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                                                                   １緒論

  

       1.1論文背景與硏究意義

  

       本論文來源于清華大學精密儀器與機械學系與南通科技數控機床技術聯合研發中心開展的合作項目。

  

       立式加工中必的特點在于其主軸軸線與工作臺垂直設置。立式加工中也因其發展較早，技術比較成熟，同時具有高速、高精度等特點，因而在中小零件及中小模具加工中具有不可替代的優勢。

  

       中國的數控機床經歷了凡十年的發展，己經取得了長足的進步。中低端數控機床己經基本滿足了國內需求，但是在離端領域，我國與歐日美等國家相比，差距顯著，裝配對產品可靠性的影響非常濕著，國肉機床領域的從業人員和研巧人員將主要精力放在機床結構優化、切削性能改進等方面上，對機床裝配工芝的研巧不夠重視，對相關領域的研巧也不夠深入。由于機床在裝配和調試技術方面的短板，國產機床在定位精度、機床的動態特性上與國外還有很大差距，產品的壽命周期也遠低于國外，這些都是國產高檔機床市場占有率不商的重要原因。

  

       當前數控機床的生產模式屬于多品種小批里，數控機床制造企業的裝配車間大多采用半自動裝配或純手工裝配的方式，基于這種裝配方式的特點，下幾個方面導致了機床在裝配環節可能會存在故暗隱患。

  

       （１）人為因素，裝配操作工人的素質參差不齊，會對機床裝配故障的造成很大影響，進而對機床的綜合性能也會產生影響。

  

       （２）裝配零部件本身的特性。裝配零部件的幾何誤差、表面粗檐度Ｗ及材料剛度屬性等方面對機床的裝配精度亦有影響。

  

       （３）機床裝配過程和裝配完成后的檢測手段。由于機床在裝巧過程和裝配完成后的測里方式往往采用半自動或手動的測量方式，測量方式并沒有執行統一嚴格的標準，且限于測量工具自身的檢測水平，同樣會對機床在后續工作巧態下的故睹發生產生影響。

  

       （４）其他因素。此外，機床制造廠家在裝配機床過程中，有些外購部件在不能及時到貨的情況下，為了不影響裝配進度，不得不更改裝配順序，操作工人在裝配現場為了自身的方便，也會出現不嚴格執行裝配工藝規程的現象；機床在安裝地點的精度指標與出廠預驗收的精度保持一致也是難以做到的。

  

       國內機床制造廠家為了提商機床性能，通常關鍵部件采用國外產品，南通機床生產的ＶＣＬ８５０立式加工中心，主軸、滾珠絲杠副、線性導軌均為外購。盡管這些零部件自身的制造精度滿足要求，似裝配完成后，機床性能尤其在工況下的定位精度、動態特性上遠不及園外的同類產品．美國哈斯公司生產的ＶＦ－３型立式加工中心同ＶＣＬ８５０立式加工中心作對比，兩者在機床結構布置方式上大致相近?；鹪诩夹g參數指標上者差距明思，ＶＣＬ８５０立式加工中心的定位精度０.０１ｍｍ，重復定位精度０．００５ｍｍ，而ＶＦ－３系列立式加工中心的定位精度０．００５ｍｍ，重復定位精度０．００２５ｍｍ。因此在加工精度上，ＶＣＬ８５０立式加１中屯、還有很大的提升空間。另外在高速狀態下，ＶＣＬ８５０立式加工中心的穩定性要弱于ＶＦ－３型立式加工中也。南通科技的機床裝配工藝規程長期以來主要依靠工人的現場工作經驗巧累，研發設計人員并沒有采用實驗的手段，需要通過量化數據去支持論證機床裝配Ｘ藝流程的合理性。機床部件裝配的累積誤差會影響到機床的加工精度口由此可化，基于裝配工藝角度來對機床進行研巧分析，對于提高機床的動態特性意義很大。圖１－１為某數按機床的故障原因統計圖。

  

       

  

                    圖1.1某數挖機床的故障原因統計圖

  

       綜上所述，從裝配角度對機床主軸箱進行檢測，將化床裝配故障問題類型化，故障源位置具體化，可為裝配工人在機床在裝配過程中遇到的故障問題提供指導性意見，方便工人迅速查找故障源；從長遠上說，還可以為后續建立的化床智能故障監測系統提供相關的技術儲備。

