VDF-850 加工中心主轴单元结构分析
2017-5-31 来源：湄洲湾职业技术学院 作者：齐晓霞
摘要：作为数控机床最主要的功能部件，主轴的性能对加工中心的安全及精度起着决定性作用。本文对VDF-850 立式加工中心的主轴结构进行详细分析，并采用丹麦必凯公司的检测装置完成对主轴的振动响应试验，进而判断引起主轴振动的振源。
关键词：加工中心 主轴 振动 响应
引言
主轴作为加工中心的功能部件，是整套装备中最重要的一种配件。它和刀具一起将主轴的转动转换为工件的轴向移动，制成零件成品。主轴单元作为加工中心的关键性单元，包括主轴、轴承、装在主轴上的传动带轮、自动换刀及准停装置等。加工中心的转速高，功率大，在加工时不能进行人工调整。这就要求主轴具有更好的回转精度、抗振性能、热稳定性能、有较高的结构刚度及精度的保持性[1]。主轴单元的工作性能对数控机床的功能性质、零件品质及加工效率有着非常明显的作用。
1.主轴单元结构分析
1.1 主轴单元主传动
主轴的传动单元将电机的回转运动转换为刀库轴的扭矩以及铣削力。因此，其变速区间要大，确保在零件加工时有适合的切削量；主轴单元要有优良的抗振动能力、受热及受力时的形变能力，以确保产品的精密度。VDF-850 立式加工中心主传动采用 FANUC 交流伺服电机驱动，电机通过齿数比为 1:1 的齿形带直接带动主轴，通过改变主、从动带轮直径改变转速和转矩。主电机的角位移量通过光电编码器的光电转换变为电脉冲当量，输出到数控系统，确保主轴的刚性攻丝及准停。
1.2 主轴支承结构
主轴的支承件是主轴系统的主要部件，主要指轴承及轴承座，其中轴承是中心。采用滚动轴承的支承转速和载荷的变化范围大，有一定过盈量时也能稳定转动，旋转精度高，但是刚度不稳定，容易振动。滑动轴承的支承抗振动性能好，转动过程平稳，但是制造和维修困难。VDF-850 加工中心中，主轴的前轴承是两个串联使用的主轴专用精密 P4 级角接触轴承，型号为 7012A5TYSUMP4，主要承受较大的切削力。后轴承是用两个背对背配置的精密 P4 级高速滚柱轴承，型号为 7011A5TYSUMP4，主要承受转矩。高速精密角接触轴承的质量轻、膨胀系数低、硬度高，使其高速运转时的离心力及热温升减少，转速得以提高，达到 8000r ﹒ min-1。
1.3 主轴端部
主轴的前端用于装夹铣刀，这就需要精确的定位，装配要牢靠且拆装简单容易，能够传送转矩。VDF-850 加工中心主轴前端有 NO.40（锥度为 7:24）的锥孔，用于装配刀杆，于锥形孔内进行定位。主轴部件的端面键将主轴的回转运动传给刀具轴。刀柄及拉杆螺栓见图 1、图 2。
2.主轴空转试验分析
2.1 试验方案
仅运行主电动机，做主轴的响应试验。使主轴转速从 45. r·min-1开 始 到 最 高 转 速 8000 r·min-1结 束， 以200 ～ 500r·min-1的转速级差进行空转，每级转速的运转时间最少为 2 分钟，在最高转速时运转时间至少为 30 分钟，测试时主轴轴承温度值不能超过 60°。测量主轴前支撑位置在不同转速下沿 X 轴、Y 轴、Z 轴的振动加速度响应[2-3]。对测试所得信号进行频谱分析，判断振动是因系统内部回转零件不平衡引起的还是因传动系统外的其他振源引起的。将连接主轴和主电机的同步带去掉，断开主传动系统后再进行响应试验，进一步确定外部振源的存在性。若是一直存在某一个振动频率，则可以认定振动是由外界源引起的。
2.2 试验条件
响应试验使用的是丹麦必凯公司的一套检测装置。在主轴箱前轴承处安装对环境噪声敏感度较低的微型加速度计，连接 PULSE 平台的 3560B/C/D 型数据采集前端，再与笔记本电脑点对点直连，组成振动实验测试系统。测试系统简图如图 3 所示
图 3 振动测试系统简图
通 过 7700pulse 分 析 系 统 的 快 速 傅 里 叶 变 化（Fast FourierTransform）分析仪完成采样参数的设置，如图 4、图 5 所示。根据奈奎斯特采样定理，采样率应大于被测信号频率的 2 倍，才能避免频率混叠现象，带宽越大，所能显示的信号频率分量越丰富，也就能更加接近真实的信号波形。FFT 分析仪在测量主轴的振动信号时所需的最小带宽，被测信号最快上升时间为 25ms（10％～ 90％）：最高信号频率f=0.5/25ms=200Hz，示波器带宽 Span=1.0×200Hz=200Hz
VDF-850 主轴的转动速率在 3000r·min-1以下时，确定分析带宽为 Span=200Hz；在 FFT 分析仪中，采样频率Fs=2.56Span，此时采样频率为 Fs=512Hz。当主轴转速超过3000r·min-1时，确定分析带宽 Span=400Hz，取采样频率Fs=1000Hz。
2.3 试验结果分析
在进行响应检测试验前，应令主轴无负荷转动 30 分钟以上。转速从 1000r·min-1开始到最高转速 8000r·min-1结束，以 500r·min-1为间隔逐步升高，采集主轴箱前轴承处在不同转速下的振动参数。由 B ＆ K 公司的 Pulse 测量系统显示并记录所得数据，收集到的部分转速下的振动数据见表 1。
表 1 无负荷运转时的响应数值
从检测试验获得的响应数值即可断定：
（1）在主轴的前支承处沿径向的振动速率达到极大值；
（2）从图6可知，主轴转速在1000～4800r·min-1时出现频率为 44.68 ～ 48.64Hz 的振动；当转速在 4900 ～ 8000r·min-1 时，出现频率为 75.19 ～ 77.64Hz 的振动。上述两个频率的振动应该是外部源引发的。
VDF-850 主轴部件总共两个振源，频率为 47.68Hz 和75.19Hz 左右，主轴结构在这两个频段内可能存在薄弱点。VDF-850 加工中心主要动力源有主轴电机和冷却泵电机，相关参数如表 2 所示。
表 2 VDF-850 使用电机的参数
从 VDF-850 加工中心电机的参数可知，冷却泵电机的频率为 50Hz，与 44.68 ～ 48.64Hz 相接近，是振源之一；从主轴转速 - 频率图来看，转速在 4800r·min-1以下出现频率为44.68 ～ 48.64Hz 的振动；转速高于 4900r·min-1后，出现频率为 75.19 ～ 77.64Hz 的振动，与冷却泵电机的频率没有关系。
3.结论
通过对 VDF-850 加工中心进行主轴空运转试验，分析试验结果发现：
（1）机床在空转时存在频率为 44.68 ～ 48.64Hz 和75.19 ～ 77.64Hz 的两个强迫振动。
（2）冷却泵电机的自然频率是 50Hz，与空转响应试验中出现的频率 44.68 ～ 48.64Hz 相差不大，可认为冷却泵电机是引起机床主轴振动的振源之一。
（3）机床主轴在频率为 75.19 ～ 77.64Hz 的区间存在薄弱模态。
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