〇引言
加工中心作为机床的典型代表,其可靠性水平的 高低直接影响产品的加工质量,可靠性是衡量一个产 品性能的关键指标,国内机床在这方面的表现却很难 令人满意,在很大程度上影响并限制了加工质量,从而 使用户在购买加工中心时犹豫不决。欲解决国产加工 中心的购买量和满意度,通过不断的可靠性试验研究 提高其可靠性是其关键所在。
可靠性试验是实现可靠性设计、评价与分析的一 种可靠性研究手段。而对于加工中心这样复杂的产 品,一般在产品的设计和研制初期存在的潜在失效和 故障的残余量较大,这也给产品的可靠性提升提供了 可观的空间。通过可靠性试验,确定产品的可靠性特 性值,全面考核产品是否达到了预定的可靠性指标,同 时,能够了解产品在不同的工作环境条件下的失效规 律,摸清失效模式和失效机理,以便采取有效措施,提 高产品的可靠性)1-]。 i加工中心主轴可靠性试验方案
系统采取模拟实际工况的方法对加工中心进行可 靠性加载试验,同时为了减少可靠性试验的周期,采用 加速试验的方法,即对加工中心主轴和进给轴加载比 实际载荷大的机械应力,是机床模拟自身的实际工作 状况,加工中心可靠性试验方案如图1所示。主要包 括主轴加载装置、进给轴加载装置、数据采集系统和控 制计算机,进行可靠性试验时,试验装置在计算机的控制下,将模拟载荷施加到主轴的模拟刀具上;通过力、 加载计数器等传感器,将试验机床参数和加载试验数 据传输到数据 集系统, 由 数据的转换和 传输到计算机进行进一步的数据分析和处理,从而得到相 关的可靠性数据;并将这些数据通过分析软件建模、拟合、归纳、运算,预测出机床的可靠性指标,找出发生故 障的主要原因和模式,实现进给系统的整体可靠性增长
2加工中心可靠性试验数据采集系统的总体 方案设计
2.1数据采集总体设计方案
根据加工中心可靠性试验方案可知,数据采集系 统主要作用是采集来自可靠性试验装置的各类数据, 并进行相应的转换和处理,处理完成后的数据经由相 应的接口送人计算机作进一步的处理和计算分析。可 性试验装 的各类数据 包括 加载试验数
据、进给轴(R、S=)轴加载试验时的数据信息,由于这 些加载试验是采取分别进行的方式。因此数据采集系 统在同一时间只能采集并处理一个加载试验的数据。 数据 集系统 体设计方主轴加载试验主要采集的数据有加载的扭矩和功 率、主轴加载次数、加载时间和试验时间等,其中加载 试验的扭矩和功率可以通过加工中心上的以太网直接 传送到计算机,因此通过数据采集系统采集的数据只 有主轴加载时间和试验时间,而这些数据可以通过在 主轴加载装置上安装接触开关来实现数据的末端采 集。
进给轴可靠性试验包括R、S、=三个轴的加载试 验,而且三轴的试验分别进行,主要采集的数据包括各 轴的加载力、加载次数、加载时间、试验总时间,其中加 载力通过在进给轴试验装置上安装压力传感器来采 集,再通过压力变送器转换为数据采集卡能够接受的量程范围。而加载次数、加载时间、试验总时间的米集 跟主轴试验类似,可以通过在加载装置上安装接触开 关来实现数据的采集。另外,进给轴的加载力还可以 由计算机通过数据采集卡输出模拟量,再由气动控制 系统的电气比例阀控制气缸的输出力来实现。
2.2系统数据采集卡的选择
根据以上分析,此数据采集卡应该包括模拟量的 输人,如加载力的模拟量并完成模数转换,数字量的输 人,如采集接触开关输出的数字量,还包括模拟量的输 出,用来控制电气比例阀电压,从而控制进给轴的加载 力。同时采集卡还需要完成跟上位计算机的通讯。因 此,鉴于数据采集卡的这些功能,系统选择研华公司的 USB数据采集卡USB4704来实现数据的采集和处理。
USBR704是一款研华公司的USB总线多功能数据采集卡。其先进的电路设计使得它具有更高的质量 和更多的功能。主要包括五种最常用的测量和控制功 能# 14位A/D转换、D/A转换、数字量输人、数字量输 出及计数器/定时器功能。主要特点# 8路单端或4路 差分模拟量输人,或组合方式输人;14位A/D转换 器,采样数率可达48 kHz;每个通道的增益可编程;单 端或差分输人自由组合(卡上512 Bytes采样FIFO缓 冲器;2路12位模拟量输出;8路数字量输人/输出;1 路可编程触发器/定时器。另外,此数据采集卡采用 USB接口,即插即用,与上位计算机实现通讯十分方 便。
3加工中心可靠性试验数据采集系统硬件设计
3:模拟量输入通道设计
在进行进给轴可靠性加载试验时,加载力通过在 进给轴试验装置上安装压力传感器来采集,压力传感 器采用的是环形压力称重器HNDJ-SS-10KN,适用于 各种轴向测力场合,双剪切测量方式,可承受拉、压力。 输出对称性好,结构紧凑,安装方便,高精度、稳定性 好。试验时,安装在进给装置的气缸活塞杆上来测量 进给轴的加载力。它的测量范围是〇~1〇kN,需要10 ~30V的激励电压。因此,系统采用JF-300高精度称 重变送器来实现对压力传感器的激励,变送器输出电 压范围为0?10V。具体连接如图4所示(以Z轴加载 为例)。
3.2数字量输入和模拟量输出通道设计
数字量输人通道主要包括主轴加载试验用接触开 关和进给轴加载用接触开关,接触开关的主要作用是 记录加载试验的次数,计算机接收到加载次数之后,通 过一定的运算,可以获得试验过程中的加载总时间和 试验总时间。接触开关选用的是三线制形式,4个接 触开关与USB4704的连线如图5所示。
另外,数据采集系统还包括模拟量输出通道,该输 出通道为电气比例阀提供一定大小的电压,从而控制 进给轴气缸的加载力大小。电气比例阀与USB4704 的连线如 5 。
3.3加工中心数据采集系统的实现
加工中心可靠性试验的数据采集系统主要完成接 收来自传感器的采集数据,并把这些数据转换为计算机 能够识别的数据形式,利用USB接口将转换后的数据送 人计算机进行进一步的分析与运算处理,同时机床试验 时的扭矩、功率等参数通过以太网直接传送到计算机。 组装连线完成后的数据采集系统如图6所示。
本文在分析加工中心可靠性试验必要性的基础 上,通过对加工中心可靠性试验装置的总体方案设计, 明确了加工中心可靠性试验数据采集系统的作用,进 而对加工中心可靠性试验的数据采集系统进行方案设 计。通过对数据采集系统所用元器件的选择,完成了 加工中 可 性试验数据 集系统的模拟量输 通 设计、数字量输人通道设计以及模拟量输出通道设计, 并在此基础上通过设备的组装、连线,最终实现了加工 中心可靠性试验数据采集系统设计。
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