磨边机振动原因分析与解决方法.pdf

2 0 1 2年 8月 第 4 0 卷 第 1 6期 机床与液压 MACHI NE T O0L HYDRAUL I C S Au g 2 01 2 Vo 1 4 0 No 1 6 D O I 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 6 0 4 3 磨边机振动原因分析与解决方法 刘云 豫 河南工业职业技术学院机械 工程 系 河南南阳4 7 3 0 0 9 摘要 分析引起磨边机低频微幅振动的影响因素 在单一影响因素条件下 利用万分表对磨边机在低速运行下的振动 进行多次测试 分析影响机床低频微幅振动的所有影响因素 建立影响因素的振动方程 找出引起振动的主要影响因素 提出消除磨边机低频微幅振动的方法 为高精度磨边机的振动分析提供理论依据和解决方法 关键词 磨边机 低频微幅振动 影响因素 振动检测 中图分类号 T Hll3 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 6 1 2 2 4 S t u d y o n Vib r a t io n o f Ce n t e r in g M a ch in e L I U Yu n y u D e p a r t m e n t o f M e ch a n ica l E n g in e e r i n g H e n a n P o ly t e ch n ic I n s t i t u t e N a n y a n g H e n a n 4 7 3 0 0 9 C h i n a Ab s t r a ct I n fl u e n ce f a ct o r s t o lo w f r e q u e n cy min u t e n e s s v ib r a t io n o f ce n t e ri n g ma ch in e we r e r e s e a r ch e d I n t e r m o f s in g le in f e c t io n f a ct o r lo w f r e q u e n cy min u t e n e s s s w in g v ib r a t io n o f ce n t e ri n g ma ch in e wa s me a s u r e d t ime a f t e r t ime b y e x t r e me me t e r Mo s t ly in fl u e n ce f a ct o r s t o lo w f r e q u e n cy min u t e n e s s s w in g v ib r a t io n o f ce n t e ri n g ma ch in e w e r e a n a ly z e d V ib r a t io n e q u a t io n a b o u t influ e n ce f a c t o r s wa s f o u n d Th e ma in in f l u e n ce f a ct o r s w e r e f o u n d T h e wa y s t o e l imin a t e l o w f r e q u e n cy mi n u t e n e s s s w in g v i b r a t i o n o f ce n t e ri n g ma ch i n e w e r e p r e s e n t e d I t p r o v id e s t h e o r e t ica l b a s is f o r h i g h p r e cis io n ce n t e ri n g ma ch in e v i b r a t i o n a n al y s i8 Ke y wo r d s Ce n t e ri n g ma ch in e L o w f r e q u e n cy min u t e n e s s s w in g v ib r a t io n I nflu e n ce f a ct o r Vib r a t io n me a s u r e 磨边机是用来磨削加工各种光学凸镜周边的冷加 工设备 高精度磨边机主轴端面跳动和径向跳动应控 制在 