基于動(dòng)態(tài)特性分析的機(jī)床主軸裝配故障診斷硏究（上）
2017-7-13 來(lái)源：北京交通大學(xué) 作者：李凱旋
摘要:機(jī)床的發(fā)展和技術(shù)水平直接反映了一個(gè)國(guó)家機(jī)械行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，映射著一個(gè)國(guó)家工業(yè)化水平的高低。主軸箱作為機(jī)床的一個(gè)重要組成部分，在保證機(jī)床處于大負(fù)荷切削狀態(tài)下持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行等方面起著重要作用。主軸箱在滿足使用要求之前，為了避免裝配過(guò)程后的故障問(wèn)題，需要進(jìn)行反復(fù)的安裝調(diào)試。國(guó)內(nèi)從業(yè)人員將主要精力放在機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化、切削性能改進(jìn)等方面上，對(duì)裝配工藝的研究不夠重視，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的研究也不夠深入；有的工人在機(jī)床裝配過(guò)程中也未嚴(yán)格執(zhí)斤裝配工藝規(guī)程。因此，針對(duì)機(jī)床主軸箱區(qū)域的裝配故障檢測(cè)研究是很有意義的。本文Ｗ南通科技集團(tuán)的主流產(chǎn)品ＶＣＬ８５０立式加工中也為研巧對(duì)象，在充分調(diào)研南通機(jī)床現(xiàn)有裝配工藝的基礎(chǔ)上，結(jié)合南通機(jī)床在裝配方面的經(jīng)驗(yàn)積累，在工況下，針對(duì)機(jī)床主軸箱的裝酷故障進(jìn)行了檢測(cè)及分析，具體內(nèi)容如下；
首先，對(duì)機(jī)床主軸箱區(qū)域的主要常見(jiàn)裝配故障類型進(jìn)行了深入調(diào)研與研究，并利用ＬａｂＶＩＥＷ設(shè)計(jì)了針對(duì)主軸箱區(qū)域的測(cè)試系統(tǒng)，包括：主軸的軸也軌跡測(cè)試，主軸箱區(qū)域的振動(dòng)信號(hào)測(cè)試。巧面便于操作，具有濾波降噪、時(shí)頻域分析、軸私軌跡測(cè)試、相位檢測(cè)、故障類型識(shí)別等功能。
然后，為確定機(jī)床主軸箱不同故障所表現(xiàn)的時(shí)頻域信號(hào)特征，在轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)上針對(duì)動(dòng)不平衡、角度不對(duì)中、松動(dòng)等裝配故障進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，其次對(duì)ＶＣＬ８５０立式加工中也的主軸箱進(jìn)行了在線測(cè)試，基于模態(tài)動(dòng)能法與有效獨(dú)立法的原理針對(duì)王況下的傳感器進(jìn)行優(yōu)化布置。對(duì)工況下的機(jī)床原始信號(hào)進(jìn)行降噪濾波處理，并基于兩種巧ＶＤ法、不變矩法）不同的識(shí)別方法，實(shí)現(xiàn)了主軸箱區(qū)域裝配故障類型的判定。
最后，基于傳遞路徑分析的原理，對(duì)主軸箱區(qū)域故障源位置進(jìn)行判定。首先利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ對(duì)主軸箱區(qū)域進(jìn)行了故障源位置識(shí)別的仿真分化從頻響函數(shù)的角度建立了主軸箱區(qū)域的傳遞函數(shù)矩陣，對(duì)傳盛器進(jìn)行布置，獲取測(cè)試點(diǎn)的響應(yīng)信息，解析確定故障源的位置。論證了其方法的可行性。然后開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，利用ＬＭＳ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)兩種不同的巧勵(lì)方式對(duì)某機(jī)械結(jié)構(gòu)的故障源位Ｓ進(jìn)巧識(shí)別，有效碗定了故障源的具體位置。
關(guān)鍵詞：故陣診斷；軸也軌跡識(shí)別；故隨源識(shí)別；傳遞函數(shù)
１.緒論
１．１論文背景與硏究意義
