數(shù)控加工中心高速電主軸運(yùn)行狀態(tài)測(cè)試*

王 民，張晉欣，昝 濤，南景洋，趙欽志，張 維

（1.北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院 北京，100124）

（2.國(guó)家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 北京，100102）

引 言

數(shù)控加工中心正朝著高速、高精、高柔性、高可靠性的方向發(fā)展［1］。高速電主軸是彰顯高檔數(shù)控加工中心高速、高精的重要功能部件，其運(yùn)行高平穩(wěn)性和高可靠性是決定數(shù)控加工中心加工精度和加工效率的重要保證。由于國(guó)產(chǎn)高速電主軸在運(yùn)行平穩(wěn)性和可靠性方面與國(guó)外同類產(chǎn)品具有較大差距，因此有必要對(duì)國(guó)產(chǎn)高速電主軸進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試分析，確定影響其性能提高的部件故障和設(shè)計(jì)缺陷等原因。電主軸在運(yùn)行過程中的平穩(wěn)性差主要體現(xiàn)在其振動(dòng)和噪音異常上，筆者以某機(jī)床廠生產(chǎn)的臥式加工中心高速電主軸作為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試和試驗(yàn)階次測(cè)試相結(jié)合的方法識(shí)別導(dǎo)致其在高速運(yùn)行過程中振動(dòng)加劇的原因。試驗(yàn)與分析結(jié)果表明，與常用的振動(dòng)頻譜分析方法相比，階次分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試相結(jié)合進(jìn)行綜合分析診斷能夠更加準(zhǔn)確地確定高速電主軸中由旋轉(zhuǎn)部件缺陷和電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造與裝配導(dǎo)致的振動(dòng)和噪聲異常的多種原因。

1 試驗(yàn)基本原理

筆者采用階次分析試驗(yàn)［2－5］與試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試［6－7］相結(jié)合的方法對(duì)加工中心高速電主軸進(jìn)行了綜合性能測(cè)試與分析。與傳統(tǒng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析方法相比，階次分析方法采用等角度增量采樣［8］代替等時(shí)間間隔采樣，可有效地對(duì)高速電主軸升、降速實(shí)驗(yàn)中的非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行分析，獲取高速電主軸運(yùn)行過程中存在的與其傳動(dòng)部件相關(guān)的設(shè)計(jì)、制造及裝配缺陷。

電主軸傳動(dòng)部件的缺陷會(huì)導(dǎo)致電主軸運(yùn)行的平穩(wěn)性變差，使電主軸運(yùn)行過程中出現(xiàn)額外過大的附加動(dòng)態(tài)載荷。當(dāng)動(dòng)態(tài)載荷與電主軸或機(jī)床結(jié)構(gòu)固有模態(tài)頻率相接近的時(shí)候會(huì)加劇電主軸及數(shù)控機(jī)床在其模態(tài)頻率處的振動(dòng)，影響加工精度及加工效率，進(jìn)一步加劇了電主軸部件缺陷的惡化速度及出現(xiàn)故障的概率。為此采用試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法獲取電主軸及機(jī)床結(jié)構(gòu)可能被激發(fā)的各階模態(tài)固有頻率及振型等參數(shù)，通過分析試驗(yàn)?zāi)B(tài)結(jié)果確定機(jī)床結(jié)構(gòu)抗振薄弱環(huán)節(jié)以及可能導(dǎo)致電主軸部件出現(xiàn)故障的主軸和機(jī)床結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)缺陷。

2 試驗(yàn)儀器及過程

2.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用丹麥BK公司的測(cè)試儀器，包括6通道前端、MM0024紅外線測(cè)速計(jì)、4507單向加速度傳感器和力錘等。

2.2 試驗(yàn)過程

2.2.1 階次測(cè)試

為了獲得較好的振動(dòng)信號(hào)，在電主軸的x，y兩方向分別放置一個(gè)4507單向加速度傳感器。MM0024紅外線測(cè)速計(jì)放置在距離電主軸大約30cm處。以電主軸轉(zhuǎn)速為參考轉(zhuǎn)速，每隔1s轉(zhuǎn)速增加100，直到8kr／min后停止。測(cè)試分布如圖1所示。

