王 鑫， 魏永利， 胡天亮， 習 爽*

(1.南京林業(yè)大學機械電子工程學院，江蘇 南京 210037；2.山東大學機電工程學院，山東 濟南 250199)

現(xiàn)代制造業(yè)進入快速發(fā)展階段，各種機床被廣泛應用于眾多基礎行業(yè)中。部分滾動功能部件，如滾珠絲杠副、滾動直線導軌副、滾動軸承等作為機床的核心部件，其工作狀態(tài)將會直接影響機床加工的精度與效率。如果在實際加工過程中對滾動部件的精度、位移、溫升等工作參數(shù)進行測試和分析，雖然在一定程度上可以保證數(shù)據(jù)的準確性，但會浪費大量的能源和材料，大幅度提高加工成本，不符合經(jīng)濟效益的要求[1，2]。因此各大生產(chǎn)廠家研發(fā)了許多加載力試驗臺，來模擬實際加工過程中的各種數(shù)據(jù)，從而來檢測加工過程中絲杠副、導軌副、軸承的精度和可靠性。目前主流的模擬試驗臺的工作原理是：對滾動功能部件分別施加一定載荷，然后對力和變形量的關系進行測試。

現(xiàn)有的試驗臺存在以下幾個問題：(1)大多數(shù)試驗臺功能較為單一，即每次實驗時只對滾珠絲杠副、導軌副和軸承中的一個施加載荷，各項實驗是分開進行的。這與實際加工過程中，機床上各個滾動部件是同時受力有所不同[3]。(2)大多試驗臺對力的模擬還停留在靜力學階段，即在模擬力時，大多試驗臺是利用工作臺自重或在試驗臺上增加配重來進行測試。但在實際加工過程中，作用在工作臺上的加載力是來自X、Y、Z三個方向，且實時變化的[4]。(3)在測試過程中使用了較多的假設理論。如加工過程中由于摩擦引起的溫升、熱變形，繼而引發(fā)的震動等問題都被忽略不計；再如分析軸承時，將其簡化為空心圓柱，或將軸承看作統(tǒng)一溫度體[5]。

因此，本文設計了一種多功能伺服模擬加工試驗臺。該實驗裝置能夠實現(xiàn)對切削加工過程的精確模擬，能實現(xiàn)對多種型號的絲杠副、導軌副、軸承進行三向動態(tài)加載力測試，并能實時采集評估時所需要的相關數(shù)據(jù)，可用于預測絲杠、軸承等零部件加速壽命衰減、滑動導軌加速磨損監(jiān)測等，為分析滾動部件的剩余壽命及其退化機理提供實驗依據(jù)，為絲杠副、導軌副、軸承的選用與維護提供更加可靠的依據(jù)，從而避免高精度切削設備不可逆的精度喪失現(xiàn)象[5]。

1 機床進給過程受力分析

機床加工過程中，切削力合力F可以看做是由三個互相垂直的分力疊加而成[7]，這三個分力分別為：主切削力Fz、徑向力Fy和軸向力Fx[8]，切削合力與分力的關系如圖1所示。其中主切削力Fz的方向垂直于主運動方向，徑向力Fy平行于進給方向，軸向力Fx沿工件的軸向。

圖1 切削合力與分力的關系

本試驗臺具有3個方向的載荷力，分別是X、Y、Z三個方向。其中，X方向和Z方向的載荷是利用兩個交流電動缸來帶動施力輪，從而對工作臺施加作用力；Y方向的載荷由一個電動缸直接連接工作臺，兩者通過一個螺母連接，從而實現(xiàn)工作臺在任意位置都可以受到來自3個方向的不同載荷。

試驗臺分力方向如圖2所示。實際加工過程中，三個切屑分力最終相交于一點：切削點[9]。因此，在設計模擬切削設備時，必須考慮讓3個方向的載荷力的延長線相交于一點，這樣才能精準有效的模擬切削加工，由此得到的實驗數(shù)據(jù)才足夠準確，具有一定的說服力[10]。本著以上原則，本文設計的試驗臺X、Y、Z三個方向施加的壓力相交于一點，如圖2中箭頭所示?？梢跃_模擬切削設備的切削加工，為切削加工設備零部件的壽命預測等提供設備基礎。