本論文來(lái)源于清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系與南通科技數(shù)控機(jī)床技術(shù)聯(lián)合研發(fā)中屯、開(kāi)展的合作項(xiàng)目。
立式加工中必的特點(diǎn)在于其主軸軸線與工作臺(tái)垂直設(shè)置。立式加工中也因其發(fā)展較早，技術(shù)比較成熟，同時(shí)具有高速、高精度等特點(diǎn)，因而在中小零件及中小模具加工中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)化中國(guó)的數(shù)控機(jī)床經(jīng)歷了凡十年的發(fā)展，己經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。中低端數(shù)控機(jī)床己經(jīng)基本滿足了國(guó)內(nèi)需求，但是在離端領(lǐng)域，我國(guó)與歐日美等國(guó)家相比，差距顯著，裝配對(duì)產(chǎn)品可靠性的影響非常濕著，國(guó)肉機(jī)床領(lǐng)域的從業(yè)人員和研巧人員將主要精力放在機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化、切削性能改進(jìn)等方面上，對(duì)機(jī)床裝配工芝的研巧不夠重視，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的研巧也不夠深入。由于機(jī)床在裝配和調(diào)試技術(shù)方面的短板，國(guó)產(chǎn)機(jī)床在定位精度、機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性上與國(guó)外還有很大差距，產(chǎn)品的壽命周期也遠(yuǎn)低于國(guó)外口］，這些都是國(guó)產(chǎn)高檔機(jī)床市場(chǎng)占有率不商的重要原因。當(dāng)前數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)模式屬于多品種小批里，數(shù)控機(jī)床制造企業(yè)的裝配車間大多采用半自動(dòng)裝配或純手工裝配的方式，基于這種裝配方式的特點(diǎn)，下幾個(gè)方面導(dǎo)致了機(jī)床在裝配環(huán)節(jié)可能會(huì)存在故暗隱患。
（１）人為因素，裝配操作工人的素質(zhì)參差不齊，會(huì)對(duì)機(jī)床裝配故障的造成很大影響，進(jìn)而對(duì)機(jī)床的綜合性能也會(huì)產(chǎn)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(duì)機(jī)床的裝配精度亦有影響。
（３）機(jī)床裝配過(guò)程和裝配完成后的檢測(cè)手段。由于機(jī)床在裝巧過(guò)程和裝配完成后的測(cè)里方式往往采用半自動(dòng)或手動(dòng)的測(cè)量方式，測(cè)量方式并沒(méi)有執(zhí)行統(tǒng)一嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，且限于測(cè)量工具自身的檢測(cè)水平，同樣會(huì)對(duì)機(jī)床在后續(xù)工作巧態(tài)下的故睹發(fā)生產(chǎn)生影響。
（４）其他因素。此外，機(jī)床制造廠家在裝配機(jī)床過(guò)程中，有些外購(gòu)部件在不能及時(shí)到貨的情況下，為了不影響裝配進(jìn)度，？不得不更改裝配順序，操作工人在裝配現(xiàn)場(chǎng)為了自身的方便，也會(huì)出現(xiàn)不嚴(yán)格執(zhí)行裝配工藝規(guī)程的現(xiàn)象；機(jī)床在安裝地點(diǎn)的精度指標(biāo)與出廠預(yù)驗(yàn)收的精度保持一致也是難Ｗ做到的。
國(guó)內(nèi)機(jī)床制造廠家為了提商機(jī)床性能，通常關(guān)鍵部件采用國(guó)外產(chǎn)品，南通化床生產(chǎn)的ＶＣＬ８５０立式加工中也，主軸、滾珠絲杠副、線性導(dǎo)軌均為外購(gòu)。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(jī)床性能尤其在工況下的定位精度、動(dòng)態(tài)特性上遠(yuǎn)不及園外的同類產(chǎn)品．美國(guó)哈斯公司生產(chǎn)的ＶＦ－３型立式加工中屯、巧ＶＣＬ８５０立式加工中屯、作對(duì)比，兩者在機(jī)床結(jié)構(gòu)布置方式上大致相近。