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加工中心進給軸可靠性（xìng）試驗加載裝置（zhì）設計與應用

2016-8-17 來源（yuán）：青海大學機械工程學（xué）院暢青海一機數控機作者：張長段廣雲苟衛東

摘要：進（jìn）給軸作為（wéi）加工中心的關鍵組成（chéng）部件，其可靠性水平（píng）的高低直接影響到加工中心的（de）加工精度（dù）和整機可靠性。提出進給軸（zhóu）可靠性試驗的快速試驗方法，完成了進給軸可靠性（xìng）試驗裝置的試驗方案設計。通過進給軸可（kě）靠（kào）性試驗裝置的搭（dā）建，開展了進給軸可靠性的相關加載試驗（yàn），並將該試驗結果與加工（gōng）中心其他可靠（kào）性試驗（yàn）結果相結合，通過相應的數據分析軟件，評定出機床的可靠性量化指標，暴露加工中心進給（gěi）係（xì）統設計、製造與裝配等方麵的（de）缺陷，以便采取對策（cè）和措施指導進給軸（zhóu）單元的可（kě）靠性設計，從而保證進給軸設（shè）計和使用（yòng）過程中（zhōng）的可靠性增長。

關（guān）鍵詞：加工中心；進給軸；加載裝置；可靠性試驗

近年來我國機床行業發展迅速，國內機床整（zhěng）體水平不（bú）斷提升，取得了許多重要的成就。然而與歐美和日本等高水平機床廠家相比，我們的產品還存在（zài）較大差距，主要體現（xiàn）在加工（gōng）精（jīng）度（dù）、運行可靠性、多功能複合等方麵。其中，可靠性是衡量一（yī）個產品性能的關鍵指標，國內機床在這方麵的表現卻很難令人滿意，可靠性水平較低（dī），在很（hěn）大程度（dù）上影響並限製了加工質量（liàng），從而使用戶在購買加工中心時猶豫不決。欲解決國產加工中心的購買量和（hé）滿意度問題，通（tōng）過不斷的可靠性試驗研究提高其可靠性是關鍵所在。

加工中心作為機床（chuáng）的典型代表，其可靠性水平的高（gāo）低直接影響產品的加工質量，因此，如何（hé）提高（gāo）加工中心的可靠性是一個亟待解決的問題。隻有不斷地進行加工中心可靠性試驗方法和規範的研究，提升加工中心的可靠性，才能不斷提高產（chǎn）品加（jiā）工的效率和質量。

進給軸單（dān）元（yuán）作為加（jiā）工中心（xīn）的重要部件之一，它承擔了加工中心（xīn）各直線、回（huí）轉坐標軸的定位和切削進給，其可靠性的高低直接影響加工（gōng）中心的壽命及其加（jiā）工工件的精度。因此，進給軸的可靠性在較大程度上（shàng）影響加工中（zhōng）心的質量、維修性和經濟性，提高進給係統的可靠性對加工中心整機使用具有重要的（de）意義。通過對加工中心進給（gěi）軸進行可（kě）靠性試驗研究可以獲得評定其性能的重要指標，這些指標無論對設計製造進給係（xì）統還（hái）是對用戶選（xuǎn）購加工中心都具有重（chóng）要的指（zhǐ）導意義［１－２］。

1、加工中心進給軸可（kě）靠性試驗方案設（shè）計

１.１　加工中心進給軸可靠性試驗（yàn）的（de）方法

可（kě）靠性試驗是實現可靠性設計、評價（jià）與分析的一種可靠性研究手段。而對於加工中心這樣複雜的（de）產品，一般在產品的設計和研製初期存在的潛在失（shī）效和故障的殘餘量較大，這也給產品的可靠性提升提供了可（kě）觀的空間。另外產品的研製周期已成為市場競爭的焦點，並且研製產品的數量也較少（shǎo），為了在較短時間內獲取可靠性，不能按傳統的可靠（kào）性試驗方法（fǎ）、使（shǐ）用較長時（shí）間來獲取，而是采用可靠性加速試（shì）驗方式來實現，通過係統地施（shī）加應力，激發（fā）和（hé）暴露加工中心產品的薄弱環（huán）節。由於可靠性加速試驗目的是引起失效，在試驗樣本數量極少的情況下就（jiù）能進行，因此非常（cháng）適（shì）用於像加工中心這樣小批量（liàng）多品種的產品，它可以在較短（duǎn）時間內獲（huò）取（qǔ）加（jiā）工中心（xīn）的故障情況和可靠（kào）性（xìng）特征值。

