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立式加工（gōng）中心機（jī）床的主軸振（zhèn）動異音問題研究

2020-7-2 來源：紐威數控裝備 ( 蘇州 ) 股份有限公（gōng）司作者：衛繼健

【摘要】: 通過對某立式加工中心機床主軸的振動測試與頻譜分析研究，為（wéi）解決該主軸的振動異音問題提供了有（yǒu）效的方法。

我公司某 VM 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（chǎng）裝配的一台（tái）該立式加工中心機床進行（háng）測試，了解（jiě）其振動狀況，並通過頻譜分析方法來尋找產生振動（dòng）異音（yīn）問題（tí）的根源。

1.振動測（cè）試方案

該立式加工中心機（jī）床主傳動係統（tǒng）的配置為 : 主軸最高轉速 8000r/min，同步帶（dài）傳動（dòng），傳動比 5:4，主電動機為 FANUC β8/1000i，功率 7.5/11kW，主軸（zhóu）帶輪規格 8YU-55T，電動機帶輪規格 8YU-44T。

圖（tú）1 VM 機床測試（shì）時的（de）測點布置示（shì）意

測試中采（cǎi）用 INV3020D 型動態（tài）信號分析儀進行機床空運行時振（zhèn）動信號的采集，設備（bèi）配套使用的 DASP—V10 數據（jù）采集和（hé）信號處理分析軟件可完成（chéng）振動噪聲信號的預處理、時域波形分析（xī）、 FFT 頻譜分析和噪聲（shēng）分（fèn）析等功能。測試時，采（cǎi）用加速（sù）度傳感器來采集機床的振動響應信號。測（cè）試時測點布置如（rú）圖 1 所示（shì）。

2．不同轉速下的振動量（liàng）值對（duì）比分析

圖 2 機床主軸端各測點的振動烈度值對比（bǐ）

圖 2 所示為（wéi）該測試機（jī）床的不同測點位（wèi）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（de）振動烈（liè）度值都不大 (<0.3mm/ s)，符合前期（qī）企業製定的機（jī）床振動測試規範中“立式加（jiā）工中（zhōng）心的振動烈度值（zhí）控製標準” 規定的 ≤ 0.5mm/s。②在機床 330r/min 轉（zhuǎn）速時，存在較明顯的局部峰值 ; 從現場實際感受來看，有（yǒu）較明顯的異音。

3.振動數據的頻譜分析

(1) 振動信號的速度譜分析對該 VM 機床在（zài）低轉速段 330r/min 和高轉速段 8000r/min 時各測點的（de）振動速度頻譜（pǔ）分別進行（háng）分析，如圖 3、圖 4 所示。

圖 3 VM 機（jī）床在 330r/min 時的振（zhèn）動速度頻譜

圖 4 VM 機床（chuáng）在 8000r/min 時（shí）的（de）振動速（sù）度頻譜

從圖 3 來看，由於轉速較低，主軸基頻為 5.5Hz，電動（dòng）機軸基頻為 6.9HZ，在頻譜圖中較難發現（xiàn）其成分，圖 3 中的突出頻率為 302.88Hz，該頻率為同步帶與帶輪的齧合頻率 ( 轉速基頻 × 帶輪齒數，如 330r/min 下理（lǐ）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，同步帶與帶輪間（jiān）的齧合頻率也較高 (7333.3Hz)，該速度頻譜圖上（shàng）已無法觀測到 ; 但圖 4 頻譜上（shàng）可看到主軸的基（jī）頻 133Hz 和電動機軸的基頻成分 167Hz，還存在（zài）二者的一些低階倍頻成分（fèn）。

（2）振動信號的加速度譜（pǔ）分析由於振動速度頻譜圖上的信息有限，又對該 VM 機床在低轉速段 300r/min 和 330r/min 轉速時主軸各測點的（de）振動加速度頻譜進行（háng）了分析，如圖（tú） 5、圖 6 所示。

