某型号电主轴性能测试实验研究*

魏效玲，时玉冰，李 勇

（河北工程大学机电工程学院，河北邯郸 056038）

某型号电主轴性能测试实验研究*

魏效玲，时玉冰，李 勇

（河北工程大学机电工程学院，河北邯郸 056038）

为了掌握某型号电主轴系统的性能及进一步研究和改善电主轴系统，文章以该型号电主轴系统为研究对象，提出了新型快捷的测试方法，即分别采用锤击法、电测法和多点测温法对其进行模态、振动和温升测试，得到了电主轴系统的共振频率和固有频率、振动变化规律和温度分布变化规律。通过得到的实验数据发现：电主轴在空载、低速工况下振动较大，在加速过程中频率较低时变化较大，在高速段时径向振动幅值随着电机转速的提高而增大；电主轴可以有效的避开共振区；随着电主轴运行速度的提升，机体外壳三个测量处的温度也升高，但变化率下降；中部定子处机体温升最高。

电主轴；性能；实验研究

0 引言

电主轴系统是高速数控机床的核心功能部件，国内外对其进行了大量的实验研究。2008年孟杰对高速电主轴作了动力学分析与实验研究；2008年张珂等做了陶瓷轴承电主轴的模态分析及其动态性能的实验研究；2011年王明威进行了HMC80加工中心电主轴单元实验平台设计与试验研究；2013年李超进行了高速铣削电主轴动态热态特性分析及实验研究。

为了掌握某型号高速电主轴的性能，即模态分析、谐响应分析和热分析，及进一步研究和改善电主轴系统。本文提出了新型快捷的测试方法，采用加速度传感器、动态频谱分析仪、涡流传感器、信号采集器、计算机、红外测温仪等装置进行实验数据的采集和再处理，利用锤击法、电测法、多点测温法分别对电主轴进行模态测试、振动测试及温升测试。

1 模态测试实验

1.1 实验原理

本文以某型号电主轴为实验对象，此型号主轴最高转速为22000r/min，额定功率为21kW。模态测试实验使用的是锤击法，用响应力锤锤击电主轴轴芯前端面，通过频谱分析仪分析采集并处理速度振动响应信号，实验原理图如图1所示。

图1 模态测试实验原理图

如图1所示，电主轴前端安装有加速度传感器，振动加速度信号和主轴前端响应力锤的力信号通过放大器放大后传入动态频谱分析仪，由A/D转换成数字信号后，再经计算机读取并进行数字信号分析。将转化后的数据导入ME′scopeVES软件进行模态参数识别，实验采用单点激励-多点响应方法，最终得出电主轴的频率响应曲线图和各阶模态固有频率。实验操作如图2所示。

图2 实验操作

1.2 实验结果分析

本文取不同的锤击力，实验频率设置范围为0Hz至5000Hz，得到电主轴前端的径向位移对频率的响应曲线图如图3所示。

图3 响应位移曲线

如图3所示，在不同锤击力下的两条响应曲线都在频率2900Hz左右出现峰值，产生共振，电主轴的刚度明显下降，通过ME′scopeVES软件进行模态参数识别，发现在4400Hz左右也出现了一个较高的峰值。实验获得的电主轴单元一阶和二阶模态固有频率分别为3014Hz、4652Hz。

2 动态振动测试

电主轴高速运转时，其自身结构特点和外载荷的变化会导致运行状态发生变化，极小的动不平衡就可能使离心力的作用改变电主轴的平衡状态，进而影响电主轴的运行刚度和精度。因此，必须保证电主轴在极限频率下运行时，加工精度控制在允许范围内，本文对电主轴做动态振动测试，通过测试分析主轴在非切削状态下的振动量，反应振动量的物理量有位移、速度和加速度。电主轴振动的影响因素如图4所示。

图4 电主轴振动的影响因素

2.1 测试方法

对于高速旋转机械的振动测试，可以分为以下几种；机械式测量方法、电测方法、光学式测量方法。而电测法具有测量精度高、测量范围大、对环境要求低等优点，其主要是将动态机械振动量转换为易于测量和处理的电信号参数。具体测量过程为；将待测振动量转换成电信号，由传感器传输到模拟信号采集器，再由A/D转换器在计算机上显示放大信号，得到瞬态响应曲线。

