数控磨床振动试验研究

邱 波

（无锡机床股份有限公司 技术中心，江苏 无锡 214061）

0 引言

在工业生产中，由于磨床零件和部件制造加工精度不符合设计要求、回转体本身的不平衡、液压系统中油液的波动、周期切削力等引起磨床结构系统的强迫振动，其激起的磨床部件之间的相对振动幅值将影响加工工件的精度，如圆度、表面粗糙度等。磨床系统的绝对振动幅值通常是大于砂轮和工件之间的相对振幅的，虽然这不会严重影响加工精度，但是当绝对振幅较大时，会引起用户的不安，产生不安全感，从而影响磨床的销售。因此，磨床振动的研究应该建立在对实际磨床进行试验和测量的基础上，发现其中的振动特征，找出规律，为机床优化设计提供依据。

本公司进行磨床振动试验主要有两方面的目的：①拾取振动幅频谱图，以便于进行频谱分析；②获取机床振动瀑布图，分析磨头主轴最佳磨削转速。

1 试验设备的选用

本公司使用的振动试验设备是比利时LMS公司生产的Test．Lab振动噪声测量分析系统，其中，Spectral Testing是专门设计用来进行振动谱分析的软件模块，Signature Testing信号特征测试分析模块可以实时监控、采集所有转速下的频谱曲线，配上丹麦BK公司的速度传感器及转速信号传感器，使得试验效率大幅提高。

2 试验方法及谱分析

磨床振动试验主要有两项内容：①空运转振动试验；②机床磨削状态振动试验。普通机床的主轴、电动机等主要回转体经过动平衡后，其绝对振动的幅值会很小而不足以影响精度，可以不必考虑空运转的绝对振动。但由于磨床的精密性，其刀具为磨削砂轮，而砂轮存在一个动态平衡问题，该因素对磨床振动是非常敏感的。此外，空运转绝对振动的频谱分析有助于分析引起振动的原因。

2．1 整机空运转试验

整机空运转的试验目的是为了弄清机床内部存在的强迫振动振源的状况，即强迫振动的振源可能在哪些环节，它们对加工表面振纹的影响是怎样的。首先，分别开动机床上各电机，测量工件与砂轮之间的相对振动和各部件的绝对振动的振动幅值，拾取幅频曲线。

如图1所示，当机床振动系统在一倍频64Hz处出现最大振动峰值68．6×10－6m／s时，一定是由于磨床砂轮旋转不平衡的惯性力和机械传动过程中的干扰力所引起。在早期的机床振动研究中，振幅值一般选取位移值，单位为μm，这样虽然比较直观，但不能正确反映机床振动的激烈程度。通常在做试验时，我们更关心机床振动的激烈程度，即机床振动烈度，该参数能够完全反映出机床振动的状态。振动烈度的单位为m／s，是一个速度单位。虽然通过数学微积分，用软件的方法可以在各单位之间转换，但经过实际检验，软件计算方法产生的误差远远大于硬件计算方法，因此，现代振动试验中通常选用速度传感器就是这个原因。

2．2 切削试验

切削试验是检查机床实际工作的性能，此时强迫振动与自激振动同时存在，因此，要从这两个方面进行试验分析：①对于强迫振动，可以根据加工表面的振痕频率分析机床中的振源，也可以采用不同的切削条件来改变激振力大小以测定机床的抗振能力；②对于自激振动，可以测出自激振动的频率，并可以求出开始起振时的临界磨削参数。

图1 磨头X方向振动谱图

2．2．1 受迫振动振源分析

工件表面的振纹频率f（Hz）为：

其中：z为振纹数目；n为工件转速。

根据圆度仪测得的振纹数目可以计算出振纹频率，该振纹频率与实际磨削时测得的最大振幅值所对应的频率是一致的。此频率也出现在空运转状态的幅频谱图上。

2．2．2 自激振动频率的判断

磨削时两类振动同时存在，为求自振频率，应减少强迫振动的干扰。自激振动的产生一般是根据特有的噪声、振幅的剧烈上升和工件表面出现的振痕来判断的。自激振动的频率与振动系统某一阶的固有频率接近，与外界振源无关，如果改变磨削量，其振动频率不会发生变化。

通过分析机床振动频谱图，了解了机床在某一转速下的振动状态。为了了解砂轮主轴的振动情况，我们在原有频谱图的基础上增加了一个新的维度，即速度轴。这样，就形成了振动瀑布图，如图2所示。通过提取一阶频率下转速与振幅的关系曲线，得到图3。经分析可知，砂轮主轴在1 462r／min具有较小的振动烈度，有良好的磨削效果。

瀑布图为我们提供了一个印证频谱图的手段。通过对瀑布图横切，获得了这一转速下的频谱图，这与谱分析得到的结果互相印证，增加了数据分析的可靠性。

3 减小振动的方法

3．1 振动的隔离

隔振有两种方法，主动隔振是防止机床的振动传给地基；被动隔振是防止振动由地基传给机床。主动隔振其力学模型相当于直接激振。

设振动产生的位移为：

x＝Acos（ωt－φ）。

图2 磨头X方向振动瀑布图

图3 磨头一阶转速振幅关系图

运动微分方程为：

mx″＋cx′＋kx＝Fcosωt。

作用在弹性基础上的力是弹性力和阻尼力之和，即：

被动隔振是干扰力作用在地基上，相当于基点激

当频率比振。为使机床启动时共振峰不至过高，一般设置较大的阻尼比ζ＝0．5～0．8。

3．2 用减振器减少振动

在机床上通过加装弹簧阻尼吸振器，可使运动部件振幅减小50%。

3．3 改善机床部件的制造和装配质量以提高阻尼系数

材料结构内的阻尼是很小的，内圆磨床装上滑板、车头、磨头后与单独床身比，阻尼一般会增加7倍～8倍；适当减小主轴间隙也可以提高系统刚性，因此，砂轮主轴装配时要采用合适的间隙值，砂轮主轴轴承间隙减小0．03mm，振幅将相应降低70%，系统阻尼则会增加70%。

4 小结

通过深入了解机床的振动特性，掌握各转速下系统振动的细节，使用多种手段获得振动频谱图，增加数据可靠性，从而使我们能够更好地控制机床振动，减小振动对工件加工质量的影响，提升磨床品质，为国产磨床进入国际先进磨床行列提供强有力的技术支持。

［1］ 李舜酩，李香莲．振动信号的现代分析技术与应用［M］．北京：国防工业出版社，2008．

［2］ 闻邦椿，刘树英，陈照波．机械振动理论及应用［M］．北京：高等教育出版社，2009．

［3］ 张立彬，蒋帆，王扬渝，等．基于 LMS Test．Lab的小型农业作业机振动测试与分析［J］．农业工程学报，2008（5）：100－104．

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