可靠性加速試驗的目的（de）是在較短的試驗時間內激發出故障，該技術最早（zǎo）源自２０世紀５０年代的老化試驗，其理論依據是故障物理學，通過對故障或失效的研究，發現和根治故障以（yǐ）達到提高可靠性的目的。在（zài）國外，可靠性加（jiā）速試驗在電子產（chǎn）品（pǐn）和機（jī）電產（chǎn）品的應用和推廣使得產品的可靠（kào）性得到很大的提高，對電子設備采用了高加速壽命試驗並獲得滿意的結果。國（guó）內的可靠性加速試驗因為受到試驗方法和試驗設備的限製，目前還處於探索階段。但該（gāi）技術在數控機床可靠性試驗方麵的應用研究很少。文中（zhōng）將可靠性加速試驗技術應用於數控機床加工中心，目的是在比較短的時間內找出並消（xiāo）除故障，提高整機的可靠性。

進給軸是機床的關鍵組成（chéng）部件之一，其性（xìng）能優劣直接影響著整個機床的使用。從加工中心的故障統計和分析中可以看出，加工中心進（jìn）給係統的故障（zhàng）率較高，僅次於刀庫（kù）係統和主軸係統，是加工中心的關鍵薄（báo）弱環節之一。因（yīn）此開展進給軸可靠性試驗可以采用模擬機床的實際工（gōng）作狀態。機床在進行實際（jì）加工時，切削力主要為：主切削力、徑向力、軸向力。如果能模擬實際的主切削力（切削合力），如圖１（ａ）所示，對X 軸、Y 軸、Z 軸同步運動進行加載，實現（xiàn）聯動加載，可（kě）以較真實地反映出機床實際承載狀態。但由於機床（chuáng）空間、試驗裝（zhuāng）置（zhì）（體積（jī）、功能）、試驗位置（加載點）、程序控製等因素的（de）影響，模（mó）擬主切削力（切削合（hé）力（lì））不（bú）易實現（xiàn）。如果（guǒ）分別對X 軸、Y 軸、Z軸進（jìn）行單向（xiàng）加載，如圖（tú）１（ｂ）所示，雖然（rán）同（tóng）實際狀態有差距，但通過加大施加載荷力度和變換加載（zǎi）方式，在一定程度上也能反映出機床（chuáng）的承載狀（zhuàng）態，而且也可達（dá）到可靠性試驗的目的，同時該方法操作方便、容易實現。所以對進給軸進行可靠性試驗采（cǎi）用單（dān）向加載方案［３－４］。

為了減少可靠性試驗（yàn）的周期，係統（tǒng）采用加速試驗的方法（fǎ），即對加（jiā）工中心進給軸加載比實際載（zǎi）荷大的機械應力，以期激發機床的潛在故障，從（cóng）而暴露設計中的薄弱環節（jiē），通過分析手（shǒu）段，找出故障（zhàng）原（yuán）因，性增長。

圖１　進給軸可靠性試驗加載方式示意圖

１.２　加工中心進給軸加載試驗總體方案

通過以上分析，加工中心進給軸可（kě）靠（kào）性試驗采用加（jiā）速試（shì）驗（yàn）的方法，在模擬工況載荷條件下，用可靠性試驗裝置分別對機床的３個進給軸X、Y、Z 軸進行單項加載，以（yǐ）求最大程度地激發進給軸的（de）潛在故障（zhàng）。圖２為該試驗裝置的（de）組成框圖，主要包括：加載氣（qì）缸、壓力傳（chuán）感器、加載計數器、氣（qì）動控製係統（tǒng）等。該（gāi）裝置的工作原理是：氣缸在氣動係統的（de）控製下，將模擬（nǐ）載荷施（shī）加（jiā）到主軸上的模擬刀具；通過力、加載計數器等傳感器，將（jiāng）試驗機床參數和加載試驗數據傳輸到電氣控製裝置，經由數據采集（jí）卡（kǎ）傳輸到（dào）試驗ＰＣ機進行進一步的數據（jù）分析和處理，得到相關的（de）可靠性數據；並（bìng）將這些數據通過分析軟件（jiàn）建模、擬（nǐ）合（hé）、歸納、運（yùn）算，從而預（yù）測出機床的可靠性指標，找出發生故障（zhàng）的主要原因和模式（shì），實現進給係統的整體可靠性增長［５］。