  

       1.2國內外硏究綜述

  

       1.2.1 機床主軸箱故隨診斷技術

  

       主軸箱的裝配是機床的重要一環，主軸箱各部件的制造精度Ｗ及它們之間的裝配故障將直接影響機床的加工性能。一旦機床主軸箱區域的相關部件裝配不達標，卻未予及時發現，將可能導致某些昂貴部件造成不可修復的損失。從先期的機床組裝階段，針對機床主軸箱各部件的裝配進行相關檢測及分析，能夠在機床出現放障之前及早的發現問題來源，可避免不必要的經濟損失。

  

       針對主軸箱的故障診斷，一般經歷三個階段：設備原始數據的巧集及獲取、對原始數據進行預處理提取有用成分、對處理數據進行特征識別與類型匹配。為了便于觀察主軸箱的故障類型，一般將傳感器放置在主軸附近，觀察主軸的運轉情況。

 

       現有文獻針對機械設備在工作過程中出現失效時的故障機理、特征等方面開展了大量的研巧，專口針對機床主軸箱的裝配故障開展研巧的相關文獻并不多，但是針對不同檢測對象的研巧策略是相似的，進行故障診斷的方法手段是相通的。

  

       故障診斷技術的研巧內容主耍包括：故障信號的檢測與采集、設備巧態監測方法研究、故障機理的研究、機械故障信息處理技術、故障特征提取與分析化研巧領域的詳細劃分如圖１－２所示。

  

       

  

                        圖1.2 旋轉機械狀態監測及故時診斷技術

  

       針對機床主軸箱故障診斷的研巧，楊樹蓮Ｗ利用可變回轉角度階比分析的方法對機床主軸故障特征進行提取，收到了良知的效果。馮冬芳Ｐ１通過頻譜分析的方法利用主軸軸承的振動信號，對主軸進行故掩診斷，并確定了軸承端蓋的預緊力區間。周蘇波Ｗ對機床主軸的軸也軌進進行在線測試，發現機床主軸箱存在動不平衡的裝配故障。商榮Ｍ利用小波奇異性對主軸箱的振動信號進行處理，消去了外界喚聲對切削狀態下監測系統的干擾，同時還可Ｗ對機械故障信號進行預測，達到了提高電主軸使用壽命的目的。

  

       1.2.2 故障信息處理技術

  

       故障信息處理技術通常由故障信號的檢測、分析處理兩部分構成，檢測的常見信號類型包括：流量、噪聲、電流、溫度、振動、壓力、電壓等，分析處理就是對這些信號進行放大、濾波、去噪、調理、解調變換等，進而提取出對故障特征識別有用的信息。故障信號去噪是對故障特征提取與分析之前的一個必要環節，傳統的去噪方法主要包括線性濾波和非線性濾波，其中的典型代表是中值濾波和Ｗｉｅｎｅｒ濾波。傳統去噪方法的不足在于信號變換后的炯増高，無法刻畫信號的非平穩特性并見無法得到信號的相關性。在信號去噪方法研究的早期過程中，由于受到理論方法的限制，從振動信號中去除外部噪聲干擾主要采用傳統去噪方法，取得了一些研究成果。１９８１年王祖榮提出了一種將系統進一步簡化為滿足文泰濾波條件定常系統的簡化非線性濾波方法。１９８７年陳關榮ｎｓ］研究了非線性動態及觀測系統濾波問題的一種樣條函數遞推算法。隨著科技的發展，許多先進的去噪技術例如小波變換、ＨＨＴ變換、ＥＭＤ分解等先后出現。在機械故障診斷領域獲得了實際應用，取得了很好的科研成果。１９９８年傅瑜對小波理論在若干旋轉機械設備故障診斷中的實際應用問題開展了研巧。２００４年胡峰等15位學者利用小波降噪的方法提取故障信號，并用ＡＲ模型進行譜估計，確定齒輪的故障類型及嚴重程度。２００８年劉樹春等Ｗ研究了基于二代小波的振動信號去噪相關技術。２０１３年孟宗等提出了一種解決ＨＨＴ分析中模態裂解現象的方法，即基于快速獨立分量分析消噪的ＨＨＴ分析方法，仿真與實例結果表明，該方法能有效抑制ＨＨＴ過程中的模態裂解現象，有效提取信號的特征頻率，進而實現旋轉機械故障診斷。

