精密數控機床運動部件低速振動的診斷與改善*＊

姚 瑤 秦建宏

(陜西秦川發展技術研究院，陜西 寶雞 721009)

新研發的一款精密數控機床在裝配車間調試結束后，對各伺服軸進給速度做空運轉試驗時出現了以下狀況:

(1)機床X 軸(工作臺面進給軸)在進給速度為300～600 mm/min 時，工作臺出現明顯振動，在400 mm/min速度下，振幅最大。X 軸空運轉進給速度最大8 000 mm/min。在300 mm/min 以下和600 mm/min 以上試驗，工作臺運行靈活平穩，無異常現象。

(2)機床Y 軸(主軸溜板進給軸)在進給速度為300～600 mm/min 時，主軸溜板出現明顯振動，在500 mm/min 速度下，振幅最大。Y 軸空運轉進給速度最大為8 000 mm/min。在300 mm/min 以下和600 mm/min以上做試驗，溜板運行靈活平穩，無異常現象。

(3)機床Z 軸(主軸進給軸)在進給速度為200～400 mm/min 時，出現明顯振動;在300 mm/min 速度下，振幅最大。Z 軸空運轉進給速度最大為6 000 mm/min。在200 mm/min 以下和400 mm/min 以上做變換試驗，機床主軸溜板運行靈活平穩，無異常現象。

機床在工作時產生振動是不可避免的。但當機床振動產生的振幅超出了允許的范圍，將會影響加工精度，降級機床品質。

機床在空運轉時工作部件出現振動，有可能是機械傳動系統存在故障，亦可能是電氣控制系統存在不良因素，還可能是機械部分與電氣部分的綜合原因。由于機床的幾何精度測量滿足設計要求，且各軸的工作部件在中、高速下變換試驗靈活、平穩、可靠、快速響應良好、定位精度精準，基本可以排除各軸機械傳動系統的絲杠、導軌等零件的裝配不良因素，于是故障排除首先主要針對機床電氣控制系統進行。

仔細觀察機床的振動，頻率較低，且無異常聲，從現象看與閉環系統參數設定有關。當數控系統參數匹配不當，將引起機械運動系統振蕩，造成不穩定現象。檢查調試系統的參數設定、伺服驅動器的增益、積分時間等均在合適的范圍。并通過反復的試驗確認參數優化不能夠改善振動狀態。

機械振動與進給速度有關系。當速度環出現故障時，運動部件會在某一速度區域發生振動。從系統給定信號、反饋信號以及速度環增益等環節進行檢查優化，改善效果不明顯。

電動機異常有可能導致機床振動。但1 臺機床有3 臺電動機同時出現故障，故障的表現形式如此一致的現象在調試機床過程中少見。課題組分析認為，該機床使用的數控系統為華中數控新推出的一款高品質數控系統，無論是數控系統中的數控裝置還是伺服驅動單元以及與之匹配的伺服電動機，任一環節的不良都會有引起振動的可能。同時，還應該考慮到工作部件的剛度和慣量對它的影響。分別單換X 軸驅動單元和X 軸伺服電動機，故障沒有得到明顯改善。

分析產生振動的原因和采取控制振動的措施，除了理論分析診斷，直接進行測量能夠快速直接地找到問題根源。下面以我們對工作臺的振動測量為例介紹。

1 選用測量儀器

(1)INV3020B24 位高性能數據采集分析儀，內置嵌入式電腦模塊和硬盤存儲，采集通道數2～56，每通道最高采集頻率2 000 kHz。

(2)數據采集和信號處理軟件DASPV10。

(3)INV982 系列加速度傳感器及顯示器與鍵盤。

2 測量方案設計

(1)測量X 軸工作臺空運轉下的振動信號

以機床空運轉時產生的振動作為激勵，將加速度傳感器分別布置在X 軸傳動進給系統的關鍵部位，即工作臺面(X、Y、Z 這3 個方向)、床身導軌、電動機殼體、絲杠螺母處，然后采集空運轉狀態下各點的振動參數，通過軟件分析各測量點的振動信號，獲得工作臺關鍵部位的振動態勢及振動頻率。

(2)測量電動機單獨空運轉的振動信號

將電動機與絲杠的連接脫開，電動機置于地面。將加速度傳感器布置在電動機殼體上，空運轉電動機(電動機轉速與測試1 的電動機轉速一致)，檢測電動機完全單獨下的振動信號，獲得振動頻率。

(3)利用錘擊法測試機床X 軸工作部件的固有頻率

對于機床的工作臺，機械傳動裝置的剛度和慣量決定它的固有頻率。力錘敲擊X 軸工作臺面，產生脈沖力信號，利用采集到的X 軸振動信號，獲得其傳遞函數，從而獲得X 軸工作臺機械系統的固有頻率。

