數(shù)控機(jī)床主軸空運(yùn)轉(zhuǎn)絕對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)

楊 軍，韓玉穩(wěn)，董應(yīng)明，趙彥鵬

（云南省機(jī)電一體化應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/云南省先進(jìn)制造技術(shù)研究中心，云南 昆明 650031）

0 引言

數(shù)控機(jī)床由許多零、部件組成，有多個(gè)相對(duì)移動(dòng)的滑動(dòng)面和固定結(jié)合面。機(jī)床零、部件制造精度不良、回轉(zhuǎn)體的不平衡、液壓系統(tǒng)的油液波動(dòng)、切削力、機(jī)床部件的運(yùn)動(dòng)等都會(huì)引起機(jī)床系統(tǒng)的振動(dòng)。機(jī)床振動(dòng)不僅使工件和刀具的相對(duì)位置和相對(duì)速度發(fā)生變化，還使機(jī)床和刀具在動(dòng)載荷下工作，加速了兩者的磨損和精度的喪失，降低了機(jī)床的使用壽命、刀具的耐用度和可靠性，同時(shí)產(chǎn)生噪聲。采用數(shù)控機(jī)床主軸的空運(yùn)轉(zhuǎn)絕對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)，可分析知曉振動(dòng)的類形、規(guī)律和產(chǎn)生機(jī)理，找出減少振動(dòng)的相應(yīng)措施，提高機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能和可靠性。

1 數(shù)控機(jī)床空運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生的原因及分析

1.1 數(shù)控機(jī)床振動(dòng)的分類

按其產(chǎn)生的原因可以分為以下三種：

自由振動(dòng)：機(jī)床外界傳來的沖擊力，機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)中產(chǎn)生的非周期性沖擊力引起的振動(dòng)。

受迫振動(dòng)：機(jī)床旋轉(zhuǎn)件不平衡產(chǎn)生的離心力，往復(fù)運(yùn)動(dòng)件產(chǎn)生的慣性力，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中齒輪、軸承等各種運(yùn)動(dòng)件產(chǎn)生的周期性沖擊力，電磁、液壓、氣壓系統(tǒng)產(chǎn)生的交變力，從機(jī)床地基傳來的周期性干擾力引起的振動(dòng)。

自激振動(dòng)：機(jī)床導(dǎo)軌副等低速運(yùn)動(dòng)件的爬行，液壓站油壓的不穩(wěn)定，皮帶橫向自振等引起的振動(dòng)。

1.2 機(jī)床振動(dòng)特性的評(píng)定

常用下述指標(biāo)來分析評(píng)定機(jī)床的振動(dòng)特性：①位移、速度或加速度等振動(dòng)量；②指定頻率范圍內(nèi)的動(dòng)柔度或動(dòng)剛度、動(dòng)柔度的幅頻特性圖、相頻特性圖或幅相特性圖；③各階（主要階次）固有頻率及阻尼比；④各階（主要階次）主振型；⑤各階（主要階次）模態(tài)的模態(tài)柔度；⑥機(jī)床結(jié)構(gòu)以某些模態(tài)振動(dòng)時(shí)的能量分布情況。

在一定干擾力的作用下，機(jī)床振動(dòng)的大小，振動(dòng)的頻率范圍以及振動(dòng)量的空間分布受上述指標(biāo)的直接影響，上述指標(biāo)表征了機(jī)床的振動(dòng)特性，可用它來分析評(píng)定機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能。

1.3 試驗(yàn)用機(jī)床

本文對(duì)某型號(hào)的數(shù)控龍門銑鏜床進(jìn)行空運(yùn)轉(zhuǎn)絕對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)，該機(jī)床的主電機(jī)功率為22kW，轉(zhuǎn)速范圍為20～6000r/min，主軸軸承為滾動(dòng)軸承，主軸采用液壓油冷卻，主傳動(dòng)系統(tǒng)采用電機(jī)直傳無變速箱。

