专利名称：一种快速判定机床安装与运行性能的方法
技术领域：
本发明涉及一种快速判定机床安装与运行性能的方法。
背景技术：
机床的安装与运行性能的好坏直接关系到加工产品的质量和设备的使用寿命，因而有必要预先对其检测判定，及时校正，以保证机床的最佳使用。
机床的安装状态是受地基、支撑等影响的，现一般采用水平仪检查机床安装后工作台的水平性(即倾斜不超过某个许用值)。这种测量方法不能反映地基、垫铁、和地脚螺钉等支承的质量和紧固力量。因此不能准确反映出实际的安装质量。
机床的运行性能又与其安装状态直接相关，目前对机床的运行性能的检测采用的是通过实际加工检测零件实际精度的方法来判定其运行性能，其缺陷是在未知其安装与运行性能的前提下，对机床初期加工检测的零件无法保证其成品率，导致零件的报废，造成损失，且还会影响机床刀具的使用寿命。
机床运行性能的好坏是可以通过其动态特性振动幅—频特征来体现的，机床的强迫振动和白激振动主要取决于机床部件或整台机床的动态特性，这些特性包括固有频率、阻尼比、在共振时机床的刚度(或柔度)和共振时的振动形态等。这些都直接影响加工的表面质量、金属切除率和刀具耐用度。现常用的系统动态特性测量方法的原理参见图7，多采用电动、电磁、电液式激振器，通过稳态正弦、随机、瞬态激振的激励方法产生振动信号，由主控系统对其定性分析。
上述的稳态正弦激振的激励方法正弦激振——扫频激振，激振的频率随时间而变化。
随机激振的激励方法随机激振是一种宽带激振的方法，一般用白噪声发生或随机信号发生器作为信号源。随机激振测试系统虽有快速甚至“实时”测试的优点，但它所用的设备要复杂一些，价格也较昂贵。
瞬态激振的激励方法1)快速正弦扫描激振激振信号由振荡频率可控变化的信号发生器供给。通常采用线性的正弦扫描激振，激振的信号频率在扫描周期内呈线性增大，但幅值保持为常值。
2)脉冲激振实际进行脉冲激振时采用的是装有力传感器的脉冲锤敲击试件。它对试件的实际作用力是近似半正弦波，其有效频率范围决定于脉冲持续时间。
3)阶跃(张驰)激振在拟定的激振点处，用一根刚度大重量轻的弦经过力传感器对待测结构施加张力，使之产生初始变形。然后突然切断张力弦，这就相当于对该结构施加一个负的阶跃激振力。阶跃激振也属于宽带激振。这种方法在建筑结构的振动测试中用得较普遍。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速判定机床安装与运行性能的方法，它是通过对机床动态特性--振动幅-频特征的测量来判别机械设备安装的正确性。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案一种快速判定机床安装与运行性能的方法，所述的判定方法如下a)将检测系统激振器的偏心装置安装在待测机床的主轴上，调整偏心量以适合该质量的机床；b)设定该质量机床正确安装时的振动幅值、幅-频曲线；c)启动检测系统，激励激振器，扫描，扫描频率范围为3～60Hz；d)采集一定时段的振动信号，对采集到的振动信号处理，初步得出对应的振动幅值、幅-频曲线；e)计算得出初步的共振峰频率fi；f)在每个共振频率fi±3Hz范围内再次以0.2Hz的升幅扫描得到细化的振动幅值、幅-频曲线；G)将上述步骤中得到的测量结果与正确安装时的振动幅值、幅-频曲线进行比较，定性分析。
本发明的优点是对机床动态特性——振动幅-频特征的测量准确、快速，能准确和更全面地反映机床实际安装的质量，预测机床的运行性能，从而指导机床的正确安装，减少机床的安装调试时间，缩短生产准备时间；且适用于不同质量的机床设备，应用范围广。
图1为本实现本发明的系统结构示意2为本发明测试电路原理方框3为本发明测试电路原理4为本发明系统激振器的结构示意5为本发明软件基本处理流程6-a本发明正确安装时一实施例机床的幅频特征值示意6-b本发明一实施例有一个地脚螺钉松动时机床的幅频特征值示意6-c本发明一实施例有二个地脚螺钉松动时机床的幅频特征值示意7为机床动态特性测量常用方法原理图具体实施方式
本发明快速判定机床安装与运行性能的方法是一种利用振动幅-频特征测量来判别机械设备安装的正确性的方法。
实现本发明的系统构成可参见图1、图2所示，由无源激振器2、加速度计1、电荷放大器3、A/D转换与数据采集4及计算机5构成。
其中，一较佳实施例选用江苏联能电子技术有限公司研制的CA-YD-117加速度传感器、YE5851电荷放大器，祥云计算机技术公司的PC-1216K2 A/D转换板，具体电路连接如图3所示。
图3中±12V双路直流稳压电源可以替换为±(6～15)V的双路直流稳压电源。PC-1216K2 A/D转换板插入PC主板ISA插槽。
图4所示的是本发明系统激振器的结构示意，激振器的偏心装置可设计为一不平衡块11，其可通过螺栓12、垫块13安装在心轴14上。心轴14安装在主轴孔内。
本发明的工作原理机床主轴频率与其转速有如下关系f＝N/60(1)在(1)式中f为主轴频率，单位为赫兹(Hz)；N为主轴转速，单位为转/分(r/min)。