圖2 試驗臺分力方向

2 試驗臺設計

2.1 試驗臺總體結構組成

該試驗臺的規(guī)格為：1 710 mm×762 mm×627.5 mm；有效行程0～320 mm。試驗臺主要包括X方向伺服加載機構、Y方向伺服加載機構、Z方向伺服加載機構、伺服進給系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)，其整體如圖3所示[6]。

圖3 試驗臺整體

試驗臺整體結構關系如圖4所示。

圖4 試驗臺整體結構關系1.機座；2.導軌安裝臺；3.絲杠軸承座；4.聯(lián)軸器；5.電機支架；6.伺服電機；7.直線導軌；8.絲杠；9.試驗臺a；10.試驗臺b；11.龍門架；12.L型貼片

試驗臺去掉龍門架、試驗臺b后的立體結構如圖5所示。

圖5 試驗臺去掉龍門架、試驗臺b后的立體結構1.X向施力輪；2.X向施力輪安裝支架；3.拉壓力傳感器(X向)；4.X向電動缸安裝座；5.導向滑桿；6.X向電動缸；7.Z向施力輪；8.Z向施力輪安裝支架；9.導向滑桿；10.拉壓力傳感器(Z向)；11.Z向電動缸安裝座；12.Z向電動缸；13.Y向電動缸；14.Y向電動缸支架；15.拉壓力傳感器(Y向)；16.連桿；17.光柵尺主尺；18.光柵尺讀數(shù)頭；19.L型支架；20.L型貼片

該工作臺的主要運行原理是：交流伺服電機6作為動力源，通過傳動機構滾珠絲桿螺母副，將其輸出軸的轉動轉化為工作臺的直線運動，最后通過直線滾動導軌副7導向，實現(xiàn)整個工作臺的往復直線運動。同時在X、Y、Z三個方向上添加施力機構，施力機構均有電動缸驅動，通過固連在電動缸缸體中的滾珠絲桿螺母副將旋轉運動轉化為直線運動，通過滾輪作用在工作臺上，再通過工作臺傳給滾珠絲桿螺母副、直線導軌滑塊、軸承等。同時在三個方向上均安裝拉壓力傳感器，實時監(jiān)測并記錄此時的加載力大小[11]。

進行測試時，首先啟動交流伺服電機，電機通過聯(lián)軸器帶動絲杠旋轉，進而通過絲杠的螺母、螺母座帶動試驗臺進行往復直線運動。為了準確模擬真實加工過程，準確地達到加工需求，本試驗臺選擇交流伺服電機自帶的編碼器，可以實時采集絲杠旋轉的速度，并將其反饋電機控制系統(tǒng)來構成半閉環(huán)系統(tǒng)；同時試驗臺配有光柵尺，可以采集試驗臺的位移信號，并將其反饋電機控制系統(tǒng)。同時，3個加載力方向均配有拉壓力傳感器，可以將檢測到的拉壓力大小反饋給電動缸控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對三個加載力的實時控制，使試驗臺能夠準確地在設定的力作用下工作。

試驗時，主要通過固定在試驗臺上的三相加速度傳感器來采集主要滾動部件，即滾珠絲桿螺母副、直線滾動導軌、軸承的振動信號，并結合三相加載力的大小繪圖進行分析，從而為性能衰減、虛擬調(diào)試、動態(tài)性能測試等研究應用提供可靠的實驗數(shù)據(jù)。

2.2 試驗臺硬件設計

2.2.1 導向機構的選擇

要設計的試驗臺是用于模擬實際機床加工過程的，工作時載荷不大，但要求具有較小的脈沖當量和較為準確的定位精度，因此選擇爬行概率低、摩擦小、導向時精度高的直線滾動導軌副[12]。