圖1 振動(dòng)階次測(cè)試測(cè)點(diǎn)及轉(zhuǎn)速計(jì)分布

2.2.2 模態(tài)測(cè)試

采用單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)的方法對(duì)電主軸進(jìn)行模態(tài)測(cè)試。在電主軸前軸承外部與電主軸三坐標(biāo)各方向成45°處用力錘激勵(lì)，其激勵(lì)點(diǎn)及響應(yīng)點(diǎn)分布如圖2所示。

圖2 模態(tài)測(cè)試激勵(lì)點(diǎn)與響應(yīng)點(diǎn)分布

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 階次測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，電主軸在x方向和y方向的振動(dòng)階次譜圖中階次成分相類似。電主軸x方向振動(dòng)信號(hào)的階次譜圖如圖3所示。從圖3可以看到，兩條虛線箭頭所示為100Hz與128Hz固有頻率曲線，圓圈所示固有頻率為1 111Hz，方框所示固有頻率為4 110Hz，多條豎直線說明測(cè)試點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)中存在以主軸轉(zhuǎn)速為基頻的多個(gè)階次上存在劇烈的強(qiáng)迫振動(dòng)現(xiàn)象，這些直線代表階次如圖頂部數(shù)字所示。

圖3 電主軸x方向振動(dòng)階次譜圖

電主軸x方向振動(dòng)劇烈的階次 分別為：1，11.2，14.7，22.6，32.1，33.9，45.4。其中，1階次處的強(qiáng)迫振動(dòng)表明與主軸基頻相關(guān)。動(dòng)平衡［9］存在缺陷導(dǎo)致的振動(dòng)頻率隨主軸轉(zhuǎn)頻變化的強(qiáng)迫振動(dòng)，尤其當(dāng)主軸轉(zhuǎn)頻逐漸接近機(jī)床結(jié)構(gòu)某階固有頻率時(shí)會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致振動(dòng)劇烈，如圖1中1階線上100Hz和128Hz兩處。

如圖3所示，電主軸的振動(dòng)階次譜圖中存在約為主軸1階基頻轉(zhuǎn)速的11.2倍頻現(xiàn)象，如圖1中頂部所標(biāo)1階、11.2階、22.6階、33.9階和45.4階。通過計(jì)算軸承故障特征頻率［10］發(fā)現(xiàn)當(dāng)主軸前軸承外環(huán)出現(xiàn)波紋和點(diǎn)蝕等缺陷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)類似于圖3階次圖中的倍頻現(xiàn)象。理論計(jì)算的軸承故障特征頻率，即外環(huán)的波紋點(diǎn)蝕故障特征頻率Fa分別為11.27fi，22.55fi，33.82fi，45.10fi。其中，fi為主軸轉(zhuǎn)頻。

倍頻數(shù)據(jù)根據(jù)公式［11］計(jì)算得出

其中：fc為外環(huán)的某一點(diǎn)與一個(gè)滾動(dòng)體接觸的頻率；d為滾珠直徑；D為軸承節(jié)徑；β為接觸角；z為滾珠數(shù)，n為自然數(shù)。

測(cè)試的主軸前軸承相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：β＝18°，d＝9mm，D＝89mm，z＝25。

同時(shí)，11.27階次也是主軸前軸承內(nèi)、外環(huán)變形導(dǎo)致振動(dòng)異常的故障特征頻率，計(jì)算公式為

通過計(jì)算電主軸后軸承故障特征頻率發(fā)現(xiàn)，滾動(dòng)體波紋引起的3階振動(dòng)頻率與由階次分析得到的轉(zhuǎn)頻32.1階次相近。滾動(dòng)體波紋故障特征頻率Fc分別為：11.03fi，21.61fi，32.20fi。

數(shù)據(jù)依據(jù)下列公式得出

其中：fb為滾動(dòng)體的某一點(diǎn)與內(nèi)環(huán)或者外環(huán)接觸的頻率。

主軸后軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為：β＝17.88°，d＝6.84mm，D＝72.96mm，z＝24。

