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立（lì）式（shì）加工中心機床的（de）主軸振動異音問題研究

2020-12-2 來源：紐威數控裝備（蘇州）股份有限公司作者：衛繼健

摘要：通過對某立式加工中（zhōng）心機床（chuáng）主軸的振動（dòng）測試與頻譜分析研究，為解決該主軸的（de）振動異音問題提供了有效的方法。

我公司某V M係列機床主軸在低速運行時（200～500r/min）存在明顯的振動異音問題，通過對現場裝配的一台該立式加工中心機床進行測試，了解其振動狀況，並通過頻（pín）譜分析方法來尋（xún）找

產（chǎn）生振動異音問題（tí）的（de）根源。

1. 振動測試（shì）方案

該立式加工中心機（jī）床主傳動（dòng）係統的配置為：主軸最高轉（zhuǎn）速8000 r/min，同步帶傳動，傳動比5∶4，主電動機為FANUC β8/1000i，功率7.5/11k W，主軸（zhóu）帶輪規格8YU-55T，電動機帶輪規格

8YU-44T。

測試中采用INV3020D型動態信號分析儀進行機床空運行時振動信（xìn）號的采集，設備配套使用的DASP-V10數據采集和（hé）信號處理（lǐ）分（fèn）析軟件可完成振動噪聲信號的預處理、時域（yù）波形分（fèn）析、FFT頻譜（pǔ）分析和噪聲分析等功能。測試時，采用（yòng）加速度傳感器來采集機床的振動響應信（xìn）號。測試時測點布置如圖1所示。

圖1 VM機床測試時的測點布（bù）置（zhì）示意

2. 不同轉速下的振（zhèn）動量值對（duì）比分析

圖2所（suǒ）示為該（gāi）測試（shì）機（jī）床的不同測點位置在隨轉速變化時的振動烈度值對比，可以看到：①機床在各轉速下（xià）的振動烈度值都不大（<0.3mm/s），符合前期企業製定的機床振動測試規範中“立式加工中心的振動烈度值控製標（biāo）準”規定的≤0.5mm/s。②在機床330r/min轉速（sù）時，存在較明顯的局部（bù）峰值；從現場實際感受來看，有較明顯的異（yì）音（yīn）。

圖2 機床主軸端各測點的（de）振動烈（liè）度值對比

3. 振動數據的頻（pín）譜分析

（1）振動信號（hào）的速度譜分析

對該 V M 機床在低轉速段330r/min和（hé）高轉速（sù）段8000r/min時各（gè）測點的振動速度頻譜（pǔ）分別進行分析，如圖3、圖4所示。

圖3 VM機床在（zài）330r/min時（shí）的振動速度頻譜

圖（tú）4 VM機床在8000r/min時的振動速度頻譜

從圖3來看，由於轉速較（jiào）低（dī），主（zhǔ）軸（zhóu）基頻為5.5Hz，電動（dòng）機軸基（jī）頻為6.9Hz，在頻（pín）譜圖中較難發現其（qí）成分，圖3中的突出頻率為302.88H z，該頻率為同步帶（dài）與帶輪的齧合頻（pín）率（轉速基頻×帶（dài）輪齒數，如330r/min下理論值為302.5Hz），該頻率兩側還存在一定的邊頻成分。

從圖4來看，在高轉速下，同步帶（dài）與帶輪間的齧合頻率也較高（7333.3Hz），該速度頻譜圖上（shàng）已無（wú）法（fǎ）觀測到；但圖4頻譜上可看到主（zhǔ）軸的基頻133Hz和（hé）電動機軸的基（jī）頻成分167Hz，還存在二（èr）者的一些低階倍頻成分。

（2）振（zhèn）動信號（hào）的加速度（dù）譜分析（xī）

由於振動速度頻譜圖上的信息有（yǒu）限（xiàn），又對（duì）該VM機床在低轉速段300r/min和330r/min轉速時主軸各測點的振動（dòng）加速度頻譜進行了分析，如圖5、圖6所示。

