振動測試診斷在機床主軸變速箱上的應用

田亞峰 孟浩權 顧科建

(寧波海天精工股份有限公司，浙江寧波315800)

由于數控機床結構復雜，精度要求高，生產制造過程環節繁多，在實際生產制造中，個別零部件的不合格會導致數控機床最終的加工精度達不到要求。而且這些加工精度問題經常集中到最終整機裝配完成做切削測試時出現，但由于數控機床零部件數量極多，引起數控機床最終精度的問題往往很難找到原因。本文介紹了一種切削過程中存在振紋時，振動測試分析診斷找到問題零部件的方法實踐。很大，且整臺機床都能感受在明顯的振動。

1 工件切削振紋問題

在某帶主軸變速箱的龍門加工中心的生產制造過程中，最終整機切削測試時發現:工件被加工完成后，有明顯的水波狀振紋，振紋如圖1所示(右上角平面和斜坡面)。

經過初步分析，調查發現本臺龍門加工中心是一臺主軸結構更換后的機床，而之前的該型號機床都未出現此類振紋，初步懷疑是主軸更改導致機床主傳動結構變化，剛性變差，最終導致切削振紋的出現。但對主軸做了在線動平衡測試，發現動平衡在要求范圍內。且該機床在主軸轉速為900、4 500 r/min時，機床噪聲

2 整機條件下振動測試

對本臺切削有振紋的機床(主軸更改過)，以及另一臺同一型號的機床(主軸未更改)，做空載條件下振動測試。測試條件如下:

兩臺機床的滑鞍相對橫梁的位置保持相同(即橫梁軸的機械坐標相同)，滑枕相對滑鞍的位置保持相同(即上下移動軸的機械坐標相同)，旋轉時的主軸上刀具相同(選擇切削有振紋時的同一把刀)。測試儀器采用ECON的AVANT數據采集分析振動儀，見圖2，動傳感器測頭采用美國PCB 356A16三向加速度傳感器，見圖3。

在滑枕最下端周圍的4個方向各布置1個傳感器，共4個。測試參數如下:分析頻寬設置為4 000 Hz，每組測試時間設置為1 min，測點布置的示意圖如圖4。

測試時分別對該兩臺機床在滑枕軸機械坐標為-1 000 mm(滑枕移到最下位置)和-593 mm(實際切削時滑枕的大概位置)兩個位置下，分別對主軸轉速900、3 000、4 000、4 500、5 000 r/min 做了振動測試，共20組數據，分別標記各測試狀態對應關系。

3 振動數據分析

首先對振動測試時的傳感器位置和各通道對應的測試方向做整理，如表1所示。

表1 傳感器位置和各通道對應的測試方向

并查看采集獲得的數據，發現4個測頭的3個方向的振動情況基本相同，故確定測頭采集的數據有效，以其中一個測頭的3個方向作為分析樣本，這里取1號測點的3個方向分析。圖5為切削有振紋的機床在Z軸機械坐標-593 mm，主軸轉速4 500 r/min時的幅頻譜。

其次，對該機型的主傳動結構做簡單分析，采用三軸式齒輪變速箱，輸入軸與主電動機直聯，輸出軸與主軸通過聯軸器直聯，如圖6所示。

故主軸與第Ⅲ軸轉速相同，主電動機與第Ⅰ軸轉速相同，做如下計算:

900 r/min時:變速箱為低檔，Z37-Z69嚙合，Z29-Z80嚙合，第Ⅲ軸與主軸通過聯軸器相連。故:

Ⅲ軸:轉速＝主軸轉速＝900 r/min，頻率＝轉速÷60＝15 Hz

Ⅱ軸:轉速＝Ⅲ軸轉速×80÷29＝2483 r/min，頻率＝轉速÷60＝41 Hz

Ⅰ軸:轉速＝Ⅱ軸轉速×69÷37＝4 630 r/min，頻率＝轉速÷60＝77 Hz

齒輪嚙合頻率計算:

Ⅱ軸-Ⅲ軸:嚙合頻率＝Ⅲ軸頻率×80＝1 200 Hz

Ⅰ軸-Ⅱ軸:嚙合頻率＝Ⅱ軸頻率×69＝2 850 Hz

3 000 r/min時，變速箱為高檔，Z37-Z69嚙合，Z69-Z40嚙合，第Ⅲ軸與主軸通過聯軸器相聯。故Ⅲ軸:轉速＝主軸轉速＝3 000 r/min 頻率＝轉速÷60＝50 Hz

Ⅱ軸:轉速＝Ⅲ軸轉速×40÷69＝1 739 r/min 頻率＝轉速÷60＝28 Hz

Ⅰ軸:轉速＝Ⅱ軸轉速×69÷37＝3 243 r/min 頻率＝轉速÷60＝54 Hz

齒輪嚙合頻率計算:

