条件方法, 如:
(1) 选择防震切削用量。在任何情况下都应该避免切除宽而薄的切屑 (即在大切削深度和小走刀量下切下的切屑) ;切削速度应该在容易发生振动的范围以外, 即采用较低的速度和较高的速度来工作;
(2) 合理选择刀具的几何参数。主偏角和副偏角尽可能选的大些。前角对振动的影响很大, 前角愈大, 切削过程愈平稳, 故应采用正前角。后角应尽可能取得小些, 但不要太小, 以致刀具后刀面与加工面之间发生强烈的摩擦, 特别是对于走刀量较小的情形;
(3) 采用抗振刀具等。
以上列举的防止和消除机床振动的一般方向, 并未完全概括所有可能的消振措施, 例如选择合理的工艺过程, 可在很大程度上减少发生振动的危险:如在通用机床上避免加工极限直径或极限长度的工件, 尽可能在接近加工处夹紧工件, 使切削力接近工件夹持处;车削薄壁管使在管内灌水、油、或者沙, 以提高工件系统的阻尼性能;提高轴类零件的顶尖孔质量;加工细长轴时使用中心架;在铣床上顺铣时须有消除驱动系统间隙的装置;使切削力与重力朝同一方向;以及使力作用在导轨上没有塞铁的一面等等。
总之, 通过机床在使用过程中所暴露出的抗振性能方面的缺陷, 采取相应的措施以提高其抗振性能, 保证工件的加工精度。
摘要：机床振动的原因及类型, 振动对加工零件的精度及粗糙度的影响, 以及消除机床振动的各种方法。
关键词：自激振动,受迫振动,系统刚性,颤振
参考文献
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机床整机系统振动特性分析 篇2
机床作为生产的重要工具和设备,也被称为工作母机,其加工性能与其动态性能紧密相关,并将直接影响所加工零件的精度。随着现代设计方法的广泛运用,对机床进行动态特性分析,用动态设计取代静态设计已成为机床设计发展的必然趋势。目前在设计中,仅对机床各个部件进行动态分析都无法全面反映机床的整体性能。因此,要对机床性能进行准确的预测,必须对机床整机进行动力学分析[1]。当前有限元数值分析方法成为分析计算复杂结构的一种极为有效的分析方式,是机床整机振动模态理论分析的一个有力工具。本文将通过有限元软件ANSYS/Workbench与模态实验相结合的方式,对机床进行模态实验法分析,为新产品研发设计提供了参考。
2 模态分析基本理论
由于振动会造成结构的共振或疲劳,从而破坏结构,因此振动问题是机械结构经常需要面对的问题之一,必须通过模态分析了解模型的各阶固有频率及其振型,避免在实际工况中由于共振因素而造成的结构损坏[2]。通过模态分析可以确定模型或结构的振动特性,对复杂结构进行精确的模态分析可以为评价现有结构的动态特性、新产品的动态性能的预估及优化设计提供科学的依据。
对于一般的带有粘型阻尼的多自由度系统,在外力作用下运动方程的形式为:
式中,[M]为质量矩阵;[C]为阻尼矩阵;[K]为刚度矩阵;{x(t)}为位移矢量;{P}为外力列阵,其各分量可以是随时间变化的任意函数。
当不存在外力,并且忽略其结构阻尼对固有频率和振型的影响时,式(1)为系统的自由振动方程式,即
通过解该自由振动方程,可得到系统的固有频率与主振型。
式中{X}为位移幅值向量。
将式(3)代入式(2)得
引入模态坐标进行解耦,令{X}=[Φ]{q},其中[Φ]为振型矩阵,{q}为模态坐标,代入式(4)有:
根据振型矩阵将质量和刚度矩阵对角化,有:
则对式(5)前乘[Φ]T得:
这样,相互耦合的N自由度系统的方程组通过正交变换,成为在模态坐标下相互独立的N自由度系统的方程组,解耦后的第i个方程为:
可知:ωi为模态固有频率,N自由度系统有N个固有频率。将ωi依次带入式(4)得:
由此求出N个主振型向量{X1},{X2},…,{XN}。
3 分析计算有限元模态
通过模态分析确定机械结构或机床部件的振动特性,如固有频率和振型,是承受动载荷结构设计中的重要参数。在动态特性分析中,整机振动能量主要集中在低阶模态,这里主要针对模态的前几阶来进行分析[3],只要得到这些主要振动模态的信息,就可以足够准确地表达机床的动态特性。
3.1 有限元模型建立
本文利用了大型通用建模软件CAD建立了整机的实体模型,利用CAD与ANSYS/Workbench软件的模型兼容功能,把CAD模型转换成*.x_t格式导入CAE中,其有限元模型如图1所示。然后对整机进行了网格划分,在Workbench软件中只能用实体单元对其进行单元划分,划分网格后有限元模型如图2所示。
3.2 有限元模型中结合面的处理
结合面对机床动态特性的影响非常明显。根据统计,机床上出现振动问题有60%以上是源自结合面。对于机床类由刚性零件组成的结构,其总阻尼值的90%以上来源于结合部的阻尼[4]。结合部在有限元建模过程中,把垫片加入到导轨滑块法向和切向之间,用以模拟其结合面刚度,这种模拟方法相对于弹簧刚度及阻尼方法提高了建模精度,也体现出结合部单元各个自由度之间的耦合作用,如图3所示。
查询导轨滑块综合样本手册刚度值数据,确定每组导轨与滑块之间的法向和切向的刚度值范围。由于刚度和弹性模量是成正比关系[5],继而可以在有限元分析过程中,可以通过调整导轨与滑块之间垫片的材料属性,即法向和切向垫片的弹性模量,来修改其结合面的刚度值大小。把样本中给出的刚度值范围上下限分别带入到有限元模型中去,发现在该范围内模态计算结果差距不大,即固有频率相差2%~5%,振型基本一致,所以导轨滑块的刚度值在此区间内取值,不会对结果造成很大影响。