化起在技術(shù)參數(shù)指標(biāo)上者差距明思，ＶＣＬ８５０立式加工中屯、的定位精度０．０１ｍｍ，重復(fù)定位精度０．００５ｍｍ，而ＶＦ－３系列立式加Ｘ中屯、的定位精度０．００５ｍｍ，重復(fù)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(tài)下，ＶＣＬ８５０立式加工中屯、的穩(wěn)定性要弱于ＶＦ－３型立式加工中也。南通科技的機(jī)床裝配工藝規(guī)程長(zhǎng)期１＾：＞１來(lái)主要依靠工人的現(xiàn)場(chǎng)工作經(jīng)驗(yàn)巧累，研發(fā)設(shè)計(jì)人員并沒(méi)有采用實(shí)驗(yàn)的手段，需要通過(guò)量化數(shù)據(jù)去支持論證機(jī)床裝配Ｘ藝流程的合理性。機(jī)床部件裝配的累積誤差會(huì)影響到機(jī)床的加工精度口由此可化，基于裝配工藝角度來(lái)對(duì)機(jī)床進(jìn)行研巧分析，對(duì)于提高機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性意義很火。圖１－１為某數(shù)按機(jī)床的故障原因統(tǒng)計(jì)圍。
圖１－１某數(shù)挖機(jī)床的故障原因統(tǒng)計(jì)圖
綜上所述，從裝配角度對(duì)機(jī)床主軸箱進(jìn)行檢測(cè)，將化床裝配故障問(wèn)題類型化，故睹源位置具體化，可為裝配工人在機(jī)床在裝配過(guò)程中遇到的故障問(wèn)題提供指導(dǎo)性意見(jiàn)，方便工人迅速查找故障源；從長(zhǎng)遠(yuǎn)上說(shuō)，還可ｌＵ為后續(xù)建立的化床智能故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供相關(guān)的技術(shù)儲(chǔ)備。
１．２國(guó)內(nèi)外硏究綜述
１．２．１化床主軸箱故隨診斷技術(shù)
主軸箱的裝配是機(jī)床的重要一環(huán)，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(jī)床的加工性能。一旦機(jī)床主軸箱區(qū)域的相關(guān)部件裝配不達(dá)標(biāo)，卻未予及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將可能導(dǎo)致某些昂貴部件造成不可修復(fù)的損失。從先期的機(jī)床組裝階段，針對(duì)機(jī)床主軸箱各部件的裝配進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)及分析，能夠在機(jī)床出現(xiàn)放障之前及早的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題來(lái)源，可避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)主軸箱的故障診斷，一般經(jīng)歷Ｈ個(gè)階段：設(shè)備原始數(shù)據(jù)的巧集及獲取、對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理提取有用成分、對(duì)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行特征識(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)情況。
現(xiàn)有文獻(xiàn)針對(duì)機(jī)械設(shè)備在工作過(guò)程中出現(xiàn)失效時(shí)的故障機(jī)理、特征等方面開(kāi)展了大量的研巧，專口針對(duì)機(jī)床主軸箱的裝配故障開(kāi)展研巧的相關(guān)文獻(xiàn)并不多，但是針對(duì)不同檢測(cè)對(duì)象的研巧策略是相似的，進(jìn)行故障診斷的方法手段是相通的。故障診斷技術(shù)的研巧內(nèi)容主耍包括：故障信號(hào)的檢測(cè)與采集、設(shè)備巧態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究、故障機(jī)理的研究、機(jī)械故障信息處理技術(shù)、故障特征提取與分析化研巧領(lǐng)域的詳細(xì)劃分如圖１－２所示。
困１－２旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故時(shí)診斷技術(shù)
