數控加工中心高速電主軸運行狀態測試*

王 民，張晉欣，昝 濤，南景洋，趙欽志，張 維

（1.北京工業大學機械工程與應用電子技術學院 北京，100124）

（2.國家機床質量監督檢驗中心 北京，100102）

引 言

數控加工中心正朝著高速、高精、高柔性、高可靠性的方向發展［1］。高速電主軸是彰顯高檔數控加工中心高速、高精的重要功能部件，其運行高平穩性和高可靠性是決定數控加工中心加工精度和加工效率的重要保證。由于國產高速電主軸在運行平穩性和可靠性方面與國外同類產品具有較大差距，因此有必要對國產高速電主軸進行試驗測試分析，確定影響其性能提高的部件故障和設計缺陷等原因。電主軸在運行過程中的平穩性差主要體現在其振動和噪音異常上，筆者以某機床廠生產的臥式加工中心高速電主軸作為研究對象，通過試驗模態測試和試驗階次測試相結合的方法識別導致其在高速運行過程中振動加劇的原因。試驗與分析結果表明，與常用的振動頻譜分析方法相比，階次分析和試驗模態測試相結合進行綜合分析診斷能夠更加準確地確定高速電主軸中由旋轉部件缺陷和電主軸結構設計、制造與裝配導致的振動和噪聲異常的多種原因。

1 試驗基本原理

筆者采用階次分析試驗［2－5］與試驗模態測試［6－7］相結合的方法對加工中心高速電主軸進行了綜合性能測試與分析。與傳統振動監測分析方法相比，階次分析方法采用等角度增量采樣［8］代替等時間間隔采樣，可有效地對高速電主軸升、降速實驗中的非平穩信號進行分析，獲取高速電主軸運行過程中存在的與其傳動部件相關的設計、制造及裝配缺陷。

電主軸傳動部件的缺陷會導致電主軸運行的平穩性變差，使電主軸運行過程中出現額外過大的附加動態載荷。當動態載荷與電主軸或機床結構固有模態頻率相接近的時候會加劇電主軸及數控機床在其模態頻率處的振動，影響加工精度及加工效率，進一步加劇了電主軸部件缺陷的惡化速度及出現故障的概率。為此采用試驗模態分析方法獲取電主軸及機床結構可能被激發的各階模態固有頻率及振型等參數，通過分析試驗模態結果確定機床結構抗振薄弱環節以及可能導致電主軸部件出現故障的主軸和機床結構上的設計缺陷。

2 試驗儀器及過程

2.1 試驗儀器

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

2.2 試驗過程

2.2.1 階次測試

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

圖1 振動階次測試測點及轉速計分布

2.2.2 模態測試

采用單點激勵多點響應的方法對電主軸進行模態測試。在電主軸前軸承外部與電主軸三坐標各方向成45°處用力錘激勵，其激勵點及響應點分布如圖2所示。

圖2 模態測試激勵點與響應點分布

3 試驗結果分析

3.1 階次測試結果

試驗結果表明，電主軸在x方向和y方向的振動階次譜圖中階次成分相類似。電主軸x方向振動信號的階次譜圖如圖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，多條豎直線說明測試點振動信號中存在以主軸轉速為基頻的多個階次上存在劇烈的強迫振動現象，這些直線代表階次如圖頂部數字所示。

圖3 電主軸x方向振動階次譜圖

電主軸x方向振動劇烈的階次 分別為：1，11.2，14.7，22.6，32.1，33.9，45.4。其中，1階次處的強迫振動表明與主軸基頻相關。動平衡［9］存在缺陷導致的振動頻率隨主軸轉頻變化的強迫振動，尤其當主軸轉頻逐漸接近機床結構某階固有頻率時會發生共振現象，導致振動劇烈，如圖1中1階線上100Hz和128Hz兩處。