3.3 有限元模态计算
利用ANSYS中的模态计算功能,对整机的模态频率进行提取,分析中采用了Block Lanczos法,分析频带为0-100Hz。共提取了4阶模态参数,模态频率的提取结果为一阶24.3Hz、二阶29.5Hz、三阶57.8Hz、四阶65.1Hz,其相应的整机模态振型如图4所示。
4 机床模态实验
本次试验是与比利时LMS公司中国区技术支持工程师共同合作完成,针对0540d立式加工中心进行模态实验,确定该机床的结构动力学参数,如图5所示。同时,此次试验采用了LMS提供的测试设备及相应的分析软件,如LMSSC310前端、LMS Test Lab 9B模态测试分析软件、PCB333B30单向加速度计、激振器及功率放大器(3台)、PCB086D20模态力锤。
实验步骤和过程:整机固有频率测试采用锤击法,使用力锤和三方向加速度传感器,通过多次锤击,测得机床整机的固有频率为一阶21Hz、二阶28Hz、三阶54Hz、四阶70Hz。
整机模态振型测试采用三组激振器和功率放大器,分别沿着x、y、z方向对机床不同位置进行激励,组成多点激励多点响应的激励系统来获取整机振型,如图6所示。测得整机的传递函数测试结果,下面用虚频图及幅频图举例,如图7、图8所示。在辨识模态极点过程中,采用LMS Poly MAX方法获得清晰准确的稳态图,能够精准的进行模态参数的辨识,其整机各阶模态振型如图9所示。
5 模态实验结果与有限元分析对比
对结构进行振动模态分析目前采用最多的是实验和有限元计算相结合的方式[6,7],这里把研发设计过程中有限元模型的模态计算数据与生产装配完成后的模态实验数据作对比验证,如表1所示。该模型频率误差小于16%,实验采集和有限元计算的前四阶模态振型一致,具有一定的理论和工程价值,可以对新研发的产品进行动态特性预估,利于排振和振动监测,同时具有工程推广意义。
造成有限元计算结果与实验结果差异的原因:
(1)约束条件的误差。在有限元计算中,把地脚垫铁与床身连成一体,垫铁底面与地面完全约束。在测试工况下,机床与地脚垫铁完全是靠其自重来约束的,并且地脚垫铁与地面之间没有打地基来固定约束。这样看来,垫铁与床身和地面之间都存在着结合面的关系,而且接触不完全,则地脚垫铁作为边界条件,其实际接触刚度可能大大低于模型刚度的情况,而计算时考虑的是理想的全约束状态,这两种状态的差异可能会造成实验值与计算值的偏差。
(2)在一定频率范围内,理论分析的固有频率数要多于测试结果。这主要是由于实验时,为了识别整机的主要固有频率,只能将传感器置于刚度较大的部位,而无法布置太多测点,这样可能略去了一些次要模态。
(3)机床本身可能存在非线性因素,在计算时,假定机床为线性系统进行线性求解,必然造成一些误差。
(4)由于为了有限元计算对机床实体模型进行了结构简化,必然要产生一些误差。
6 结语
本文针对新研发的数控机床进行整机模态分析,展开细致的理论计算和分析,并进行了机床整机有限元模态计算,在该机床生产装配完成后用实验测试数据来对比验证,表明用有限元分析法得到的计算结果与实验值比较相差较小,即可以用有限元模态分析方法对机床整机动态特性做初步的预估。对机床的设计、校核和分析提供了一种新的方法。
参考文献
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机床振动 篇3
关键词：数控机床,故障,振动诊断,便携式
1 前言
数控机床是电子技术和计算机发展的产物,利用数字技术对机械零件进行加工,具有高精度以及自动化加工的特点。它是机械加工的必须工具,在我国的机械加工与机械设计中,起着重要的作用。它主要由机床体和计算机数控系统两大部分组成[1]。机床本体是数控机床的主体,由基础件(如床身、底盘)和运动件(如工作台、床鞍、主轴箱等)组成,采用了高性能主轴部件、高效传动部件(如滚珠丝杠、静压导轨、滚动导轨等)。数控系统是数控机床的核心,其中包括硬件装置和数控软件两大部分,由输入/输出设备、数控装置、伺服单元、驱动装置(或执行机构)、可编程控制器(PLC)及电气控制装置和检测反馈装置组成。
2 数控机床故障的分类
数控机床故障可分为软件故障、硬件故障和干扰故障三种[2,3]。软件故障是指由程序编制错误、机床操作失误、参数设定不正确等引起的故障。软件故障可通过认真消化、理解随机资料、掌握正确的操作方法和编程方法,就可避免和消除。硬件故障是指由CNC电子元器件、润滑系统、换刀系统、限位系统、机床本体等硬件因素造成的故障。干扰故障则表现为内部干扰和外部干扰,主要指由于系统工艺、线路设计、电源、地源配置不当等以及工作环境的恶劣变化而产生的。
随着电子技术和计算机的发展,特别是软件技术发展越来越成熟,软件故障和干扰故障在数控机床所有故障中出现比例有所减小,而硬件故障特别是机床本体产生的故障仍然没有得到合理的解决。机床传动系统的各个部件在运行过程中产生的故障,主要是以下几个方面的原因:机床的基础件在运行过程中出现了松动,从而导致机床产生故障使其在工作过程中达不到工作要求精度;传动系统中的运动件,如电机、变速箱、主轴箱等在长期的超负荷运行、外界干扰以及自身因素的影响下,出现各种类型的故障。