針對(duì)機(jī)床主軸箱故障診斷的研巧，楊樹(shù)蓮Ｗ利用可變回轉(zhuǎn)角度階比分析的方法對(duì)機(jī)床主軸故障特征進(jìn)行提取，收到了良知的效果。馮冬芳Ｐ１通過(guò)頻譜分析的方法利用主軸軸承的振動(dòng)信號(hào)，對(duì)主軸進(jìn)行故掩診斷，并確定了軸承端蓋的預(yù)緊力區(qū)間。周蘇波Ｗ對(duì)機(jī)床主軸的軸也軌進(jìn)進(jìn)行在線測(cè)試，發(fā)現(xiàn)機(jī)床主軸箱存在動(dòng)不平衡的裝配故障。商榮Ｍ利用小波奇異性對(duì)主軸箱的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，消去了外界喚聲對(duì)切削狀態(tài)下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的干擾，同時(shí)還可Ｗ對(duì)機(jī)械故障信號(hào)進(jìn)行預(yù)測(cè)，達(dá)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(shù)
故障信息處理技術(shù)通常由故障信號(hào)的檢測(cè)、分析處理兩部分構(gòu)成，檢測(cè)的常見(jiàn)信號(hào)類型包括：流量、噪聲、電流、溫度、振動(dòng)、壓力、電壓等，分析處理就是對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、去噪、調(diào)理、解調(diào)變換等，進(jìn)而提取出對(duì)故障特征識(shí)別有用的信息。故障信號(hào)去噪是對(duì)故障特征提取與分析之前的一個(gè)必要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)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?yàn)V波。傳統(tǒng)去噪方法的不足在于信號(hào)變換后的炯?jí)埜撸瑹o(wú)法刻畫(huà)信號(hào)的非平穩(wěn)特性并見(jiàn)無(wú)法得到信號(hào)的相關(guān)性（ＩＷ１。在信號(hào)去噪方法研究的早期過(guò)程中，由于受到理論方法的限制，從振動(dòng)信號(hào)中去除外部噪聲干擾主要采用傳統(tǒng)去噪方法，取得了－？些研究成果。１９８１年王祖榮提出了一種將系統(tǒng)進(jìn)一步簡(jiǎn)化為滿足文泰濾波條件定常系統(tǒng)的簡(jiǎn)化非線性濾波方法。１９８７年陳關(guān)榮ｎｓ］研究了非線性動(dòng)態(tài)及觀測(cè)系統(tǒng)濾波問(wèn)題的一種樣條函數(shù)遞推算法。隨著科技的發(fā)展，許多先進(jìn)的去噪技術(shù)例如小波變換、ＨＨＴ變換、ＥＭＤ分解等先后出現(xiàn)。在機(jī)械故障診斷領(lǐng)域獲得了實(shí)際應(yīng)用，取得了很好的科研成果。１９９８年傅瑜對(duì)小波理論在若干旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備故障診斷中的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題開(kāi)展了研巧。２００４年胡峰等學(xué)者利用小波降噪的方法提取故障信號(hào)，并用ＡＲ模型進(jìn)行譜估計(jì)，確定齒輪的故障類型及嚴(yán)重程度。２００８年劉樹(shù)春等Ｗ研究了基于二代小波的振動(dòng)信號(hào)去噪相關(guān)技術(shù)。２０１３年孟宗等Ｗ提出了一種解決ＨＨＴ分析中模態(tài)裂解現(xiàn)象的方法，即基于快速獨(dú)立分量分析消噪的ＨＨＴ分析方法，仿真與實(shí)例結(jié)果表明，該方法能有效抑制ＨＨＴ過(guò)程中的模態(tài)裂解現(xiàn)象，有效提取信號(hào)的特征頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷。
１．２．３故摩特征提取與分析技術(shù)