  

       1.2.3 故摩特征提取與分析技術

  

       故障特征提取局分析技術是當前故睹診斷的瓶頸，直接影響到故障早期預報的可靠性與機械故障診斷的準確性。故障診斷信息處理技術研巧的主要內容包括時間序列分析、統計分析、傳遞函數分析、相關分析、頻譜分析、相干分析、細化譜分析、包絡分析、模態分析和倒譜分析等，其理論基礎是數理統計和隨機過程。

  

       傳統的故睹特征提取與分析技術主要基于傅立葉分析，傅里葉變換與反變換建立了信號在時間域與頻率域之間相互轉化的橋梁，提供了信號的時域分析和頻域分析兩種方法。因此，傳統的故障特征提取方法主要分為時域分析方法和頻域分析方法兩大類ＰＷＩ１，１９８３年埃什爾曼等腳利用波動分析儀對電動機同步和非同步過程進行了時域方面的分析。陳瑞琪等人于１９８５年利用聲強分析儀及頻率分析儀系統對紡機錠子和氣流紡紗高速軸承組件的振動、噪聲進行頻譜分析，以了解兩者的主頻率及相互關系。１９９２年艾延廷等對齒輪故障檢測中時域分析技術的實現過程，齒輪故障的特征波形及特征參數進行了討論，并引證了應用時域分析技術檢測齒輪故障的實例。

    

       在Ｗ振動信號為化態變量進行故障診斷時，由于設備運轉的不平穩、外在負荷的交替變化、不確定性的沖擊等因素導致振動信號并非始終是平穩的，從而使基于平穩過程和線性系統的傳統信號處理理論的應用受到限制Ｐ５１。傳統的傅立葉變換從頻域角度分析振動信號的特征信息，僅適用于對平穩信號的分析，在處理非平穩信號時會出現很大誤差，甚至與實際情況大相徑庭。隨著現代信號處理技術的發展和逐漸成熟，人們開始研究新的信號處理方法提取故障特征信息ＩＷ。其中具有代表性的方法如小波分析（簡稱ＷＡ）、獨立分量分析（簡稱ＩＣＡ）、主分量分析（簡稱ＰＣＡ）、經驗模態分解（簡稱ＥＭＤ）、隱Ｍａｒｋｏｖ模型（簡稱ＨＨＭ）等。林京等學者建立了基于連續小波變換的奇異性檢測方法，并將這種方法應用在壓縮巧氣閥的故障診斷中，充分顯示了該方法的有效性。張生對某巧輪箱進行故障診斷，模態分析中的固有頻率和振型作為識別故暗的重要參數特征，胡勁松利用經驗模態分解的方法應用到旋轉機械信號處理與故隋診斷，為非線性和非穩態的故障分析與診斷給出了一條新的途徑。下啟全等學者口Ｗ提出了基于因子隱Ｍａｒｋｏｖ模型的旋轉機械故障診斷方法，而且利用這種方法對旋轉機械的故障實現了進行了有效的分類。

  

       1.2.4 故膊源位置識別技術

  

       機床存在機械故障時，必定會衍生出額外的激勵、噪聲。工程技術人員通過信號檢測技術對故障源進行位置判定，進而針對性的機械結構進行調整，解決機械故障問題。從這個角度上說，故陣源識別技術的應用前景廣泛。故障源識別技術最初主要應用在汽車領域，隨著科學技術的不斷發展，逐漸應用到船舶、機床、飛機、鐵道等領域。從６０年代開始，隨著計算機的迅速發展，有限元網格劃分的精細程度和計算精度逐步提高，出現了與Ｍ動嗓聲緊密相關的計算分析理論巧軟件。目前較為主流的有限元分析巧件代表有；ＡＮＳＹＳ、ＡＢＡＱＵＳ、ＭＳＣ－振動測試類的產品有機公司的數據采集卡系列，其中比利時的ＬＭＳ公司的測試系統是ＮＶＨ領域的行業領導者，應懷樵教授創建的北京東方振動和噪聲技術研巧所在國內也有一定的聲譽。