3 数控机床的诊断方法
所谓振动是指物体在平衡位置附近所做的具有周期性的往复运动。剧烈的振动常常会危害结构物的强度或妨碍机器的正常功能,振动会使机器的联接件产生松动,从而影响加工精度,振动的噪音还会妨害人体的健康。
简谐振动是振动中最基本、最简单的振动形式。其振动位移d与时间t的关系可用正弦曲线表示,表达式为
式中:D为最大振幅,又称峰值,2D称为峰峰值,其单位为mm或μm;T为振动的周期,即再现相同振动状态的最小时间间隔,单位为s;φ为振动的初相位,单位为rad。
振动周期的倒数称为振动频率,单位为Hz,即:
频率f又可用角频率来表示,即:
ω和f的关系为:
描述机械振动的三个基本要素即是上述的振幅、频率和相位。简谐振动除可用位移表示外,同样可用相应的振动速度和加速度表示。速度和加速度的表达式经过一次和二次微分求得
数控机床传动系统的构件在发生故障时通常伴随着振动的产生,所以采取振动故障诊断是常用的方法,从振动的信息可以探测故障的来源以及特点。机床运转时发生的振动一般用加速度、速度和位移表示,它们的特征值分别为幅值、频率、相位。由于机床传动系统中各个部件是相互联接的,各部件产生的振动总是能传递到其他的部件,所以在运行过程中所测量的振动往往是由多个频率成分组成,其时域振动波形是由多个谐振波形合成的。通过分析频率—幅值图和时域波形图,从而判断振动故障损害程度。
由于数控机床的传动系统中各个部件运行方式以及发生的故障类型不同,所以采取的振动测量形式也不同。如电机产生的振动故障主要为定子偏心、转子偏心、转子故障、轴位移等,在实际测量中通常对其进行加速度或者位移测量。变速箱是由齿轮对组成,通常产生的振动故障为齿轮磨损、断齿、齿轮不对正等,而这些振动信息都可以传递到机箱,所以通常采用加速度测量,从而得到各个构件的振动特征值。
4 测试系统设计
随着电子技术和计算机的发展,传统的采集电路由微处理器进行处理,其精度和速度比以往提高很多。目前流行的振动信号采集系统都会采用如图1所示的通用组成模式,包括传感器、采集模块以及软件等部分,本系统设计也是根据这种组成模式,测试系统由传感器、采集模块、计算机以及相应软件组成,具有便携性,方便在车间中对数控机床进行各种测量。
根据数控机床的测试系统的要求,要具备如图2所示的功能模块。
5 硬件系统设计
根据数控机床产生的振动分类,本系统采用ENTEK公司生产的工业采集模块XM120、XM121、XM500,传感器测选取E2103电涡流传感器、9200加速度传感器,通过这些有机组成一个系统,具有测试机床产生的各种振动以及网络传输的功能。
XM-120振动监测模块是一种双信道通用监测表,用于监测旋转机械的轴振、机壳振动或轴承座振动。XM-120可以接收来自电涡流传感器,内置压电回路的加速度传感器或其它电压输出的传感器如速度传感器或压力传感器的信号输入。此外,模块还可以接收一路转速信号输入用于转速测量和节比分析。模块采用24位A/D转换器,具有极高精度,是检测机械故障的理想工具。
XM-121是一个双通道低频振动监测模块,它的基本功能和XM-120模块完全相同,差别是可以测量低转速机器的振动,最低可以测量12cm/min转速的低速设备,所以在某些机床在运动速度比较低时,可以对其进行测量。
XM-500是一个以太网关模块,可以连接Device Net网络和信息或控制层Ethernet/IP网络,起到不同网络层之间协议转换的网关功能。XM-500可以作为Device Net的主站和其它XM模块建立连接,采集XM模块的测量数据和报警/继电器数据。XM-500能够连结63个从XM模块,并且提供一个Ethernet TCP/IP接口,支持IT协议SMTP、FTP、HTTP和控制协议Etherne/IP。
6 机床测试数据分析
本次测试对象是机床的主轴,根据主轴的振动而诊断故障程度。采用的传感器是E2103电涡流传感器以及配套前置器,在主轴垂直轴向安装两个相互垂直的传感器,通过电缆连接到便携式系统中的输入通道,从而测试主轴振动位移。由机床的传动系统,可以知道机床振动主要是电机、齿轮箱等。主轴的振动会伴随着转速增加而增加,而且在加工和空载时的振动也不一样,为了有效测试出主轴的振动以及诊断出故障原因,以下是以不同的转速在空载和加工时进行测试主轴的振动位移。
从图3和图4可以看到,机床在空载运行时,在低转速进行测量,所测的波形不平稳,可以推断出主轴有振动。当转速增大时,可以看到主轴振动增大,并且一倍转速幅值最大,其啮合频率次之。
从图5和图6可以看到,通过在加工过程进行测量,主轴的振动比空载时的振动更明显,说明振动来源主要是与主轴联接处的机构。从频谱图看到一倍转速的振动最大,从时域图可以看到隔一个周期产生一个冲击信号而且波形不平稳。从机床的传动系统可以知道,与主轴联接的是齿轮,根据诊断齿轮故障的经验,可以推断齿轮发生齿裂或断齿故障。
7 结论
数据机床是机械加工的高技术的产业,其运行稳定程度以及精度关系到加工精度和加工质量,所以对其进行振动故障测试非常重要。本论文综合分析机床产生的各种故障振动,利用一些高精度的测试模块组成一个便携式系统,该系统在机床振动测试以及其它机械振动测试领域可广泛应用。
参考文献
[1]孙伟.振动在数控机床故障诊断中的应用[J].机械研究与应用,2004,17(3):31-32.