故障特征提取局分析技術(shù)是當(dāng)前故睹診斷的瓶頸，直接影響到故障早期預(yù)報(bào)的可靠性與機(jī)械故障診斷的準(zhǔn)確性。故障診斷信息處理技術(shù)研巧的主要內(nèi)容包括時(shí)間序列分析、統(tǒng)計(jì)分析、傳遞函數(shù)分析、相關(guān)分析、頻譜分析、相干分析、細(xì)化譜分析、包絡(luò)分析、模態(tài)分析和倒譜分析等，其理論基礎(chǔ)是數(shù)理統(tǒng)計(jì)和隨機(jī)過(guò)租氣傳統(tǒng)的故睹特征提取與分析技術(shù)主要基于傅立葉分析，傅里葉變換與反變換建立了信號(hào)在時(shí)間域與頻率域之間相互轉(zhuǎn)化的橋梁，提供了信號(hào)的時(shí)域分析和頻域分析兩種方法。因此，傳統(tǒng)的故障特征提取方法主要分為時(shí)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(dòng)分析儀對(duì)電動(dòng)機(jī)同步和非同步過(guò)程進(jìn)行了時(shí)域方面的分析。陳瑞琪等口１人于１９８５年利用聲強(qiáng)分析儀及頻率分析儀系統(tǒng)對(duì)紡機(jī)錠子和氣流紡紗高速軸承組件的振動(dòng)、噪聲進(jìn)行頻譜分析，了解兩者的主頻率及相互關(guān)系。１９９２年艾延廷等ｔｗ對(duì)齒輪故障檢測(cè)中時(shí)域分析技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程、齒輪故障的特征波形及特征參數(shù)進(jìn)行了討論，并引證了應(yīng)用時(shí)域分析技術(shù)檢測(cè)齒輪故障的實(shí)例。
在Ｗ振動(dòng)信號(hào)為化態(tài)變量進(jìn)行故障診斷時(shí)，由于設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的不平穩(wěn)、外在負(fù)荷的交替變化、不確定性的沖擊等因素導(dǎo)致振動(dòng)信號(hào)并非始終是平穩(wěn)的，從而使基于平穩(wěn)過(guò)程和線性系統(tǒng)的傳統(tǒng)信號(hào)處理理論的應(yīng)用受到限制Ｐ５１。傳統(tǒng)的傅立葉變換從頻域角度分析振動(dòng)信號(hào)的特征信息，僅適用于對(duì)平穩(wěn)信號(hào)的分析，在處理非平穩(wěn)信號(hào)時(shí)會(huì)出現(xiàn)很大誤差，甚至與實(shí)際情況大相徑庭。隨著現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展和逐漸成熟，人們開(kāi)始研究新的信號(hào)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(jiǎn)稱ＷＡ）、獨(dú)立分量分析（簡(jiǎn)稱ＩＣＡ）、主分量分析（簡(jiǎn)稱ＰＣＡ）、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（簡(jiǎn)稱ＥＭＤ）、隱Ｍａｒｋｏｖ模型（簡(jiǎn)稱ＨＨＭ）等。林京等學(xué)者ｉｎ］建立了基于連續(xù)小波變換的奇異性檢測(cè)方法，并將這種方法應(yīng)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(duì)某巧輪箱進(jìn)行故障診斷，模態(tài)分析中的固有頻率和振型作為識(shí)別故暗的重要參數(shù)特征，胡勁松口９］利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的方法應(yīng)用到旋轉(zhuǎn)機(jī)械信號(hào)處理與故隋診斷，為非線性和非穩(wěn)態(tài)的故障分析與診斷給出了一條新的途徑。下啟全等學(xué)者口Ｗ提出了基于因子隱Ｍａｒｋｏｖ模型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷方法，而且利用這種方法對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障實(shí)現(xiàn)了進(jìn)行了有效的分類。
１．２．４故膊源位置識(shí)別技術(shù)
