機(jī)床主軸振動(dòng)測(cè)試分析

趙曉龍

摘 要：工業(yè)制造能力代表著一個(gè)國(guó)家的發(fā)展實(shí)力，尤其是以高精度機(jī)床為代表的高端機(jī)床設(shè)備更是一個(gè)國(guó)家工業(yè)實(shí)力的集中體現(xiàn).隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)實(shí)力的不斷增強(qiáng)對(duì)于機(jī)床設(shè)備尤其是高端機(jī)床設(shè)備的需求在不斷地增加，積極做好各類高端機(jī)床設(shè)備的研發(fā)和制造對(duì)于保障我國(guó)經(jīng)濟(jì)的健康穩(wěn)定發(fā)展有著極為重要的意義。機(jī)床設(shè)備是由眾多部分所組成的復(fù)雜系統(tǒng)，在各子系統(tǒng)中主軸作為其中的關(guān)鍵部分其運(yùn)行的穩(wěn)定性直接影響著機(jī)床的加工精度、加工效率以及機(jī)床設(shè)備的使用壽命等。為確保機(jī)床的出廠質(zhì)量需要積極做好機(jī)床主軸的機(jī)械測(cè)試，通過(guò)機(jī)械測(cè)試對(duì)機(jī)床主軸的運(yùn)行情況進(jìn)行分析與調(diào)整，確保機(jī)床能夠最大限度的發(fā)揮其功用。

關(guān)鍵詞：機(jī)床主軸；振動(dòng)；機(jī)械測(cè)試

中圖分類號(hào)：TH165 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

機(jī)床主軸是機(jī)床設(shè)備中極為關(guān)鍵的部分，其能夠穩(wěn)定工作，直接影響著機(jī)床的加工精度和加工的可靠性。通過(guò)對(duì)機(jī)床主軸做好機(jī)械測(cè)試用以記錄分析機(jī)床主軸運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的振動(dòng)，振動(dòng)內(nèi)涵豐富其蘊(yùn)含著豐富的故障信息。在機(jī)床主軸運(yùn)行的過(guò)程中如存在問(wèn)題將會(huì)直接或是間接的通過(guò)機(jī)床主軸振動(dòng)所顯現(xiàn)出來(lái)。為確保機(jī)床主軸的制造質(zhì)量需要積極做好機(jī)床主軸的機(jī)械測(cè)試。本文在分析機(jī)床主軸振動(dòng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)如何做好機(jī)床主軸的機(jī)械振動(dòng)測(cè)試進(jìn)行分析闡述。

1 數(shù)控機(jī)床主軸所產(chǎn)生的振動(dòng)

機(jī)床主軸在工作中需要進(jìn)行高速回轉(zhuǎn)，而在這一高速回轉(zhuǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)將會(huì)表現(xiàn)出許多的信息。機(jī)床主軸在高速回轉(zhuǎn)過(guò)程中如機(jī)床主軸的主軸軸承或是齒輪發(fā)生輕微的跳動(dòng)或是故障都會(huì)對(duì)機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)精度產(chǎn)生極大的影響，機(jī)床主軸精度出現(xiàn)誤差將會(huì)導(dǎo)致所加工出來(lái)的零部件誤差進(jìn)一步加大。為確保機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)精度需要積極做好對(duì)于機(jī)床主軸振動(dòng)的機(jī)械測(cè)試。通過(guò)對(duì)機(jī)床主軸的振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析用以判斷機(jī)床主軸運(yùn)動(dòng)是否正常。影響機(jī)床主軸運(yùn)動(dòng)特性的主要零部件有：機(jī)床主軸軸承、齒輪、滾珠絲杠以及導(dǎo)軌等。各零部件之間相互作用相互配合共同保障機(jī)床主軸安全、高效的運(yùn)行。根據(jù)機(jī)床主軸運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)可以對(duì)機(jī)床主軸的運(yùn)行情況進(jìn)行判斷。

以機(jī)床主軸軸承為例，機(jī)床主軸軸承所出現(xiàn)的故障主要為磨損、潤(rùn)滑不良、軸承超載和銹蝕等所引起的機(jī)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(jī)床主軸軸承表面損傷。機(jī)床主軸運(yùn)行時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡、不對(duì)中、軸彎曲和松動(dòng)等都會(huì)產(chǎn)生較為明顯的機(jī)械振動(dòng)圖線。機(jī)床主軸如存在問(wèn)題同機(jī)械檢測(cè)所檢測(cè)出的機(jī)床主軸運(yùn)動(dòng)振動(dòng)曲線將會(huì)有較為明顯的顯示。

此外，由于機(jī)床主軸振動(dòng)所顯示振動(dòng)頻率主要集中在幾個(gè)頻段內(nèi)，而不同的故障區(qū)域?qū)?huì)顯示出不同的振動(dòng)頻譜線。機(jī)床主軸由于需要高速回轉(zhuǎn)，由于機(jī)床主軸故障所導(dǎo)致的振動(dòng)屬于高頻振動(dòng)，一般振動(dòng)頻率范圍要大于1kHz，而機(jī)床主軸轉(zhuǎn)子類故障所引起的振動(dòng)譜線則屬于低頻振動(dòng)，其振動(dòng)頻率集中在工頻5倍以內(nèi)。機(jī)床主軸由齒輪所引起的故障振動(dòng)其屬于中頻振動(dòng)，其頻率范圍主要集中在1kHz左右。