圖２　進給軸可靠性試驗裝置設計方案

2、加工中心進給軸加載試驗裝（zhuāng）置的實現

２.１　試驗裝置氣動係統控製原理

氣（qì）缸作為進給（gěi）軸可靠性試驗裝（zhuāng）置的主要設備，在氣動係統的控製下，利用活塞的伸（shēn）縮（suō）來實現對３個進（jìn）給（gěi）軸施加載荷（hé），以期（qī）實現加載可靠性試驗的目的。該氣動係統以壓縮空氣為能源，主要包括三聯件（空氣過濾器、減壓閥、油霧分離器）、電（diàn）磁閥、電（diàn）氣比例閥、單向節流閥、消音（yīn）器等，其工作原理是：加載（zǎi）時，壓縮空氣經由三聯件過（guò）濾後，得到相對純淨幹燥的壓縮空氣，經（jīng）由電（diàn）磁（cí）換向閥的左腔流出，經電氣比例閥的調節，再經單向節流閥進入氣缸的無杆腔，推動活塞向右運動，實現進給軸（zhóu）的加載。當加載時間到（dào），電磁閥得電，機床主軸推動活塞杆縮回，完成一個循環的加載試驗。具體（tǐ）氣（qì）動控製原理如圖３所示。

圖３　進給軸可靠性試驗裝置氣（qì）動係統控製原理（lǐ）

２.２　進給軸可靠性試驗裝置設計

圖４　加工中心進給軸可靠性加載試驗裝置

進給可靠性試驗裝置除了氣動控製係統外，還包括電氣控製裝置、試驗ＰＣ機及溫度傳感器、壓（yā）力傳感器等。其中，溫度（dù）傳感器（qì）主要檢測試驗過程中機床電氣櫃的溫度情況；壓力傳感器用來檢測試驗過程中施加給主軸（zhóu）的實（shí）際載荷；電氣控製裝置主要接收來自傳感器的采集數據，並把這些數據轉換為ＰＣ機能夠識（shí）別的數據形式，同時也將機床試驗時的扭矩、功率等參數傳送到試驗ＰＣ機。最終完整的主軸可靠性試驗裝置如圖４所示。

3、加工中心進給軸可（kě）靠（kào）性試驗

進給軸可（kě）靠性試驗裝置設計完成後（hòu），結合（hé）數據采（cǎi）集處理軟件，即（jí）可以開展可靠性的相關（guān）試驗。根據加工中心可靠性試驗規範，在進行進給軸可靠性試驗之前，首先應該完成以下相關試驗內容：機床預運行檢查（主要包括機床各安全防護裝置是否（fǒu）安（ān）裝（zhuāng）和啟用，並檢驗功能是否正常）；機床精度檢驗（yàn）（測（cè）量X、Y、Z 等軸的位置精度和各軸快速移（yí）動速（sù）度）。

在以上試驗完成後，即可開展進（jìn）給軸可靠性加載試驗（yàn），即在模擬實際工況條件下加大加載載荷，利用進給軸可靠性試驗裝置對X、Y、Z ３個進給軸分別進行加載；並記錄試驗結果。在全部加載試驗結束後（hòu），需要立即進（jìn）行各（gè）項精度檢驗，以驗證加載試驗後機床精度的穩定（dìng）性。