機(jī)床存在機(jī)械故障時(shí)，必定會(huì)衍生出額外的激勵(lì)、噪聲。工程技術(shù)人員通過(guò)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)對(duì)故障源進(jìn)行位置判定，進(jìn)而針對(duì)性的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，解決機(jī)械故障問(wèn)題。從這個(gè)角度上說(shuō)，故陣源識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用前景廣泛。故障源識(shí)別技術(shù)最初主要應(yīng)用在汽車領(lǐng)域，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸應(yīng)用到船舶、機(jī)床、飛機(jī)、鐵道等領(lǐng)域。從６０年代開(kāi)始，隨著計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，有限元網(wǎng)格劃分的精細(xì)程度和計(jì)算精度逐步提高，出現(xiàn)了與Ｍ動(dòng)嗓聲緊密相關(guān)的計(jì)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(dòng)測(cè)試類的產(chǎn)品有饑公司的數(shù)據(jù)采集卡系列，其中比利時(shí)的ＬＭＳ公司的測(cè)試系統(tǒng)是ＮＶＨ領(lǐng)域的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，應(yīng)懷樵教授創(chuàng)建的北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研巧所在國(guó)內(nèi)也有一定的聲譽(yù)。
國(guó)內(nèi)外對(duì)故陣源識(shí)別的方法有分步運(yùn)巧消去法，頻譜分析法，即相干函數(shù)法，層次分析法，傳遞路徑分析法（ＴＰＡ），統(tǒng)計(jì)能＊法等ＰＯ＇Ｗ，主成分分析法．獨(dú)立分量分祈法等等。在此僅介紹前Ｈ種方法。
１．分步運(yùn)轉(zhuǎn)法
分步運(yùn)轉(zhuǎn)消去法即對(duì)一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行故障源識(shí)別時(shí)，首先在同一部位，不同時(shí)間下，對(duì)系統(tǒng)的總體振動(dòng)噪聲響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，然后逐步關(guān)閉系統(tǒng)的各個(gè)故障源，與此同時(shí)測(cè)試關(guān)閉故障源后的振動(dòng)噪聲響應(yīng)，根據(jù)疊加原理，確定各個(gè)故障源對(duì)系統(tǒng)總體的貢獻(xiàn)大小。這種方法簡(jiǎn)單，便于直觀發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。但實(shí)際工作中復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，各個(gè)故障源往往鍋合在一起，難Ｗ單獨(dú)開(kāi)啟關(guān)閉某一故障源，因此針對(duì)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，分布運(yùn)轉(zhuǎn)消除法無(wú)法解決實(shí)際問(wèn)題。
２．頻譜分析法
額譜分析法即在頻域?qū)收显催M(jìn)行識(shí)別，一般不同的振動(dòng)噪聲故障源具有不同的頻率特性。可通過(guò)頻譜分析，依據(jù)幅值大小主觀判定故障源的貢獻(xiàn)大小。但由于機(jī)械結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)態(tài)特性，幅值最大的區(qū)域并非總是故障源區(qū)域，這種依據(jù)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(shù)廣泛應(yīng)用到了振動(dòng)噪聲領(lǐng)域，Ｐ．Ｒ民〇化１９７１年在有背景噪聲的情況下，利用常相干分析方法正確識(shí)別了噪聲源。Ｍ．Ｃａｌｉｓｋａｎ利用相干分析用于紡織機(jī)的瞬時(shí)噪聲源識(shí)別，與傳統(tǒng)方法得到的結(jié)果相同，證明了相干分析可同樣適用于故障源識(shí)別１＂１。國(guó)內(nèi)對(duì)相干分析的研巧始于上個(gè)世紀(jì)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(jìn)行了后續(xù)的降噪處理Ｗ。張衰維等人Ｗ利用自功率譜分析與相干分析技術(shù)，對(duì)某臺(tái)內(nèi)燃叉車的液力變速箱進(jìn)行測(cè)試分析，找到了該變速箱產(chǎn)生噪聲的主要來(lái)源。