[2]任建平,白恩远.现代数控机床故障诊断及维护[M].北京:国防工业出版社,2002.
机床振动 篇4
关键词：振动检测,信号采样,固有频率
0 引言
大型机床随着使用年限的增长与外部气候环境等诸多因素的影响,校准空速需要修正由于空气可压缩性产生的误差,如果采用传统的检测方法[1,2],不但效率低而且对于突发性事件的预警能力也不足,因此,需要设计开发一种大型机床校准振动多参数检测网络,来实现对大型机床工作速度的实时监测与预警。本系统采用无线传感网络与有线网络结合的方式,选用低功耗的芯片进行设计,可以保证在太阳能电池供电的情况下信号采集模块与无线通信模块持续稳定工作[3,4]。在非工作模式时间内节点处于低功耗模式,在工作模式时间,节点收到远程监控中心发来的同步信号后开始采集、发送数据[5,6]。远程监控中心通过分析软件对大型机床工作过程中所有节点的振动信号频率变化进行综合分析后,可以自动获取大型机床的安全工作速度数据以及存在危险的程度,从而可以为工作人员提供数据支持,并且在大型机床工作速度超出安全范围时发出预警信息,有效预防工作事故的发生。
1 总体设计
1.1 大型机床工作振动特性分析
运行速度是大型机床工作过程中最重要的参数之一,是由空速系统来测定的。对于空速测定系统,无法避免的存在着一定的位置误差,空速管可以对前方来流的总压和外界大气的静压,再通过静压以及总压和静压间的差值分别计算得出压力高度和指示空速。但由于在实际工作过程中,大型机床对来流的干扰不能准确获得静压,难以真实反映大型机床在工作高度上的大气静压,进而将误差带入到了指示中。校准系统就是找出该机床测定高度、速度时产生的误差。
采用大型机床工作振动检测的方法来判别大型机床校准系统的有效程度,其优点是:振动检测方便实施,利用大型机床工作中的振动参数就能实现,因此不会影响大型机床其他系统的正常工作;多点振动检测可以对空速误差准确检测,并有效识别大型机床结构的整体动力特性。当大型机床工作在特殊区域,其固有频率会发生变化,基于固有频率的变化对大型机床校准检测是最容易实现也是最准确的方法。在大型机床工作速度误差发生之前将其划分为若干单元,可利用该单元损伤前的固有频率∆ωi与损伤后的固有频率∆ωj变化之比Rinjl进行损伤定位:
其中:Φi为第i阶振型;n为单元个数;Kni为第i单元的刚度;M为整体质量。高阶频率的变化能更好地反映大型机床工作过程中由于干扰而造成的工作振动的变化。通过分析研究后得出大型机床机身刚度修正公式(EI)n和固有频率计算公式ωn为:
其中,EcIc为大型机床机身刚度;l为大型机床的等效长度;N为预拉力。通过研究得出结论,对大型机床工作振动的固有频率检测方法是比较简单的,而且精度很高,受测量噪声的影响较小。
1.2 系统总体结构设计
大型机床校准振动检测系统总体结构设计如图1所示,系统主要由振动信号采集终端设备、数据汇集节点、Internet网络与GPRS网络、远程监控中心几部分组成。振动信号采集终端主要工作是振动信号的采集与处理,并通过无线通信模块发送到数据汇集节点,其主要部署在机身的关键部位;数据汇集节点在收集到所有终端设备发送的检测数据后,根据系统功能要求对数据进行分解、变换并存储;通信系统将处理过的数据通过Internet网络或GPRS网络传送到远程监控中心;监控中心利用实时诊断软硬件对接收到的所有工作振动数据进行分析出来,从而得出工作速度是否存在误差,按照具体情况发出相应的预警信号。
其振动信号检测终端设备电路如图2所示,以IAP15F2K61S2单片机为控制核心,实现了振动信号的采集、放大、模数(A/D)转换、无线通信传输等功能;整个电路功耗很低,以太阳能电池组供电,可保证电路的持续长时间供电,非常适合工作过程中进行部署;整个终端设备采用小型化设计,安装便捷。信号检测终端分布于整个机床所有关键部位,根据机床的大小合理进行规划部署。
2 系统关键模块的硬件设计
2.1 振动传感器与信号采集模块的硬件设计
本系统主要是对大型机床工作的振动情况进行检测,振动信号传感器采用ADI公司的加速度传感器ADXL210,它主要由多晶硅与差动电容器组成,当有振动发生时,产生大型机床工作加速度的作用力,多晶硅结构发生偏移拉动差动电容值发生变化,从而产生电信号。ADXL210振动信号采集放大偏置电路如图3所示。