根據(jù)電主軸前、后軸承故障特征頻率計(jì)算結(jié)果，可以看出導(dǎo)致振動(dòng)階次異常的原因是電主軸動(dòng)平衡問題以及前、后軸承的一些缺陷引起的。例如，前軸承外環(huán)存在精加工面波紋、缺陷（點(diǎn)蝕）以及內(nèi)外環(huán)變形；電主軸后軸承滾動(dòng)體存在波紋。綜合考慮機(jī)器情況，振動(dòng)劇烈的主要原因是由于電主軸固有頻率被激發(fā)或主軸在制造裝配過程中存在誤差導(dǎo)致內(nèi)、外環(huán)變形，進(jìn)而振動(dòng)加劇。

3.2 模態(tài)測(cè)試結(jié)果

通過階次分析測(cè)試可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的變化，電主軸在某些固有頻率處發(fā)生振動(dòng)明顯劇烈的共振現(xiàn)象。為了找出電主軸及機(jī)床結(jié)構(gòu)中引起共振的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)電主軸和加工中心主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與階次測(cè)試中振動(dòng)明顯的1 111Hz和4 110Hz相近的固有頻率為1 101Hz和4 110Hz。從它們的振型中可以清楚看到電主軸前、后軸承振動(dòng)明顯，其振型如圖4，5所示。圖中虛線為電主軸無振動(dòng)時(shí)的位置，實(shí)線為振動(dòng)時(shí)的位置?？梢钥闯?，電主軸前、后軸承在固有頻率為1 101Hz，4 110Hz時(shí)振動(dòng)明顯。

圖4 1 101Hz前軸承處沿x方向擺動(dòng)

圖5 4 110Hz后軸承處沿x方向擺動(dòng)

通過激勵(lì)主軸前端還獲取了加工中心主體結(jié)構(gòu)中立柱結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)振型和模態(tài)頻率。用于驅(qū)動(dòng)主軸箱垂直方向運(yùn)動(dòng)的絲杠副安裝在立柱結(jié)構(gòu)中的左側(cè)立柱上，該側(cè)立柱承擔(dān)了主軸和主軸箱的大部分重量和動(dòng)態(tài)載荷。通過模態(tài)振型發(fā)現(xiàn)，模態(tài)頻率分別為100Hz和130Hz的兩階模態(tài)振型為裝有絲杠的左側(cè)立柱的一階和二階彎曲變形，其振型如圖6，7所示。

圖6 100Hz立柱彎曲變形

圖7 130Hz立柱彎曲變形

結(jié)合階次分析結(jié)果可以得出結(jié)論，主軸運(yùn)行不平穩(wěn)激發(fā)起了電主軸前、后軸承處變形和裝有絲杠的一側(cè)立柱的兩階彎曲變形的4個(gè)模態(tài)振動(dòng)，是機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)。由于存在薄弱環(huán)節(jié)，機(jī)床結(jié)構(gòu)抗振性能差也導(dǎo)致了主軸軸承內(nèi)、外圈變形等異?，F(xiàn)象，惡化了機(jī)床的抗振能力；因此有必要對(duì)電主軸和立柱的設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高其抗振性。

4 結(jié) 論

1）導(dǎo)致電主軸高速運(yùn)行狀態(tài)下振動(dòng)加劇與主軸轉(zhuǎn)頻相關(guān)的強(qiáng)迫振動(dòng)主要是由于電主軸動(dòng)平衡差、運(yùn)行過程中內(nèi)、外環(huán)變形較大及后軸承滾動(dòng)體表面存在波紋等因素。

2）機(jī)床主軸和主體結(jié)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在薄弱環(huán)節(jié)。例如，電主軸前、后軸承處和裝有絲杠的一側(cè)立柱抗振性差，導(dǎo)致機(jī)床運(yùn)行過程中振動(dòng)劇烈，加劇了主軸軸承缺陷影響及故障發(fā)生的機(jī)率；因此需要對(duì)薄弱環(huán)節(jié)重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高其抗振性。

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