４．傳遞路徑分析法
傳遞路徑分析（ＴＰＡ）是指通過(guò)試驗(yàn)來(lái)跟蹤由源經(jīng)過(guò)一系列己知結(jié)構(gòu)或空氣傳播路徑傳遞到指定接收點(diǎn)能量流的分析方法。其目的在于評(píng)價(jià)由振動(dòng)源到響應(yīng)點(diǎn)每個(gè)路徑能量的矢里貢獻(xiàn)，從而確定為了解決特定的問(wèn)題，路徑上哪些部件需要修改，或者通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)使部件得到理想的特性。于上個(gè)世紀(jì)９０年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)，如今在機(jī)械故陣診斷、部件性能改進(jìn)、振動(dòng)噪聲源識(shí)別等方面得到了很好的應(yīng)用，己經(jīng)被國(guó)外汽車ＮＶＨ領(lǐng)域廣泛認(rèn)同并且己經(jīng)商用化，國(guó)內(nèi)也開(kāi)始興起。比利時(shí)的ＬＭＳ公司的ＬＭＳＴｅｓｔｌａｂＴｒａｎｓｆｅｒＰａｔｈＡｎａｌｙｓｉｓ軟件在汽車領(lǐng)域得到了廣泛好評(píng)與普遍應(yīng)用，ＬＭＳ公司在空氣聲定量識(shí)別、多參考點(diǎn)傳遞路徑分析、王況傳遞經(jīng)分析等方面積累了大量成功案例。Ｋ．Ｇｅｎｕｉｔ等人Ｗ利用雙通道傳遞路徑分析模型對(duì)車內(nèi)進(jìn)行聲學(xué)診斷；福特公司的ＰｅｒｒｙＧｕ等人對(duì)巧態(tài)振動(dòng)狀態(tài)下的車內(nèi)振動(dòng)巧聲進(jìn)行了定＊分析，Ｇｒｙａｎａｒｏｒａ等人利用傳遞路徑分析法對(duì)路面噪聲對(duì)車內(nèi)貢獻(xiàn)的影響進(jìn)行了分析等等。目前國(guó)內(nèi)開(kāi)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(xué)、同濟(jì)大學(xué)、上海交通大學(xué)Ｗ及長(zhǎng)安汽研院在這方面做出了不錯(cuò)的成績(jī)，并且應(yīng)用到了很多領(lǐng)域。吉林大學(xué)的起形航ｔ＂］利用傳遞路徑分析法較完整地分析了車內(nèi)振動(dòng)噪聲的傳遞路徑，建立了車內(nèi)振動(dòng)噪聲傳遞模型，并對(duì)主要的傳遞路徑進(jìn)行分析，取得了很好的預(yù)期效果。同濟(jì)大學(xué)的郭榮等［４＊１對(duì)燃料電池轎車車內(nèi)噪聲的傳遞路徑進(jìn)行了分析研究，在怠速工況下對(duì)車內(nèi)噪聲進(jìn)行傳遞路徑測(cè)試試驗(yàn)，識(shí)別得出了主要傳遞路徑。長(zhǎng)安汽車工程研巧院李傳兵等人用傳遞路徑分析的相關(guān)軟件，針對(duì)某新車型的車內(nèi)噪聲問(wèn)題進(jìn)行了傳遞路徑分析，找到了對(duì)車內(nèi)噪聲影響最大的傳遞路徑，針對(duì)性地對(duì)部分部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效地消除了運(yùn)行狀態(tài)下的車內(nèi)噪聲問(wèn)題。總體上說(shuō)國(guó)內(nèi)的高校和研．究機(jī)構(gòu)對(duì)傳遞路徑分析方法的研究應(yīng)用還處于摸索前進(jìn)階段。
１．３論文主要硏究?jī)?nèi)容
機(jī)床部件裝配的累積誤差４影響到機(jī)床的加工精度本論文針對(duì)某立式加工中屯、的主軸箱在裝配出廠階段進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)及分析，將機(jī)械故障診斷的理論和方法應(yīng)用于工廠實(shí)際生產(chǎn)中，這種探索與嘗試，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工人進(jìn)行機(jī)床質(zhì)量檢驗(yàn)和機(jī)床裝配工藝規(guī)程的不斷改進(jìn)具有指導(dǎo)意義。另外，本論文所開(kāi)展的工作也為后續(xù)針對(duì)機(jī)床的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)積累了資料素材。本論文的主要研巧內(nèi)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(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合ＶＣＬ８５０立式加工中也的裝配王藝規(guī)程等相關(guān)資料，分析主軸箱在安裝過(guò)程中可能存在裝配故障的區(qū)域，并對(duì)其故障機(jī)理進(jìn)行了探討分析。
