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〇引言

加工中心作為機(jī)床的典型代表，其可靠性水平的高低直接影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量，可靠性是衡量一個(gè)產(chǎn) 品性能的關(guān)鍵指標(biāo)，國內(nèi)機(jī)床在這方面的表現(xiàn)卻很難令人滿意，在很大程度上影響并限制了加工質(zhì)量，從而使用戶在購買加工中心時(shí)猶豫不決。欲解決國產(chǎn)加工中心的購買量和滿意度，通過不斷的可靠性試驗(yàn)研究提高其可靠性是其關(guān)鍵所在。

可靠性試驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)可靠性設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)與分析的一種可靠性研究手段。而對(duì)于加工中心這樣復(fù)雜的產(chǎn) 品，一般在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研制初期存在的潛在失效和故障的殘余量較大，這也給產(chǎn)品的可靠性提升提供了可觀的空間。通過可靠性試驗(yàn)，確定產(chǎn)品的可靠性特性值，全面考核產(chǎn)品是否達(dá)到了預(yù)定的可靠性指標(biāo)，同時(shí)，能夠了解產(chǎn)品在不同的工作環(huán)境條件下的失效規(guī) 律，摸清失效模式和失效機(jī)理，以便采取有效措施，提高產(chǎn)品的可靠性^)1-]。 i加工中心主軸可靠性試驗(yàn)方案

系統(tǒng)采取模擬實(shí)際工況的方法對(duì)加工中心進(jìn)行可靠性加載試驗(yàn)，同時(shí)為了減少可靠性試驗(yàn)的周期，采用加速試驗(yàn)的方法，即對(duì)加工中心主軸和進(jìn)給軸加載比實(shí)際載荷大的機(jī)械應(yīng)力，是機(jī)床模擬自身的實(shí)際工作狀況，加工中心可靠性試驗(yàn)方案如圖1所示。主要包括主軸加載裝置、進(jìn)給軸加載裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制計(jì)算機(jī)，進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)裝置在計(jì)算機(jī)的控制下，將模擬載荷施加到主軸的模擬刀具上;通過力、加載計(jì)數(shù)器等傳感器，將試驗(yàn)機(jī)床參數(shù)和加載試驗(yàn)數(shù) 據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù) 集系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和傳輸到計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析和處理，從而得到相關(guān)的可靠性數(shù)據(jù);并將這些數(shù)據(jù)通過分析軟件建模、擬合、歸納、運(yùn)算，預(yù)測出機(jī)床的可靠性指標(biāo)，找出發(fā)生故障的主要原因和模式，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的整體可靠性增長

2加工中心可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

2.1數(shù)據(jù)采集總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)加工中心可靠性試驗(yàn)方案可知，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要作用是采集來自可靠性試驗(yàn)裝置的各類數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換和處理，處理完成后的數(shù)據(jù)經(jīng)由相應(yīng)的接口送人計(jì)算機(jī)作進(jìn)一步的處理和計(jì)算分析。可性試驗(yàn)裝的各類數(shù)據(jù) 包括加載試驗(yàn)數(shù)

據(jù)、進(jìn)給軸(R、S=)軸加載試驗(yàn)時(shí)的數(shù)據(jù)信息，由于這些加載試驗(yàn)是采取分別進(jìn)行的方式。因此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在同一時(shí)間只能采集并處理一個(gè)加載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù) 集系統(tǒng) 體設(shè)計(jì)方主軸加載試驗(yàn)主要采集的數(shù)據(jù)有加載的扭矩和功率、主軸加載次數(shù)、加載時(shí)間和試驗(yàn)時(shí)間等，其中加載試驗(yàn)的扭矩和功率可以通過加工中心上的以太網(wǎng)直接傳送到計(jì)算機(jī)，因此通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)只有主軸加載時(shí)間和試驗(yàn)時(shí)間，而這些數(shù)據(jù)可以通過在主軸加載裝置上安裝接觸開關(guān)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的末端采集。

進(jìn)給軸可靠性試驗(yàn)包括R、S、=三個(gè)軸的加載試驗(yàn)，而且三軸的試驗(yàn)分別進(jìn)行，主要采集的數(shù)據(jù)包括各軸的加載力、加載次數(shù)、加載時(shí)間、試驗(yàn)總時(shí)間，其中加載力通過在進(jìn)給軸試驗(yàn)裝置上安裝壓力傳感器來采集，再通過壓力變送器轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集卡能夠接受的量程范圍。而加載次數(shù)、加載時(shí)間、試驗(yàn)總時(shí)間的米集跟主軸試驗(yàn)類似，可以通過在加載裝置上安裝接觸開關(guān)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。另外，進(jìn)給軸的加載力還可以由計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡輸出模擬量，再由氣動(dòng)控制系統(tǒng)的電氣比例閥控制氣缸的輸出力來實(shí)現(xiàn)。

