機床主軸振動測試分析

趙曉龍

摘 要：工業(yè)制造能力代表著一個國家的發(fā)展實力，尤其是以高精度機床為代表的高端機床設備更是一個國家工業(yè)實力的集中體現(xiàn).隨著我國經(jīng)濟和工業(yè)實力的不斷增強對于機床設備尤其是高端機床設備的需求在不斷地增加，積極做好各類高端機床設備的研發(fā)和制造對于保障我國經(jīng)濟的健康穩(wěn)定發(fā)展有著極為重要的意義。機床設備是由眾多部分所組成的復雜系統(tǒng)，在各子系統(tǒng)中主軸作為其中的關鍵部分其運行的穩(wěn)定性直接影響著機床的加工精度、加工效率以及機床設備的使用壽命等。為確保機床的出廠質量需要積極做好機床主軸的機械測試，通過機械測試對機床主軸的運行情況進行分析與調整，確保機床能夠最大限度的發(fā)揮其功用。

關鍵詞：機床主軸；振動；機械測試

中圖分類號：TH165 文獻標志碼：A

0 前言

機床主軸是機床設備中極為關鍵的部分，其能夠穩(wěn)定工作，直接影響著機床的加工精度和加工的可靠性。通過對機床主軸做好機械測試用以記錄分析機床主軸運行過程中所產(chǎn)生的振動，振動內涵豐富其蘊含著豐富的故障信息。在機床主軸運行的過程中如存在問題將會直接或是間接的通過機床主軸振動所顯現(xiàn)出來。為確保機床主軸的制造質量需要積極做好機床主軸的機械測試。本文在分析機床主軸振動特點的基礎上對如何做好機床主軸的機械振動測試進行分析闡述。

1 數(shù)控機床主軸所產(chǎn)生的振動

機床主軸在工作中需要進行高速回轉，而在這一高速回轉過程中所產(chǎn)生的振動信號將會表現(xiàn)出許多的信息。機床主軸在高速回轉過程中如機床主軸的主軸軸承或是齒輪發(fā)生輕微的跳動或是故障都會對機床主軸的回轉精度產(chǎn)生極大的影響，機床主軸精度出現(xiàn)誤差將會導致所加工出來的零部件誤差進一步加大。為確保機床主軸回轉精度需要積極做好對于機床主軸振動的機械測試。通過對機床主軸的振動的運動特性進行分析用以判斷機床主軸運動是否正常。影響機床主軸運動特性的主要零部件有：機床主軸軸承、齒輪、滾珠絲杠以及導軌等。各零部件之間相互作用相互配合共同保障機床主軸安全、高效的運行。根據(jù)機床主軸運動時所產(chǎn)生的振動可以對機床主軸的運行情況進行判斷。

以機床主軸軸承為例，機床主軸軸承所出現(xiàn)的故障主要為磨損、潤滑不良、軸承超載和銹蝕等所引起的機床主軸軸承工作面的疲勞剝落、壓痕、銹蝕、膠合和斷裂等的機床主軸軸承表面損傷。機床主軸運行時電機轉子不平衡、不對中、軸彎曲和松動等都會產(chǎn)生較為明顯的機械振動圖線。機床主軸如存在問題同機械檢測所檢測出的機床主軸運動振動曲線將會有較為明顯的顯示。

此外，由于機床主軸振動所顯示振動頻率主要集中在幾個頻段內，而不同的故障區(qū)域將會顯示出不同的振動頻譜線。機床主軸由于需要高速回轉，由于機床主軸故障所導致的振動屬于高頻振動，一般振動頻率范圍要大于1kHz，而機床主軸轉子類故障所引起的振動譜線則屬于低頻振動，其振動頻率集中在工頻5倍以內。機床主軸由齒輪所引起的故障振動其屬于中頻振動，其頻率范圍主要集中在1kHz左右。

2 機床主軸振動測試

做好機床主軸振動的測試首先需要做好振動傳感器的選取用以保障機床主軸測試的精度。現(xiàn)今能應用于振動測試的傳感器種類繁多，如壓電式傳感器、電渦流式傳感器、電容式傳感器等。各種傳感器有其應用的范圍和精度，機床主軸振動測試選用傳感器的原則是需要選用測試精度高、受干擾影響小。壓電式振動測試傳感器與其他類型的傳感器相比具有體積小、重量輕、響應速度快和頻帶寬等的特點。壓電式振動測試傳感器在對機床主軸振動進行測試時能夠對從低頻到高頻的振動頻帶進行寬頻測試。