  

       國內外對故陣源識別的方法有分步運巧消去法，頻譜分析法，即相干函數法，層次分析法，傳遞路徑分析法（ＴＰＡ），統計能量法等，主成分分析法，獨立分量分祈法等等。在此僅介紹前三種方法。

  

       1. 分步運轉法

  

       分步運轉消去法即對一個復雜的機械系統進行故障源識別時，首先在同一部位，不同時間下，對系統的總體振動噪聲響應進行測試，然后逐步關閉系統的各個故障源，與此同時測試關閉故障源后的振動噪聲響應，根據疊加原理，確定各個故障源對系統總體的貢獻大小。這種方法簡單，便于直觀發現問題。但實際工作中復雜的機械系統，各個故障源往往鍋合在一起，難Ｗ單獨開啟關閉某一故障源，因此針對復雜的機械系統，分布運轉消除法無法解決實際問題。

  

       2. 頻譜分析法

  

       額譜分析法即在頻域對故障源進行識別，一般不同的振動噪聲故障源具有不同的頻率特性。可通過頻譜分析，依據幅值大小主觀判定故障源的貢獻大小。但由于機械結構自身的動態特性，幅值最大的區域并非總是故障源區域，這種依據是不成立的。

  

       3. 相干分析法

  

       相干分析法作為－－種比較成熟的技術廣泛應用到了振動噪聲領域，P.R Roth于１９７１年在有背景噪聲的情況下，利用常相干分析方法正確識別了噪聲源。M.Caliskan利用相干分析用于紡織機的瞬時噪聲源識別，與傳統方法得到的結果相同，證明了相干分析可同樣適用于故障源識別，與國內對相干分析的研巧始于上個世紀８０年代，吳浩珪等人于１９９５年利用相干分析法確定了某柴油客車的主要噪聲源，并進行了后續的降噪處理。張衰維等人利用自功率譜分析與相干分析技術，對某臺內燃叉車的液力變速箱進行測試分析，找到了該變速箱產生噪聲的主要來源。

  

       4. 傳遞路徑分析法

  

       傳遞路徑分析（ＴＰＡ）是指通過試驗來跟蹤由源經過一系列己知結構或空氣傳播路徑傳遞到指定接收點能量流的分析方法。其目的在于評價由振動源到響應點每個路徑能量的矢里貢獻，從而確定為了解決特定的問題，路徑上哪些部件需要修改，或者通過結構優化設計使部件得到理想的特性。于上個世紀９０年代開始發展起來，如今在機械故障診斷、部件性能改進、振動噪聲源識別等方面得到了很好的應用，己經被國外汽車ＮＶＨ領域廣泛認同并且己經商用化，國內也開始興起。比利時的ＬＭＳ公司的ＬＭＳＴｅｓｔｌａｂＴｒａｎｓｆｅｒＰａｔｈＡｎａｌｙｓｉｓ軟件在汽車領域得到了廣泛好評與普遍應用，ＬＭＳ公司在空氣聲定量識別、多參考點傳遞路徑分析、王況傳遞經分析等方面積累了大量成功案例。Ｋ．Ｇｅｎｕｉｔ等人利用雙通道傳遞路徑分析模型對車內進行聲學診斷；福特公司的ＰｅｒｒｙＧｕ等人對巧態振動狀態下的車內振動巧聲進行了定量分析，Ｇｒｙａｎａｒｏｒａ等人利用傳遞路徑分析法對路面噪聲對車內貢獻的影響進行了分析等等。目前國內開展傳遞路徑分析研巧的單位主要Ｌ：高校和科研院所為主，吉林大學、同濟大學、上海交通大學Ｗ及長安汽研院在這方面做出了不錯的成績，并且應用到了很多領域。吉林大學的起形航ｔ＂］利用傳遞路徑分析法較完整地分析了車內振動噪聲的傳遞路徑，建立了車內振動噪聲傳遞模型，并對主要的傳遞路徑進行分析，取得了很好的預期效果。同濟大學的郭榮等對燃料電池轎車車內噪聲的傳遞路徑進行了分析研究，在怠速工況下對車內噪聲進行傳遞路徑測試試驗，識別得出了主要傳遞路徑。長安汽車工程研巧院李傳兵等人用傳遞路徑分析的相關軟件，針對某新車型的車內噪聲問題進行了傳遞路徑分析，找到了對車內噪聲影響最大的傳遞路徑，針對性地對部分部件進行結構優化，有效地消除了運行狀態下的車內噪聲問題。總體上說國內的高校和研究機構對傳遞路徑分析方法的研究應用還處于摸索前進階段。