圖5 VM機床在300r/min時的振動加（jiā）速度頻（pín）譜

圖6 VM機床在330r/min時的振動加速度頻譜

從頻譜圖可以看到，上述幾個轉速下，頻譜圖中表現較突（tū）出的頻率為同（tóng）步（bù）帶與帶輪的齧合頻率（lǜ）（圖中標記點2），其他頻率成分較小。且在（zài）300r/min和（hé）330r/m i n轉速的齧合頻率兩側存在較明顯的邊頻帶，調製頻率為電動機帶輪的旋轉頻率（如330 r/min下約（yuē）為（wéi）6.9Hz）。再對該VM機床在高轉速段8000r/min轉速時的（de）振動加速度頻譜進行分析，如圖7所示。

從圖7可（kě）以看（kàn）到，同步帶與帶輪的齧合頻率（7332.9Hz）依然存在（見圖中標記點1），但齧（niè）合頻率的調製現（xiàn）象不太明顯，頻譜中其他頻率成分增多，調製頻率的幅（fú）值相對（duì）變小（xiǎo）。綜上分析，認為：① 導致該VM立式（shì）加（jiā）工中（zhōng）心機床在低速330r/m i n時存在振動異音的主要影（yǐng）響因素為同步帶與帶輪（lún）的齧合頻率成分，從邊頻帶（dài）的分析來看，主要是主電動機帶輪的基頻成分。②從產生該齧合（hé）頻率與邊頻調製現象的原因來分析，認為該機床的主電動機帶輪存在齒形不良的可能性較大。③進一（yī）步了解，該機床的主軸帶輪與電動機帶輪為不同廠家所加工，可能是由於二者加工帶輪時所用的成形刀具有所偏差，主軸帶輪加工較好，而電動機帶輪加工質量較差，從而使（shǐ）得在皮帶與帶輪齧合時的平穩性上電動機帶輪要差於主軸帶輪。因此，要解決該機床主（zhǔ）軸的振動異音問題應從改善其主電動機帶（dài）輪的加工質量入手。

圖7　VM機床在8000r/min時的振動加速度頻譜

圖8　VM機（jī）床更換電動機帶輪（lún）後主軸（zhóu）在330r/min時的（de）振動速度頻譜

（3）零件更換後振（zhèn）動信號的頻譜（pǔ）分析（xī）

經過以上振動信（xìn）號的頻譜（pǔ）分析（xī）及得出的分析結論，我們更換了質量更好的電動機（jī）帶輪，從而保證（zhèng）了主軸帶輪與電動機帶（dài）輪（lún）的（de）齒形精度（dù），並重新進行了機（jī）床（chuáng）主（zhǔ）軸振動信號的測試，此時主軸在3

30r/min轉速下的振動速度頻譜如圖（tú）8所（suǒ）示。

將圖8與圖3相比較，可以發現，雖然依（yī）然存在同步帶與帶輪的齧合頻率成分（302.88Hz），但主軸各測點的振（zhèn）動烈度值得到（dào）了明顯降低，其中主軸（zhóu）軸向方向、主（zhǔ）軸左右徑向方（fāng）向和主軸前後徑向方向的振動烈度值分別由原來的0.115mm/s、0.123mm/s、0.083m m/s減小為0.016m m/s、0.040m m/s、0.020m m/s，減小幅度為60%～80%，改善顯著，且從現場實際感受來（lái）看，之前較（jiào）明（míng）顯的（de）異音情況消失。因此，認為該VM機床主軸的振動異音問題（tí）得到了很好的解決。

4. 結（jié）語

通過對部件振動信號的頻譜數據分析，可以為解決（jué）機床主軸等旋轉類機械的振動異常或（huò）異音（yīn）問題提供有效（xiào）的方（fāng）法和途徑，進而促進機（jī）床產品質量和性能品質的提（tí）升。

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