張彬彬，張強(qiáng)，2，李順才

(1.江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州221116;2.空軍勤務(wù)學(xué)院四站系，江蘇徐州221000)

數(shù)控銑床在加工過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)在一定程度上會(huì)影響被加工零件的質(zhì)量、減少刀具的使用壽命等。目前數(shù)控銑床的使用越來(lái)越普及[1]，關(guān)于銑削過(guò)程中的振動(dòng)，不少學(xué)者已進(jìn)行了一些基礎(chǔ)性研究。機(jī)床的振動(dòng)測(cè)試不僅對(duì)機(jī)床動(dòng)力學(xué)研究起重要作用，而且在機(jī)床故障的診斷和分析上應(yīng)用廣泛。區(qū)炳顯等[2]在虛擬儀器LabVIEW的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了采用掃頻方法測(cè)試結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和精度;李康舉等[3]對(duì)VMC850數(shù)控銑床切削振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了檢測(cè)和分析，并對(duì)機(jī)床切削參數(shù)進(jìn)行控制，從而提高了數(shù)控機(jī)床的振動(dòng)控制能力;高秀成[4]基于對(duì)機(jī)床振動(dòng)信號(hào)的分析，實(shí)現(xiàn)了刀具破損自動(dòng)報(bào)警;劉穩(wěn)善等[5]對(duì)銑床進(jìn)行了振動(dòng)和噪聲測(cè)定;劉業(yè)顏等[6]介紹了數(shù)控機(jī)床振動(dòng)診斷方法，并對(duì)數(shù)控機(jī)床振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行研究。在機(jī)械加工過(guò)程中，振動(dòng)是影響被加工件尺寸誤差的重要因素之一，而且還大大影響生產(chǎn)效率，因此對(duì)機(jī)床振動(dòng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和控制成為改善機(jī)床加工系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要技術(shù)。作者結(jié)合虛擬測(cè)試技術(shù)[7－10]，采用重慶大學(xué)生產(chǎn)的QLVC-ZSA1型嵌入式虛擬振動(dòng)測(cè)試儀對(duì)工件在給定銑削參數(shù)的數(shù)控銑削過(guò)程中的振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試研究。

1 試驗(yàn)儀器

此次試驗(yàn)在型號(hào)為XKA714/B的數(shù)控銑床上進(jìn)行，采用面銑刀 (PM90-63LD15)，被銑削工件為長(zhǎng)150 mm、寬110 mm、厚30.6 mm的45號(hào)鋼塊，銑削前工件的質(zhì)量為3.969 kg。利用QLVC-ZSA1型振動(dòng)信號(hào)分析儀存儲(chǔ)和分析壓電式加速度傳感器拾取的工件在豎直方向的振動(dòng)信號(hào)，試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前先用錘擊法測(cè)試了銑削前加工系統(tǒng)的固有頻率，通過(guò)多次平均測(cè)得其固有頻率為484 Hz;然后測(cè)試了工件在一定的銑削深度e、銑刀進(jìn)給速度v和不同主軸轉(zhuǎn)速n 下的振動(dòng)響應(yīng)，試驗(yàn)參數(shù)如表1所示，試驗(yàn)時(shí)兩個(gè)傳感器在工件上的位置如圖2所示。振動(dòng)信號(hào)分析儀前面板上有“傳感器1”和“傳感器2”兩個(gè)加速度信號(hào)接入通道，在測(cè)試銑削工件的振動(dòng)響應(yīng)時(shí)，將加速度傳感器接入這兩個(gè)通道即可。

表1 銑削試驗(yàn)參數(shù)

圖2 傳感器在工件上的位置

在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，振動(dòng)測(cè)試儀的采樣頻率設(shè)定為30 000 Hz，每一次采樣的記錄時(shí)間為2.18 s。在一次完整的走刀銑削過(guò)程中，需在線記錄并存儲(chǔ)多個(gè)采樣文件。其中傳感器1 和傳感器2 拾取到的振動(dòng)信號(hào)分別通過(guò)A 和B 兩個(gè)通道實(shí)時(shí)顯示在振動(dòng)分析儀的界面上，由動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀的頻譜分析功能模塊可得到采集信號(hào)的各種頻譜圖。由于自功率譜密度函數(shù)表示隨機(jī)振動(dòng)的能量按頻率分布的度量[11]，因此，對(duì)拾取到的振動(dòng)信號(hào)采用自功率譜密度函數(shù)進(jìn)行分析，試驗(yàn)分析時(shí)記錄每個(gè)采樣文件的最大自功率譜密度值及其對(duì)應(yīng)的頻率值。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在一次完整走刀的銑削過(guò)程中，A 和B 兩個(gè)通道同時(shí)記錄兩個(gè)不同位置的振動(dòng)信號(hào)，每次走刀可進(jìn)行約10次的有效采樣。圖3給出了轉(zhuǎn)速為500 r·min－1時(shí)，其中一個(gè)采樣文件A、B 兩通道加速度信號(hào)的時(shí)域曲線。表2給出了該轉(zhuǎn)速下的一次完整走刀過(guò)程中A、B 兩通道所采信號(hào)的最大自功率譜密度值ρ，根據(jù)表2繪制最大自功率譜密度值ρ 隨采樣次數(shù)N的變化曲線，如圖4所示。