在数控机床运行过程中，主轴转动的不平衡将引起整个机床周期性地振动，引起整个机床共振(振幅最大)。
机床振动的测试原理机床振动时其在空间各个方向上都有振幅，但通过分析可以知道，在机床安装固定调试好后，在其垂直于地面水平面的方向上具有最大振幅，故对垂直于水平面的的方向进行测试，测试点位于数控机床水平工作台上。
根据振动学的知识，物体振动振幅与外部加速度有下面的关系/a/＝/Aω2/sin(ωt) (2)(2)式中a为加速度，A为振幅，ω为角速度，t表示时间。当ω2sin(ωt)值一定时a与A成正比关系，即加速度越大振幅也越大。在这里直接对机床水平工作台的振幅进行测量是不方便的，由于加速度与振幅有正比关系，我们可以通过对加速度的测试定性的分析出固有频率。
采用本发明快速判定机床安装与运行性能的方法，首先计算机控制系统先采集安装了激振器的机床心轴的振动信号，通过自身编制的软件对这些信号实时处理，其软件基本流程图参见图5，其处理流程如下数据处理时间分段数据处理时间段分为等待时段、采集时段和处理时段 在等待时段系统进行一些初始化等操作(耗时1秒)，并等待2秒，以使机床主轴加速至预定转速并转动平稳，之后进入采集时段，这时系统开始采集数据，采集3秒后进入处理时段，这时系统对采集到的所有值求平均值，并以曲线形式输出到显示器上。此过程总耗时10秒，完成后进入下一个等待时段，如此循环，直到所有预定的机床主轴转速下的加速度被采集完。
最后将得到的测量结果与正确安装时的振动幅值、幅-频曲线进行比较，误差在±5％以内则认为安装正确，不会对随后的运行产生影响；超出上述范围则认为安装存在问题，会对随后的运行性能造成影响。
实施例1以数控机床为例，本发明的具体方法如下a)将检测系统激振器的不平衡块安装在数控机床主轴孔内，调整偏心量以适合该质量的数控机床；b)调出该数控机床正确安装时的振动幅值、幅-频曲线；c)启动检测系统，激励激振器，在主轴许用转速范围内(0～Nmax，具体值以机床说明书为准，但不超出0～3600rpm范围内)，通过数控指令编程控制主轴转速n从0升至Nmax，扫描频率范围为0～60Hz；d)在主轴转速从0升至Nmax期间自动采集通过加速度计测得的振动信号；过数据滤波等手段对信号进行出理得出设备对应的振动幅值、幅-频曲线。
e)利用软件判断幅频特征，并自动生成需要细扫描的频率范围，再次频率扫描得到准确的幅频特征值；f)通过与记录保存的安装正确时的幅频特征比较；G)定性。
作为机床支承系统的一阶谐振频率通常在10～60Hz范围内，安装条件的劣化将使谐振频率定向偏移和幅值的变化。误差在5％之内的为正确安装，超出5％时为安装不正确。
实施例2正确安装一机床(立式加工中心KT1400)，方法如实施例1。其得到的幅频特征值示意图参见图6-a。
实施例3安装一机床(有一个地脚螺钉松动时)，方法如实施例1。其得到的幅频特征值示意图参见图6-b。
实施例4安装一机床(有二个地脚螺钉松动时)，方法如实施例1。其得到的幅频特征值示意图参见图6-c。
上述实施例2、实施例3、实施例4中安装为同一机床，f1/y1为外界干扰振动，f2/y2为支承固有频率。评定据是f2和y2。
图6-a为正确安装时的幅频特征曲线。
图6-b、图6-c为安装状况劣化时的幅频特征曲线。
两者比较(1)频谱曲线形状变化(多峰)。
(2)频率偏移。
(3)峰值偏离。
权利要求
1.一种快速判定机床安装与运行性能的方法，其特征在于所述的判定方法如下a)将检测系统激振器的偏心装置安装在待测机床的主轴上，调整偏心量以适合该质量的机床；b)设定该质量机床正确安装时的振动幅值、幅—频曲线；c)启动检测系统，激励激振器，扫描，扫描频率范围为3～60Hz；d)采集一定时段的振动信号，对采集到的振动信号处理，初步得出对应的振动幅值、幅—频曲线；e)计算得出初步的共振峰频率fi；f)在每个共振频率fi±3Hz范围内再次以0.2Hz的升幅扫描得到细化的振动幅值、幅—频曲线；G)将上述步骤中得到的测量结果与正确安装时的振动幅值、幅—频曲线进行比较，定性分析。
2.根据权利要求1所述的快速判定机床安装与运行性能的方法，其特征在于所述的激振器为无源激振器，其采用稳态正弦激振激励方法。
3.根据权利要求1所述的快速判定机床/安装与运行性能的方法，其特征在于所述的步骤d)中一定时段为主轴转速从0以120转/分的升幅升至Nmax期间段。
4.根据权利要求1所述的快速判定机床安装与运行性能的方法，其特征在于所述的步骤d)中采集的振动信号是通过加速度传感器测定的。
全文摘要
一种快速判定机床安装与运行性能的方法，判定方法如下将检测系统激振器的偏心装置安装在待测机床的主轴上，启动检测系统，激励激振器，扫描，采集一定时段的振动信号并处理，初步得出对应的振动幅值、幅—频曲线；计算得出初步的共振峰频率f
文档编号G01M99/00GK1683109SQ20041003271
公开日2005年10月19日 申请日期2004年4月16日 优先权日2004年4月16日
发明者盛伯浩, 罗振璧, 唐华 申请人:北京机床研究所