精密數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件低速振動(dòng)的診斷與改善*＊

姚 瑤 秦建宏

(陜西秦川發(fā)展技術(shù)研究院，陜西 寶雞 721009)

新研發(fā)的一款精密數(shù)控機(jī)床在裝配車間調(diào)試結(jié)束后，對各伺服軸進(jìn)給速度做空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)了以下狀況:

(1)機(jī)床X 軸(工作臺面進(jìn)給軸)在進(jìn)給速度為300～600 mm/min 時(shí)，工作臺出現(xiàn)明顯振動(dòng)，在400 mm/min速度下，振幅最大。X 軸空運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)給速度最大8 000 mm/min。在300 mm/min 以下和600 mm/min 以上試驗(yàn)，工作臺運(yùn)行靈活平穩(wěn)，無異常現(xiàn)象。

(2)機(jī)床Y 軸(主軸溜板進(jìn)給軸)在進(jìn)給速度為300～600 mm/min 時(shí)，主軸溜板出現(xiàn)明顯振動(dòng)，在500 mm/min 速度下，振幅最大。Y 軸空運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)給速度最大為8 000 mm/min。在300 mm/min 以下和600 mm/min以上做試驗(yàn)，溜板運(yùn)行靈活平穩(wěn)，無異?，F(xiàn)象。

(3)機(jī)床Z 軸(主軸進(jìn)給軸)在進(jìn)給速度為200～400 mm/min 時(shí)，出現(xiàn)明顯振動(dòng);在300 mm/min 速度下，振幅最大。Z 軸空運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)給速度最大為6 000 mm/min。在200 mm/min 以下和400 mm/min 以上做變換試驗(yàn)，機(jī)床主軸溜板運(yùn)行靈活平穩(wěn)，無異常現(xiàn)象。

機(jī)床在工作時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)是不可避免的。但當(dāng)機(jī)床振動(dòng)產(chǎn)生的振幅超出了允許的范圍，將會影響加工精度，降級機(jī)床品質(zhì)。

機(jī)床在空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)工作部件出現(xiàn)振動(dòng)，有可能是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)存在故障，亦可能是電氣控制系統(tǒng)存在不良因素，還可能是機(jī)械部分與電氣部分的綜合原因。由于機(jī)床的幾何精度測量滿足設(shè)計(jì)要求，且各軸的工作部件在中、高速下變換試驗(yàn)靈活、平穩(wěn)、可靠、快速響應(yīng)良好、定位精度精準(zhǔn)，基本可以排除各軸機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的絲杠、導(dǎo)軌等零件的裝配不良因素，于是故障排除首先主要針對機(jī)床電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行。

仔細(xì)觀察機(jī)床的振動(dòng)，頻率較低，且無異常聲，從現(xiàn)象看與閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定有關(guān)。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)匹配不當(dāng)，將引起機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)振蕩，造成不穩(wěn)定現(xiàn)象。檢查調(diào)試系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定、伺服驅(qū)動(dòng)器的增益、積分時(shí)間等均在合適的范圍。并通過反復(fù)的試驗(yàn)確認(rèn)參數(shù)優(yōu)化不能夠改善振動(dòng)狀態(tài)。

機(jī)械振動(dòng)與進(jìn)給速度有關(guān)系。當(dāng)速度環(huán)出現(xiàn)故障時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件會在某一速度區(qū)域發(fā)生振動(dòng)。從系統(tǒng)給定信號、反饋信號以及速度環(huán)增益等環(huán)節(jié)進(jìn)行檢查優(yōu)化，改善效果不明顯。

電動(dòng)機(jī)異常有可能導(dǎo)致機(jī)床振動(dòng)。但1 臺機(jī)床有3 臺電動(dòng)機(jī)同時(shí)出現(xiàn)故障，故障的表現(xiàn)形式如此一致的現(xiàn)象在調(diào)試機(jī)床過程中少見。課題組分析認(rèn)為，該機(jī)床使用的數(shù)控系統(tǒng)為華中數(shù)控新推出的一款高品質(zhì)數(shù)控系統(tǒng)，無論是數(shù)控系統(tǒng)中的數(shù)控裝置還是伺服驅(qū)動(dòng)單元以及與之匹配的伺服電動(dòng)機(jī)，任一環(huán)節(jié)的不良都會有引起振動(dòng)的可能。同時(shí)，還應(yīng)該考慮到工作部件的剛度和慣量對它的影響。分別單換X 軸驅(qū)動(dòng)單元和X 軸伺服電動(dòng)機(jī)，故障沒有得到明顯改善。