按照以上設計準則，最終選擇了型號為HGH 15CA×1 000的直線滾動導軌副[13]。

2.2.2 傳動機構的選擇

為了使電機可以驅動工作臺，一定要采取相應裝置使電機軸的旋轉運動變?yōu)楣ぷ髋_的直線運動，常用的轉換機構便是絲桿螺母副[14]，考慮到機床工作臺對定位精度有很高的要求，此處選用傳動精度高、摩擦系數(shù)小的滾珠絲桿螺母副[15]。

按照以上設計準則，最終選擇型號為GD2505-3-P4-600/750的滾珠絲桿螺母副。

2.2.3 伺服驅動裝置的選擇

目前市面上最常用驅動裝置便是自帶檢測機構的伺服交流電機[16]，使用和維修都很方便，價格便宜，且通過相應的檢測裝置進行反饋，可以進行準確的位移、速度控制[17]。

最終選取的是型號為松下MINAS A6B MBDLN25BE的交流伺服電機；型號為SDG50-035的直線式電動缸和SDG50-087的折返式電動缸。

2.2.4 傳感器的選擇

為了模擬不同加載力下的機床工作情景，在X、Y、Z三個加載機構上安裝力傳感器，以便按預期要求控制加載力的大小。本試驗臺的主要目的是用于滾動部件檢測，因此在導軌、絲桿、軸承座兩端安裝傳感器來采集軸承信息，用于后續(xù)診斷[18]。

本設計選擇了型號為上海力恒LH-S05A拉壓力傳感器；型號為東華1A302E的壓電式加速度傳感器[19]。

3 工況模擬實驗方法

本設計中，X、Y、Z三個方向的載荷均是由電動缸提供。為了能夠達到生產(chǎn)過程中的精確控制，伺服電機常采用3種控制模式，即力矩模式、速度模式和位置模式[20]。三種控制方式各有各的特點，其中力矩模式的特點是：在一定范圍內(nèi)，輸出力矩的大小是恒定的；速度模式的特點是：輸出速度在額定力矩范圍內(nèi)是恒定的；位置模式的特點是：在額定力矩范圍內(nèi)，能夠對指定位置進行精準的控制。

以上3種控制模式，在控制圖中的位置關系如圖6所示。其中最外層是位置環(huán)，最內(nèi)層是電流環(huán)。其中電流環(huán)即對應伺服電機的力矩控制模式。由圖可以看出，在實際應用中，不管是速度環(huán)還是位置環(huán)，其控制過程都要經(jīng)過電流環(huán)，也就是說，速度控制和位置控制最終都要經(jīng)過力矩控制，產(chǎn)生最終力矩后實現(xiàn)控制。

圖6 三種控制模式位置關系

由于伺服電機的轉矩直接由電流環(huán)控制，因此在轉矩模式下，伺服電機的響應是最快的。而位置控制要依次經(jīng)過速度控制和電流控制，運算量最大，因此動態(tài)響應也最慢。速度控制的動態(tài)響應快慢居于中間[21]。由于加載力的模擬對實時性要求較高，且要求能夠對輸入的力進行平滑控制和高精度控制，因此本設計中對電動缸的控制方式選用電流控制模式。

4 結論

機床滾動部件在工作過程中起著重要的作用，必須對其相關參數(shù)進行測試。但是直接利用真實的數(shù)控機床做實驗，費時費力，同時也會對機床造成不可恢復的損傷。本文在對國內(nèi)外現(xiàn)有的機床模擬試驗臺的基礎上進行研究，設計出一款能夠動態(tài)測試如絲桿，滑塊和軸承等滾動功能部件精度的試驗臺。該試驗臺上的施力裝置可實現(xiàn)對真實加工過程中力的模擬，可以用于對試驗臺進行虛擬調(diào)試，并對各種滾動部件進行壽命預測和分析，還可以進行試驗臺的加工性能測試，具有一定的實用價值。