如圖3所示，電主軸的振動階次譜圖中存在約為主軸1階基頻轉速的11.2倍頻現象，如圖1中頂部所標1階、11.2階、22.6階、33.9階和45.4階。通過計算軸承故障特征頻率［10］發現當主軸前軸承外環出現波紋和點蝕等缺陷時，會出現類似于圖3階次圖中的倍頻現象。理論計算的軸承故障特征頻率，即外環的波紋點蝕故障特征頻率Fa分別為11.27fi，22.55fi，33.82fi，45.10fi。其中，fi為主軸轉頻。

倍頻數據根據公式［11］計算得出

其中：fc為外環的某一點與一個滾動體接觸的頻率；d為滾珠直徑；D為軸承節徑；β為接觸角；z為滾珠數，n為自然數。

測試的主軸前軸承相關結構參數為：β＝18°，d＝9mm，D＝89mm，z＝25。

同時，11.27階次也是主軸前軸承內、外環變形導致振動異常的故障特征頻率，計算公式為

通過計算電主軸后軸承故障特征頻率發現，滾動體波紋引起的3階振動頻率與由階次分析得到的轉頻32.1階次相近。滾動體波紋故障特征頻率Fc分別為：11.03fi，21.61fi，32.20fi。

數據依據下列公式得出

其中：fb為滾動體的某一點與內環或者外環接觸的頻率。

主軸后軸承結構參數分別為：β＝17.88°，d＝6.84mm，D＝72.96mm，z＝24。

根據電主軸前、后軸承故障特征頻率計算結果，可以看出導致振動階次異常的原因是電主軸動平衡問題以及前、后軸承的一些缺陷引起的。例如，前軸承外環存在精加工面波紋、缺陷（點蝕）以及內外環變形；電主軸后軸承滾動體存在波紋。綜合考慮機器情況，振動劇烈的主要原因是由于電主軸固有頻率被激發或主軸在制造裝配過程中存在誤差導致內、外環變形，進而振動加劇。

3.2 模態測試結果

通過階次分析測試可以看出，隨著轉速的變化，電主軸在某些固有頻率處發生振動明顯劇烈的共振現象。為了找出電主軸及機床結構中引起共振的薄弱環節，對電主軸和加工中心主體結構進行試驗模態測試。測試結果發現，與階次測試中振動明顯的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、后軸承振動明顯，其振型如圖4，5所示。圖中虛線為電主軸無振動時的位置，實線為振動時的位置?？梢钥闯?，電主軸前、后軸承在固有頻率為1 101Hz，4 110Hz時振動明顯。

圖4 1 101Hz前軸承處沿x方向擺動

圖5 4 110Hz后軸承處沿x方向擺動

通過激勵主軸前端還獲取了加工中心主體結構中立柱結構的各階模態振型和模態頻率。用于驅動主軸箱垂直方向運動的絲杠副安裝在立柱結構中的左側立柱上，該側立柱承擔了主軸和主軸箱的大部分重量和動態載荷。通過模態振型發現，模態頻率分別為100Hz和130Hz的兩階模態振型為裝有絲杠的左側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

結合階次分析結果可以得出結論，主軸運行不平穩激發起了電主軸前、后軸承處變形和裝有絲杠的一側立柱的兩階彎曲變形的4個模態振動，是機床的結構設計薄弱環節。由于存在薄弱環節，機床結構抗振性能差也導致了主軸軸承內、外圈變形等異?，F象，惡化了機床的抗振能力；因此有必要對電主軸和立柱的設計薄弱環節重新進行結構優化設計以提高其抗振性。

4 結 論

1）導致電主軸高速運行狀態下振動加劇與主軸轉頻相關的強迫振動主要是由于電主軸動平衡差、運行過程中內、外環變形較大及后軸承滾動體表面存在波紋等因素。

2）機床主軸和主體結構的機械結構設計存在薄弱環節。例如，電主軸前、后軸承處和裝有絲杠的一側立柱抗振性差，導致機床運行過程中振動劇烈，加劇了主軸軸承缺陷影響及故障發生的機率；因此需要對薄弱環節重新進行結構優化設計以提高其抗振性。

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