1影响电主轴动态性能的主要因素分析
1．1电主轴的机械振动
由于电主轴存在偏心质量，在高速运转过程中引起的机械振动是电主轴系统振动的主要因素之一。如电主轴在进行松拉刀后，碟形弹簧可能会产生微小的位移，主轴高速转动时弹簧由此产生的离心力相应变大，也是影响系统振动的因素，在离心力的作用下，容易引起弹簧组轴线位置的偏离。电主轴结构尺寸越长，弹簧组总高度也越大，这种偏离现象也越明显，这也是导致电主轴产生机械振动的重要原因［3］。
1．2电主轴的谐振现象
当电主轴的工作转速对应的频率与其固有频率重合时，该主轴将在此频率下将会产生共振。共振直接影响电主轴的正常运行和轴承的使用寿命，严重的共振现象甚至会破坏电主轴的机械结构，使电主轴工作寿命急剧下降，同时也使整台设备失去稳定的工作状态。为此，必须对不同型号的高速电主轴进行严格的转子动力学分析，找出该型号电主轴轴系的一阶、二阶固有频率，从而使与电主轴的常用工作转速对应的频率范围远离其固有频率。根据轴系分析提供的数据来设计电主轴转动部件的各部分尺寸是使主轴运行转速远离其共振区域的有效措施［3］。
1．3电主轴电机的电磁振荡
电主轴的电动机由于机械加工误差等原因，其定子与转子间的气隙不可能做到绝对的均衡。由于定子、转子之间空气隙长度的不等，定子、转子之间在电磁场的作用下会产生单边电磁拉力，从而导致电主轴的振动。研究表明，此电磁拉力是电主轴产生电磁振荡的主要成因之一。因此，提高电主轴的电动机制造精度对削弱电磁振荡是十分必要的。另外，驱动控制器的供电品质以及驱动控制器与电主轴的匹配是否合理，也是产生电磁振荡的另一个重要原因［3］。
1．4电主轴的动平衡
电主轴的动平衡也是影响其动态性能的重要因素，主轴的转速越高，主轴不平衡量引起的动态问题越严重。对于电主轴来说，由于电机转子直接过盈固定在主轴上，增加了主轴的转动质量，因此超高速电主轴的动平衡精度应严格要求，需在装配后进行整体精确动平衡，甚至还要设计专门的自动平衡系统来实现主轴在线动平衡，以确保主轴高速平稳运行［4－5］。
2高速电主轴动态性能测试试验方案
电主轴动态性能的高低直接影响加工工件的表面精度、刀具寿命及机床的加工效率等，随着电主轴转速的升高，对电主轴动态性能的要求也就越高。当影响电主轴的各项振动因素增大时，系统的稳定性将会受到影响，严重时会引起结构的共振，降低了系统的可靠性。因此，对电主轴进行动态测试试验以明确其动态性能是非常必要的［5］。
2．1电主轴动态性能测试的目的
(1)电主轴动态测试试验可以找到电主轴的共振点，从而保证电主轴在运转时避开其共振区域。(2)在对电主轴进行动态测试之前，应预先对电主轴的动态特性进行理论分析，在进行理论分析时，通常都采用假设条件简化电主轴的结构，而理论的分析结果往往与电主轴真实情况存在一定差异。而通过电主轴动态测试试验可以在一定程度上验证其理论分析的合理性。(3)通过对电主轴输入、输出的特性进行测量，从而确定电主轴系统的质量、刚度和阻尼。有助于实现对电主轴动态系统的系统辨识［6－8］。
2．2电主轴动态性能测试方案
电主轴动态性能测试采用压电式加速度传感器进行主轴的振动测试，将传感器分别放置在接近主轴的前后轴承处，采集到的加速度信号传递给新型高精度多功能测量仪INV306DF;该信号采集系统对几个加速度传感器的信号进行同步的数据采集，并同时将加速度传感器的模拟电压信号转化为计算机能够识别的数字信号，最终将数据输入至计算机，通过测试分析软件，对采集来的数据进行进一步的分析，从而确定电主轴的振动频谱。电主轴动态性能测试系统总体试验方案如图1所示。
3电主轴动态性能测试试验
3．1测试步骤