2 機(jī)床主軸振動(dòng)測(cè)試

做好機(jī)床主軸振動(dòng)的測(cè)試首先需要做好振動(dòng)傳感器的選取用以保障機(jī)床主軸測(cè)試的精度。現(xiàn)今能應(yīng)用于振動(dòng)測(cè)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(yīng)用的范圍和精度，機(jī)床主軸振動(dòng)測(cè)試選用傳感器的原則是需要選用測(cè)試精度高、受干擾影響小。壓電式振動(dòng)測(cè)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(yīng)速度快和頻帶寬等的特點(diǎn)。壓電式振動(dòng)測(cè)試傳感器在對(duì)機(jī)床主軸振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)能夠?qū)牡皖l到高頻的振動(dòng)頻帶進(jìn)行寬頻測(cè)試。

此外，在應(yīng)用壓電式振動(dòng)測(cè)試傳感器進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)時(shí)能夠檢測(cè)到極為細(xì)微的機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)振動(dòng)量，能夠在各種復(fù)雜工況下進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。壓電式振動(dòng)測(cè)試傳感器屬于接觸式振動(dòng)傳感器，壓電式振動(dòng)測(cè)試傳感器主要依靠壓電元件來(lái)進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)，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(dòng)噪聲的環(huán)境下（如聲場(chǎng)、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(dòng)傳感器，電渦流式傳感器是一種將機(jī)械位移或是振動(dòng)幅度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的非電量電測(cè)裝置，由于采用非接觸形式其能夠有效的增強(qiáng)其抗干擾性。通過(guò)比較為獲得高精度的機(jī)床主軸運(yùn)動(dòng)振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)選用電渦流式傳感器來(lái)對(duì)機(jī)床主軸的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集。為確保機(jī)床主軸振動(dòng)測(cè)試的精度需要選擇合適的位置進(jìn)行安裝。電渦流式傳感器安裝時(shí)要遵循以下兩個(gè)原則：

（1）電渦流式傳感器的安裝位置應(yīng)當(dāng)盡量避開各階模態(tài)的節(jié)點(diǎn)和節(jié)線位置，從而使得測(cè)試點(diǎn)能夠激起盡可能多的模態(tài)。

（2）各安裝點(diǎn)需要具有清晰的檢測(cè)信號(hào)，且各檢測(cè)信號(hào)需要具有良好的信噪比。尤其是對(duì)于機(jī)床主軸這類進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，機(jī)床主軸在運(yùn)動(dòng)時(shí)其振動(dòng)主要集中在徑向方向，因此在機(jī)床主軸振動(dòng)測(cè)試傳感器的安裝主要集中在X/Y兩個(gè)方向。兩傳感器的安裝呈直角。為避免機(jī)床主軸振動(dòng)檢測(cè)時(shí)機(jī)床床身對(duì)檢測(cè)精度造成影響，需要將傳感器與機(jī)床床身分開固定，提高測(cè)試精度。

在對(duì)機(jī)床主軸振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，可以采用多種測(cè)試方法。根據(jù)各種參數(shù)的測(cè)量方法和測(cè)量過(guò)程的物理性質(zhì)的不同主要分為機(jī)械式、光學(xué)和電測(cè)3種不同的方法。在上述振動(dòng)測(cè)試方法中電測(cè)法是應(yīng)用最多同時(shí)也是應(yīng)用最為廣泛的一種測(cè)試方法。電測(cè)法通過(guò)使用傳感器將機(jī)床主軸運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)對(duì)所轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)進(jìn)行降噪、放大和顯示、記錄實(shí)現(xiàn)對(duì)于機(jī)床主軸振動(dòng)的定量測(cè)試。在以電渦流傳感器為主的機(jī)床主軸振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，電渦流傳感器將機(jī)床主軸運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。電渦流傳感器所產(chǎn)生的電信號(hào)需要經(jīng)放大、濾波用于后期的分析。通過(guò)對(duì)電渦流傳感器所產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行分析、記錄和顯示。

某機(jī)床主軸的振動(dòng)測(cè)試如下：通過(guò)對(duì)機(jī)床主軸在空載和切削兩種工況條件下的振動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中按照500r/min、1000 r/min、1500 r/min的轉(zhuǎn)速對(duì)主軸振動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)對(duì)測(cè)試信號(hào)曲線進(jìn)行分析來(lái)判斷機(jī)床主軸運(yùn)動(dòng)時(shí)的振動(dòng)情況。為確保機(jī)床主軸振動(dòng)測(cè)試的精度需要對(duì)信噪比較低的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行降噪處理。在實(shí)際的工程檢測(cè)中，通過(guò)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的噪聲進(jìn)行抑制提取信噪比較低振動(dòng)信號(hào)中的真實(shí)振動(dòng)信號(hào)。采用小波分析理論能夠有效地降低噪聲信號(hào)對(duì)機(jī)床主軸振動(dòng)測(cè)試信號(hào)的干擾。通過(guò)與原始信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，小波分析探測(cè)到正常信號(hào)中夾帶的瞬態(tài)反常現(xiàn)象并展示其成分，并利用小波進(jìn)行信號(hào)的消噪處理可以很好地保留可用信號(hào)中的尖峰和突變部分，實(shí)現(xiàn)低信噪比信號(hào)中的真實(shí)信號(hào)與噪聲信號(hào)的分離，最大限度的降低噪聲信號(hào)對(duì)機(jī)床主軸振動(dòng)測(cè)試精度所造成的干擾。

結(jié)語(yǔ)

機(jī)床主軸振動(dòng)對(duì)于機(jī)床的加工精度有著極為重要的影響。為提高機(jī)床的加工精度需要通積極做好機(jī)床主軸振動(dòng)測(cè)試與信號(hào)分析，根據(jù)振動(dòng)曲線來(lái)查找機(jī)床主軸振動(dòng)的故障點(diǎn)，從而采取針對(duì)性的措施予以解決。本文在分析機(jī)床主軸振動(dòng)測(cè)試特點(diǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)如何做好機(jī)床主軸振動(dòng)測(cè)試進(jìn)行了分析介紹。

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