0 0 0 1 m m以内 导轨 的直线 度误差 和磨 轮轴线 对导轨的平行度误差不大于0 0 0 1 m m 金刚石磨轮 轴线与两工件轴平行度误差不大于 0 0 0 1 m ln和左 右工件的同轴度误差一般控制在 0 0 0 1 m m以内 利 用各种振动测试技术 和精密测量技术 来 解决高精度机床的低频振动问题 有过很多研究成 果 但是利用单一因素分析测试的方法 找出影响振 动 的重要 因素 并利用万分表来检测振动 未见类似 报道 这为高精度机床的防振设计提供一种方法 1 原 因及分 析 1 1 主轴偏心和径向跳动引起的振动因素 因磨边机工件主轴转速不超过 3 0 r m in 一般来 讲 只要经过主轴静平衡后 工件主轴的偏心量小于 0 0 0 2 m m时所引起的低频振动影响就可以忽略不计 但对于磨轮主轴 因磨轮轴转速为3 6 0 0 r m i n 必须 经过严格的静平衡和动平衡 经单独测试 在磨轮轴 正常运转时 将万分表的表针紧靠在左 右工件轴的 定位止口的圆柱面上 并没有使表针产生任何跳动 用同样的方法检测左 右工件轴的端面时也没有跳 动 因此 可以判断磨轮轴 的高速运转并没有引起 左 右工件主轴 的共振 1 2 工件轴 电机和磨轮轴电机运转产 生的振动 因 素 电机 自身 由于制造误差而存在 的转子偏 心会 引起 微幅振动 这种振动如果和主轴的固有频率之间存在 着匹配关系 将导致工件主轴的低频振动加剧 但当 避开能引起主轴共振的固有频率时 再利用上述同样 的检测方法 用万分表检测 可以看 出表 的指针有极 其微小的偏摆 摆幅不大于万分表最小可视读数的一 半 即小 于0 0 0 0 0 5 m m 1 3 磨 轮 轴的 刚度 与 外振 源 的共 振 耦合 引起 的振 动 因素 此共振耦合 的检测方法 因受到公司检测手段的 限制 采用了模拟逼近的实验检测法 具体见下文 1 4 磨轮轴导轨的直线度及与工件主轴的平行度 引起 的振动因素 收稿 日期 2 0 1 1 0 6 2 6 作者简介 刘云豫 1 9 6 7 一 男 高级工程师 副教授 主要研究方向是机械设计与制造 超精加工 E ma i l n y ll y 第 l6期 刘云豫 磨边机振动原因分析与解决方法 1 2 3 磨轮轴导轨的直线度及与工件主轴的平行度对加 工过程 中磨削用量产生一定 的影响 由于磨削用量的 变化 导致磨削过程中磨轮和工件之间的相互作用力 发生变化 对稳定磨削不利 经实验验证 当该平行 度误差为零件制造误差的 1 3 1 2 磨削力的变化 量仅为磨削力量值的5 1 0 0以内 引起零件振动幅值 的变化与轴 的刚性和原始激振力相关 1 5 左右 工件 轴 的 同轴 度 误 差和 刚性 引起 振 动 的 影响 因素 左右工件轴 的同轴度误差会引起夹紧力 的微小变 化 导致零件的定心精度发生极小的变化 但 由于 左 右工件 轴 自身 的径 向跳 动 误 差 控 制 在 0 0 0 0 5 m m 以内 而且夹紧工件 的左 右接头在 加工之前 要 用专用刀架进行了一次精修 使左右工件轴的同轴度 误差引起的激振力变化小 到万分 表检测不 到 可 以忽 略 1 6 左右工件轴同步运动误差引起振动的影响 因 素 左 右工件轴在运动过程中 由于传动系统的制 造误差会引起工件与夹 头之 间的微 小相对 运动 变化 这是通过 多个 原 因排 除后 发 现 的较关 键 的重要 因 素 是反复测试并确证的低频微振的另一主要原因 开始采用 的检测方法在没有统一基准情况下 很难检 测到左 右工件轴运动的不同步现象 这是导致磨边 机低频微振动的另一 重要原 因 所以 一般情况下 应先进行分析 将一切可 能影响振 动的因素全部罗列 出来 并经过 多次测 试 对 比 筛选后再判定主要原因的影响因素 而 且更要关注检测方法 自身存在 的缺 陷 设法改进检 测方 法 2 振动测试方法及主要解决措施 2 1 检 测试验 设 计的原 理和 方 法 为 了逐步 寻找影 响 磨边 机低 频微 振 动 的主 要原 因 特制定并实施如下的检测 即单一影响因素对主 轴低频微振动影 响检测实验 当然这种方法 的基本原 理来 自微分学 的基本 概念 即 首先 查看每个单一 影响因素对机床 主轴的实际影响值 对 比各值的大 小 其次 采用两个因素组合 查找因素相关性对主 轴低频微振动的影响 并与单一因素作用时的叠加效 果进行对比 这样可以区别独立因素和关联因素并能 找出影 响主轴低频微 