精密数控机床运动部件低速振动的诊断与改善*＊

姚 瑶 秦建宏

(陕西秦川发展技术研究院，陕西 宝鸡 721009)

新研发的一款精密数控机床在装配车间调试结束后，对各伺服轴进给速度做空运转试验时出现了以下状况:

(1)机床X 轴(工作台面进给轴)在进给速度为300～600 mm/min 时，工作台出现明显振动，在400 mm/min速度下，振幅最大。X 轴空运转进给速度最大8 000 mm/min。在300 mm/min 以下和600 mm/min 以上试验，工作台运行灵活平稳，无异常现象。

(2)机床Y 轴(主轴溜板进给轴)在进给速度为300～600 mm/min 时，主轴溜板出现明显振动，在500 mm/min 速度下，振幅最大。Y 轴空运转进给速度最大为8 000 mm/min。在300 mm/min 以下和600 mm/min以上做试验，溜板运行灵活平稳，无异常现象。

(3)机床Z 轴(主轴进给轴)在进给速度为200～400 mm/min 时，出现明显振动;在300 mm/min 速度下，振幅最大。Z 轴空运转进给速度最大为6 000 mm/min。在200 mm/min 以下和400 mm/min 以上做变换试验，机床主轴溜板运行灵活平稳，无异常现象。

机床在工作时产生振动是不可避免的。但当机床振动产生的振幅超出了允许的范围，将会影响加工精度，降级机床品质。

机床在空运转时工作部件出现振动，有可能是机械传动系统存在故障，亦可能是电气控制系统存在不良因素，还可能是机械部分与电气部分的综合原因。由于机床的几何精度测量满足设计要求，且各轴的工作部件在中、高速下变换试验灵活、平稳、可靠、快速响应良好、定位精度精准，基本可以排除各轴机械传动系统的丝杠、导轨等零件的装配不良因素，于是故障排除首先主要针对机床电气控制系统进行。

仔细观察机床的振动，频率较低，且无异常声，从现象看与闭环系统参数设定有关。当数控系统参数匹配不当，将引起机械运动系统振荡，造成不稳定现象。检查调试系统的参数设定、伺服驱动器的增益、积分时间等均在合适的范围。并通过反复的试验确认参数优化不能够改善振动状态。

机械振动与进给速度有关系。当速度环出现故障时，运动部件会在某一速度区域发生振动。从系统给定信号、反馈信号以及速度环增益等环节进行检查优化，改善效果不明显。

电动机异常有可能导致机床振动。但1 台机床有3 台电动机同时出现故障，故障的表现形式如此一致的现象在调试机床过程中少见。课题组分析认为，该机床使用的数控系统为华中数控新推出的一款高品质数控系统，无论是数控系统中的数控装置还是伺服驱动单元以及与之匹配的伺服电动机，任一环节的不良都会有引起振动的可能。同时，还应该考虑到工作部件的刚度和惯量对它的影响。分别单换X 轴驱动单元和X 轴伺服电动机，故障没有得到明显改善。

分析产生振动的原因和采取控制振动的措施，除了理论分析诊断，直接进行测量能够快速直接地找到问题根源。下面以我们对工作台的振动测量为例介绍。

1 选用测量仪器

(1)INV3020B24 位高性能数据采集分析仪，内置嵌入式电脑模块和硬盘存储，采集通道数2～56，每通道最高采集频率2 000 kHz。

(2)数据采集和信号处理软件DASPV10。

(3)INV982 系列加速度传感器及显示器与键盘。

2 测量方案设计

(1)测量X 轴工作台空运转下的振动信号

以机床空运转时产生的振动作为激励，将加速度传感器分别布置在X 轴传动进给系统的关键部位，即工作台面(X、Y、Z 这3 个方向)、床身导轨、电动机壳体、丝杠螺母处，然后采集空运转状态下各点的振动参数，通过软件分析各测量点的振动信号，获得工作台关键部位的振动态势及振动频率。

(2)测量电动机单独空运转的振动信号

将电动机与丝杠的连接脱开，电动机置于地面。将加速度传感器布置在电动机壳体上，空运转电动机(电动机转速与测试1 的电动机转速一致)，检测电动机完全单独下的振动信号，获得振动频率。

(3)利用锤击法测试机床X 轴工作部件的固有频率

对于机床的工作台，机械传动装置的刚度和惯量决定它的固有频率。力锤敲击X 轴工作台面，产生脉冲力信号，利用采集到的X 轴振动信号，获得其传递函数，从而获得X 轴工作台机械系统的固有频率。

