可视化技术在机床主轴误差分析中的应用研究-.pdf

可视化技术在机床主轴误差分析中的 应用研究 沈阳机床 集团设计研究院 辽宁1 1 0 1 4 2 刘启伟马晓波仇建 随着计算机软硬件技术的飞速发展 ，三维可视 化技术得到了越来越 多的应用 ，在科研及工程领域 人们也不再 满足单纯 的文字叙述 和简单 的二 维 图 表 ，对数据分析及处理上也提 出了更高的要求，动 态且具有交互功能的可视化技术走进这一领域 。可 视化技术以其独有的视觉和听觉感受给单调的数据 分析及其后处理带来好处。 机床 主轴如同人的手臂 ，是机床的关键部件 ， 主轴的性能将直接关系到机床的最终性能。对机床 主轴进行误差测试 已经成为机床性能检验、误差分 析和 出厂检验的必须工作。机床主轴误差测试一般 包括主轴跳动检测 包括轴 向和径 向、主轴热变 形检测、静刚度检测等项 目。通过V T K 开发平台 ， 本文结合主轴误差检测系统 跳动检测和热变形检 测 ，将可视化技术应 用于主轴误差分析 中，通过 导入机床模 型和将主轴误差以3 D的方式显示 ，可 以从机床整体的角度来审视和考量误差对机床的影 响 ，收到 了以文字叙述和二维图表所无法 比拟的效 果 ，对机床的性能分析和结构优化起到了很好的参 考价值 。 1 ． 主轴误差测试系统 主轴误差测试系统采用沈阳机床 集团设计 研究院 自行开发的一套测试装置，测试 系统包括软 件和硬件两大部分。测试软件主要负责参数设置、 通道设置以及数据的实时显示和保存等工作 ，采用 C 进行底层开发 ，以C 进行上层界面设计 ，软件 兼顾 了系统 的快速 响应性和提供 人性化 的界 面等 优点。图1 为系统软件主界面 ，无需切换到其他窗 口，在主界 面里就可 以完成大部 分的软件操 作工 作，如通道颜色设置、采样时间、采样数据处理方 5 4 ， 痂 参 磊 籼工 式 、图像显示范围以及激光位移传感器的开关等 ， 给实际的测试工作带来 了很大的便利性 。 图1 数据采集主界面 图2 为软 件 配置 界面 ，可以 进行 硬 件参 数 设 置 、通道设置等操作 ，所有参数都将 保存 IJ X ML 配置文件中，软件启动时将 自动加载配置文件。 图2 数据采集配置界面 硬件部分主要包括米铱公司出产的I F 2 0 0 4 数据 采集卡2 块 ，每块4 个通道 ；5 个激光 三角反射式位 移传感 器 ，测量范 围为2 4 ～2 6 mm；5 个控制 器、 1 个 2 4 V电源 模块 及 连 接 线缆 和 1 台 工 控 机等 ， 图3 为一通道硬件连接示意 图。 图3 一通道硬件连接示意图 根 据硬件构成 ，测试系统可 同时进行5 通道的 数据采集工作 ，测量频率为每通道1 0 k Hz ，一般安 装方式 为主轴轴向一个 ，其他两个方 向各两个，可 同时测量主轴 、Y 、z 三个方向的位移数据 ，通过 数据处理还可计算 出主轴在径向的倾斜角度，激光 位移传感器的具体安装方式如 图4 所示 。 图4 主轴误差测量装置安装示意图 1 ．主轴检棒 2 ． 激光位移传感器 3 ． 支架 2 ． 主轴误差可视化仿真系统 主轴误差可视 化仿真 系统包括建立可视 化模型 和误 差仿真两大部分 ，可视 化模型包括机床的3 D 模型和安装在主轴上的检棒 ，机床模型可以通过导 入设计人员建立的C A D 模型的方法实现 ，检棒需要 在仿真系统内构建 ，以方便对其尺寸进行调节。 1 可视 化模型 的建立主轴误 差可视化仿 真 系统3 D模 型的 建 立需 要用 到 两个 平 台 ，一个 是Op e n Ca s c a d e 平台 ，用于解析C A D软件导 出的 S T E P 文件 ，并将零件进行网格化处理 ；另一个是 VT K平 台 ，实现 网格化模型 的显示和建立检棒模 型 。 O p e n C a s c a d e 是基于面 向对象技术开发的 、针 对 特定领域的c 类库 ，提供了点、线 、面 、体和 复杂形体的显示 和交互 操作 ，可以处理2 D I] 3 D 数 据 ，包括3 D表面和实 体建模 、数据交换 、仿真 和 分析等应用。该 平台具有S T E P 文件接 口，可以导 入I GE S 或S T E P 装配体，通过其 网格化工具可以将 零件进行网格化处理 ，以便V T K 平台的显示调用。 本文将导入 、解析S T E P 文件及零件网格化处理功 能 ，编写成一个动态链接库供主程序调用。 VT K 是 目前较 为成熟 的3 D显示平台 ，VT K为 V i s u a l i z a t i o n T o o l K i t 的缩写 ，是一个开放源码的、 面 向对象 的3 D图形 和可视化类库 ，主要 用于 三维 计算机 图形学 、图像处理 和可视化 ，能够对标 量 场、矢量场以及张量场数据进行重建 。