上图中,ADXL210输出的工作加速度信号,经过输出电容滤波后,工作加速度信号经过运算放大器LF353组成的放大电路得到直流偏移电压约为2V~3V的共模信 号 。 X 、 Y两轴的直 流电压信 号送入后 级ADC0809模数转换电路。其中VREF为基准信号。
2.2 IAP15F2K61S2单片机与模数转换模块的硬件设计
大型机床 校准振动 检测系统 主控电路 的单片机采用STC公司生产的IAP15F2K61S2,晶振采用11.0592MHz,其抗干扰能力很强,且功耗很低,价格便宜。而A/D转换芯片采用ADC0809,其为8位A/D转换器,0~5V对应输出数值为0~255,其时钟信号CLK由单片机IAP15F2K61S2的ALE信号提供。IAP15F2K61S2单片机外围电路与ADC0809模数转换电路设计如图4所示。
上图中,ADXL210采集处理后的X轴与Y轴电信号分别送入ADC0809的通道IN1与通道IN2,经过A/D转换后单片机软件获取到检测信号的数字值等待提取。
2.3 Zig Bee无线通信模块的硬件设计
本系统设计的Zig Bee无线通信模块是以TI的CC2048为核心,其硬件设计如图5所示。引脚AVDD SOC与AVDD RREG为模拟电路连接2.0V~3.6V的电压,分别接100n F和220n F的滤波电容。
上图中 , 引脚D V D D为数字电 源输入引 脚 , 为I/O口提供的电源,接一个100n F的滤波电容。引脚DCOUPL提供1.8V的去耦电压,此电压不为外电路所使用,需要旁接一个220n F的去耦电容。引脚X1为外接32MHz的专用于2.4GHz射频电路的晶振,其旁路电容为22PF。引脚RBIASl与RBIAS2接偏置电阻,用来为32M晶振提供一个适合大型机床工作过程的工作电流。
2.4 高速CAN总线接口模块的硬件设计
整个校准振动检测网络中的控制节点之间的通信通过高速CAN总线连接实现。CAN总线设计采用双绞线,而校准检测系统终端匹配电阻设计为120欧姆,如图6所示的硬件接口电路CAN总线连接通信的数据传输速度为1Mbit/s。其中TJA1050芯片是驱动单片机IAP15F2K61S2的CAN控制器与物理总线间的接口,实现CAN控制器与总线的信号转换。
上图中,使用高速光耦6N137在缓冲器和CAN驱动之间进行光电隔离,可以提升CAN总线通信的抗干扰能力。其次,采用小功率电源隔离模块B0505S对大型机床工作系统电源进行完全隔离,从而防止电源引起的干扰。其中,TJA1050的8脚S端接地表示选择高速模式。
3 软件设计
3.1 振动信号采样过程设计
大型机床工作振动信号采用过程:首先是信号适调,即对大信号的衰减与弱信号的放大处理,对一些直流信号进行偏置处理,使其满足A/D输入量程要求;然后,A/D转换包括采样、量化和编码三个组成部分,利用采样脉冲序列p(t)从模拟信号x(t)中抽取一系列离散样值,使之成为工作速度采样信号,∆t称为采样间隔,其倒数fs=1/∆t之为采样频率。
采样信号经舍入的方法变为只有有限个有效数字的数 , 这个过程 称为量化 , 如8位二进制 为28=256,即量化增量为所测信号最大电压幅值的1/256。采集的数据量大小N为:
T为大型机床采样长度,当采样长度一定时,采样频率越高,采集的数据量就越大。
3.2 主程序流程设计
主流程设计时,主要考虑了大型机床工作过程中的省电,振动信号变化,A/D转换模式行,具体流程设计如图7所示。
4 实验与分析
比较对比验证试飞结果与大型机床校准振动检测系统校准结果,可以看出校准结果与对比验证试飞得到的结果存在着差异。通过移动PC对检测的振动传感信号进行收集,采用ANSYS分析软件对数据进行分析对比后,仿真模拟振动固有频率变化曲线,得出大型机床工作过程中空速误差程度数据。实测的大型机床工作固有频率f(k)与变化幅度∆f的检测数据如表1所示。
通过表1的测量数据对机身各单元的固有频率变化进行计算仿真,为区分不同单元不同程度的误差得到的工作速度误差识别向量对结果的影响,建立了6个误差识别矩阵,每个矩阵由不同的速度误差程度得到,仿真得出不同频率阶次所对应的工作速度误差程度曲线如图8所示。