2.2系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的選擇

根據(jù)以上分析，此數(shù)據(jù)采集卡應(yīng)該包括模擬量的輸人，如加載力的模擬量并完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字量的輸人，如采集接觸開關(guān)輸出的數(shù)字量，還包括模擬量的輸出，用來控制電氣比例閥電壓，從而控制進(jìn)給軸的加載力。同時(shí)采集卡還需要完成跟上位計(jì)算機(jī)的通訊。因此，鑒于數(shù)據(jù)采集卡的這些功能，系統(tǒng)選擇研華公司的 USB數(shù)據(jù)采集卡USB4704來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理。

USBR704是一款研華公司的USB總線多功能數(shù)據(jù)采集卡。其先進(jìn)的電路設(shè)計(jì)使得它具有更高的質(zhì)量和更多的功能。主要包括五種最常用的測量和控制功能# 14位A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸人、數(shù)字量輸出及計(jì)數(shù)器/定時(shí)器功能。主要特點(diǎn)# 8路單端或4路差分模擬量輸人，或組合方式輸人；14位A/D轉(zhuǎn)換器，采樣數(shù)率可達(dá)48 kHz;每個(gè)通道的增益可編程;單端或差分輸人自由組合(卡上512 Bytes采樣FIFO緩沖器;2路12位模擬量輸出；8路數(shù)字量輸人/輸出；1 路可編程觸發(fā)器/定時(shí)器。另外，此數(shù)據(jù)采集卡采用 USB接口，即插即用，與上位計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊十分方便。

3加工中心可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3:模擬量輸入通道設(shè)計(jì)

在進(jìn)行進(jìn)給軸可靠性加載試驗(yàn)時(shí)，加載力通過在進(jìn)給軸試驗(yàn)裝置上安裝壓力傳感器來采集，壓力傳感器采用的是環(huán)形壓力稱重器HNDJ-SS-10KN，適用于各種軸向測力場合，雙剪切測量方式，可承受拉、壓力。輸出對(duì)稱性好，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，高精度、穩(wěn)定性好。試驗(yàn)時(shí)，安裝在進(jìn)給裝置的氣缸活塞桿上來測量進(jìn)給軸的加載力。它的測量范圍是〇~1〇kN，需要10 ~30V的激勵(lì)電壓。因此，系統(tǒng)采用JF-300高精度稱重變送器來實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力傳感器的激勵(lì)，變送器輸出電壓范圍為0?10V。具體連接如圖4所示（以Z軸加載為例）。

3.2數(shù)字量輸入和模擬量輸出通道設(shè)計(jì)

數(shù)字量輸人通道主要包括主軸加載試驗(yàn)用接觸開關(guān)和進(jìn)給軸加載用接觸開關(guān)，接觸開關(guān)的主要作用是記錄加載試驗(yàn)的次數(shù)，計(jì)算機(jī)接收到加載次數(shù)之后，通過一定的運(yùn)算，可以獲得試驗(yàn)過程中的加載總時(shí)間和試驗(yàn)總時(shí)間。接觸開關(guān)選用的是三線制形式，4個(gè)接觸開關(guān)與USB4704的連線如圖5所示。

另外，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還包括模擬量輸出通道，該輸出通道為電氣比例閥提供一定大小的電壓，從而控制進(jìn)給軸氣缸的加載力大小。電氣比例閥與USB4704 的連線如 5 。

3.3加工中心數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

加工中心可靠性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要完成接收來自傳感器的采集數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī) 能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)形式，利用USB接口將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送人計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的分析與運(yùn)算處理，同時(shí)機(jī)床試驗(yàn) 時(shí)的扭矩、功率等參數(shù)通過以太網(wǎng)直接傳送到計(jì)算機(jī)。組裝連線完成后的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖6所示。

4結(jié)論

本文在分析加工中心可靠性試驗(yàn)必要性的基礎(chǔ) 上，通過對(duì)加工中心可靠性試驗(yàn)裝置的總體方案設(shè)計(jì)，明確了加工中心可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的作用，進(jìn) 而對(duì)加工中心可靠性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè) 計(jì)。通過對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所用元器件的選擇，完成了加工中可性試驗(yàn)數(shù)據(jù) 集系統(tǒng)的模擬量輸通設(shè)計(jì)、數(shù)字量輸人通道設(shè)計(jì)以及模擬量輸出通道設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上通過設(shè)備的組裝、連線，最終實(shí)現(xiàn)了加工中心可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

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加工中心可靠性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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