分析產(chǎn)生振動(dòng)的原因和采取控制振動(dòng)的措施，除了理論分析診斷，直接進(jìn)行測量能夠快速直接地找到問題根源。下面以我們對工作臺的振動(dòng)測量為例介紹。

1 選用測量儀器

(1)INV3020B24 位高性能數(shù)據(jù)采集分析儀，內(nèi)置嵌入式電腦模塊和硬盤存儲，采集通道數(shù)2～56，每通道最高采集頻率2 000 kHz。

(2)數(shù)據(jù)采集和信號處理軟件DASPV10。

(3)INV982 系列加速度傳感器及顯示器與鍵盤。

2 測量方案設(shè)計(jì)

(1)測量X 軸工作臺空運(yùn)轉(zhuǎn)下的振動(dòng)信號

以機(jī)床空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)作為激勵(lì)，將加速度傳感器分別布置在X 軸傳動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，即工作臺面(X、Y、Z 這3 個(gè)方向)、床身導(dǎo)軌、電動(dòng)機(jī)殼體、絲杠螺母處，然后采集空運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下各點(diǎn)的振動(dòng)參數(shù)，通過軟件分析各測量點(diǎn)的振動(dòng)信號，獲得工作臺關(guān)鍵部位的振動(dòng)態(tài)勢及振動(dòng)頻率。

(2)測量電動(dòng)機(jī)單獨(dú)空運(yùn)轉(zhuǎn)的振動(dòng)信號

將電動(dòng)機(jī)與絲杠的連接脫開，電動(dòng)機(jī)置于地面。將加速度傳感器布置在電動(dòng)機(jī)殼體上，空運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)(電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與測試1 的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一致)，檢測電動(dòng)機(jī)完全單獨(dú)下的振動(dòng)信號，獲得振動(dòng)頻率。

(3)利用錘擊法測試機(jī)床X 軸工作部件的固有頻率

對于機(jī)床的工作臺，機(jī)械傳動(dòng)裝置的剛度和慣量決定它的固有頻率。力錘敲擊X 軸工作臺面，產(chǎn)生脈沖力信號，利用采集到的X 軸振動(dòng)信號，獲得其傳遞函數(shù)，從而獲得X 軸工作臺機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率。

3 確定分析頻率和測試速度

一般機(jī)床的振動(dòng)頻率分布在1 000 Hz 以下，因此，只需要將分析頻率設(shè)置到1 000 Hz 即可滿足測試要求。采用時(shí)頻分析法對機(jī)床檢測信號進(jìn)行處理分析。

機(jī)床X 軸的進(jìn)給速度范圍為0～8 000 mm/min，振動(dòng)發(fā)生速度在300～600 mm/min 范圍。因此選擇測試速度為0～1 200 mm/min，速度間隔為100 mm/min，在X軸全行程上來回進(jìn)行測試。

4 振動(dòng)測試結(jié)果分析

圖1 的1～8 通道分別對應(yīng)機(jī)床工作臺(X/Y/Z方向)、絲杠螺母Z 向、電動(dòng)機(jī)座連接法蘭Z 向、導(dǎo)軌X0 和X1200 處Z 向以及電動(dòng)機(jī)殼體Z 向時(shí)域振動(dòng)信號。0～150 s 為機(jī)床完全靜止時(shí)的振動(dòng)信號，150～475 s 為機(jī)床X 軸檢測的所有速度檔信號。從圖中可以看出，260～280 s 時(shí)間段內(nèi)機(jī)床振動(dòng)量最大，所對應(yīng)的X 軸進(jìn)給速度約為400 mm/min。從時(shí)域振動(dòng)信號可知，機(jī)床工作臺在全行程內(nèi)的振動(dòng)情況平穩(wěn)，無突變值，顯示機(jī)床導(dǎo)軌、絲杠等機(jī)械零件的裝配狀態(tài)良好。由得到的頻譜結(jié)果顯示，工作臺的振動(dòng)主頻為100 Hz，次要頻率成分為200 Hz、300 Hz、400 Hz、600 Hz。

圖2 為電動(dòng)機(jī)單獨(dú)置于地面所有速度檔下測試的振動(dòng)頻譜圖。由圖可知，電動(dòng)機(jī)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)主頻為400 Hz，次要頻率成分為100 Hz、200 Hz、300 Hz、500 Hz、600 Hz、700 Hz、800 Hz 以及900 Hz，在400～500 Hz 頻段具有較豐富的頻率成分。并且與工作臺進(jìn)給系統(tǒng)有相同的振動(dòng)頻率成分。