分析软件根据检测数据判断出该误差与已知工作速度差异数据一致,说明本系统检测结果准确。当大型机床工作过程中工作速度达到预警阀值时,系统就会自动发出报警信息,提示相关人员尽快查看。通过系统实验,振动信号数据包的时间延迟较低,最大数据包时间延迟为11602ms,平均时间延迟为5918ms,表现出了良好的实时性,远程数据传送成功率为100%。整个振动检测传感网络工作稳定,各项性能也达到了设计要求,取得了较为满意的结果。
5 结束语
机床振动 篇5
机械振动是各种机器工作过程中经常发生的现象, 是机械工程领域一个十分重要的研究课题。工程实践中复杂的振动现象并非都能通过理论分析得出准确的结论, 往往需要借助真实的测试手段。[1]。不仅如此, 理论分析结果的正确性也需要通过实践来验证, 可见振动测试在振动研究中占有十分重要的地位, 振动测试的内容包括:测出被测对象某些点的位移、速度和加速度, 在时域中测出振动信号, 通过频谱分析估计振动的振型, 进一步对设备实施故障诊断。
1 系统总体设计
系统由传感器的选取、信号调理电路、数据采集板卡、通信模块、上位机软测试系统软件组成。其中传感器是电涡流式振动位移传感器;信号调理电路是通过电量放电调理电路将传感器输出的微弱信号放大到与采集卡匹配且以低阻抗输出的电压信号, 此信号被数据采集卡转化为数字量信号由通信模块送至上位机软件系统出, 实现最终的测试显示;
2 系统硬件设计
2.1 传感器原理及选择
涡流检测是以电磁感应理论作为基础的。一个简单的涡流检测系统包括一个高频的交变电压发生器、一个检测线圈和一个指示器。高频的交变电压发生器或称为振荡器供给检测线圈以激励电流, 从而在试件周围形成一个激励磁场[2]。这个磁场在试件中感应出涡流, 涡流又产生自己的磁场。涡流磁场的作用是削弱和抵消激励磁场的变化, 而涡流磁场中就包含了试件的信息。检测线圈用来检测试件中涡流磁场的变化, 也就是检测了试件的信息变化。
图1和图2所示为电涡流式振动位移传感器以及测量振动图的原理, 图1是利用沿轴的轴向并排放置的几个电涡流传感器, 分别测量轴各处的振动位移, 从而测出轴的振型;图2是通过测轴振动时周期性的改变与其与电涡流传感器之间的距离, 因而电涡流传感器就输出幅值与轴的振幅成比例、频率与轴振动频率相同的电压。
2.2 信号调理电路
由于电涡流传感器就输出幅值与轴的振幅成比例、频率与轴振动频率相同的电压。而要把电压放大到数据采集卡能识别的电压, 还必须需要经过调理电路[3]。在A/D变换前要求得适合于A/D输入端的较大信号, 被测信号比较小需要放大, 而被测信号比较大时又需要衰减。
本系统选用一种仪表放大器来完成AD前端的信号调理设计, 仪表放大器是一种可以得到高精度, 高的稳定性, 较低的漂移等优秀的放大器, 原理图如图5所示。这种放大器由3个低漂移、低失调运放组成。
当取R1=R2、R3=R5、R4=R6时, 由运放“虚短路”和“虚断路”原理可得
而所以
取R1=10K, Rs=10K, R4=100K, R3=10K。增益为10, 该放大器输入阻抗高, 作前置放大器具有良好的特性。选用AD公司的AD620将R1~R6全部固定, 将Rs引出作为外接来决定增益。
3 系统软件设计
板卡固件程序是根据系统既定功能要求来设计的。程序设计与硬件电路设计一一对应, 每个硬件电路设计, 均有对应的子程序设计。在此, 限于篇幅, 不详细介绍子程序模块设计。系统固件总程序如图5所示。
此设备固件程序可以完成机床状态及运行参数监测、数据液晶显示并上传、接收上位监控机命令以及对电机实时控制等功能, 经模拟现场实测, 该设备运行良好, 可以有效保护电机, 避免事故。
4 结束语
本文通过对采用基于电涡流传感器构建了一个普通机床的振动测试系统, 解决了信号的采集, 放大, A/D, 以及最终的显示。整个系统设计简单, 容易实现, 且运行效果良好。
摘要：本文介绍了一种采用电涡流传感器来构建机床振动测试系统的设计。文中详细介绍了系统的硬件及软件设计, 并对系统构建的原理进行了剖析。
关键词：机床振动,电涡流式传感器,测试系统
参考文献
[1]周振安等.数据采集系统的设计与实践[M].地震出版社.北京.2005.[1]周振安等.数据采集系统的设计与实践[M].地震出版社.北京.2005.
[2]刘迎春等.传感器原理设计与应用[M].长沙:国防科技大学出版社.2004.[2]刘迎春等.传感器原理设计与应用[M].长沙:国防科技大学出版社.2004.
