趙曉龍

摘 要：工業(yè)制造能力代表著一個(gè)國家的發(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)國家工業(yè)實(shí)力的集中體現(xiàn).隨著我國經(jīng)濟(jì)和工業(yè)實(shí)力的不斷增強(qiáng)對于機(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)和制造對于保障我國經(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)械測試，通過機(jī)械測試對機(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)械測試

中圖分類號：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。通過對機(jī)床主軸做好機(jī)械測試用以記錄分析機(jī)床主軸運(yùn)行過程中所產(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)行的過程中如存在問題將會直接或是間接的通過機(jī)床主軸振動(dòng)所顯現(xiàn)出來。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)械測試。本文在分析機(jī)床主軸振動(dòng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上對如何做好機(jī)床主軸的機(jī)械振動(dòng)測試進(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)過程中所產(chǎn)生的振動(dòng)信號將會表現(xiàn)出許多的信息。機(jī)床主軸在高速回轉(zhuǎn)過程中如機(jī)床主軸的主軸軸承或是齒輪發(fā)生輕微的跳動(dòng)或是故障都會對機(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)誤差將會導(dǎo)致所加工出來的零部件誤差進(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于機(jī)床主軸振動(dòng)的機(jī)械測試。通過對機(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、不對中、軸彎曲和松動(dòng)等都會產(chǎn)生較為明顯的機(jī)械振動(dòng)圖線。機(jī)床主軸如存在問題同機(jī)械檢測所檢測出的機(jī)床主軸運(yùn)動(dòng)振動(dòng)曲線將會有較為明顯的顯示。

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)@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)測試

做好機(jī)床主軸振動(dòng)的測試首先需要做好振動(dòng)傳感器的選取用以保障機(jī)床主軸測試的精度。現(xiàn)今能應(yīng)用于振動(dòng)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(yīng)用的范圍和精度，機(jī)床主軸振動(dòng)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(dòng)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(yīng)速度快和頻帶寬等的特點(diǎn)。壓電式振動(dòng)測試傳感器在對機(jī)床主軸振動(dòng)進(jìn)行測試時(shí)能夠?qū)牡皖l到高頻的振動(dòng)頻帶進(jìn)行寬頻測試。

此外，在應(yīng)用壓電式振動(dòng)測試傳感器進(jìn)行振動(dòng)檢測時(shí)能夠檢測到極為細(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)測試。壓電式振動(dòng)測試傳感器屬于接觸式振動(dòng)傳感器，壓電式振動(dòng)測試傳感器主要依靠壓電元件來進(jìn)行振動(dòng)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(dòng)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(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(qiáng)其抗干擾性。通過比較為獲得高精度的機(jī)床主軸運(yùn)動(dòng)振動(dòng)測試數(shù)據(jù)選用電渦流式傳感器來對機(jī)床主軸的振動(dòng)信號進(jìn)行采集。為確保機(jī)床主軸振動(dòng)測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信號，且各檢測信號需要具有良好的信噪比。尤其是對于機(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)檢測時(shí)機(jī)床床身對檢測精度造成影響，需要將傳感器與機(jī)床床身分開固定，提高測試精度。

在對機(jī)床主軸振動(dòng)進(jìn)行測試時(shí)，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(zhì)的不同主要分為機(jī)械式、光學(xué)和電測3種不同的方法。在上述振動(dòng)測試方法中電測法是應(yīng)用最多同時(shí)也是應(yīng)用最為廣泛的一種測試方法。電測法通過使用傳感器將機(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，通過對所轉(zhuǎn)換成的電信號進(jìn)行降噪、放大和顯示、記錄實(shí)現(xiàn)對于機(jī)床主軸振動(dòng)的定量測試。在以電渦流傳感器為主的機(jī)床主軸振動(dòng)檢測系統(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。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(jìn)行分析、記錄和顯示。

某機(jī)床主軸的振動(dòng)測試如下：通過對機(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)行測試。測試過程中按照500r/min、1000 r/min、1500 r/min的轉(zhuǎn)速對主軸振動(dòng)情況進(jìn)行測試。通過對測試信號曲線進(jìn)行分析來判斷機(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)測試的精度需要對信噪比較低的檢測信號進(jìn)行降噪處理。在實(shí)際的工程檢測中，通過對檢測信號的噪聲進(jìn)行抑制提取信噪比較低振動(dòng)信號中的真實(shí)振動(dòng)信號。采用小波分析理論能夠有效地降低噪聲信號對機(jī)床主軸振動(dòng)測試信號的干擾。通過與原始信號進(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)低信噪比信號中的真實(shí)信號與噪聲信號的分離，最大限度的降低噪聲信號對機(jī)床主軸振動(dòng)測試精度所造成的干擾。

結(jié)語

機(jī)床主軸振動(dòng)對于機(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)測試與信號分析，根據(jù)振動(dòng)曲線來查找機(jī)床主軸振動(dòng)的故障點(diǎn)，從而采取針對性的措施予以解決。本文在分析機(jī)床主軸振動(dòng)測試特點(diǎn)的基礎(chǔ)上對如何做好機(jī)床主軸振動(dòng)測試進(jìn)行了分析介紹。

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