Ⅱ軸-Ⅲ軸:嚙合頻率＝Ⅲ軸頻率×40＝2 000 Hz

Ⅰ軸-Ⅱ軸:嚙合頻率＝Ⅱ軸頻率×69＝2 000 Hz

同理可計算得到4 000、4 500、5 000 r/min時的三軸轉速和頻率以及齒輪嚙合頻率(如表2)。

表2 主軸轉速、三軸頻率、嚙合頻率表

其次查看Z軸機械坐標-593 mm，主軸轉速4 500 r/min的兩臺機床的頻譜圖，由于我們主要先看工作頻率(之前計算得到4 500 r/min時 43、75、81 Hz)，屬于中頻范圍(10～2 000 Hz)，故將縱坐標調整為速度幅值。

表3 4 500 r/min下頻率與幅值

分別查看4 500 r/min下的兩臺機床的1號測點3個方向(也就是channel 1～3)的幅頻譜(其中有振紋的機床4 500 r/min下的幅頻譜如圖7所示)，整理得到表3。

對比兩臺機床的Z軸方向振動，可得有振紋機床75 Hz的振幅略小，81 Hz的振幅明顯大，且有81 Hz的2倍頻，以及一個68.8 Hz的幅值不大的頻率。

對比兩臺機床的Y軸方向振動，可得有振紋機床75 Hz的振幅較大，81 Hz的振幅明顯大，且有81 Hz的2倍頻和4倍頻。

對比兩臺機床的X軸方向振動，可得有振紋機床75 Hz的振幅略小，81 Hz的振幅明顯大，幅值特別大，有2.417 mm/s，且有81 Hz的2倍頻。

根據上述對比結果，有振紋機床81 Hz工作頻率有明顯問題，1倍頻幅值明顯大，且伴隨2倍頻和4倍頻，初步判斷81 Hz的軸有問題，根據4 500 r/min頻率應對表格，確定81 Hz的轉頻是主電動機和變速箱第Ⅰ軸的轉頻。

再看Z軸機械坐標-593 mm，主軸轉速900 r/min的兩臺機床頻譜圖，以1號測點作為分析對象，并整理得到如表4。

表4 900 r/min下頻率與幅值

對比兩臺機床的Z軸方向振動，可得有振紋機床15 Hz的振幅略大，77 Hz的振幅明顯大，且有77 Hz的2倍頻。

對比兩臺機床的Y軸方向振動，可得有振紋機床15 Hz的振幅較大，77 Hz的振幅明顯大，且有77 Hz的2倍頻和3倍頻。

對比兩臺機床的X軸方向振動，可得有振紋機床15 Hz的振幅略大，77 Hz的振幅明顯大，且有明顯的77 Hz的2倍頻。

根據上述對比結果，在主軸轉速900 r/min時，有振紋機床77 Hz工作頻率有明顯問題，1倍頻幅值明顯大，且伴隨2倍頻和3倍頻，判斷77 Hz的軸有問題，根據900 r/min頻率應對表格，發現77Hz的轉頻也是主電動機和變速箱第Ⅰ軸的轉頻。

根據上述900 r/min和4 500 r/min時的結果，再查看其它轉速(3 000 r/min、4 000 r/min、5 000 r/min)下的振動頻譜對比，發現也是主電動機和變速箱第Ⅰ軸的轉頻有問題，故判斷主電動機和變速箱第Ⅰ軸有問題，建議生產部門對主電動機和變速箱第Ⅰ軸進行維修或者更換。

4 故障維修并重新切削

根據上述分析，判定主電動機和變速箱第Ⅰ軸有問題，由于主電動機是全新的，生產部門首先對變速箱第Ⅰ軸進行了更換，重新跑900 r/min和4 500 r/min，發現機床聲音恢復正常。并重新進行切削測試，發現振紋消除，切削工件正常，更換變速箱第Ⅰ軸后重新切削的工件如圖8所示。

5 結語

針對帶主軸變速箱的機床的此類振紋問題，可采用本文所論述的振動測試和分析方法。通過頻譜分析與齒輪變速箱結構分析，在不拆機的情況下，用于判斷不合格的問題零部件。該方法也適用于類似切削振紋機床的檢測和維修，減少機床制造廠和維修商的問題查找時間，縮短總體維修時間，減少因該類問題導致的機床停機帶來的經濟損失。此外，可以通過該振動測試方法對同類機床大量的數據采集和分析，獲得機床在各轉速下的振動性能，并以此作為標準，用于機床制造生產檢驗過程的一項。