机床振动 篇6
碳纤维复合材料 ( CFRP) 由于其质轻、模量高、比强度大等一系列优良性能, 广泛应用于各行业。在实际应用中, 一次成型制备工艺, 往往无法满足装配要求, 因而需要对其进行二次机械加工。特别是与其他零件装配时, 需要对CFRP进行大量的孔加工。复合材料碳纤维的各向异性和层间强度低, 使其在加工过程中易出现分层、撕裂、毛刺以及加工表面粗糙。CFRP属于难加工材料, 所加工零件的表面质量和加工精度, 影响整体零件的安全性能以及使用寿命[1,2]。影响加工表面质量的因素主要有钻削力、钻削过程产生的切削热、钻削工艺等, 在加工过程中, 主轴的振动会直接影响复合材料加工零件的表面质量, 降低加工精度[3]。当切削频率达到机床固有频率时, 会出现共振现象, 刀具剧烈磨损, 严重时会使机床整体折断, 严重影响机床使用寿命。因而需要对复合材料钻削加工过程中, 出现的振动现象进行测试与分析, 找出振动源, 控制主轴振动幅值, 提高加工零件的表面质量和刀具使用寿命[4]。
1 主轴振动信号测量方案设计
主轴振动信号源的准确分析, 取决于所提取的信号能否反映实际加工中主轴的振动。主轴处于高速旋转状态下, 在线测量振动信号, 在试验中选用非接触的加速度传感器。
1.1 振动来源
机床在加工过程中的振动按性质的不同主要分为强迫振动和自激振动。强迫振动是指加工过程中来自机床内部或外部的振动源产生的振动。机床内部振动源主要有切削产生的切削力、主轴旋转不平衡力和进给机构的爬行。机床的自激振动也被称为颤振, 当颤振频率近似的等于机床某阶模态的固有频率时, 则出现共振现象。在这些振动中对切削加工影响最大, 严重损坏机床的是共振的发生, 而无法消除只能有效控制的是由切削力产生的振动[5]。碳纤维复合材料加工过程中首先要避免振动频率等于机床固有频率, 在此基础上, 再通过调整切削参数如: 主轴转速、进给量、切削深度、刀具参数等, 来抑制强迫振动。
1.2 传感器和测点的选择
主轴振动信号, 可由振动位移、速度、加速度3 种特征值来反映振动量的大小。不同的频率段选用不同的特征值表征振动强度。针对主轴振动频率属于高频域, 采用加速度作为测试标准。依据测量机理, 传感器又可分为压电式、电涡流、光电声压等形式, 实验中选用的压电式加速度非接触传感器具有: 质量轻、体积小便于安装、频率响应范围宽、灵敏度高等优点[5]。
机床主轴振动主要为径向方向上的振动, 分别为x、y两进给方向上的振动, 以及轴线方向上的z轴振动。加速度传感器通过磁力座粘附于主轴表面上。传感器的质量虽小, 但是附加于主轴上的质量, 一定程度上会影响主轴质量的平衡, 引入不必要的外来振动。因而需要合理安排振动测量点, x、y轴传感器分别布置在x、y进给方向, z轴传感器安装在两质量合力线上, 实际安装图如图1 所示。
1.3 测试流程
机床主轴振动信号的测试与分析, 在搭建好实验平台后, 还需运用虚拟仪器开发相应的软件测试系统, 正确处理振动信号, 找到振动源并加以控制。主轴振动信号的实时监测流程图如图2 所示。
2 振动信号测量系统的设计
振动信号需要在加工过程中, 在线采集与实时分析信号, 高采样频率和采集的数据量大。采用Labview虚拟软件具有开发时间短、可扩展性强、高效灵活等优点, 能满足对大型数据在线采集与实时分析。针对碳纤维复合材料钻削过程主轴振动测试实验, 软件的开发主要围绕以下几点进行: 振动信号时域分析、计算振动信号均方根值以及频域分析、对振动信号进行频谱分析、计算振动信号的功率谱密度函数[6]。
2.1 信号采集程序
3 个单方向压电式加速度传感器将所采集的x、y、z轴振动信号, 传送至采集仪PXI, 而后进行处理。3 方向同时采集属于多通道采集, 借助Labview中的数据采集助手 ( DAQ assistant) 实现。DAQmx采用AI加速计多通道测量, 设置为连续采集。有耐亏斯特采样理论: 采样频率必须是最高频率的2 倍, 针对主轴振动信号为高频振动, 因而将采样率定为20 480 Hz。采集数据量大, 需要对数据进行缓存, 因而采用队列操作进行同一子VI中和不同子VI间数据的通信。信号采集程序框图如图3 所示。
2.2 信号处理程序
在碳纤维复合材料钻削加工过程中, 由于材料的难加工性, 以及外界不可控制因素的存在, 会产生较大的噪声, 干扰振动信号。因此首先需要对信号进行滤波处理, 采用butterworth滤波器。主轴最高转速为15 000 r / min, 其转动频率为250 Hz, 切削力频率为500 Hz, 分析其5 倍频以下, 故将滤波器的高截止频率设定为3 000 Hz以上频率为加工噪声引起的干扰信号。局限信号纪录产生的不相符特征, 会造成谱信息的泄露, 采用窗函数可以改善该现象。通常采用汉宁窗 ( hanning window) , 良好的频率分辨率可有效抑制谱泄露。
对滤波后的信号进行时域分析, 计算有效值, 即对加工过程的加速度信号计算其均方根值, 以观测振动幅值的变化曲线。但是时域信号并不能反映其异常振动点, 因此需要对加速度信号进行频谱变换, 得到频域上的振动频率分量, 由频率分量分析振动源。以减小振动频率分量的幅值为目标, 合理选择切削参数, 从而有效控制主轴振动。对所采集的离散信号进行FFT快速傅里叶变换, 选用功率谱密度函数 ( PSD) , 计算时间信号的平均自功率谱。振动信号处理程序框图如图4 所示。