圖3 為機(jī)床X 軸固有頻率測試結(jié)果。機(jī)床工作臺機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率為100 Hz，結(jié)合上面的測試結(jié)果可知，數(shù)控裝置+驅(qū)動(dòng)裝置也存在1 個(gè)100 Hz 的振動(dòng)激勵(lì)，機(jī)床工作臺在100 Hz 處，出現(xiàn)由數(shù)控系統(tǒng)誘發(fā)的共振現(xiàn)象.

綜上所述，機(jī)床X 軸工作臺空運(yùn)轉(zhuǎn)和電動(dòng)機(jī)不帶負(fù)載獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，在檢測的所有速度檔下二者的振動(dòng)頻率成分相同，因此完全可以確定驅(qū)動(dòng)裝置和數(shù)控裝置是引起機(jī)床工作臺振動(dòng)的主要誘發(fā)因素。

為了更有效地采取控制振動(dòng)的措施，現(xiàn)場找到一臺能夠與華中驅(qū)動(dòng)器匹配的西門子伺服電動(dòng)機(jī)，將電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)單元連接，電動(dòng)機(jī)置于地面，檢測所有速度檔下的西門子電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)信號。

圖4 為華中數(shù)控系統(tǒng)+西門子電動(dòng)機(jī)所有速度檔的頻譜圖。由圖可知，測試單元在1 370 Hz 幅值最大。其不同速度下對應(yīng)不同的頻率，基本呈線性增長關(guān)系。主要頻率成分有135 Hz、205 Hz、275 Hz、340 Hz、510 Hz、685 Hz、1 000 Hz，這些頻率成分與機(jī)床X軸機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率不相同，將不會有振動(dòng)激勵(lì)存在。也不會引起振動(dòng)現(xiàn)象，因此基本可以確認(rèn)數(shù)控裝置和驅(qū)動(dòng)單元是可靠的，而伺服電動(dòng)機(jī)是機(jī)床工作臺進(jìn)給系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)的誘因。

5 結(jié)論驗(yàn)證

為了驗(yàn)證檢測結(jié)論，將電動(dòng)機(jī)座改制成與西門子電動(dòng)機(jī)匹配的電動(dòng)機(jī)座，將電動(dòng)機(jī)與絲杠連接，對工作臺面進(jìn)給系統(tǒng)的振動(dòng)做了再次測量。機(jī)床的振動(dòng)加速度均小于華中數(shù)控電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)時(shí)的振動(dòng)加速度，最大值僅為0.17 m/s2，并且為高頻振動(dòng)(1 010 Hz)。在低頻段0～300 Hz 的振動(dòng)加速度值更小為0.009 m/s2。振動(dòng)的主要頻率成分基本和西門子電動(dòng)機(jī)空載時(shí)相同，分別是135 Hz、205 Hz、275 Hz、340 Hz，有效地避開了臺面機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率。因此機(jī)床臺面在測試的所有速度檔運(yùn)行非常平穩(wěn)、靈活、完全滿足了設(shè)計(jì)要求。

其他兩軸的測量結(jié)果同樣驗(yàn)證了華中電動(dòng)機(jī)在空載時(shí)存在豐富的低頻振動(dòng)頻率，有與工作部件的固有頻率相同的頻率成分。

運(yùn)動(dòng)部件的固有頻率由傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定，電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)諧波頻率主要取決于電動(dòng)機(jī)本體的結(jié)構(gòu)。得益于科技重大專項(xiàng)提供的平臺，能夠使機(jī)床制造廠家與數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家相結(jié)合共同求發(fā)展。在調(diào)試診斷故障的過程中，得到數(shù)控系統(tǒng)廠家的熱情協(xié)助，這種可靠性試驗(yàn)結(jié)果是雙方新產(chǎn)品開發(fā)、應(yīng)用及改進(jìn)發(fā)展的寶貴經(jīng)驗(yàn)。華中數(shù)控針對電動(dòng)機(jī)測試結(jié)果采取了及時(shí)有效的改進(jìn)措施，新電動(dòng)機(jī)使用在機(jī)床上后各軸在相同條件下做速度變換試驗(yàn)，速度變換非常靈活、平穩(wěn)、可靠，完全滿足了使用要求。