2 空運(yùn)轉(zhuǎn)絕對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容和目的

機(jī)床主軸在各級(jí)正、反轉(zhuǎn)空運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，測量機(jī)床的絕對(duì)振動(dòng)速度，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，做必要的絕對(duì)振動(dòng)頻譜分析。研究分析機(jī)床振動(dòng)的大小、種類、成因等，確定改進(jìn)、提高機(jī)床性能的方法和措施。

機(jī)床主軸在空運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的絕對(duì)振動(dòng)速度大小，直接影響到機(jī)床零件的疲勞、使用壽命和機(jī)床精度的可保持性。機(jī)床的振動(dòng)在一定形態(tài)上反映出機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平、零件質(zhì)量水平和裝配質(zhì)量水平，而且和機(jī)床工作時(shí)的零件加工精度和表面粗糙度緊密相關(guān)。

2.2 試驗(yàn)依據(jù)

GB/T16768-1997《金屬切削機(jī)床 振動(dòng)測量方法》。

2.3 試驗(yàn)條件和方法

（1）試驗(yàn)的機(jī)床為按相關(guān)國家、行業(yè)等標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品。

（2）試驗(yàn)前檢查機(jī)床的潤滑、液壓油等充分，機(jī)床主軸低速、中速、高速各空運(yùn)轉(zhuǎn)5分鐘后，中速運(yùn)轉(zhuǎn)30分鐘。

（3）在試驗(yàn)過程中，機(jī)床主軸不安裝刀柄，滑枕、滑座、工作臺(tái)等位于各行程的中間位置，工作臺(tái)上不放置任何物品，機(jī)床不做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

（4）試驗(yàn)前已對(duì)整套測試儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。

（5）機(jī)床的振動(dòng)測量點(diǎn)為滑枕、主軸法蘭盤前端面、滑座、橫梁和工作臺(tái)面。

（6）試驗(yàn)時(shí)，主軸從低至高進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)空運(yùn)行。

（7）在主軸不同轉(zhuǎn)速下，測量各測量點(diǎn) X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)方向的絕對(duì)振動(dòng)速度。

2.4 絕對(duì)振動(dòng)測點(diǎn)布置圖及測試系統(tǒng)框圖

絕對(duì)振動(dòng)測點(diǎn)布置圖，詳見圖1；絕對(duì)振動(dòng)測試系統(tǒng)框圖，詳見圖2。

圖1 絕對(duì)振動(dòng)測點(diǎn)布置圖Fig.1 Layout of absolute vibration measurement point

圖2 絕對(duì)振動(dòng)測試系統(tǒng)框圖Fig.2 Absolute vibration test system block diagram

2.5 試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)共有五個(gè)測量點(diǎn)，且采用三向傳感器，數(shù)據(jù)量大，以下數(shù)據(jù)及分析以接近零件加工位置的測點(diǎn)2（主軸法蘭盤前端面）和測點(diǎn)5（工作臺(tái)面）為例做介紹，頻譜圖以最高轉(zhuǎn)速6000r/min為例。

表1 主軸法蘭盤前端面振動(dòng)速度有效值Tab.1 Spindle flange front surface vibration speed RMS

表2 工作臺(tái)面振動(dòng)速度有效值Tab.2 Table surface vibration speed effective value

圖3 主軸法蘭盤前端面振動(dòng)速度—轉(zhuǎn)速圖（主軸正轉(zhuǎn)）Fig.3 Spindle flange front surface vibration speed-rotate speed（FWD）

圖4 主軸法蘭盤前端面振動(dòng)速度—轉(zhuǎn)速圖（主軸反轉(zhuǎn)）Fig.4 Spindle flange front surface vibration speed-rotate speed （REV）

圖5 工作臺(tái)面振動(dòng)速度—轉(zhuǎn)速圖（主軸正轉(zhuǎn)）Fig.5 Table surface vibration speed-rotate speed （FWD）

圖6 工作臺(tái)面振動(dòng)速度—轉(zhuǎn)速圖（主軸反轉(zhuǎn)）Fig.6 Table surface vibration speed-rotate speed （REV）

圖7 主軸法蘭盤前端面X向振動(dòng)頻譜圖Fig.7 Spectrogram of spindle flange front surface X-direction vibration

