數控機床主軸空運轉絕對振動試驗

楊 軍，韓玉穩，董應明，趙彥鵬

（云南省機電一體化應用技術重點實驗室/云南省先進制造技術研究中心，云南 昆明 650031）

0 引言

數控機床由許多零、部件組成，有多個相對移動的滑動面和固定結合面。機床零、部件制造精度不良、回轉體的不平衡、液壓系統的油液波動、切削力、機床部件的運動等都會引起機床系統的振動。機床振動不僅使工件和刀具的相對位置和相對速度發生變化，還使機床和刀具在動載荷下工作，加速了兩者的磨損和精度的喪失，降低了機床的使用壽命、刀具的耐用度和可靠性，同時產生噪聲。采用數控機床主軸的空運轉絕對振動試驗，可分析知曉振動的類形、規律和產生機理，找出減少振動的相應措施，提高機床的動態性能和可靠性。

1 數控機床空運轉振動產生的原因及分析

1.1 數控機床振動的分類

按其產生的原因可以分為以下三種：

自由振動：機床外界傳來的沖擊力，機床傳動系統中產生的非周期性沖擊力引起的振動。

受迫振動：機床旋轉件不平衡產生的離心力，往復運動件產生的慣性力，機械傳動系統中齒輪、軸承等各種運動件產生的周期性沖擊力，電磁、液壓、氣壓系統產生的交變力，從機床地基傳來的周期性干擾力引起的振動。

自激振動：機床導軌副等低速運動件的爬行，液壓站油壓的不穩定，皮帶橫向自振等引起的振動。

1.2 機床振動特性的評定

常用下述指標來分析評定機床的振動特性：①位移、速度或加速度等振動量；②指定頻率范圍內的動柔度或動剛度、動柔度的幅頻特性圖、相頻特性圖或幅相特性圖；③各階（主要階次）固有頻率及阻尼比；④各階（主要階次）主振型；⑤各階（主要階次）模態的模態柔度；⑥機床結構以某些模態振動時的能量分布情況。

在一定干擾力的作用下，機床振動的大小，振動的頻率范圍以及振動量的空間分布受上述指標的直接影響，上述指標表征了機床的振動特性，可用它來分析評定機床的動態性能。

1.3 試驗用機床

本文對某型號的數控龍門銑鏜床進行空運轉絕對振動試驗，該機床的主電機功率為22kW，轉速范圍為20～6000r/min，主軸軸承為滾動軸承，主軸采用液壓油冷卻，主傳動系統采用電機直傳無變速箱。

2 空運轉絕對振動試驗

2.1 試驗內容和目的

機床主軸在各級正、反轉空運轉狀態下，測量機床的絕對振動速度，根據采集的數據，做必要的絕對振動頻譜分析。研究分析機床振動的大小、種類、成因等，確定改進、提高機床性能的方法和措施。

機床主軸在空運轉狀態下的絕對振動速度大小，直接影響到機床零件的疲勞、使用壽命和機床精度的可保持性。機床的振動在一定形態上反映出機床結構設計水平、零件質量水平和裝配質量水平，而且和機床工作時的零件加工精度和表面粗糙度緊密相關。

2.2 試驗依據

GB/T16768-1997《金屬切削機床 振動測量方法》。

2.3 試驗條件和方法

（1）試驗的機床為按相關國家、行業等標準檢驗合格的產品。

（2）試驗前檢查機床的潤滑、液壓油等充分，機床主軸低速、中速、高速各空運轉5分鐘后，中速運轉30分鐘。

（3）在試驗過程中，機床主軸不安裝刀柄，滑枕、滑座、工作臺等位于各行程的中間位置，工作臺上不放置任何物品，機床不做進給運動。

（4）試驗前已對整套測試儀器進行校準。

（5）機床的振動測量點為滑枕、主軸法蘭盤前端面、滑座、橫梁和工作臺面。

（6）試驗時，主軸從低至高進行正、反轉空運行。

（7）在主軸不同轉速下，測量各測量點 X、Y、Z三個坐標方向的絕對振動速度。

2.4 絕對振動測點布置圖及測試系統框圖

絕對振動測點布置圖，詳見圖1；絕對振動測試系統框圖，詳見圖2。

圖1 絕對振動測點布置圖Fig.1 Layout of absolute vibration measurement point

圖2 絕對振動測試系統框圖Fig.2 Absolute vibration test system block diagram

2.5 試驗結果

本試驗共有五個測量點，且采用三向傳感器，數據量大，以下數據及分析以接近零件加工位置的測點2（主軸法蘭盤前端面）和測點5（工作臺面）為例做介紹，頻譜圖以最高轉速6000r/min為例。