振动的主要 因素 多元 函数 的偏 微分和函数的全微分是符合 叠加原理的 实际上 国 外 的超精加工机床及加工均采用 了类似 的设计和控制 原理 因此 随着超精 密加工精度 的提高 每一个影 响 因素的控制精度也在逐步提高 而原来看起来不重要 的因素有时会变得更加重要 例如在常温 零件精度 在7级及 以下时 环境温度对加工和检测精度 的影 响 可以忽略 但零件加工精度要求很高时 环境温度不 但影 响加工过程 测量过程 也影 响零件最 终精 度 包括量具 自身的测量精度及环境稳定性都直接影响到 测量 结果的准确性 所 以测量方法从视觉测量 到放大 后的显微 测量 干涉法 测 量 再 到单 频激 光 干 涉测 量 双频激光干涉测量 当接近或达到分 子的纳米技 术 是否综合 以上各种技术才能突破分子级别 的准确 测量藩篱 国外在这方面 的研究 已取得显著成果并投 入使用 这是人类在检测技术领域的另一重大技术突 破 同时加工和测量 的环境 温度 的控制 和检测也越来 越重要 2 2 电机单独运转的影响和共振耦合影响检测 为 了检测左 右工件 轴 的驱 动 电动 机 和磨 轮轴 驱 动电动机在 不 同情 况 下对 工件 左 右 主 轴 的低频 微 振 动 的 影 响 设 计 的 检 测 方 法 如 图 1所 示 首 先 将电动机安装在磨边机 的正常工作位置 工件 主轴 安装在机 床上正 确 的工作 处 静态 情 况 下 轻 轻转动工件主轴 用千分表测量的左 右工件主轴 端 径跳动均小于 0 0 0 0 5 m m之后 启动带变频器 的工件主轴电动机 注意断开与主轴的传动链接 在电动机不同频率下运转时 测量左 右工件主轴 的端 径跳 动 可 以检测 出电机 工作 的不 同频 率段 对工件主轴的低频微振动的影响 然后采用隔振手 段将电机和机床床身隔离开来 直至 电机 自身的振 动不引起铣磨 机工件 轴的附加低频振 动为止 同 样 将磨轮轴安装在机床 的正确位置 因磨轮轴只 有一个 3 6 0 0 r m in的 固定转 速 检测 比较容 易 实 验时 为 了保证 电网电压发 生变 化 时 不 会 产生 振 动现象 采用 了变频技术 即利用 变频 器 来控 制 电 动机 的转速 在 2 8 4 0 4 2 9 0 r m in 从 而 控 制磨 轮 主 轴转速 在 3 6 0 0 3 6 0 r m in内波 动 的情 况 下 检 测 对机床 工件 主轴低频微 振 的影 响 用 同样 方法 可 测定两 电机共同运转对振动的影响 试验验证了磨 轮 电机 的微小 振动对铣 磨 机工 件轴 的低 频 振动 影 响 极小 注意驱动 电机与机床床 身连接处 的隔振措 施 机床与液压 第 4 0卷 1 一 右 工件 主轴 箱 2 4 一千 分表 或万 分表 磁 力表 架 5 磨 轮轴 电动 机 6 左 工件 主轴 箱 7 工 件轴 齿轮 传 动系 统 图 1 工件 主轴振动检测不意 图一 2 3 左右工件轴的同轴度误差和刚性引起振动 左 右工件主轴全进给行程范围内 观察千分表的径 如图2所示 在左 右工件主轴端安装夹紧接 向跳动范围 看不到表针摆动 之后起动工件轴驱动 头 装上精修刀架后用精修刀具对夹紧接头进行精修 电机 让左 右工件轴按工作转速旋转 将万分表分 加工 将千分表固定在可以动的刀架上 并使千分表 别压在已经修整好的左 右接头上来检测引起主轴附 的指针压向已加工好的接头夹紧定位内圆锥止口 另 加的微振振幅 表针仅有微小摆动 这说明此项因素 一 方面用手 拨 动左 右工件 主 轴使 其缓 慢 转动 在 对工件主轴低频微 振的影 响非常小 b 图2 工件主轴振动检测示意图二 2 4左右 工件 轴 同步运 动误 差 引起 振动 左右工件轴的不同步现象主要是由传动齿轮制造 误差引起的 可以在左 右接 头的圆柱外 圆上刻划 同 一 条母线做标记 用高倍光学放大镜对准刻线 起动 左 右工件轴电机运行一段时间后 再次观察 会发 现左 右接头 上的刻线存在相互飘移现象 检测这种不 同步的飘移数值大小 可 以计算 出不 同步误差 的最大 变动范 围 结果显示 左 右工件轴传 动系统齿轮 的 制造精度提高 不同步误差逐步缩小 2 5振动方程的建立 工件主轴和磨轮主轴作为由电动机经传动系统带 动的旋转部件 如果轴自身有偏心 便会有激振力产 1 一 右 工件 主轴 箱 2 6 左 右 工件 轴 接头 3 5 一万 分表 4 磁 力表架 7 磨轮 轴 电动 机 