圖8 工作臺(tái)面X向振動(dòng)頻譜圖Fig.8 Spectrogram of table surface X-direction vibration

2.6 試驗(yàn)分析

對(duì)采集到的機(jī)床各測點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。振動(dòng)頻率和各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)速有關(guān)的振動(dòng)，可以確定是受迫振動(dòng)；振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)速無關(guān)而與機(jī)床各零、部件的固有頻率有關(guān)的振動(dòng)，可以確定是自激振動(dòng)；機(jī)床停止時(shí)，由機(jī)床外界干擾引起的振動(dòng)，可以確定是自由振動(dòng)。

機(jī)床的振動(dòng)特性可以用位移、速度、加速度等振動(dòng)量來表征。位移、速度、加速度又可以用平均值，峰峰值，有效值等來反映振動(dòng)的特性。速度有效值包含了振動(dòng)隨時(shí)間變化的過程，不像峰值那樣不涉及整個(gè)時(shí)間波形，更重要得是有效值作為振動(dòng)的一種度量，它直接與振動(dòng)能量有關(guān)。例如，位移的有效值直接與位能有關(guān)，速度的有效值與動(dòng)能有關(guān)。本文采用GB/T16768-1997的規(guī)定，用速度的有效值來反映振動(dòng)特性。

振動(dòng)信號(hào)都有頻率譜存在。一個(gè)復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)往往包含很多頻率成分，頻譜分析可以找出一個(gè)或多個(gè)主要頻率成分和相應(yīng)的幅值（能量）、相位。頻譜分析中常用的有幅值譜和功率譜。幅值譜表征振動(dòng)參量的幅值隨頻率的分布情況，功率譜表征振動(dòng)參量的能量隨頻率的分布情況。頻譜分析計(jì)算采用快速傅里葉算法，通過頻譜分析可以得到振動(dòng)參量中的各個(gè)頻率值和頻率范圍，以及各頻率值下的振動(dòng)參數(shù)。

當(dāng)主軸在6000r/min正向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，主軸前軸承法蘭盤處X向最大振動(dòng)速度為0.798mm/s，工作臺(tái)面的X向最大振動(dòng)速度為0.280mm/s，從頻譜圖來看X向最大振動(dòng)速度對(duì)應(yīng)的頻率都為64.00Hz，頻率較低，這就可以排除該振動(dòng)是由主軸等零件回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的可能。本機(jī)床主軸軸承為滾動(dòng)軸承，主軸采用液壓油冷卻，傳動(dòng)方式為電機(jī)直傳無變速箱，所以該振動(dòng)可能是滾動(dòng)軸承、電機(jī)和液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的自激振動(dòng)，可以通過下一步的模態(tài)試驗(yàn)找到這個(gè)振動(dòng)產(chǎn)生的位置、原因。

該機(jī)床的滑枕、主軸法蘭盤前端面、滑座、橫梁和工作臺(tái)面的絕對(duì)振動(dòng)速度值總體較小，機(jī)床停止工作時(shí)，自由振動(dòng)速度值很小，說明該機(jī)床的空運(yùn)轉(zhuǎn)性能比較穩(wěn)定，安裝牢靠，裝配合理，沒有受到外界沖擊的影響產(chǎn)生自由振動(dòng)。

3 結(jié)束語

本試驗(yàn)介紹了數(shù)控機(jī)床空運(yùn)轉(zhuǎn)絕對(duì)振動(dòng)的試驗(yàn)方法，普通機(jī)床也可用同樣的試驗(yàn)方法，通過測量機(jī)床空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)床振動(dòng)的大小、振動(dòng)的頻率范圍以及振動(dòng)量的空間分布，了解機(jī)床的振動(dòng)特性、分析評(píng)定機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能，達(dá)到優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改善機(jī)床裝配質(zhì)量、提高機(jī)床加工精度的目的。

[1]楊橚，等.機(jī)床動(dòng)力學(xué)（1）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

[2]M.M 薩迪克.機(jī)床動(dòng)力學(xué)[M].華中工學(xué)院，1980.

[3]GB/T16768-1997《金屬切削機(jī)床 振動(dòng)測量方法》北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.