3 確定分析頻率和測試速度

一般機床的振動頻率分布在1 000 Hz 以下，因此，只需要將分析頻率設置到1 000 Hz 即可滿足測試要求。采用時頻分析法對機床檢測信號進行處理分析。

機床X 軸的進給速度范圍為0～8 000 mm/min，振動發生速度在300～600 mm/min 范圍。因此選擇測試速度為0～1 200 mm/min，速度間隔為100 mm/min，在X軸全行程上來回進行測試。

4 振動測試結果分析

圖1 的1～8 通道分別對應機床工作臺(X/Y/Z方向)、絲杠螺母Z 向、電動機座連接法蘭Z 向、導軌X0 和X1200 處Z 向以及電動機殼體Z 向時域振動信號。0～150 s 為機床完全靜止時的振動信號，150～475 s 為機床X 軸檢測的所有速度檔信號。從圖中可以看出，260～280 s 時間段內機床振動量最大，所對應的X 軸進給速度約為400 mm/min。從時域振動信號可知，機床工作臺在全行程內的振動情況平穩，無突變值，顯示機床導軌、絲杠等機械零件的裝配狀態良好。由得到的頻譜結果顯示，工作臺的振動主頻為100 Hz，次要頻率成分為200 Hz、300 Hz、400 Hz、600 Hz。

圖2 為電動機單獨置于地面所有速度檔下測試的振動頻譜圖。由圖可知，電動機單獨運行時振動主頻為400 Hz，次要頻率成分為100 Hz、200 Hz、300 Hz、500 Hz、600 Hz、700 Hz、800 Hz 以及900 Hz，在400～500 Hz 頻段具有較豐富的頻率成分。并且與工作臺進給系統有相同的振動頻率成分。

圖3 為機床X 軸固有頻率測試結果。機床工作臺機械系統的固有頻率為100 Hz，結合上面的測試結果可知，數控裝置+驅動裝置也存在1 個100 Hz 的振動激勵，機床工作臺在100 Hz 處，出現由數控系統誘發的共振現象.

綜上所述，機床X 軸工作臺空運轉和電動機不帶負載獨立運行時，在檢測的所有速度檔下二者的振動頻率成分相同，因此完全可以確定驅動裝置和數控裝置是引起機床工作臺振動的主要誘發因素。

為了更有效地采取控制振動的措施，現場找到一臺能夠與華中驅動器匹配的西門子伺服電動機，將電動機與驅動單元連接，電動機置于地面，檢測所有速度檔下的西門子電動機的振動信號。

圖4 為華中數控系統+西門子電動機所有速度檔的頻譜圖。由圖可知，測試單元在1 370 Hz 幅值最大。其不同速度下對應不同的頻率，基本呈線性增長關系。主要頻率成分有135 Hz、205 Hz、275 Hz、340 Hz、510 Hz、685 Hz、1 000 Hz，這些頻率成分與機床X軸機械系統的固有頻率不相同，將不會有振動激勵存在。也不會引起振動現象，因此基本可以確認數控裝置和驅動單元是可靠的，而伺服電動機是機床工作臺進給系統發生振動的誘因。

5 結論驗證

為了驗證檢測結論，將電動機座改制成與西門子電動機匹配的電動機座，將電動機與絲杠連接，對工作臺面進給系統的振動做了再次測量。機床的振動加速度均小于華中數控電動機作為驅動時的振動加速度，最大值僅為0.17 m/s2，并且為高頻振動(1 010 Hz)。在低頻段0～300 Hz 的振動加速度值更小為0.009 m/s2。振動的主要頻率成分基本和西門子電動機空載時相同，分別是135 Hz、205 Hz、275 Hz、340 Hz，有效地避開了臺面機械系統的固有頻率。因此機床臺面在測試的所有速度檔運行非常平穩、靈活、完全滿足了設計要求。

其他兩軸的測量結果同樣驗證了華中電動機在空載時存在豐富的低頻振動頻率，有與工作部件的固有頻率相同的頻率成分。

運動部件的固有頻率由傳動裝置的結構設計確定，電動機的振動諧波頻率主要取決于電動機本體的結構。得益于科技重大專項提供的平臺，能夠使機床制造廠家與數控系統生產廠家相結合共同求發展。在調試診斷故障的過程中，得到數控系統廠家的熱情協助，這種可靠性試驗結果是雙方新產品開發、應用及改進發展的寶貴經驗。華中數控針對電動機測試結果采取了及時有效的改進措施，新電動機使用在機床上后各軸在相同條件下做速度變換試驗，速度變換非常靈活、平穩、可靠，完全滿足了使用要求。