V T K 拥有丰 富的数据类型支持 ，可以对多种数据进行处理 ，在 导人大量模型时可以使用L O D 显示技术 ，以提高系 统的响应速度和显示效果。 通过 2 个3 D 平 台的合理使用 ，既解决 了机床 3 维模型重建的复杂性 ，又提高 了模 型的显示效果和 人机交互性 ，充分利用了两大平台的优势互补性 。 图5 为S T E P 文件解析及零件网格化处理流程 ，在主 程序中将接收到的模型数据流进行 反向解析 ，即可 建立装配树和3 维模型。 ⋯ I 骣 是 着 l l导 出 装 配 树 及 I I 嚣 鏊 墨 薯 H 豢 8 I l入 装 配 树 节 点 I I 垦 坠 堕I 图5 S T E P 文件解析及零件网格化处理流程 图6 是导入机床模 型的显示实例 ，机床模型在 导入前经过适 当的简化处理。在仿真系统 中可以隐 藏掉一些不关心的零件或子装配体 ，以提高系统 的 显示速度和显示效果。 图6 导人的机床模型 2 主轴误差仿真主轴误差检测 系统每 次 采集5 组数据 主轴轴 向一组 ，与主轴轴向垂直的 参 磊 冷 加 工 枷 _ 5 5 径向各2 组 ，根据这5 组数据 以及主轴径 向同一 方向 上两个位移传感器之 间的距离 ，可以计算 出主轴3 个方向的位移量和主轴在两个径 向上的倾角 ，共5 个变量。通过这 5 个变量 可以唯一确定主轴的空 间 位置信息。 图7 是 由于主轴倾角而产生的轴 向位移变动示 意图。 A放大 图7 主轴倾角产生轴向位移示意图 主轴倾角 口和主轴轴向位移变动量之 间存在如 下关系 下表列 出了当￡ 值一定而 取不同值时的 主轴轴向位移 ，可见 ，当主轴倾 角较大时其产生的 轴向位移不能被忽略 。 主轴倾角与轴向位移关系表 口 。 L ／ mm d ／ mm l 2 6 0 0 ． 0 3 9 6 0 5 2 91 O．5 2 6 0 0 ． 0 99 0 0 3 8 0．2 2 6 0 0 ． 0 o 1 5 8 40 1 9 O 1 2 6 0 0 ． 0 0 0 3 9 6 0 0 3 在仿真过程中可 以随时进行暂停仿真、缩放模 型、旋转模 型等操作 ，还 可以随时 更改误差放大 系数 以及调节仿真运行速 度。此外 ，为 了方便查看 某一 变量对主轴的影 响程 度 ，仿真软件 中设置 了各 个变量的开关控制 ，仿真 过 程 中可随时关 闭或开 启 某 一误差 量 。 图8 为主轴 误差仿真流程图。 由于VTK以0p e n GL 为基础 ，因此在进行模 型 位 置空间变换时需要遵循 一 定的顺序和规则 ，以下 代码 是更新主轴显示模 型 的程序片段。 加载通道数据 设置通道和主轴 结束仿真 图8 主轴误差仿真流程 v t k T r a n s f o r m Tfl e w v t k T r a n s f o r m0 T ． P o s t Mu l t i p l y ； T ． Ro t a t e X 9 0r y 5 6 麓 ， 晓 参 荡 籼 工 3 b 毒 謦 ， 晓 ，， ‘ ，而 ’ 。 k 坤 加 上 I ． Ro t a t e Y【 r x ； T ． T r a n s l a t e d x ， d y ， d z s p i n d l e Ac t o r ．S e t P o s i t i o n T ． Ge t P o s i t i o n 0 ； s p i n d l e Ac t o r ．S e t Or i e n t a t i o n T ． Ge t O r i e n t a t i o n 0 ； 3 ． 应用实例 本文以 沈 阳机 床 集 团 某 卧式加 工 中心为 例 ，应用主轴误差可视化系统对测试得到的误差进 行仿真。图9 为主轴端跳放大l 0 0 0 倍的仿真截 图， 图1 0 为主轴热漂移误差放大5 0 0 倍的仿真截 图。 图9 主轴端跳仿真截图 放大1 0 0 0 倍 图1 0 主轴热漂移仿真截图 放大5 0 0 倍 4 ． 结语 通过将可视化技术引进主轴误差分析 中，不但 使单调的数据分析工作丰富起来 ，而且可以从机床 整体的角度去审视主轴误差对机床的影响趋势及影 响程度 ，便于非测试分析人 员了解误差的具体表现 形式及其危害程度。 通 过 呵视 化技术 在主轴 误差 分析 中的成功 应 用 ，完全有理由相信这一技术适用于其他误差分析 当中 ，使 町视化技术作为一座沟通测试分析 人员和 设计人 员之间的桥梁 。MW 收稿 日 期 2 0 1 2 0 5 1 4 一