FANUC | 如何确定机床振动频率值并分析振动原因

 当发现机床某个轴运行时出现振动，先选择几个虽然振动但是机床仍然能够保持移动状态而不报警的速度值。使用SERVO GUIDE 采集这些速度下该轴的TCMD波形，同时记录下此时的轴移动速度。如下图就是在某客户处采集F1000 时的TCMD 图形。

从图中可以看出，电流波动幅度较大，也验证了机床振动的事实。获得波形后，将横轴放大（按下键），同时也可以调整选取不同的时间段，直至屏幕中能看到的TCMD波形波动规律基本相同（不需要完全一致，只需要放大到大致相同即可），如下图所示。

将图形放大到这种状态是为了便于进行“傅立叶变换”，只有转换到频域才能确定其振动频率的具体数值。

保持以上图形显示状态，按下“CTRL+F”或者选择“方式——FOURIER”，即完成了对当前屏幕下显示波形的傅立叶变换。如下图所示。

此时我们只需要用到幅度部分（相当于现在是在找振动幅度最大的频率点），也就是上面Magnitude部分的图形，很明显，波形的尖峰就是振动最剧烈的点，此时我们就需要知道尖峰点对应的频率值。勾选图形右侧的工具，并将出现的纵轴拖拽至尖峰处，右下角就会自动显示此处对应的频率值，如下图所示。

以上就是获得机床振动频率值的方法，其本质就是通过傅立叶变换，在频域中获取其振动幅度最大的频率点。实际情况可能会与以上的例子有所区别，在此列出一些常见的问题供大家参考。

• “水平放大”TCMD 的程度没有绝对统一的准则，“放大”或“缩小”到适当的频率范围，直至找到共振点为止。
• 对于傅立叶变换后的结果，如果不确定是否是共振点，可以切换回时域（CTRL+T），保持同一放大水平下多选择几个不同的波形时间段做傅立叶变换，以此来验证共振点的频率是否一致。
• 有的时候可能尖峰点不止一个，此时可以在不同速度下分别采集，看是否有规律可循。

得到机床共振频率值只是解决问题的前提条件，最终目的是为了找出机床振动的原因并想办法予以消除。下面用两个实际案例来分别说明两种情况下消除振动的解决思路与过程。

• 􀂗振动频率不随移动速度变化的情况

继续上面的例子，我们在F1000、F2000的速度下采集某机床X 轴下TCMD 波形数据，并做傅立叶变换，图形如下表所示：

由上面的测试结果很容易发现，无论是F1000，还是F2000，X轴都存在频率为321Hz 的振动，即振动频率是固定不变的，说明这是整个回路的共振，这种情况下，就可以使用相关的减振功能来消除（就是前言中所附图表）。

具体来看，振动频率321Hz，属于中频段，可以使用HRV滤波器或转矩指令滤波器（TorqueCommand Filter）功能（适用范围180Hz～400Hz）。使用转矩指令滤波器时，根据该功能的计算方法，截至频率=振动频率/2=160Hz，对应参数No.2067=1499。

参数设定完成后，再次测试X轴的移动情况，振动消除，使用该功能前后的TCMD 电流对比如下图所示。

很明显可以看出，电流相对之前已非常平稳，现场观察X轴的运行也改善明显。

但果机床振动频率随移动速度而成比例变化，例如速度提高一倍，振动频率也提高了一倍。就与上面情况分析的思路不同，这时候说明是控制回路中的某个环节出现了问题。宏观的看，一个控制回路中最主要的就是三个环节：电机（驱动环节）、机械（传动环节）、编码器/光栅尺（反馈环节），因为电机是在周期性的旋转，电机之后的机械（联轴器/丝杠/齿轮等）以及编码器也都是在做周期性运动。简单理解如果这其中任何一个环节出现问题，那么随着电机的旋转速度变化，出现问题的频率也会同步变化。

所以这时候需要结合振动频率值来进一步判断是哪个环节出现问题。

• 机床振动频率与速度同比例变化的情况

  这种情况下，消除振动功能所起的作用就相对有限,而解决问题的关键就在于寻找控制回路中问题的所在并进行修复，以下以实际案例说明分析的思路。

某客户处的龙门机床，X轴（全闭环）在任何速度下都会出现振动的情况，而且速度越快时振动越剧烈。此时在较低的速度范围下，采集X 轴的TCMD数据，如下图所示。

水平放大每个速度段落下TCMD的波形，并做傅立叶变换，可以发现如下的规律：

由上面得到的数据可以发现，速度变换，振动频率也发生变化，而且是成正比的。

接下来具体分析振动的原因，如下图所示。

经过以上的换算可以得到，机床在轴的每mm、光栅尺的每个栅距以及电机每转的振动次数。根据这三个数据来分析振动是否和机械、光栅尺或者电机有关。分析思路是：

根据各个单位下的振动次数，判断是否和该环节的一些特性有关，如每转（rev）的振动次数，就可以看其是否和电机特性有关，例如磁极对数。如果是半闭环，则还有可能和编码器有关。而每λ的振动次数则可能和光栅尺有关，每mm（单位长度）的振动次数可能与机械问题有关。

有关如何定量的分析振动次数与具体环节的关系，也是这个分析过程中的最难点，因为二者之间的关系往往不是那么明显。此时可以根据实际情况推测故障源。例如以上三个数据，每转和每λ的次数都是无法除尽的小数，只有每mm的振动次数是整数。因此，振动和机械相关的可能最大，所以首先排查机械问题。

最终检查机械发现，产生振动的原因是传动环节中连接件上的螺钉孔比设计的要大，导致该连接件在传动过程中存在一定的晃动。更换了该连接件后，振动完全消除。因此可以验证之前的推测正确。

机床振动是调试中极为常见的问题，很多时候并不降低机床精度，但却对机床性能有很大影响，常见外在表征可能是异响、加工有刀纹等，本文重点介绍了通过测试机床运行过程中的电流负载曲线（TCMD）,同时采用对该曲线波形进行傅里叶变换变换找到机床振动点的方法，从而更容易的解决机床振动问题，希望对广大FANUC系统的使用者有所帮助。