(1)设备的安装与连线。将加速度传感器安装在电主轴轴承处，并将传感器的数据线分别连接在测试系统的对应接口上;将多功能信号采集测量仪INV306DF与计算机相连。(2)检查连线无误后，接通电源，打开信号采集系统开关，再打开数据采集测试软件，对加速度传感计进行通道设置、输入模式设置以及输出标定。(3)开始运转电主轴，实验时，每5min调整一次转速，主轴转速每次升高1000rpm，打开测试软件的振动频谱分析窗口，记录频谱值的变化情况。并观察温度测试窗口，记录主轴前后轴承的温度变化情况。为了提高轴承的使用可靠性，在整个实验测试过程中，主轴的轴承温度应低于60℃，因此当轴承温度高于60℃时，应立刻停止测试。(4)测试结束，保存不同转速下的实验数据。(5)将测得的实验数据输入到Matlab软件，分析并仿真出不同转速下的频谱曲线。
3．2测试结果及分析
利用上述实验系统，在主轴的前后轴承处分别安装加速度传感器，传感器采集的信号经振动信号采集器输入至PC机，通过控制数据采样进程。对电主轴在不同转速条件下的振动性能进行了测试分析，如图2和图3所示。由图2及图3可见，电主轴的振动幅值不超过1mm，只是在比较小的范围内来回波动，振动的总体趋势是随着电主轴转速的提高其振幅也进一步增大。(1)从电主轴开机转动到转速达到1000rpm时，振动频率随转速的升高而加大。这是因为，电主轴在运行的初始阶段，轴承没有得到足够的润滑，从而导致轴承的振幅变大。(2)当轴承润滑达到预设状态并产生提供润滑作用时(如在转速为3000rpm时)，电主轴得以平稳的运转，轴承振动减小。(3)当主轴转速在6000～7000rpm时，此时主轴的振动幅值达到最大值，且主轴轴承的温升也最快。由此可以确定，主轴在转速为6000～7000rpm时产生共振。(4)主轴转速9000rpm时的振动相比主轴转速在4000rpm时的振动大，但相比电主轴在6000～7000rpm共振区的振动小，但主轴振动的总体趋势是振幅随着转速的增大而增大，可能的原因有3个:①转速的升高，引起主轴内弹簧的径向振动进而引起轴承振动;②主轴随转速的升高振动增大从而引起主轴前、后轴承的振动。③主轴的偏心导致主轴与轴承之间的摩擦增大以及主轴的离心力增大，从而增大了主轴的机械振动。
4提高电主轴动态性能的措施
通过对电主轴对进行有关振动的试验，测量出了电主轴的实际动态性能，明确了振动产生的原因和共振频率，因此，可以采取有效的措施减小电主轴的振动，提高其动态性能。(1)在电主轴设计过程中，首先应采用合适的轴系分析软件，对高速电主轴的一阶、二阶及高阶振动模型进行合理的分析，从理论上确定电主轴的共振频率，从而保证电主轴在工作过程中远离共振频率区。(2)针对电主轴的复杂结构，制定出合理的加工工艺，尽量提高电主轴定子、转子的制造精度。并根据电主轴不同的使用场合。选择高性能的驱动控制器，从而减小电主轴电动机的电磁振荡。(3)电主轴高速转动时，由于碟形弹簧产生的微小位移而导致的系统振动，是电主轴动态性能降低的原因之一，因此，设计时应使弹簧组的高度小于某一数值。从而保证主轴运转时弹簧产生的位移减小。(4)使用专用的高精度动平衡设备对电主轴进行进一步的动平衡处理，控制电主轴转动部件的不平衡质量至最小，从而最大限度地减小由转动部件不平衡质量引起的电主轴机械振动［7］。
5结语
动态性能是高速电主轴的一项重要特性，通过对影响电主轴动态性能的主要因素分析，制定了电主轴动态性能测试试验方案，完成了电主轴在不同转速下的振动信号采集与处理。通过对试验结果数据的进一步分析，提出了提高电主轴动态性能的有效措施，对进一步分析电主轴的工作可靠性和稳定性有着重要的实际意义。
作者：李海青 单位：青海省工业职业技术学校
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