立式加工中心机床的主轴振动异音问题研究
2020-12-2 来源：纽威数控装备（苏州）股份有限公司 作者： 卫继健
摘要：通过对某立式加工中心机床主轴的振动测试与频谱分析研究，为解决该主轴的振动异音问题提供了有效的方法。
我公司某V M系列机床主轴在低速运行时（200～500r/min）存在明显的振动异音问题，通过对现场装配的一台该立式加工中心机床进行测试，了解其振动状况，并通过频谱分析方法来寻找
产生振动异音问题的根源。
1. 振动测试方案
该立式加工中心机床主传动系统的配置为：主轴最高转速8000 r/min，同步带传动，传动比5∶4，主电动机为FANUC β8/1000i，功率7.5/11k W，主轴带轮规格8YU-55T，电动机带轮规格
8YU-44T。
测试中采用INV3020D型动态信号分析仪进行机床空运行时振动信号的采集，设备配套使用的DASP-V10数据采集和信号处理分析软件可完成振动噪声信号的预处理、时域波形分析、FFT频谱分析和噪声分析等功能。测试时，采用加速度传感器来采集机床的振动响应信号。测试时测点布置如图1所示。
图1 VM机床测试时的测点布置示意
2. 不同转速下的振动量值对比分析
图2所示为该测试机床的不同测点位置在随转速变化时的振动烈度值对比，可以看到：①机床在各转速下的振动烈度值都不大（<0.3mm/s），符合前期企业制定的机床振动测试规范中“立式加工中心的振动烈度值控制标准”规定的≤0.5mm/s。②在机床330r/min转速时，存在较明显的局部峰值；从现场实际感受来看，有较明显的异音。
图2 机床主轴端各测点的振动烈度值对比
3. 振动数据的频谱分析
（1）振动信号的速度谱分析
对该 V M 机床在低转速段330r/min和高转速段8000r/min时各测点的振动速度频谱分别进行分析，如图3、图4所示。
图3 VM机床在330r/min时的振动速度频谱
图4 VM机床在8000r/min时的振动速度频谱
从图3来看，由于转速较低，主轴基频为5.5Hz，电动机轴基频为6.9Hz，在频谱图中较难发现其成分，图3中的突出频率为302.88H z，该频率为同步带与带轮的啮合频率（转速基频×带轮齿数，如330r/min下理论值为302.5Hz），该频率两侧还存在一定的边频成分。
从图4来看，在高转速下，同步带与带轮间的啮合频率也较高（7333.3Hz），该速度频谱图上已无法观测到；但图4频谱上可看到主轴的基频133Hz和电动机轴的基频成分167Hz，还存在二者的一些低阶倍频成分。
（2）振动信号的加速度谱分析
由于振动速度频谱图上的信息有限，又对该VM机床在低转速段300r/min和330r/min转速时主轴各测点的振动加速度频谱进行了分析，如图5、图6所示。
图5 VM机床在300r/min时的振动加速度频谱
图6 VM机床在330r/min时的振动加速度频谱
从频谱图可以看到 ， 上述几个转速下，频谱图中表现较突出的频率为同步带与带轮的啮合频率（图中标记点2），其他频率成分较小。且在300r/min和330r/m i n转速的啮合频率两侧存在较明显的边频带，调制频率为电动机带轮的旋转频率（如330 r/min下约为6.9Hz）。再对该VM机床在高转速段8000r/min转速时的振动加速度频谱进行分析，如图7所示。
从图7可以看到，同步带与带轮的啮合频率（7332.9Hz）依然存在（见图中标记点1），但啮合频率的调制现象不太明显，频谱中其他频率成分增多，调制频率的幅值相对变小。综上分析 ， 认为 ：① 导致该VM立式加工中心机床在低速330r/m i n时存在振动异音的主要影响因素为同步带与带轮的啮合频率成分，从边频带的分析来看，主要是主电动机带轮的基频成分。②从产生该啮合频率与边频调制现象的原因来分析，认为该机床的主电动机带轮存在齿形不良的可能性较大。③进一步了解，该机床的主轴带轮与电动机带轮为不同厂家所加工，可能是由于二者加工带轮时所用的成形刀具有所偏差，主轴带轮加工较好，而电动机带轮加工质量较差，从而使得在皮带与带轮啮合时的平稳性上电动机带轮要差于主轴带轮。因此，要解决该机床主轴的振动异音问题应从改善其主电动机带轮的加工质量入手。
图7 VM机床在8000r/min时的振动加速度频谱
图8 VM机床更换电动机带轮后主轴在330r/min时的振动速度频谱
（3）零件更换后振动信号的频谱分析
经过以上振动信号的频谱分析及得出的分析结论，我们更换了质量更好的电动机带轮，从而保证了主轴带轮与电动机带轮的齿形精度，并重新进行了机床主轴振动信号的测试，此时主轴在3
30r/min转速下的振动速度频谱如图8所示。
将图8与图3相比较，可以发现，虽然依然存在同步带与带轮的啮合频率成分（302.88Hz），但主轴各测点的振动烈度值得到了明显降低，其中主轴轴向方向、主轴左右径向方向和主轴前后径向方向的振动烈度值分别由原来的0.115mm/s、0.123mm/s、0.083m m/s减小为0.016m m/s、0.040m m/s、0.020m m/s，减小幅度为60%～80%，改善显著，且从现场实际感受来看，之前较明显的异音情况消失。因此，认为该VM机床主轴的振动异音问题得到了很好的解决。
4. 结语
通过对部件振动信号的频谱数据分析，可以为解决机床主轴等旋转类机械的振动异常或异音问题提供有效的方法和途径，进而促进机床产品质量和性能品质的提升。
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