8 I 左工 件主 轴 箱 9 工件 轴齿 轮 传动 系统 生 且激振力与其转速相关 还与轴 的刚性和 固有频 率相关 用模态叠加法 求解关键零件的响应位移 和 响应力 假设磨轮轴会产生受迫简歇振动 磨 轮主 轴在各激振力作用下振动响应方程为 m 手 k y 出 z 式中 m为磨轮主轴旋转部分质量 c 为黏性阻尼系数 k 为磨轮主轴刚度 Y t 为磨 轮主轴 随时间振动 的位移方 程 t 为磨轮主轴 自激振动力 主轴质量偏心 第 l6期 刘云豫 磨边机振动原因分析与解决方法 1 2 5 引起 的惯性力 t 为磨削力 引起 的激振力 t 为工件轴微幅振动引起 的磨轮主轴的激 振力 t 为第 i个因素可能引起的磨轮轴的振动激 振 力 由单 自由度 系统 的振动理论 系统在第 i个正则 坐标下的响应是 f 0 oo i t 一 丛 i Oi 1 厂 J f r s i n t d J J u 可 以利用测试手段 检测 到各激振力振动相关参 数值并处理为近似数学表达式 同时可以采取一些减 振 吸振和 隔振措施使之趋近于零 以消除该激振力 引起 的影响 3结 论 同等精度下 采用合理的隔离措施 可以大大降 低甚至消除原动机振动对机床主轴低幅微振的影响 提高机床 的加工精度 利用分 离检测 法 检测单一影 响因素对主轴低频 微幅振动的影响 可找出影 响主轴低频微 幅振动 的关 键 因素 通 过减小 或 消 除影 响低频 微 幅振 动主要 因 素 减少或消除磨边机的低频微幅振动 中间传动链的设计和制造精度会影响动力传递的 平稳性和振动 合理配制对称传动零件 可以最大限 度消除不同步传动误差带来的危害 在激振干涉力较小 的情况下 采用合理的预紧力 和零 间隙 以提高主轴刚性 减小或抵消微弱激振力 对机床主轴低 频振 动的影 响 参考文献 1 贾民平 张洪亭 周剑英 测试技术 M 北京 高等教育 出版社 2 0 0 1 2 刘剑钊 党建军 张谋 等 推力脉动引起的水下高速航 行器振动响应研究 J 机械科学与技术 2 0 1 0 2 9 8 1 08 0 1 08 2 1 0 88 3 陈大力 刘南平 化雪荟 基于 A R M的大中型电机振动 测试系统设计 J 仪器仪表与检测技术 2 0 0 9 2 8 7 88 91 4 蒋奇 隋青美 基于匹配解调方法的光纤光栅振动检测 技术与实验研究 J 光电技术应用 2 0 0 7 2 2 4 4 2 45 5 李存兵 姜伟 裘信国 基于虚拟仪器的电机振动远程监 测系统 J 机电工程 2 0 0 8 2 5 2 6 0 6 3 6 朱健 陈海燕 和卫星 石油钻井设备轴承振动信号采集 系统的设计 J 无线电工程 2 0 0 9 3 9 8 2 4 2 5 4 4 7 周月琴 行鸿彦 超声波远距离振动信号检测系统的设 计 J 机械科学与技术 2 0 0 8 2 7 6 8 1 9 8 2 1 8 2 6 8 阚君武 吴一辉 宣明 等 泵用两叠片圆形压点振子的 弯曲振动分析 J 机械工程学报 2 0 0 5 4 1 1 5 4 6 0 9 H U X B L I L T C HU X C e t a 1 T h e R e s o n a n ce V i b r a t i o n P r o p e r t ie s o f a B imo r p h F le x u r a l P ie z o e le ct ri c Ult r a s o n ic T r a n s d u ce r f o r D i s t a n ce Me a s u r e m e n t J 1 Ma t e ria ls S ci e n ce a n d En g in e e r in g 2 0 0 3 B 9 9 3 1 6 3 2 0 l0 申生 华亮 L a b V I E W 在电机振动故障诊断中的应用 J 中小型电机 2 0 0 5 3 2 6 6 0 6 3 1 1 何仑 内置电路加速度计的应用研究 J 振动 测试 与诊 断 1 9 9 9 1 9 2 1 4 4 1 4 6 1 2 D H I R A N I A F I S H E R A J A S i m p l e L o w cu r r e n t S ca n n i n g T u n n e li n g M icr o s co p y J R e v ie w o f S ci e n t i f i c I n s