立式加工中心機床的主軸振動異音問題研究
2020-7-2 來源：紐威數(shù)控裝備 ( 蘇州 ) 股份有限公司 作者：衛(wèi)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，為解決該主軸的振動 異音問題提供了有效的方法。
我公司某 VM 系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(xiàn)場裝配的一臺該立式加工中心機床進行測 試，了解其振動狀況，并通過頻譜分析方法來尋 找產(chǎn)生振動異音問題的根源。
1.振動測試方案
該立式加工中心機床主傳動系統(tǒng)的配置為 : 主軸最高轉(zhuǎn)速 8000r/min，同步帶傳動，傳動 比 5:4，主電動機為 FANUC β8/1000i，功率 7.5/11kW，主軸帶輪規(guī)格 8YU-55T，電動機帶 輪規(guī)格 8YU-44T。
圖1 VM 機床測試時的測點布置示意
測試中采用 INV3020D 型動態(tài)信號分析儀 進行機床空運行時振動信號的采集，設(shè)備配套使 用的 DASP—V10 數(shù)據(jù)采集和信號處理分析軟件 可完成振動噪聲信號的預處理、時域波形分析、 FFT 頻譜分析和噪聲分析等功能。測試時，采用 加速度傳感器來采集機床的振動響應(yīng)信號。測試 時測點布置如圖 1 所示。
2．不同轉(zhuǎn)速下的振動量值對比分析
圖 2 機床主軸端各測點的振動烈度值對比
圖 2 所示為該測試機床的不同測點位置在 隨轉(zhuǎn)速變化時的振動烈度值對比，可以看到 : ① 機床在各轉(zhuǎn)速下的振動烈度值都不大 (<0.3mm/ s)，符合前期企業(yè)制定的機床振動測試規(guī)范中“立式加工中心的振動烈度值控制標準” 規(guī)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(xiàn)場實際感受來看，有較 明顯的異音。
3.振動數(shù)據(jù)的頻譜分析
(1) 振動信號的速度譜分析對該 VM 機床在 低轉(zhuǎn)速段 330r/min 和高轉(zhuǎn)速段 8000r/min 時各 測點的振動速度頻譜分別進行分析，如圖 3、圖 4 所示。
圖 3 VM 機床在 330r/min 時的振動速度頻譜
圖 4 VM 機床在 8000r/min 時的振動速度頻譜
從圖 3 來看，由于轉(zhuǎn)速較低，主軸基頻為 5.5Hz，電動機軸基頻為 6.9HZ，在頻譜圖中較 難發(fā)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嚙合頻率 ( 轉(zhuǎn)速基頻 × 帶輪齒數(shù)，如 330r/min 下理論值為 302.5Hz)， 該頻率兩側(cè)還存在一定的邊頻成分。
從圖 4 來看，在高轉(zhuǎn)速下，同步帶與帶輪間 的嚙合頻率也較高 (7333.3Hz)，該速度頻譜圖 上已無法觀測到 ; 但圖 4 頻譜上可看到主軸的基 頻 133Hz 和電動機軸的基頻成分 167Hz，還存 在二者的一些低階倍頻成分。
（2）振動信號的加速度譜分析由于振動速 度頻譜圖上的信息有限，又對該 VM 機床在低轉(zhuǎn) 速段 300r/min 和 330r/min 轉(zhuǎn)速時主軸各測點 的振動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 時的振動加速度頻譜
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(zhuǎn)速下，頻譜 圖中表現(xiàn)較突出的頻率為同步帶與帶輪的嚙合 頻率 ( 圖中標記點 2)，其他頻率成分較小。且 在 300r/min 和 330r/min 轉(zhuǎn)速的嚙合頻率兩側(cè) 存在較明顯的邊頻帶，調(diào)制頻率為電動機帶輪的 旋轉(zhuǎn)頻率 ( 如 330r/min 下約為 6.9Hz)。再對該 VM 機床在高轉(zhuǎn)速段 8000r/min 轉(zhuǎn)速時的振 動加速度頻譜進行分析，如圖 7 所示。
圖 7 VM 機床在 8000r/min 時的振動加速度頻譜
從圖 7 可以看到，同步帶與帶輪的嚙合頻 率 (7332.9Hz) 依然存在 ( 見圖中標記點 1)，但 嚙合頻率的調(diào)制現(xiàn)象不太明顯，頻譜中其他頻率 成分增多，調(diào)制頻率的幅值相對變小。
綜上分析，認為 :
①導致該 VM 立式加工中 心機床在低速 330r/min 時存在振動異音的主要 影響因素為同步帶與帶輪的嚙合頻率成分，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(chǎn)生該嚙合頻率與邊頻調(diào)制現(xiàn)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 于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(zhì)量較差， 從而使得在皮帶與帶輪嚙合時的平穩(wěn)性上電動 機帶輪要差于主軸帶輪。因此，要解決該機床主 軸的振動異音問題應(yīng)從改善其主電動機帶輪的 加工質(zhì)量入手。
(3) 零件更換后振動信號的頻譜分析經(jīng)過以 上振動信號的頻譜分析及得出的分析結(jié)論，我們 更換了質(zhì)量更好的電動機帶輪，從而保證了主軸 帶輪與電動機帶輪的齒形精度，并重新進行了機 床主軸振動信號的測試，此時主軸在 330r/min 轉(zhuǎn)速下的振動速度頻譜如圖 8 所示。
圖 8 VM 機床更換電動機帶輪后 主軸在 330r/min 時的振動速度頻譜
將 圖 8 與 圖 3 相 比 較， 可 以 發(fā) 現(xiàn)， 雖 然依然存在同步帶與帶輪的嚙合頻率成分 (302.88Hz)，但主軸各測點的振動烈度值得到 了明顯降低，其中主軸軸向方向、主軸左右徑向 方向和主軸前后徑向方向的振動烈度值分別由 原來的 0.115mm/s、0.123mm/s、0.083mm/ s 減小為 0.016mm/s、 0.040mm/s、 0.020mm/ s，減小幅度為 60％ ~80％，改善顯著，且從 現(xiàn)場實際感受來看，之前較明顯的異音情況消 失。因此，認為該 VM 機床主軸的振動異音問題 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(shù)據(jù)分析，可以 為解決機床主軸等旋轉(zhuǎn)類機械的振動異常或異音 問題提供有效的方法和途徑，進而促進機床產(chǎn)品 質(zhì)量和性能品質(zhì)的提升。
【參考文獻】
〔1〕賈民平，張洪亭．測試技術(shù)[M]．2版．北京： 高等教育出版社，2009．
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