3 确定分析频率和测试速度

一般机床的振动频率分布在1 000 Hz 以下，因此，只需要将分析频率设置到1 000 Hz 即可满足测试要求。采用时频分析法对机床检测信号进行处理分析。

机床X 轴的进给速度范围为0～8 000 mm/min，振动发生速度在300～600 mm/min 范围。因此选择测试速度为0～1 200 mm/min，速度间隔为100 mm/min，在X轴全行程上来回进行测试。

4 振动测试结果分析

图1 的1～8 通道分别对应机床工作台(X/Y/Z方向)、丝杠螺母Z 向、电动机座连接法兰Z 向、导轨X0 和X1200 处Z 向以及电动机壳体Z 向时域振动信号。0～150 s 为机床完全静止时的振动信号，150～475 s 为机床X 轴检测的所有速度档信号。从图中可以看出，260～280 s 时间段内机床振动量最大，所对应的X 轴进给速度约为400 mm/min。从时域振动信号可知，机床工作台在全行程内的振动情况平稳，无突变值，显示机床导轨、丝杠等机械零件的装配状态良好。由得到的频谱结果显示，工作台的振动主频为100 Hz，次要频率成分为200 Hz、300 Hz、400 Hz、600 Hz。

图2 为电动机单独置于地面所有速度档下测试的振动频谱图。由图可知，电动机单独运行时振动主频为400 Hz，次要频率成分为100 Hz、200 Hz、300 Hz、500 Hz、600 Hz、700 Hz、800 Hz 以及900 Hz，在400～500 Hz 频段具有较丰富的频率成分。并且与工作台进给系统有相同的振动频率成分。

图3 为机床X 轴固有频率测试结果。机床工作台机械系统的固有频率为100 Hz，结合上面的测试结果可知，数控装置+驱动装置也存在1 个100 Hz 的振动激励，机床工作台在100 Hz 处，出现由数控系统诱发的共振现象.

综上所述，机床X 轴工作台空运转和电动机不带负载独立运行时，在检测的所有速度档下二者的振动频率成分相同，因此完全可以确定驱动装置和数控装置是引起机床工作台振动的主要诱发因素。

为了更有效地采取控制振动的措施，现场找到一台能够与华中驱动器匹配的西门子伺服电动机，将电动机与驱动单元连接，电动机置于地面，检测所有速度档下的西门子电动机的振动信号。

图4 为华中数控系统+西门子电动机所有速度档的频谱图。由图可知，测试单元在1 370 Hz 幅值最大。其不同速度下对应不同的频率，基本呈线性增长关系。主要频率成分有135 Hz、205 Hz、275 Hz、340 Hz、510 Hz、685 Hz、1 000 Hz，这些频率成分与机床X轴机械系统的固有频率不相同，将不会有振动激励存在。也不会引起振动现象，因此基本可以确认数控装置和驱动单元是可靠的，而伺服电动机是机床工作台进给系统发生振动的诱因。

5 结论验证

为了验证检测结论，将电动机座改制成与西门子电动机匹配的电动机座，将电动机与丝杠连接，对工作台面进给系统的振动做了再次测量。机床的振动加速度均小于华中数控电动机作为驱动时的振动加速度，最大值仅为0.17 m/s2，并且为高频振动(1 010 Hz)。在低频段0～300 Hz 的振动加速度值更小为0.009 m/s2。振动的主要频率成分基本和西门子电动机空载时相同，分别是135 Hz、205 Hz、275 Hz、340 Hz，有效地避开了台面机械系统的固有频率。因此机床台面在测试的所有速度档运行非常平稳、灵活、完全满足了设计要求。

其他两轴的测量结果同样验证了华中电动机在空载时存在丰富的低频振动频率，有与工作部件的固有频率相同的频率成分。

运动部件的固有频率由传动装置的结构设计确定，电动机的振动谐波频率主要取决于电动机本体的结构。得益于科技重大专项提供的平台，能够使机床制造厂家与数控系统生产厂家相结合共同求发展。在调试诊断故障的过程中，得到数控系统厂家的热情协助，这种可靠性试验结果是双方新产品开发、应用及改进发展的宝贵经验。华中数控针对电动机测试结果采取了及时有效的改进措施，新电动机使用在机床上后各轴在相同条件下做速度变换试验，速度变换非常灵活、平稳、可靠，完全满足了使用要求。