  

       1.3  論文主要硏究內容

  

       機床部件裝配的累積誤差４影響到機床的加工精度本論文針對某立式加工中屯、的主軸箱在裝配出廠階段進行質量檢測及分析，將機械故障診斷的理論和方法應用于工廠實際生產中，這種探索與嘗試，對現場工人進行機床質量檢驗和機床裝配工藝規程的不斷改進具有指導意義。另外，本論文所開展的工作也為后續針對機床的自動監測與診斷系統的開發積累了資料素材。本論文的主要研巧內容如下；

  

       （1）在研巧ＶＣＬ８５０立式加工中也主軸箱的部件組成、裝配特點的基礎上，結合ＶＣＬ８５０立式加工中也的裝配王藝規程等相關資料，分析主軸箱在安裝過程中可能存在裝配故障的區域，并對其故障機理進行了探討分析。

  

       （2）結合測試方案和要求，選用合適的傳感器、數據采集卡，利用LabVIEW軟件進行編程，構建針對主軸箱區域的測試系統。實現基于相關分析的濾波降噪功能、相位測量功能，頻域分析功能，基于ＳＶＤ法、不變矩法的軸也軌跡識別功能。

  

       （3）利用轉子實驗臺，對動不平衡、角亭不對中、松動等Ｈ種不同類型的裝配故障進行模巧實驗，并結合相關文獻，初步確定三種不同類型裝配故巧的信號特征表現形式。

  

       （4）結合模態動能法與有效獨立法，針對主軸箱在工作激勵下如何實現傳感器的優化布置開展研巧，為機械故席診斷前期如何優化布置傳感器提供了一種新的思路。

  

       （5）對空轉狀態下的主軸箱區域振動信號進行采集，對振動信號進行降巧處理，分析裝配主軸箱故障原因；對主軸運行狀態下的軸屯、軌跡進行檢測，并基于ＳＶＤ法、不變矩法對主軸的軸屯、軌跡進行識別方法分析，軸也軌跡作為判定不同主要的裝配故障類型的信號指標，實現對不同主要的裝配故障類型的分類識別。

  

       （6）基于傳迸路徑分析的原理，對不同裝配故障產生的異常故障源位置進行判定：首先介紹故障源識別采用的主要方法，然后利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ仿真軟件實現對主軸箱故障源位置的識別，最終開展實驗論證這種故障源位置識別方法的可行性。

  

       ２ ＶＣＬ８５０主軸箱主要的裝配故障機理分析

  

       本次實驗的實驗對象ＶＣＬ８５０立式加工中如（如圖２－１所示）是南通機床自主開發的一款高檔通用的自動化機床，配裝了刀庫容量為２４把刀的機械手刀庫，可完成較、統、鉆、錯、攻絲等多種工序的切削加工。

  

       

  

                           圖2.1 ＶＣＬ８５０立式加工中心

  

       本論文的研巧重點為ＶＣＬ８５０立式加工中屯、的主軸箱區域。ＶＣＬ８５０立式加工中也主軸箱區域的裝配圖如圖２－２所示。主要包括主軸箱、主軸電機，同步齒形帶，主軸、等相關配合部件。

  

       

  

                                     圖2.2 主軸箱裝配圖

  

       在機床出廣階段，由于裝配不當會導致機床在后續工作中出現不同類型的機械故陣，在工作狀態下，化床所表現出不同形式的信號特征可指導檢測人員判定故障原因。不同振動類型及表現形式如圖２－３所示，簡單描述了不同振動類型所表現的信號特征：

  

       

  

                                 圖2.3 不同振動類型及表現形式

  