圖 5 VM 機床在 300r/min 時（shí）的振動加速（sù）度頻（pín）譜

圖 6 VM 機床在（zài） 330r/min 時的振動加速（sù）度頻譜

從頻譜（pǔ）圖可以看到，上述幾個轉速下，頻譜圖中表現較突出的頻（pín）率為同步（bù）帶與帶輪的齧合頻（pín）率 ( 圖中標記點 2)，其他（tā）頻率成分（fèn）較小。且在 300r/min 和 330r/min 轉速（sù）的（de）齧合頻率兩側存在較明顯的邊頻帶，調製頻率為電動機帶（dài）輪的（de）旋轉頻率 ( 如 330r/min 下約為 6.9Hz)。再對（duì）該 VM 機床在高轉（zhuǎn）速段 8000r/min 轉速時的振（zhèn）動加速度頻（pín）譜進行分析，如圖 7 所示（shì）。

圖 7 VM 機床在 8000r/min 時的振動加速度頻譜

從圖 7 可（kě）以看到，同步帶與帶輪（lún）的（de）齧合頻率 (7332.9Hz) 依然存在 ( 見圖中標記點 1)，但齧合頻率的調製現象（xiàng）不太（tài）明顯，頻（pín）譜中其他頻率成分增多，調製頻率（lǜ）的幅值相對變小（xiǎo）。

綜上分析，認為（wéi） :

①導致該 VM 立式加工中（zhōng）心機床在低速 330r/min 時存在振動異音的主（zhǔ）要影響因素為同步（bù）帶與帶輪的齧（niè）合頻率成（chéng）分，從邊頻帶的分析來看，主要是主電動機帶輪的基頻成分。

②從產生該齧合頻率（lǜ）與邊頻（pín）調製現（xiàn）象的原因來分析，認為該機床的主電（diàn）動機帶輪存在齒形不良的可能性較（jiào）大（dà）。

③進一步了解，該機床的主軸帶（dài）輪與電動機帶（dài）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（xíng）刀具有所偏差，主軸帶（dài）輪加工較好，而電動機帶輪加工質量較差，從而（ér）使得（dé）在皮帶與帶輪（lún）齧合時的平穩性上電動（dòng）機帶輪要差於主軸帶輪。因（yīn）此（cǐ），要解決該機床（chuáng）主軸的（de）振動異音問題應從改善其主電動機帶輪的加工質量（liàng）入（rù）手（shǒu）。

(3) 零件更換後振（zhèn）動信號的頻譜分析經過以上振動信號的頻譜分析及（jí）得出的分析結論，我們更換（huàn）了（le）質量（liàng）更（gèng）好的電動機帶（dài）輪，從而保證了主軸帶輪（lún）與電動機帶輪的齒形（xíng）精度，並重新（xīn）進行了機床主軸振動信號的測試（shì），此時主軸在 330r/min 轉速下的振動速度頻譜如圖 8 所示。

圖 8 VM 機床更（gèng）換電動機帶輪（lún）後主軸在 330r/min 時的振動速度頻譜

將圖 8 與（yǔ）圖（tú） 3 相比較，可以發現，雖然依然存（cún）在同步帶與帶輪的（de）齧合頻率成分 (302.88Hz)，但主軸各測點的振動烈度值得到了明（míng）顯降低，其中主軸軸向方向（xiàng）、主軸左右徑向方（fāng）向和主軸前後徑向方向的（de）振（zhèn）動烈度值分別由（yóu）原來的 0.115mm/s、0.123mm/s、0.083mm/ s 減小（xiǎo）為 0.016mm/s、 0.040mm/s、 0.020mm/ s，減小（xiǎo）幅度為 60％ ~80％，改善顯著，且從現場實際感受來看，之前較明顯的異音情況（kuàng）消失。因此（cǐ），認為該 VM 機床主軸的振動異音（yīn）問題得到了很好（hǎo）的解（jiě）決（jué）。

4．結語

通（tōng）過對部（bù）件振動信號的頻譜數據分析，可以為解決機床主軸等旋轉類機械的振動異常或異音問題（tí）提供有效的方（fāng）法和途徑，進而促進（jìn）機床產品質量和性能（néng）品質的提（tí）升。

【參考文獻】

〔1〕賈民平，張洪亭．測試技術[M]．2版．北京：高等教育出版社，2009．

〔2〕易良榘．簡易振動診斷現場實用技術 [M]．北京：機械工業出版社，2003．

〔3〕黃誌堅（jiān），高立新，廖一（yī）凡．機械（xiè）設備（bèi）振動故障監測與診斷 [M]．北京：化學工業出版社， 2010．

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