2.3 总体程序设计
主轴振动信号的采集为3 通道同时采集, 对采集后的信号分别进行原始信号显示、时域信号分析、频域信号分析, 并导出处理后的数据进行分析。处理后的信号均以波形图显示出来, 结构较为复杂, 因而需采用条件结构, 控制多个子程序框图的执行。不同子VI间的数据传递通过全局变量实现。设计的系统交互界面如图5、图6所示。
3 钻削加工实验分析
碳纤维复合材料钻削加工实验中, 通过测量机床主轴振动信号, 分析不同切削阶段主轴的振动特性, 确定振动源, 实现对振动量的有效控制, 便是实验的目的。
3.1 实验平台搭建
实验材料选用碳纤维树脂基增强复合材料, 复合材料为0°、90° 纤维方向交叉铺设。实验刀具采用直径为6 mm、8 mm、10 mm整体硬质合金麻花钻。为减小工件振动对机床主轴振动产生的耦合作用, 设计了一个工件夹具, 碳纤维加工成15 mm×15 mm的矩形件, 由三爪卡盘固定在机床上。
实验测试系统由3 个单向的加速度传感器实现信号的采集, 采集后的信号传入NI-PXI-4492 振动采集仪, 后经所开发的Labview振动信号分析程序进行处理。
3.2空转与空转+进给实验 ( 不同加工阶段实验)
判断振动是否由主轴不平衡力或进给运动所引起, 可通过分析机床空转和空转+空进给阶段。空转阶段, 设置主轴转速为3 000 r/min, 主轴旋转频率SF=n/60 ( n为主轴转速) , SF = 50 Hz。观察主轴振动幅频曲线如图7 所示, 由图中可知主轴旋转频率分量的幅值不大, 其中z方向的幅值最小。3个方向的振动均对主轴的影响较小, 可以忽略。设置进给速度为0.1 mm/r, 结合空转运动, 由测量所得的幅频曲线可以看出, 进给运动对主轴振动的影响很小。
3.3 变切削参数实验
碳纤维钻削实验中, 通过改变切削参数: 主轴转速、进给量、刀具直径。研究不同切削条件下, 参数对主轴振动的影响规律, 优化碳纤维加工钻削参数, 提高零件加工表面质量。试验参数如表1 所示。
分析主轴转速为3 000 r/min, 进给量为0.1 mm/r, 刀具直径为8 mm切削条件下, 机床主轴振动信号曲线。由y方向功率谱密度曲线图中可知, 频率为46.7 Hz和97 Hz为频率异常值。46.7 Hz频率与主轴旋转频率3 000/60 =50 Hz接近, 出现的偏差, 是由于实际运转中实际转速达不到理论转速。频率为97 Hz的峰值则为刀齿切入频率TPF ( TPF = Zn / 60, Z为钻头刃数) , TPF = 2 × 3 000 / 60 =100 Hz。对比两频率值的峰值可知, 由主轴不平衡力引起的振动值远远小于刀齿切入频率, 因而主轴振动是由切削力所引起, 该振动为强迫振动。
观察变转速时见图8, 图8 中振动频谱曲线, 可知随着转速升高, 主轴振动主频幅值减小。 在转速3 000 r / min、6 000 r / min、11 000 r / min处, 主频幅值出现异常值, 突然剧增。由模态实验测试结果可知, 主轴前三阶模态频率分别为97 Hz、197 Hz以及360 Hz, 所对应的转速与异常点值接近。因而幅频曲线中出现的异常值是由于机床共振现象所引起的。
改变进给速度, 观察振动频谱曲线幅值变化见图9。图中除了TPF频率分量, 还出现了2TPF、3TPF等, 但峰值最大的依然是TPF频率分量。因此对比改变进给量时, TPF处峰值的变化曲线, 由图中可知, 随着进给量的增大, 振动幅值也逐渐增大。改变刀具直径, 加工参数相同, 由频谱曲线可知, 随着刀具直径的增大, 主轴振动幅值增大, 如图10 可示。
4 结论
测试了碳纤维复合材料钻削过程中, 机床主轴的振动信号, 基于Labview软件, 开发振动测试分析系统。对主轴振动信号进行时域分析和频谱分析, 由实验结果可知: 机床振动原因是由于钻削力所引起, 属于强迫振动。改变切削条件, 绘制规律曲线, 随着主轴转速的升高, 振动幅值逐渐减小。主轴转速为3 000 r/min、6 000 r/min、11 000 r / min时幅值出现异常点, 为共振现象所引起。随着进给量的增大, 主轴振动幅值变大, 同时刀具直径的增大, 也将使主轴振动幅值增大。
摘要：复合材料钻削过程中, 由于材料的难加工性, 机床主轴产生的振动对加工零件的表面精度和刀具寿命影响较大。需要对机床振动进行实时监测和控制, 基于Labview软件开发了一套机床主轴振动测试分析系统。以雕铣机DK6050为研究对象, 进行碳纤维复合材料钻削试验, 由压电式加速度传感器采集主轴振动信号, 进行频谱分析。实验结果表明该方法可准确找出振动源, 得出不同切削参数对主轴振动的影响规律, 为优化加工参数, 提高表面质量提供实验依据。
关键词：碳纤维复合材料,钻削,主轴振动,振动测试系统,频谱分析
参考文献
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[5]郑鹏.机床加工过程振动特性及对加工表面质量影响的研究[D].武汉:华中科技大学, 2012.