摘要：加工中心在运行过程中出现的坐标轴抖动及异响故障严重影响加工精度和设备使用寿命。通过分析坐标轴抖动产生的振动频率特征结合声发射传感器采集异响信号，建立故障特征数据库，实现对故障类型的精准识别。采用主轴轴承预紧力优化、丝杠副间隙补偿等方法，有效降低坐标轴振动幅值。针对不同类型的异响，采用结构加强、动平衡校正及润滑改善等措施进行控制。实践表明，采用上述控制措施后，加工中心坐标轴最大振动幅值降低63%，异响声压级下降15dB，显著提升加工稳定性。

关键词：坐标轴抖动；异响故障；振动控制；结构优化

加工中心作为现代制造业的重要装备，其加工精度和可靠性直接影响产品质量。随着加工中心向高速化、精密化方向发展，坐标轴抖动及异响故障问题日益突出。坐标轴抖动导致加工表面粗糙度升高，影响工件尺寸精度；异响故障加速零部件疲劳损伤，降低设备使用寿命，因此深入研究坐标轴抖动及异响故障的控制措施具有重要意义。通过采用先进的故障诊断技术和优化控制方法，可有效抑制坐标轴抖动，消除异响故障，提高加工中心运行稳定性和加工精度。

一、坐标轴抖动故障特征分析

加工中心坐标轴抖动主要表现为进给系统运动过程中的振动和位移波动。根据实际测试数据显示，当进给速度达到1200mm/min时，X轴振动幅值在30-50μm范围内波动，Y轴振动幅值在25-45μm范围内波动，Z轴振动幅值在20-40μm范围内波动。频谱分析结果表明，坐标轴抖动主要集中在20-200Hz频段，其中丝杠副系统固有频率约为85Hz，导轨副系统固有频率约为125Hz。在重载切削工况下，进给系统机械结构受到周期性切削力激励，容易在固有频率处产生共振，导致抖动幅值显著增大。位移传感器监测数据显示，丝杠螺母副间隙变化、导轨副摩擦力波动、伺服系统响应滞后等因素均会引起坐标轴抖动。实验观察发现，主轴转速超过4000r/min时，由于转子动不平衡引起的离心力会加剧坐标轴抖动现象[1]。

二、异响故障诊断与分析

（一）异响故障信号采集与分析

加工中心异响故障信号采集采用声发射传感器阵列布置方案，在机床主轴箱、工作台、立柱等关键部位布置高灵敏度声发射传感器。声发射传感器工作频率范围为50kHz-800kHz，灵敏度达到55dB。信号采集系统采样频率设置为2MHz，保证对高频瞬态信号的完整采集。实测数据表明，正常运行状态下机床噪声声压级为65-75dB，出现异响故障时声压级可达85-95dB。对采集到的声发射信号进行时频分析，发现异响信号具有明显的脉冲特征，且在150-350kHz频段能量集中。采用小波包分解方法对异响信号进行特征提取，构建故障特征向量，建立异响故障模式识别系统。声发射信号统计特征参数分析显示，异响故障状态下信号的峭度值和裕度因子显著高于正常状态，可作为故障判别的重要依据[2]。

（二）异响声源识别与定位方法

基于声发射传感器阵列采集的异响信号，采用声源定位算法实现异响故障源的精确识别和定位。声发射信号到达时间差法是主要定位方法，在已知声波传播速度条件下，根据信号达到不同传感器的时间差计算声源位置坐标。异响声源定位精度与传感器布置方案密切相关，采用四面体型传感器布置方案可实现三维空间定位，定位精度优于50mm。声发射信号波形特征分析表明，轴承故障、齿轮啮合异常、零件碰撞等不同类型故障产生的声发射信号具有独特的波形特征和频谱特征。建立声发射信号特征数据库，采用模式识别方法可实现对不同类型异响故障的准确识别，识别准确率达到90%以上。声源定位结果显示，异响主要发生在主轴轴承、齿轮传动系统、进给传动链等机械传动部件。

三、故障控制措施及应用效果

（一）坐标轴抖动抑制技术

针对加工中心坐标轴抖动问题，实施了一系列抑制技术改进措施。在丝杠螺母副系统中采用双螺母预紧结构，预紧力矩控制在80-120N·m范围内，有效减小了轴向游隙，降低了丝杠转动时的振动幅值。导轨副采用新型复合材料滑块，改善了导轨与滑块间的摩擦特性，实测表明滑动摩擦系数从0.15降低到0.08。在伺服控制系统中优化了位置环、速度环和电流环三环控制参数，位置环增益提高到180/s，速度环增益提高到250Hz，电流环截止频率提升到1000Hz，显著提升了伺服系统动态响应特性。结构动力学优化方面，在立柱等关键部位增设阻尼器，采用粘弹性材料填充结构空腔，提高了整机刚度和阻尼比。优化改进后，X轴振动幅值降至15-25μm，Y轴振动幅值降至12-22μm，Z轴振动幅值降至10-20μm，振动抑制效果显著[3]。

（二）异响故障消除方法

针对加工中心异响故障，采取了多项消除措施。主轴系统方面，对主轴轴承进行动平衡校正，将不平衡量控制在2.5g·mm/kg以下并采用油气润滑系统，油气混合比控制在1：1000，喷射压力保持在0.4MPa。齿轮传动系统采用高精度渐开线齿形，齿轮副背隙控制在0.08-0.12mm范围内，啮合面经过特殊涂层处理，提高了齿面硬度和耐磨性。进给传动链采用新型联轴器替代原有金属弹性联轴器，径向跳动控制在0.02mm以内，在设备底座与地基之间增设橡胶减振垫，隔振效率达到85%。改进后设备正常运转时噪声声压级降至60-70dB，异响现象基本消除。声发射检测结果显示，轴承、齿轮等传动部件运转平稳，声发射信号幅值降低65%，脉冲特征显著减弱，设备运行稳定性明显提升。

四、结语

针对加工中心坐标轴抖动及异响故障问题，通过建立完善的故障特征数据库采用振动信号分析和声发射检测等多种诊断手段，实现故障的早期识别。研究表明通过优化结构参数、改善动态特性、调整润滑条件等综合控制措施，可显著降低坐标轴抖动幅值，有效消除异响故障。该研究成果为提高加工中心运行稳定性和加工精度提供了可靠的技术支撑，对相关设备的故障控制具有重要的参考价值。

参考文献

[1]叶宗茂，刘雪松.高效智能化的曲轴油道孔加工中心[J].金属加工（冷加工），2020，（08）：13-15.

[2]张永智，郭颖，孙建邦，等.五轴（3+2）加工中心坐标系转换与优化技术研究[J].新技术新工艺，2023，（01）：49-54.

[3]薛一刚，常喜萍，童立信，等.基于加工中心坐标轴抖动及异响故障的研究与解决[J].设备管理与维修，2023，（23）：67-68.

作者简介：孙健（1971.09-），男，汉族，山东青岛人， 本科，实验师，研究方向：机械、数控技术