摘　要：本文介紹高速精密實(shí)驗磨床直線(xiàn)電機帶動(dòng)電主軸進(jìn)行磨削加工時(shí)，伺服剛度的調節方法，分析了電主軸一砂輪接桿系統高速旋轉時(shí)引起振動(dòng)的原因，提出了改進(jìn)的方法，取得了很好的效果。
為了提高砂輪的線(xiàn)速度，實(shí)現高速精密磨削加工，對砂輪驅動(dòng)和軸承轉速要求很高。電主軸單元采用內裝式電動(dòng)機直接驅動(dòng)主軸。電主軸單元具有剛性好、旋轉精度高、溫升小、穩定性好、功耗低和壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，在高速精密磨床上具有廣泛的應用前景。
      電主軸的轉速一般在10 000r/min以上，有的甚至高達60 000-100000r/min，所以砂輪一主軸系統即便有很小的不平衡量，也會(huì )產(chǎn)生非常大的離心力，造成機床劇烈振動(dòng)，影響加工精度和表面質(zhì)量，甚至損壞砂輪及主軸。因此對砂輪一主軸系統動(dòng)態(tài)特性及動(dòng)平衡技術(shù)的研究越來(lái)越受到重視。
      一、振動(dòng)測試系統
      1．主軸橫向進(jìn)給伺服剛度的調節
      本磨削系統的高速電主軸是安裝在直線(xiàn)電機的轉子之上的，通過(guò)PMAC（可編程多軸控制器）控制直線(xiàn)電機帶動(dòng)電主軸實(shí)現高頻往復運動(dòng)，從而實(shí)現非圓截面的精密加工。
      直線(xiàn)電機初、次級之間的間隙一般比旋轉電機的氣隙大2~3倍，且并非一個(gè)封閉的整體，其間存在很大的吸引力，這對直線(xiàn)電機控制系統要求很高。若直線(xiàn)電機在高速高頻進(jìn)給時(shí)沒(méi)有很高的伺服剛度，則在帶動(dòng)電主軸一砂輪系統進(jìn)給磨削時(shí)將產(chǎn)生很大的矢動(dòng)量，且不能抑制電主軸高速運轉引起的振動(dòng)。
      本實(shí)驗磨床的直線(xiàn)電機通過(guò)PMAC的伺服控制環(huán)調整PID參數，使直線(xiàn)電機達到伺服剛度高、穩定性好、跟隨誤差小，對電主軸自身引起的振動(dòng)有很好的抑制作用，可避免由于振動(dòng)引起的定位誤差，進(jìn)而帶動(dòng)電主軸實(shí)現非圓截面零件的高速精密磨削加工。
      2. Coinv Dasp 2003振動(dòng)信號采集儀
      Coinv Dasp2003是東方振動(dòng)與噪聲技術(shù)研究所開(kāi)發(fā)的數據采集和信號處理軟件。其含有多模塊數據采樣模式，并實(shí)現不間斷海量采集數據和在采樣過(guò)程中不間斷地顯示時(shí)域波形或頻譜的功能。選擇不同的采樣模式，可滿(mǎn)足各種特殊的工程采樣要求，例如在旋轉機械的振動(dòng)測量中常常要進(jìn)行整周期采樣以提高分析精度，Coinv Dasp2003的整周期采樣功能可根據信號的頻率特征自動(dòng)調節采樣頻率，以保證信號是被整周期采樣。
      Coinv Dasp2003的信號分析模塊可以對采集數據進(jìn)行多種分析和處理，包括幅域、時(shí)域、頻域、時(shí)頻域等。分析結果可以圖形、數據文本、word格式報告等多種方式輸出。
      二、電主軸一接桿系統的振動(dòng)實(shí)驗
      1．振動(dòng)實(shí)驗分析
      在磨削過(guò)程中，振動(dòng)是非常重要的影響因素。它以損壞精加工表面或以增加形狀誤差來(lái)影響加工零件的質(zhì)量。本實(shí)驗是將加速度傳感器置于實(shí)驗磨床高速電主軸的前端，將其與振動(dòng)信號采集儀以及PC機連接起來(lái)，通過(guò)Coinv Dasp2003控制數據采樣進(jìn)程。實(shí)驗之前通過(guò)PMAC調節PID參數，使直線(xiàn)電機的剛度達到最佳狀態(tài)；然后將采樣頻率設定為2kHz，采樣塊數設為50個(gè)。
      圖1為電主軸帶砂輪接桿空載運轉至20000r/min時(shí)，振動(dòng)幅值最大區間段頻譜的FFT/FT細化圖?？梢钥闯鲋鬏S高速運轉時(shí)引起較大振動(dòng)的頻率點(diǎn)主要集中在25~150Hz之間。

