立式加工中心機床的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V M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的配置為：主軸最高轉速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號的采集，設備配套使用的DASP-V10數據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信號。測試時測點布置如圖1所示。
圖1 VM機床測試時的測點布置示意
2. 不同轉速下的振動量值對比分析
圖2所示為該測試機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機床在各轉速下的振動烈度值都不大（<0.3mm/s），符合前期企業制定的機床振動測試規范中“立式加工中心的振動烈度值控制標準”規定的≤0.5mm/s。②在機床330r/min轉速時，存在較明顯的局部峰值；從現場實際感受來看，有較明顯的異音。
圖2 機床主軸端各測點的振動烈度值對比
3. 振動數據的頻譜分析
（1）振動信號的速度譜分析
對該 V M 機床在低轉速段330r/min和高轉速段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，在頻譜圖中較難發現其成分，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（轉速基頻×帶輪齒數，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機床在低轉速段300r/min和330r/min轉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 ， 上述幾個轉速下，頻譜圖中表現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/m i n轉速的嚙合頻率兩側存在較明顯的邊頻帶，調制頻率為電動機帶輪的旋轉頻率（如330 r/min下約為6.9Hz）。再對該VM機床在高轉速段8000r/min轉速時的振動加速度頻譜進行分析，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（見圖中標記點1），但嚙合頻率的調制現象不太明顯，頻譜中其他頻率成分增多，調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/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，主要是主電動機帶輪的基頻成分。②從產生該嚙合頻率與邊頻調制現象的原因來分析，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量較差，從而使得在皮帶與帶輪嚙合時的平穩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從改善其主電動機帶輪的加工質量入手。
圖7 VM機床在8000r/min時的振動加速度頻譜
圖8 VM機床更換電動機帶輪后主軸在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
經過以上振動信號的頻譜分析及得出的分析結論，我們更換了質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3
30r/min轉速下的振動速度頻譜如圖8所示。
將圖8與圖3相比較，可以發現，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、0.083m 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. 結語
通過對部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提供有效的方法和途徑，進而促進機床產品質量和性能品質的提升。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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