       自激振動是由機床自身結構決定的，在機床出廠階段，受迫振動則是由裝配不當造成的。因此需要對ＶＣＬ８５０進行模態分析，排除自激振動的干擾。ＶＣＬ８５０的轉速區間在４８？１２０００巧ｍ，對應頻率為２００Ｈｚ，首先對ＶＣＬ８５０的主軸箱進行模態分析仿真，排除機床工作頻率是否在自激振動的區間。取六階模態，通過ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎ化得到仿真結果，其前六階固有頻率和對應的模態振型如表2.1所示。

  

                                      表2.1 模態仿真分析結果

  

       

        

  

       可以看到主軸箱區間的一階固有頻率在２６３．１６Ｈｚ，證明ＶＣＬ８５０在工作轉速范圍內產生的故障不是由自激振動造成的。

  

       下面主要介紹ＶＣＬ８５０立式加工中心主軸箱區域在工作轉速下的常見的幾種裝配故障類型：

  

       2.1 動不平衡故障

       動不平衡是大型旋轉機械最為常見的故障類型之一。對機床主軸箱進行裝配時，主軸系統的組件之間的安裝不當，導致產生配合間隙。安裝刀具時，刀具系統（刀具一刀柄）與主軸錐孔的配合不良，都會在運轉過程中產生動不平衡。主軸安裝之前，對主軸自身進行動平衡試驗是十分重要的一環，主軸箱整體裝配完成之后，能夠實現對動不平衡的在線測試，可１＾更為徹底的檢測動不平衡問題。主軸與刀具系統的安裝如圖２－３所示。

  

       

  

                            圖2.4 主軸與刀具的配合

       如圖2.5為轉子動不平衡示意圖，動不平衡主要表現在一個旋轉體的質量中心、０與轉動中也０’不重合，導致轉子在運轉過程中（角速度為Ｗ）形成了周期性的離心力Ｆ或者離心力矩的干擾，作用在機組及其相關部件，加劇旋轉機械的振動，同時產生噪聲，在一定程度上加速了軸承等部件的磨損，縮短了機組的使用壽命。離也力Ｆ的大小與偏屯、距ｅＷ及旋轉角速度似有關，即：

                                                                                                         (2.1)

  

       就機床主軸箱區域來說，相關安裝部件自身的制造公差、部件安裝不當、長時間運行后導致主軸系統產生很大溫升、長期使用導致部件磨損、等都是造成主軸動不平衡的主要原因。

  

       

  

                          圖2.5 轉子動不平衡示意圖

  

       如圖所示，O為轉子的轉動中心，O’為轉子的質量中心，ｅ為偏心距，ｗ為轉子角速度，θ為偏心夾角。若考慮阻尼的影響，則轉子運動微分方程為：

  

                                                       (2.2)

  

       在x,y方向則有：                         (2.3)

       令         經過解析，在x,y方向的振幅Ax,Ay為：

                                           (2.4)

  

       動不平衡下的轉子在運轉過程中在x,y方向的振幅并不一定相等。

  

       2.2 不對中故障

  

       針對主軸箱而言，電機通過同步內齒帶與主軸連接，張緊力施加的不合理，極有可能造成主軸、電機偏角不對中的情況發生。

  

       轉子不對中的實際含義是指軸系連接同心度和平直度的偏差故障。造成轉子不對中問題的原因主要有轉子相關部件的制造誤差、安裝誤差或者長時間使用造成的熱變形等因素。轉子不對中可分為偏角不對中、平行不對中和偏角平行不對中三種，可看到電機通過同步內齒帶輪連接主軸。主軸與電機的配合簡圖如圖2.6所示。

  

       

  

                                圖2.6 主軸與電機配合簡圖

  

       當主軸中心與主軸電機中心線產生一定的偏角時（設偏角為ａ），則電機不能夠以為1:1的轉速比傳遞給主軸，主軸電機轉速為ω1，主軸轉速ω2。

  

       當電機轉動角度為Ａ，設主軸轉動的角度為Ａ，將主軸的轉角向垂直于電機中心線的平面上投影，則：

  

                                                    (2.5)

  

       （2.2）公式兩邊對時間求導得：          (2.6)

  