本文动态振动测试实验研究的测试方法选用电测法，首先制造一个与此类型号电主轴匹配的标准工装，为达到高精度的要求，工装需要较高的同心度，然后定位电涡流传感器与电主轴轴芯圆心在同一水平直线上，探头中心线与轴心线正交，利用模拟信号采集器调整电涡流传感器端面与轴芯表面的距离，保持距离在允许测量的范围内，即在10μm～50μm之间，调整好距离后将电涡流传感器固定在工装上，缓慢旋转轴芯，同时观察模拟信号采集器数值变化，轻轻擦拭旋转轴芯表面，直到轴芯旋转一周的读数变化小于仪器的灵敏度为止。

电主轴的动态振动测试实验原理如图5所示，采用相对位移法，测试电主轴前端回转面，通过电涡流传感器和信号采集器采集并处理分析信号，经A/D数据采集卡输入计算机生成响应频谱图。

图5 动态振动实验原理图

2.2 测试结果分析

实验中，在空载条件下，通过控制变频器逐渐提高电主轴转速，变频器设置频率分别为300Hz、500Hz、700Hz，每个转速段待主轴运行15min平稳后，利用电涡流传感器对主轴前端面的振动偏摆径向位移量进行测量，信号采集处理仪器采集数据，通过A/D数据采集卡进行转换处理，采样频率为1800Hz，输入电压为12V，每个转速段截取100个点得到振动位移幅值曲线，如图6、图7、图8所示。

图6 10000r/m in的振动幅值曲线

图7 16000r/m in的振动幅值曲线

图8 22000r/m in的振动幅值曲线

表1 实验获得振动量数据

图6、图7、图8分别为电轴在10000r/min、16000 r/min、22000r/min空载转速下振动测试的幅值时域图，实验获得主轴前端径向振动量如表1所示。

实验数据表明，电主轴在10000r/min时，即电主轴在空载、低速工况下振动较大，产生这一现象的主要原因是电主轴在低速时，角接触陶瓷球轴承间隙大，因此刚度波动大，从而导致电主轴振动加大；在电主轴加速过程中，通过振动幅值曲线可以看出，频率较低时变化反而较大，说明电主轴加速过程中的振动主要是电磁振动；电主轴在高速段时，电主轴径向振动幅值随着电机转速的提高而增大，这是因为电主轴系统不可能完全平衡，随电机转速的提高，离心力会增大，导致电主轴径向分量同时增加，因此电主轴在22000r/min时振动最强烈；从以上三种转速下的振动幅值曲线可看出，随着电主轴转速的增加，振动位移变化量增加，但振动幅值变化不大，均保持在1.90μm附近，电主轴可以有效的避开共振区，较好的保证加工精度。

3 电主轴温升实验研究

电主轴高速运行时，角接触陶瓷球轴承内部由于摩擦产生大量热，导致轴承温度升高，而较大的温升会影响电主轴的工作精度，电主轴的温升测量一般是用温度计直接测量电主轴壳体外的温度。本实验以某型号高速电主轴为对象，测量不同转速下机体的表面温度，对采集的实验数据进行分析，得到不同参数对电主轴温升的影响，得出电主轴热态性能的变化规律。在电主轴以不同转速运行状态下进行温升实验，对采集到的测试结果进行分析，得到电主轴系统的温度分布图，掌握瞬态下电主轴系统关键部件的温度变化规律。

3.1 实验设备和测试方法

对高速电主轴机体外壳的温升情况进行详细测量。本实验选用高速电主轴的最高转速为22000rpm。具体测量点分布在电主轴机体外壳前端轴承处、中部定转子处、后端轴承处。将已装配完毕的电主轴，按技术要求设计实验条件，冷却水流量为5.5L/min，冷却水压强大于3.5kgf/cm2，进水口温度为18℃，主轴气封气流量为85L/min。由于电主轴在高速运转时会有振动，因此需要保证测量点在电主轴机体外壳上的位置保持恒定，以免受外界因素干扰不能真实地测出壳体温度。将测量探头测量点分别分别放置在机体前端、中部、后端，通过温度表测温仪实时读取温升数据。温度测量点分布如图9所示。