圖1　主軸振動(dòng)頻譜的FFT/FT細化圖1

      Coinv Dasp2003采集的信號頻譜顯示，電主軸速度由3 000r/min升至20Coinv Dasp2003采集的信號頻譜顯示，電主軸速度由3 000r/min升至20000r/min時(shí)，振動(dòng)幅值基本隨著(zhù)速度的增大而增大，且振動(dòng)幅值較大。幾個(gè)較大的幅值點(diǎn)如圖2所示，始終出現在25~150Hz之間，可見(jiàn)引起幅值最大值的原因并不是共振，可能是電主軸一接桿系統某部分的中心不對稱(chēng)引起的強迫振動(dòng)造成的。

圖2　主軸振動(dòng)頻譜的FFT/FT細化圖2

      引起強迫振動(dòng)的原因很多，主要有電主軸轉子和其內部支承的中心不對稱(chēng)，砂輪接桿及砂輪高速旋轉失衡等。實(shí)驗用的電主軸支承核心選用自行設計制造的B7009Y/P4系列混合陶瓷球軸承，為角接觸球軸承，具有極限轉速高、溫升小、剛度大、耐磨、耐熱等特性，并且DN值超過(guò)2.7×106，容易被機床設計師接受。實(shí)驗證明，裝有陶瓷球軸承的高速電主軸在不帶砂輪接桿的情況下，各速度段上運轉平穩，振動(dòng)速度值只在小范圍內波動(dòng)，總體變化趨勢是隨著(zhù)轉速的提高而增大，但未超過(guò)1.5mm/s，滿(mǎn)足電主軸單元高速高精加工的要求。經(jīng)分析得出，電主軸一接桿系統高速運轉時(shí)的較大振動(dòng)很可能是由于砂輪接桿的中心不對稱(chēng)引起的簡(jiǎn)諧強迫振動(dòng)。
      2．砂輪接桿對振動(dòng)特性的影響
      砂輪接桿是電主軸和砂輪的重要連接部分，中心不對稱(chēng)是電主軸一砂輪系統動(dòng)不平衡的重要影響因素。由于材料組織分布不均勻，機械加工誤差以及裝配誤差等原因，可能造成通過(guò)砂輪接桿重心的主慣性軸與旋轉中心不重合。且電主軸高速運轉時(shí)，其前端由于離心力的作用會(huì )使主軸膨脹，但接桿的膨脹量不如主軸的膨脹量大，因此彼此聯(lián)接的剛度會(huì )下降，引起砂輪及夾緊機構質(zhì)心偏離。因而當電主軸帶動(dòng)砂輪進(jìn)行高速磨削時(shí)，即便電主軸一砂輪系統有很小的不平衡量，也將產(chǎn)生較大的不平衡離心力，導致劇烈振動(dòng)，影響零件的加工精度和表面質(zhì)量。
      重新設計制造主軸砂輪接桿后，將其與電主軸采用較大的過(guò)盈配合，這樣不僅可以消除主軸軸端的膨脹，而且能使接桿重心和電主軸重心的主慣性軸與旋轉中心基本重合，避免因為旋轉部件的中心不對稱(chēng)引起的振動(dòng)。為了驗證分析的準確性，我們對電主軸一砂輪接桿系統再次進(jìn)行振動(dòng)實(shí)驗，圖2為電主軸轉速達到20000r/min時(shí)頻譜的FFT/FT細化圖。
      圖2顯示改進(jìn)后的電主軸一接桿系統在高速運轉至20000r/min時(shí)，最大的振動(dòng)幅值基本上保持在10m/s2左右，其余各頻率點(diǎn)為5m/s2左右，振動(dòng)平穩，滿(mǎn)足高速精密磨削加工的要求。
      從Coinv Dasp2003采集的各速度段的振動(dòng)頻譜看，電主軸轉速從3 000r/min升至20000r/min時(shí)，各速度段運轉平穩，振動(dòng)幅值總體隨著(zhù)速度的提高而增大，但只是在小范圍內波動(dòng)。表1為砂輪接桿改進(jìn)前后電主軸運轉至20000r/min時(shí)，振動(dòng)較大的幾個(gè)頻率點(diǎn)的幅值對比。改進(jìn)后運行至20000r/min時(shí)，振動(dòng)幅值最大處較接桿改前的幅值減小了200％多，振動(dòng)幅值較小，運行平穩，最大處的幅值也沒(méi)有超過(guò)15m/s2。
      表１　前后振動(dòng)實(shí)驗幅值對比

      三、結束語(yǔ)
      高速超高速精密磨削是未來(lái)磨削加工的發(fā)展方向，而高速主軸一砂輪的動(dòng)平衡技術(shù)是發(fā)展超高速精密磨削的關(guān)鍵技術(shù)之一。以上分析和實(shí)驗證實(shí)，砂輪接桿的制造及安裝精度是電主軸高速運轉時(shí)振動(dòng)的重要影響因素之一，如何有效控制和減小電主軸高速運轉時(shí)引起的動(dòng)不平衡問(wèn)題，是制約高速、超高速電主軸發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。