       而傳動比為：           (2.7)

  

       式中  由于ａ、ｍ、ｎ是常數，ｉ是主軸與電機的傳動比。

  

       因此產生了２倍頻的激振力。主軸的變化范圍為：

    

       

  

       可以看到當電機轉動一周時，主軸的角速度變化了兩個周期，如圖2.7所示，ω1、ω2—周期內的變化。如圖2.6，主軸實質上由于角度不對中產生的偏心質量，設為ｍ，主軸轉速為Ｗ，，則在某位置的偏也距為ｒ時，激振力徑向的表達式為：

  

       

  

                       圖2.7 電機、主軸角速度一周期內的變化

  

       2.3 碰摩故障

  

       ＶＣＬ８５０立式加工中心的主軸箱剖面圖如圖２－６所示。主軸與電機通過同步內齒帶輪連接，裝配工人依靠經驗將調整螺釘實現對帶輪的張緊，由于調整不當，帶輪張緊力過大，會影響到間隙配合的位置，產生碰摩的裝配故障。

  

       

        

  

                          圖 2.8 VCL850主軸箱剖面圖

  

       定子轉子碰摩是旋轉機械的常見故障，由于安裝不當影響了定子轉子的間隙誤差，導致轉子和定子間的摩擦事故經常發生，同時由于工況變動或過大的軸向推力，都有可能導致碰摩ＩＷ。圖２－８為碰摩力學模型圖。

  

       

  

       

  

       碰摩是轉子在轉動一周后與定子部件上的某區域發生接觸碰撞導致彈性變形及摩擦熱效應的情況。Ｋ，為定子與轉子之間的等效剛度，將Fl和Fr分解到徑向的碰撞力Fx和切向的摩擦Fy，則有：

                               (2.10),

式中              R為圓盤的位移，R0為轉子的間厳，當R≥R0時，有碰摩故障發生。

  

       力碰摩產生的接觸力足Ｗ改變轉子軌跡的運動方向，這時動定子的接觸點不一定是固定的，其振動響應值應為各接觸點法向力的平均值之和。

  

       2.4 松動故障

  

       如圖2.9所示，兩處分別為電機主軸箱結合部與主軸與主軸箱結合部。

  

       

  

                                   圖2.9主軸箱結合部

  

       主軸箱區域分布著大量螺拴，部件安裝通過螺栓連接起到定位、緊固的作用。

  

       由于安裝質量不髙及長期的振動都會引起結合部位的松動故障，影響到主軸及電機的正常運行及安全。

  

       如圖2.10為主軸與電機栓接處力學模型，Ms表示主軸，Mm表示電機，Ｃ表示傳送帶，剛度阻尼模型等效為其緊固、定位作用的螺栓連接處。

  

       

  

       轉子運行時的微分方程為：

                                                           (2.11)

  

       式中：Ｍ為包括主軸與電機等部件的質量矩陣；Ｃ為包括主軸與電機栓接處的阻尼矩陣；K為整體的剛度矩陣；Ｆ為合外力向量；X為位移向量。

  

       Ks1,Km1分別為螺栓未松動時電機主軸連接處的等效剛度，Cs1,Cs2分別為螺栓未松動時電機主軸連接處的等效阻尼；Ks2,Km2分別為螺栓松動后電機主軸連接處的等效剛度，Cs2,Cm2分別為螺栓松動后電機主軸連接處的等效阻尼。設δ1,δ2分別表示電機、主軸栓接處未發生松動的臨界間隙值。則有：，  同理Cs,Cm的取值。

  

       由于系統剛度、阻尼的不穩定，工作狀態下的機械結構呈現嚴重的非線性問題，發生松動部位的振動信號特征復雜多變。

  

       2.5 本章小結

  

       本章首先對ＶＣＬ８５０立式加工中心的結構特點進行了簡要介紹，并證明了故障原因不是由于自身的結構特點造成的。重點分析了ＶＣＬ８５０主軸箱可能存在裝配故障的區域，對幾種主要裝配故障（動不平衡故障、不對中故障、松動故障、碰摩故障）的內在機理進行了詳細闡述；為接下來對ＶＣＬ８５０主軸箱區域的故障信號檢測提供理論支撐。