图9 温度测量点分布

在出水口处绑定一个酒精温度计，用来实时观察冷却水套出水温度的变化。由于出水口温度一般在35℃以下，相对于电主轴轴承和壳体的温度而言，出水口温度比较低，所以本实验使用了最小刻度精度较高的温度计进行测量，保证数值的准确度。实验时，将周围环境温度设置为24℃，用变频器调整主轴的转速，在每个转速段运行15min后记录温度数值。

3.2 实验数据处理

经过温度数据的测量和处理，得到的三个测量点温度数据如表2所示。

表2 测量温度数据

根据表2中温度数据绘制出机体前端轴承、中部定转子、后端轴承温升随转速变化曲线图，如图10所示。

由图10可以看出，随着电主轴运行速度的提升，机体外壳三个测量处的温度也升高，但变化率下降，这是因为随着电主轴转速增加，电机定转子和轴承摩擦生热加强，温度升高，由于转速增加，定转子气隙传热和转子与空气的对流换热加强，所以温度变化率下降。中部定子处机体温升最高，前、后轴承处温度相对较低，因为前、后轴承处不仅装有机体冷却装置进行冷却，同时为加强轴承的散热，还设置了轴承座螺旋冷水装置，带走了一部分轴承的产热。

图10 机体温升随转速变化曲线图

4 结论

实验得到了电主轴系统的共振频率和固有频率，同时分析实验数据表明；电主轴在空载、低速工况下振动较大；在加速过程中频率较低时变化较大；在高速段时径向振动幅值随着电机转速的提高而增大；随着电主轴转速的增加，振动位移变化量增加，但振动幅值变化不大，可以有效的避开共振区；随着电主轴运行速度的提升，机体外壳三个测量处的温度也升高，但变化率下降；中部定子处机体温升最高，前、后轴承处温度相对较低。

［1］穆杨，罗平，刘恒，等.车铣复合加工中心电主轴的稳定性分析和实验研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2011（3）；4-5.

［2］汪顺利，丁毓峰，王琳，等.基于LabVIEW的机床主轴振动测量与分析［J］.组合机床与自动化加工技术，2014（2）；32-35.

［3］梁双翼，陈晨，尹辉俊.基于有限元方法的电主轴模态分析［J］.制造业自动化，2012（2）；57-60.

［4］刘水发.高速电主轴热态性能分析［J］.制造业自动化，2011，33（1）；141-144.

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［6］张珂，佟俊，吴玉厚，等.陶瓷轴承电主轴的模态分析及其动态性能实验［J］.沈阳建筑大学学报（自然科学版），2008，24（3）；490-493.

［7］李超.高速铣削电主轴动态热态特性分析及实验研究［D］.哈尔滨；哈尔滨工业大学，2013.

［8］孟杰.高速电主轴动力学分析与实验研究［D］.重庆；重庆大学，2008.

（编辑 李秀敏）

An Experimental Study to Research Performance of a Certain Type Motorized Spindle

WEI Xiao-ling，SHI Yu-bing，LIYong
（School of Electrical and Mechanical Engineering，Hebei University of Engineering，Handan Hebei056038，China）

；In order to grasp the performance of a certain type motorized spindle system and further research and improve the motorized spindle，this paper presents a new rapid testing to experimentally study the type of motorized spindle system，that is to say，through hammering method，electrical measuring method and multi-point temperature measurement method to gain the resonant frequency and inherent frequency，the change of vibration and temperature distribution.The experimental data show that under no-load，low speed working condition the electric spindle has high vibration；however，in the process of acceleration and low frequency，the change of vibration is not small；in the high speed period the radial vibration amplitude increases with the augment of motor speed；with the rotation speed fortify of motorized spindle，the vibration amplitude changes little，which can avoid the resonance effectively；as the motorized spindle speed of ascension，the three temperature measures of shell body also add，but the rate declines；the highest temperature part of the body is the stator.

；motorized spindle；performance；experimental study

TH166；TG659

A

1001-2265（2015）05-0088-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.05.024

2014-09-27；

2014-10-25

国家自然科学基金资助项目（61240050）；河北省自然科学基金资助项目（F2010001047）

魏效玲（1963—），女，山西河津人，河北工程大学教授，硕士，研究方向为机械制造及自动化，（E-mai）1047960064@qq.com；通讯作者；时玉冰（1989—），女，河北河间人，河北工程大学硕士研究生，研究方向为机械制造及自动化，（E-mail）shiyubing327@sina.com。