机床主轴振动测试分析

赵晓龙

摘 要：工业制造能力代表着一个国家的发展实力，尤其是以高精度机床为代表的高端机床设备更是一个国家工业实力的集中体现.随着我国经济和工业实力的不断增强对于机床设备尤其是高端机床设备的需求在不断地增加，积极做好各类高端机床设备的研发和制造对于保障我国经济的健康稳定发展有着极为重要的意义。机床设备是由众多部分所组成的复杂系统，在各子系统中主轴作为其中的关键部分其运行的稳定性直接影响着机床的加工精度、加工效率以及机床设备的使用寿命等。为确保机床的出厂质量需要积极做好机床主轴的机械测试，通过机械测试对机床主轴的运行情况进行分析与调整，确保机床能够最大限度的发挥其功用。

关键词：机床主轴；振动；机械测试

中图分类号：TH165 文献标志码：A

0 前言

机床主轴是机床设备中极为关键的部分，其能够稳定工作，直接影响着机床的加工精度和加工的可靠性。通过对机床主轴做好机械测试用以记录分析机床主轴运行过程中所产生的振动，振动内涵丰富其蕴含着丰富的故障信息。在机床主轴运行的过程中如存在问题将会直接或是间接的通过机床主轴振动所显现出来。为确保机床主轴的制造质量需要积极做好机床主轴的机械测试。本文在分析机床主轴振动特点的基础上对如何做好机床主轴的机械振动测试进行分析阐述。

1 数控機床主轴所产生的振动

机床主轴在工作中需要进行高速回转，而在这一高速回转过程中所产生的振动信号将会表现出许多的信息。机床主轴在高速回转过程中如机床主轴的主轴轴承或是齿轮发生轻微的跳动或是故障都会对机床主轴的回转精度产生极大的影响，机床主轴精度出现误差将会导致所加工出来的零部件误差进一步加大。为确保机床主轴回转精度需要积极做好对于机床主轴振动的机械测试。通过对机床主轴的振动的运动特性进行分析用以判断机床主轴运动是否正常。影响机床主轴运动特性的主要零部件有：机床主轴轴承、齿轮、滚珠丝杠以及导轨等。各零部件之间相互作用相互配合共同保障机床主轴安全、高效的运行。根据机床主轴运动时所产生的振动可以对机床主轴的运行情况进行判断。

以机床主轴轴承为例，机床主轴轴承所出现的故障主要为磨损、润滑不良、轴承超载和锈蚀等所引起的机床主轴轴承工作面的疲劳剥落、压痕、锈蚀、胶合和断裂等的机床主轴轴承表面损伤。机床主轴运行时电机转子不平衡、不对中、轴弯曲和松动等都会产生较为明显的机械振动图线。机床主轴如存在问题同机械检测所检测出的机床主轴运动振动曲线将会有较为明显的显示。

此外，由于机床主轴振动所显示振动频率主要集中在几个频段内，而不同的故障区域将会显示出不同的振动频谱线。机床主轴由于需要高速回转，由于机床主轴故障所导致的振动属于高频振动，一般振动频率范围要大于1kHz，而机床主轴转子类故障所引起的振动谱线则属于低频振动，其振动频率集中在工频5倍以内。机床主轴由齿轮所引起的故障振动其属于中频振动，其频率范围主要集中在1kHz左右。

2 机床主轴振动测试

做好机床主轴振动的测试首先需要做好振动传感器的选取用以保障机床主轴测试的精度。现今能应用于振动测试的传感器种类繁多，如压电式传感器、电涡流式传感器、电容式传感器等。各种传感器有其应用的范围和精度，机床主轴振动测试选用传感器的原则是需要选用测试精度高、受干扰影响小。压电式振动测试传感器与其他类型的传感器相比具有体积小、重量轻、响应速度快和频带宽等的特点。压电式振动测试传感器在对机床主轴振动进行测试时能够对从低频到高频的振动频带进行宽频测试。

此外，在应用压电式振动测试传感器进行振动检测时能够检测到极为细微的机床主轴回转振动量，能够在各种复杂工况下进行振动测试。压电式振动测试传感器属于接触式振动传感器，压电式振动测试传感器主要依靠压电元件来进行振动检测，由于压电元件是高阻抗、小功率的元件，在外界产生的高振动噪声的环境下（如声场、电源和接地回路噪声等）极易受到影响。电涡流式传感器与压电式传感器不同，其属于非接触式振动传感器，电涡流式传感器是一种将机械位移或是振动幅度转换为电信号的非电量电测装置，由于采用非接触形式其能够有效的增强其抗干扰性。通过比较为获得高精度的机床主轴运动振动测试数据选用电涡流式传感器来对机床主轴的振动信号进行采集。为确保机床主轴振动测试的精度需要选择合适的位置进行安装。电涡流式传感器安装时要遵循以下两个原则：

（1）电涡流式传感器的安装位置应当尽量避开各阶模态的节点和节线位置，从而使得测试点能够激起尽可能多的模态。

（2）各安装点需要具有清晰的检测信号，且各检测信号需要具有良好的信噪比。尤其是对于机床主轴这类进行回转运动的设备，机床主轴在运动时其振动主要集中在径向方向，因此在机床主轴振动测试传感器的安装主要集中在X/Y两个方向。两传感器的安装呈直角。为避免机床主轴振动检测时机床床身对检测精度造成影响，需要将传感器与机床床身分开固定，提高测试精度。

在对机床主轴振动进行测试时，可以采用多种测试方法。根据各种参数的测量方法和测量过程的物理性质的不同主要分为机械式、光学和电测3种不同的方法。在上述振动测试方法中电测法是应用最多同时也是应用最为广泛的一种测试方法。电测法通过使用传感器将机床主轴运动时所产生的振动转换为电信号，通过对所转换成的电信号进行降噪、放大和显示、记录实现对于机床主轴振动的定量测试。在以电涡流传感器为主的机床主轴振动检测系统中，电涡流传感器将机床主轴运动时所产生的振动转换为电信号。电涡流传感器所产生的电信号需要经放大、滤波用于后期的分析。通过对电涡流传感器所产生的电信号进行分析、记录和显示。

某机床主轴的振动测试如下：通过对机床主轴在空载和切削两种工况条件下的振动情况进行测试。测试过程中按照500r/min、1000 r/min、1500 r/min的转速对主轴振动情况进行测试。通过对测试信号曲线进行分析来判断机床主轴运动时的振动情况。为确保机床主轴振动测试的精度需要对信噪比较低的检测信号进行降噪处理。在实际的工程检测中，通过对检测信号的噪声进行抑制提取信噪比较低振动信号中的真实振动信号。采用小波分析理论能够有效地降低噪声信号对机床主轴振动测试信号的干扰。通过与原始信号进行对比，小波分析探测到正常信号中夹带的瞬态反常现象并展示其成分，并利用小波进行信号的消噪处理可以很好地保留可用信号中的尖峰和突变部分，实现低信噪比信号中的真实信号与噪声信号的分离，最大限度的降低噪声信号对机床主轴振动测试精度所造成的干扰。

结语

机床主轴振动对于机床的加工精度有着极为重要的影响。为提高机床的加工精度需要通积极做好机床主轴振动测试与信号分析，根据振动曲线来查找机床主轴振动的故障点，从而采取针对性的措施予以解决。本文在分析机床主轴振动测试特点的基础上对如何做好机床主轴振动测试进行了分析介绍。

参考文献

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