３.１　試（shì）驗內容

（１）在主軸運轉條件下，分別對X 軸（zhóu）、Y 軸、Z軸反複施加軸向載荷，從而考核機床各（gè）動作可靠性（xìng）；

（２）在機床（chuáng）空運行下，考核機床規（guī）定的換刀（dāo）、工（gōng）作台快速移動和交換動作的可靠性；

（３）記錄加載各軸時間、機床運（yùn）行時間；

（４）檢查機床各類故障，記（jì）錄故障數並分析故障產生的原因；

（５）試驗結束時完成相關（guān）幾何精度和X、Y、Z軸位置精度檢驗，以檢驗加載試驗後機床精度的（de）穩定性。

３.２　試驗條件及方（fāng）法（fǎ）

（１）加工中心處（chù）於正常狀態，潤滑係統、氣動係統、液壓係統和電氣係統均正常（cháng）；

（２） X 軸加載力（lì）應大於０暢７５倍的（de）X 軸（zhóu）最大軸向抗力，即大於５１００Ｎ； Y 軸加載力應大於０暢７５倍的（de）Y 軸最大軸向抗力，即（jí）大於６０００Ｎ； Z 軸加（jiā）載力應大於０暢７５倍的（de）Z 軸最大軸（zhóu）向抗（kàng）力，即大（dà）於３１５０Ｎ；

（３）各（gè）軸加載試驗時，機床空運行和加載工作累計時間約４８ｈ，包括故障修複時間，不包括安裝輔助時間；

（４） X、Y、Z 軸加載時的（de）進給速度應不小於（yú）３００ｍｍ／ｍｉｎ，加載刀具轉速應不小於５００ｒ／ｍｉｎ；

（５）空運（yùn）行過程（chéng）中，加工中心能（néng）夠實現最大直徑、最大（dà）質量、最大長度的刀具換刀動作（zuò），以期檢驗換刀動作的準確性；

（６）活塞、加載氣缸、測量裝置等安裝與使用應遵照儀器設備使用規（guī）定；

（７）隻有（yǒu）全部加載試驗結束後，才能進行各項精度檢驗，並且先檢驗幾何精度，然後檢驗坐標軸的位置精度；

（８）進給軸加載裝置及測試數據報表見圖５（圖中以X 軸為例（lì）， Y、Z 可（kě）靠性試驗（yàn）及結果輸出類似X 軸（zhóu））。

圖５　加工中心進給軸（zhóu）可靠性試驗現（xiàn）場圖

３.３　試驗結果及評定

（１） X 軸可靠性試驗結果及評定見表１， Y 軸、Z 軸可靠性試驗結果類似於X 軸，在（zài）此省略；

（２）記錄（lù）加工中心幾何精度和（hé）位（wèi）置（zhì）精（jīng）度（dù）檢驗結果，用來（lái）評價加工中心的精度穩（wěn）定性。

表１　X 軸加載試驗結果（guǒ）匯總及評定

備（bèi）注：以上試驗結果數據要參（cān）與最終可靠性指（zhǐ）標（biāo）計算，應力求準確！

將以上X、Y、Z ３個進給軸可靠性試驗結果與其他可靠性試驗結（jié）果相結合，通過分析軟（ruǎn）件建模、擬合、歸納、運算，從而預測出機（jī）床的可靠性指標，評定進給軸係統的設計和製造裝配質量，同時找出發生（shēng）故障的主要原因，實現進給軸整體可靠性的增長。

4、結論（lùn）

係（xì）統闡述了加（jiā）工中心可靠性試驗的必要性和試驗方法，針對影響加工中心可靠性的關鍵薄弱環節之一進給軸，提出了進給軸可靠性試驗裝置方案，完成了試驗裝置的（de）搭建，並通過對３個進給軸進行（háng）一係列的加載試驗，記錄相應（yīng）的試驗結果，並將該試驗結果與加工中心其他可靠性試驗相結（jié）合，通過分析軟（ruǎn）件的建模、運（yùn）算，評定出機（jī）床的可（kě）靠性量化指標，從而評定出進給係統的設計和製造裝配質量。同時可靠性試驗結果可以幫助選擇高可靠度（dù）和高安全性（xìng）的零件，再通過（guò）試驗驗證和不斷改進完善，提出相應的可（kě）靠性增長措施，以此指導進給係統的可靠性設計，從而保證進給軸設計和使用過程中（zhōng）的（de）可靠性增長，對於提高加工中心的整體可靠性有著重（chóng）要（yào）的意義。

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