此外，在應用壓電式振動測試傳感器進行振動檢測時能夠檢測到極為細微的機床主軸回轉振動量，能夠在各種復雜工況下進行振動測試。壓電式振動測試傳感器屬于接觸式振動傳感器，壓電式振動測試傳感器主要依靠壓電元件來進行振動檢測，由于壓電元件是高阻抗、小功率的元件，在外界產(chǎn)生的高振動噪聲的環(huán)境下（如聲場、電源和接地回路噪聲等）極易受到影響。電渦流式傳感器與壓電式傳感器不同，其屬于非接觸式振動傳感器，電渦流式傳感器是一種將機械位移或是振動幅度轉換為電信號的非電量電測裝置，由于采用非接觸形式其能夠有效的增強其抗干擾性。通過比較為獲得高精度的機床主軸運動振動測試數(shù)據(jù)選用電渦流式傳感器來對機床主軸的振動信號進行采集。為確保機床主軸振動測試的精度需要選擇合適的位置進行安裝。電渦流式傳感器安裝時要遵循以下兩個原則：

（1）電渦流式傳感器的安裝位置應當盡量避開各階模態(tài)的節(jié)點和節(jié)線位置，從而使得測試點能夠激起盡可能多的模態(tài)。

（2）各安裝點需要具有清晰的檢測信號，且各檢測信號需要具有良好的信噪比。尤其是對于機床主軸這類進行回轉運動的設備，機床主軸在運動時其振動主要集中在徑向方向，因此在機床主軸振動測試傳感器的安裝主要集中在X/Y兩個方向。兩傳感器的安裝呈直角。為避免機床主軸振動檢測時機床床身對檢測精度造成影響，需要將傳感器與機床床身分開固定，提高測試精度。

在對機床主軸振動進行測試時，可以采用多種測試方法。根據(jù)各種參數(shù)的測量方法和測量過程的物理性質的不同主要分為機械式、光學和電測3種不同的方法。在上述振動測試方法中電測法是應用最多同時也是應用最為廣泛的一種測試方法。電測法通過使用傳感器將機床主軸運動時所產(chǎn)生的振動轉換為電信號，通過對所轉換成的電信號進行降噪、放大和顯示、記錄實現(xiàn)對于機床主軸振動的定量測試。在以電渦流傳感器為主的機床主軸振動檢測系統(tǒng)中，電渦流傳感器將機床主軸運動時所產(chǎn)生的振動轉換為電信號。電渦流傳感器所產(chǎn)生的電信號需要經(jīng)放大、濾波用于后期的分析。通過對電渦流傳感器所產(chǎn)生的電信號進行分析、記錄和顯示。

某機床主軸的振動測試如下：通過對機床主軸在空載和切削兩種工況條件下的振動情況進行測試。測試過程中按照500r/min、1000 r/min、1500 r/min的轉速對主軸振動情況進行測試。通過對測試信號曲線進行分析來判斷機床主軸運動時的振動情況。為確保機床主軸振動測試的精度需要對信噪比較低的檢測信號進行降噪處理。在實際的工程檢測中，通過對檢測信號的噪聲進行抑制提取信噪比較低振動信號中的真實振動信號。采用小波分析理論能夠有效地降低噪聲信號對機床主軸振動測試信號的干擾。通過與原始信號進行對比，小波分析探測到正常信號中夾帶的瞬態(tài)反常現(xiàn)象并展示其成分，并利用小波進行信號的消噪處理可以很好地保留可用信號中的尖峰和突變部分，實現(xiàn)低信噪比信號中的真實信號與噪聲信號的分離，最大限度的降低噪聲信號對機床主軸振動測試精度所造成的干擾。

結語

機床主軸振動對于機床的加工精度有著極為重要的影響。為提高機床的加工精度需要通積極做好機床主軸振動測試與信號分析，根據(jù)振動曲線來查找機床主軸振動的故障點，從而采取針對性的措施予以解決。本文在分析機床主軸振動測試特點的基礎上對如何做好機床主軸振動測試進行了分析介紹。

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