摘　要：本文介紹高速精密實驗磨床直線電機帶動電主軸進行磨削加工時，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引起振動的原因，提出了改進的方法，取得了很好的效果。
為了提高砂輪的線速度，實現高速精密磨削加工，對砂輪驅動和軸承轉速要求很高。電主軸單元采用內裝式電動機直接驅動主軸。電主軸單元具有剛性好、旋轉精度高、溫升小、穩定性好、功耗低和壽命長等優點，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，也會產生非常大的離心力，造成機床劇烈振動，影響加工精度和表面質量，甚至損壞砂輪及主軸。因此對砂輪一主軸系統動態特性及動平衡技術的研究越來越受到重視。
      一、振動測試系統
      1．主軸橫向進給伺服剛度的調節
      本磨削系統的高速電主軸是安裝在直線電機的轉子之上的，通過PMAC（可編程多軸控制器）控制直線電機帶動電主軸實現高頻往復運動，從而實現非圓截面的精密加工。
      直線電機初、次級之間的間隙一般比旋轉電機的氣隙大2~3倍，且并非一個封閉的整體，其間存在很大的吸引力，這對直線電機控制系統要求很高。若直線電機在高速高頻進給時沒有很高的伺服剛度，則在帶動電主軸一砂輪系統進給磨削時將產生很大的矢動量，且不能抑制電主軸高速運轉引起的振動。
      本實驗磨床的直線電機通過PMAC的伺服控制環調整PID參數，使直線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有很好的抑制作用，可避免由于振動引起的定位誤差，進而帶動電主軸實現非圓截面零件的高速精密磨削加工。
      2. Coinv Dasp 2003振動信號采集儀
      Coinv Dasp2003是東方振動與噪聲技術研究所開發的數據采集和信號處理軟件。其含有多模塊數據采樣模式，并實現不間斷海量采集數據和在采樣過程中不間斷地顯示時域波形或頻譜的功能。選擇不同的采樣模式，可滿足各種特殊的工程采樣要求，例如在旋轉機械的振動測量中常常要進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行多種分析和處理，包括幅域、時域、頻域、時頻域等。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實驗
      1．振動實驗分析
      在磨削過程中，振動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影響加工零件的質量。本實驗是將加速度傳感器置于實驗磨床高速電主軸的前端，將其與振動信號采集儀以及PC機連接起來，通過Coinv Dasp2003控制數據采樣進程。實驗之前通過PMAC調節PID參數，使直線電機的剛度達到最佳狀態；然后將采樣頻率設定為2kHz，采樣塊數設為50個。
      圖1為電主軸帶砂輪接桿空載運轉至20000r/min時，振動幅值最大區間段頻譜的FFT/FT細化圖。可以看出主軸高速運轉時引起較大振動的頻率點主要集中在25~150Hz之間。

圖1　主軸振動頻譜的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，振動幅值基本隨著速度的增大而增大，且振動幅值較大。幾個較大的幅值點如圖2所示，始終出現在25~150Hz之間，可見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引起的強迫振動造成的。

圖2　主軸振動頻譜的FFT/FT細化圖2

      引起強迫振動的原因很多，主要有電主軸轉子和其內部支承的中心不對稱，砂輪接桿及砂輪高速旋轉失衡等。實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2.7×106，容易被機床設計師接受。實驗證明，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，振動速度值只在小范圍內波動，總體變化趨勢是隨著轉速的提高而增大，但未超過1.5mm/s，滿足電主軸單元高速高精加工的要求。經分析得出，電主軸一接桿系統高速運轉時的較大振動很可能是由于砂輪接桿的中心不對稱引起的簡諧強迫振動。
      2．砂輪接桿對振動特性的影響
      砂輪接桿是電主軸和砂輪的重要連接部分，中心不對稱是電主軸一砂輪系統動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，其前端由于離心力的作用會使主軸膨脹，但接桿的膨脹量不如主軸的膨脹量大，因此彼此聯接的剛度會下降，引起砂輪及夾緊機構質心偏離。因而當電主軸帶動砂輪進行高速磨削時，即便電主軸一砂輪系統有很小的不平衡量，也將產生較大的不平衡離心力，導致劇烈振動，影響零件的加工精度和表面質量。
      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引起的振動。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行振動實驗，圖2為電主軸轉速達到20000r/min時頻譜的FFT/FT細化圖。
      圖2顯示改進后的電主軸一接桿系統在高速運轉至20000r/min時，最大的振動幅值基本上保持在10m/s2左右，其余各頻率點為5m/s2左右，振動平穩，滿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頻譜看，電主軸轉速從3 000r/min升至20000r/min時，各速度段運轉平穩，振動幅值總體隨著速度的提高而增大，但只是在小范圍內波動。表1為砂輪接桿改進前后電主軸運轉至20000r/min時，振動較大的幾個頻率點的幅值對比。改進后運行至20000r/min時，振動幅值最大處較接桿改前的幅值減小了200％多，振動幅值較小，運行平穩，最大處的幅值也沒有超過15m/s2。
      表１　前后振動實驗幅值對比

      三、結束語
      高速超高速精密磨削是未來磨削加工的發展方向，而高速主軸一砂輪的動平衡技術是發展超高速精密磨削的關鍵技術之一。以上分析和實驗證實，砂輪接桿的制造及安裝精度是電主軸高速運轉時振動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引起的動不平衡問題，是制約高速、超高速電主軸發展的關鍵技術。