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立式加工中心機(jī)床的主軸振動異音問題研究
2020-12-2  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(jī)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V M系列機(jī)床主軸在低速運(yùn)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(jī)床進(jìn)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(jī)床主傳動系統(tǒng)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(jī)為FANUC β8/1000i，功率7.5/11k W，主軸帶輪規(guī)格8YU-55T，電動機(jī)帶輪規(guī)格
8YU-44T。
  
    測試中采用INV3020D型動態(tài)信號分析儀進(jìn)行機(jī)床空運(yùn)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(yù)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(jī)床的振動響應(yīng)信號。測試時測點(diǎn)布置如圖1所示。
 
 

圖1 VM機(jī)床測試時的測點(diǎn)布置示意

     2. 不同轉(zhuǎn)速下的振動量值對比分析
  
    圖2所示為該測試機(jī)床的不同測點(diǎn)位置在隨轉(zhuǎn)速變化時的振動烈度值對比，可以看到：①機(jī)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(jī)床振動測試規(guī)范中“立式加工中心的振動烈度值控制標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定的≤0.5mm/s。②在機(jī)床330r/min轉(zhuǎn)速時，存在較明顯的局部峰值；從現(xiàn)場實(shí)際感受來看，有較明顯的異音。
  
 

圖2 機(jī)床主軸端各測點(diǎn)的振動烈度值對比
  
     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 V M 機(jī)床在低轉(zhuǎn)速段330r/min和高轉(zhuǎn)速段8000r/min時各測點(diǎn)的振動速度頻譜分別進(jìn)行分析，如圖3、圖4所示。
 
 
  
圖3 VM機(jī)床在330r/min時的振動速度頻譜
   
 
 
  
圖4  VM機(jī)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(jī)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302.88H z，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(jī)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(jī)床在低轉(zhuǎn)速段300r/min和330r/min轉(zhuǎn)速時主軸各測點(diǎn)的振動加速度頻譜進(jìn)行了分析，如圖5、圖6所示。
 
 
 
 
圖5 VM機(jī)床在300r/min時的振動加速度頻譜
 
 

圖6 VM機(jī)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(biāo)記點(diǎn)2），其他頻率成分較小。且在300r/min和330r/m i n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(jī)帶輪的旋轉(zhuǎn)頻率（如330 r/min下約為6.9Hz）。再對該VM機(jī)床在高轉(zhuǎn)速段8000r/min轉(zhuǎn)速時的振動加速度頻譜進(jìn)行分析，如圖7所示。

     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(biāo)記點(diǎn)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(rèn)為 ：① 導(dǎo)致該VM立式加工中心機(jī)床在低速330r/m i n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(jī)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(rèn)為該機(jī)床的主電動機(jī)帶輪存在齒形不良的可能性較大。③進(jìn)一步了解，該機(jī)床的主軸帶輪與電動機(jī)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(jī)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(jī)帶輪要差于主軸帶輪。因此，要解決該機(jī)床主軸的振動異音問題應(yīng)從改善其主電動機(jī)帶輪的加工質(zhì)量入手。

 
   
圖7　VM機(jī)床在8000r/min時的振動加速度頻譜  
 
 

圖8　VM機(jī)床更換電動機(jī)帶輪后主軸在330r/min時的振動速度頻譜


    （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(jī)帶輪，從而保證了主軸帶輪與電動機(jī)帶輪的齒形精度，并重新進(jìn)行了機(jī)床主軸振動信號的測試，此時主軸在3
30r/min轉(zhuǎn)速下的振動速度頻譜如圖8所示。

     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(diǎn)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、0.083m 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(xiàn)場實(shí)際感受來看，之前較明顯的異音情況消失。因此，認(rèn)為該VM機(jī)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(jī)床主軸等旋轉(zhuǎn)類機(jī)械的振動異常或異音問題提供有效的方法和途徑，進(jìn)而促進(jìn)機(jī)床產(chǎn)品質(zhì)量和性能品質(zhì)的提升。

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