圖3 某采樣信號(hào)的時(shí)域曲線

表2 n=500 r·min －1時(shí)A、B 兩通道信號(hào)的最大自功率譜密度值ρ 10 －4m2·s －3

圖4 n=500 r·min －1時(shí)工件振動(dòng)最大自功率譜密度值變化曲線

根據(jù)圖4，在一次完整走刀的銑削過(guò)程中，工件振動(dòng)最大自功率譜密度值的變化規(guī)律為:當(dāng)銑刀剛接觸工件時(shí)，其自功率譜密度值最大，隨后迅速減小;待銑刀完全與工件接觸后工件的振動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，其自功率譜密度值的波動(dòng)范圍變小，在接近走刀的中間行程時(shí)自功率譜密度值最小;當(dāng)銑刀即將離開(kāi)工件時(shí)，自功率譜密度值開(kāi)始增大，且趨于進(jìn)入工件時(shí)的自功率譜密度值。在一次完整走刀的過(guò)程中，工件振動(dòng)的最大自譜密度值約是最小值的3倍。

作為對(duì)比，圖5、圖6分別給出了主軸轉(zhuǎn)速為400 r·min－1時(shí)銑刀連續(xù)3次走刀，通道B 自功率譜密度最大值及其對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率隨采樣次數(shù)的變化規(guī)律。圖4中通道B 自功率譜值的平均值為1.491×10－4m2·s－3，而圖5中連續(xù)3次走刀自功率譜值的平均值分別為0.834×10－4、0.817×10－4、0.829×10－4m2·s－3。可知:在其他銑削參數(shù)不變時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速降低，自功率譜值也顯著降低，即工件所受強(qiáng)迫振動(dòng)的能量也明顯減小。

圖5 n=400 r·min －1時(shí)工件振動(dòng)最大自功率譜密度值變化曲線

圖6 n=400 r·min －1工件的振動(dòng)頻率

圖5、圖6中連續(xù)3次走刀自功率譜平均值的變化及頻率的變化都不顯著。雖然在銑削過(guò)程中隨著銑削的進(jìn)行，工件材料減少，工件質(zhì)量減小，但相對(duì)轉(zhuǎn)速而言，這種材料的減小對(duì)工件受迫振動(dòng)的能量及頻率不會(huì)產(chǎn)生太顯著的影響。圖6表明:在轉(zhuǎn)速為400 r·min－1時(shí)，工件在自譜密度最大時(shí)并未出現(xiàn)高頻振動(dòng)，頻率在580 Hz 上下波動(dòng);在最后即將離開(kāi)工件時(shí)，存在著瞬態(tài)沖擊，頻率有所提高。此次試驗(yàn)表明:轉(zhuǎn)速為400 r·min－1時(shí)產(chǎn)生的激振頻率都遠(yuǎn)離了共振區(qū)，與固有頻率相差甚遠(yuǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于工件在數(shù)控銑削過(guò)程中的振動(dòng)測(cè)試，得到了工件振動(dòng)響應(yīng)的時(shí)域及頻率曲線。研究表明:

(1)在一次完整走刀的銑削過(guò)程中，工件振動(dòng)的自功率譜密度呈現(xiàn)一定的變化趨勢(shì)，最小值一般出現(xiàn)在銑削穩(wěn)定時(shí)走刀行程的中間位置;

(2)隨著轉(zhuǎn)速的降低，工件振動(dòng)的最大自功率譜密度值明顯減小;

(3)連續(xù)走刀時(shí)工件材料的減少對(duì)其受迫振動(dòng)的能量及頻率的影響不明顯。

【1】潘科峰.淺析數(shù)控銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作原理[J].工業(yè)設(shè)計(jì)，2011(9):131.

【2】區(qū)炳顯，王民，昝濤.機(jī)床振動(dòng)掃頻系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010(12):163－165.

【3】李康舉，劉永賢，馮保忠.多條件數(shù)控銑床切削振動(dòng)控制[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(1):104－108.

【4】高成秀.基于振動(dòng)信號(hào)的數(shù)控銑床刀具破損診斷方法[J].蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2004(3):16－18.

【5】劉穩(wěn)善，惠記莊，張?zhí)烀?銑床振動(dòng)和噪聲測(cè)試[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，24(6):80－83.

【6】劉業(yè)顏，鄭文.數(shù)控機(jī)床振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究及應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù)，2010(2):23－25.

【7】金青，潘雪濤，申陽(yáng)，等.基于Data Socket技術(shù)的遠(yuǎn)程振動(dòng)虛擬測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工況自動(dòng)化，2008(5):40－43.

【8】趙華.虛擬儀器在機(jī)械振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].煤炭機(jī)械，2012，33(1):17－20.

【9】唐一科，蔣劉義，陳國(guó)聰.機(jī)床振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，13(2):113－116.

【10】李強(qiáng)，姚紅兵.基于LabVIEW的振動(dòng)虛擬測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].儀器儀表用戶，2009 (3):12－13.

【11】熊詩(shī)波，黃長(zhǎng)藝.機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.