表1 主軸法蘭盤前端面振動速度有效值Tab.1 Spindle flange front surface vibration speed RMS

表2 工作臺面振動速度有效值Tab.2 Table surface vibration speed effective value

圖3 主軸法蘭盤前端面振動速度—轉速圖（主軸正轉）Fig.3 Spindle flange front surface vibration speed-rotate speed（FWD）

圖4 主軸法蘭盤前端面振動速度—轉速圖（主軸反轉）Fig.4 Spindle flange front surface vibration speed-rotate speed （REV）

圖5 工作臺面振動速度—轉速圖（主軸正轉）Fig.5 Table surface vibration speed-rotate speed （FWD）

圖6 工作臺面振動速度—轉速圖（主軸反轉）Fig.6 Table surface vibration speed-rotate speed （REV）

圖7 主軸法蘭盤前端面X向振動頻譜圖Fig.7 Spectrogram of spindle flange front surface X-direction vibration

圖8 工作臺面X向振動頻譜圖Fig.8 Spectrogram of table surface X-direction vibration

2.6 試驗分析

對采集到的機床各測點的振動數據進行分析。振動頻率和各旋轉件的轉速有關的振動，可以確定是受迫振動；振動頻率與轉速無關而與機床各零、部件的固有頻率有關的振動，可以確定是自激振動；機床停止時，由機床外界干擾引起的振動，可以確定是自由振動。

機床的振動特性可以用位移、速度、加速度等振動量來表征。位移、速度、加速度又可以用平均值，峰峰值，有效值等來反映振動的特性。速度有效值包含了振動隨時間變化的過程，不像峰值那樣不涉及整個時間波形，更重要得是有效值作為振動的一種度量，它直接與振動能量有關。例如，位移的有效值直接與位能有關，速度的有效值與動能有關。本文采用GB/T16768-1997的規定，用速度的有效值來反映振動特性。

振動信號都有頻率譜存在。一個復雜的振動信號往往包含很多頻率成分，頻譜分析可以找出一個或多個主要頻率成分和相應的幅值（能量）、相位。頻譜分析中常用的有幅值譜和功率譜。幅值譜表征振動參量的幅值隨頻率的分布情況，功率譜表征振動參量的能量隨頻率的分布情況。頻譜分析計算采用快速傅里葉算法，通過頻譜分析可以得到振動參量中的各個頻率值和頻率范圍，以及各頻率值下的振動參數。

當主軸在6000r/min正向運轉時，主軸前軸承法蘭盤處X向最大振動速度為0.798mm/s，工作臺面的X向最大振動速度為0.280mm/s，從頻譜圖來看X向最大振動速度對應的頻率都為64.00Hz，頻率較低，這就可以排除該振動是由主軸等零件回轉產生的可能。本機床主軸軸承為滾動軸承，主軸采用液壓油冷卻，傳動方式為電機直傳無變速箱，所以該振動可能是滾動軸承、電機和液壓系統產生的自激振動，可以通過下一步的模態試驗找到這個振動產生的位置、原因。

該機床的滑枕、主軸法蘭盤前端面、滑座、橫梁和工作臺面的絕對振動速度值總體較小，機床停止工作時，自由振動速度值很小，說明該機床的空運轉性能比較穩定，安裝牢靠，裝配合理，沒有受到外界沖擊的影響產生自由振動。

3 結束語

本試驗介紹了數控機床空運轉絕對振動的試驗方法，普通機床也可用同樣的試驗方法，通過測量機床空運轉時機床振動的大小、振動的頻率范圍以及振動量的空間分布，了解機床的振動特性、分析評定機床的動態性能，達到優化機床結構設計、改善機床裝配質量、提高機床加工精度的目的。

[1]楊橚，等.機床動力學（1）[M].北京：機械工業出版社，1983.

[2]M.M 薩迪克.機床動力學[M].華中工學院，1980.

[3]GB/T16768-1997《金屬切削機床 振動測量方法》北京：中國標準出版社，1997.