基于LabVIEW的陶瓷电主轴检测系统研究与实验分析

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电主轴是高速数控机床的核心部件,是决定机床性能的第一要素。电主轴的振动特性、模态特性、温升特性等都是评价电主轴的综合性能的关键指标,这些指标直接决定着电主轴的加工精度、稳定性、使用寿命,因此,对这些性能参数做出准确的测量,对电主轴研发技术的深入,制造水平的提升,性能及结构的优化有着重要的意义。  本文以170SD30型全陶瓷高速电主轴为主要研究对象,以虚拟仪器LabVIEW为开发平台,设计出一套全陶瓷高速电主轴综合性能检测系统,该系统包括振动信号采集模块、温度检测模块、振动信号预处理模块、温度场分析模块、模态参数识别模块等。目的是为了对全陶瓷高速电主轴的振动、温升、模态等方面特性做多角度全方位的检测,为电主轴技术的深入研究和优化提供有力的数据支持。  振动信号采集模块利用调用动态链接库的技术实现了软硬件的兼容,并对电主轴振动信号进行了检测;温度检测模块采用调用VISA库函数的方法实现了LabVIEW对第三方硬件的通信,并检测了电主轴在不同转速下关键部位的温升变化情况。振动信号采集模块和温度检测模块作为检测系统的信号采集部分,为温度场分析模块及模态参数识别模块这两个分析模块提供了必要的数据来源。  振动信号预处理模块是振动信号采集模块的辅助模块,采用数学形态法与传统滤波器相结合的方法对混杂有噪声的振动信号进行滤波降噪以提高其信噪比,通过对仿真信号的定量分析后,得出使用数学形态法与传统滤波器相结合的方法形误差降低了30.4%~42.8%,且比单一使用一种降噪方法其波形误差多降低了26.2%。  温度场分析模块兼有实时性和可视性的特点,弥补了当前通用温度检测设备可视性不强,温度场分析软件实时性不高的缺点。通过实际检测和基于传热学理论的逻辑分析,绘制了电主轴温度场分布图,并得出电主轴30000r/min时内部温度最高处在转子,温度为102.5℃;轴承滚道部位温度约为78.65℃,定子温升为48.95℃的结论,最后用ANSYS有限元分析软件求得的温度场结果与本模块的分析相互对比,结果验证了分析结果的准确性。  模态参数识别模块采用分量分析法和峰值提取法相互结合的算法,分析电主轴的模态特性,在整个分析过程中,相互弥补两种识别方法的不足,提高识别精度,最终测得了全陶瓷高速电主轴前三阶固有频率依次为1315Hz、2640Hz、4795Hz,前三阶阻尼比依次为0.245%、0.4702%、0.1063%。  综上,全陶瓷高速电主轴综合性能检测系统以LabVIEW为软件平台,融合了机械、通信、计算机等多学科领域知识,分别采用两种编程方法实现了软件系统与检测仪器的兼容,将多种检测设备集成为一体,并专门为全陶瓷电主轴量身定做了检测分析系统,体现了较强的针对性和专业性。该系统能够对电主轴的多项性能参数做系统全面的检测,具备良好的抗噪声能力和一定的逻辑分析功能,可以利用采集到的温度、振动等数据实现电主轴温度场的分析及模块参的数识别等功能,有助于研究人员对电主轴的整体性能水平做出客观的评价。
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