(2）結(jié)合測(cè)試方案和要求，選用合適的傳感器、數(shù)據(jù)采集卡，利用ＬａｂＶ圧Ｗ軟件進(jìn)行編程，構(gòu)建針對(duì)主軸箱區(qū)域的測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)基于相關(guān)分析的濾波降噪功能、相位測(cè)量功能，頻域分析功能，基于ＳＶＤ法、不變矩法的軸也軌跡識(shí)別功能。
（３）利用轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)動(dòng)不平衡、角亭不對(duì)中、松動(dòng)等Ｈ種不同類型的裝配故障進(jìn)行模巧實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，初步確定Ｈ種不同類型裝配故巧的信號(hào)特征表現(xiàn)形式。
（４）結(jié)合模態(tài)動(dòng)能法與有效獨(dú)立法，針對(duì)主軸箱在工作激勵(lì)下如何實(shí)現(xiàn)傳感器的優(yōu)化布置開(kāi)展研巧，為機(jī)械故席診斷前期如何優(yōu)化布置傳感器提供了一種新的思路。
（５）對(duì)空轉(zhuǎn)狀態(tài)下的主軸箱區(qū)域振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行降巧處理分析裝配主軸箱故障原因；對(duì)主軸運(yùn)行狀態(tài)下的軸屯、軌跡進(jìn)行檢測(cè)，并基于ＳＶＤ法、不變矩法對(duì)主軸的軸屯、軌跡進(jìn)行識(shí)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(hào)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同主要的裝配故障類型的分類識(shí)別。
（６）基于傳迸路徑分析的原理，對(duì)不同裝配故障產(chǎn)生的異常故障源位置進(jìn)行判定：首先介紹故障源識(shí)別采用的主要方法，然后利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ仿真軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸箱故障源位置的識(shí)別，最終開(kāi)展實(shí)驗(yàn)論證這種故障源位置識(shí)別方法的可行性。
２.ＶＣＬ８５０主軸箱主要的裝配故障機(jī)理分析
本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象ＶＣＬ８５０立式加工中如（如圖２－１所示）是南通機(jī)床自主開(kāi)發(fā)的一款高檔通用的自動(dòng)化機(jī)床，配裝了刀庫(kù)容量為２４把刀的機(jī)械手刀庫(kù)，可完成較、統(tǒng)、鉆、錯(cuò)、攻絲等多種工序的切削加工。
圖２－１ＶＣＬ８５０立式加工中私
本論文的研巧重點(diǎn)為ＶＣＬ８５０立式加工中屯、的主軸箱區(qū)域。ＶＣＬ８５０立式加工中也主軸箱區(qū)域的裝配圖如圖２－２所示。主要包括主軸箱、主軸電機(jī)，同步齒形帶，主軸、等相關(guān)配合部件。
圖２－２主軸巧裝巧巧
在機(jī)床出廣階段，由于裝配不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致機(jī)床在后續(xù)工作中出現(xiàn)不同類型的機(jī)械故陣在工作狀態(tài)下，化床所表現(xiàn)出不同形式的信號(hào)特征可指導(dǎo)檢測(cè)人員判定故障原因。不同振動(dòng)類型及表現(xiàn)形式如圖２－３所示，簡(jiǎn)單描述了不同振動(dòng)類型所表現(xiàn)的信號(hào)特征：
圖２－３不同振動(dòng)類型及表現(xiàn)形式
自激振動(dòng)是由機(jī)床自身結(jié)構(gòu)決定的，在機(jī)床出廠階段，受迫振動(dòng)則《是由裝配不當(dāng)造成的。因此需要對(duì)ＶＣＬ８５０進(jìn)行模態(tài)分析，排除自激振動(dòng)的干擾。ＶＣＬ８５０的轉(zhuǎn)速區(qū)間在４８？１２０００巧ｍ，對(duì)應(yīng)頻率為１？２００Ｈｚ，首先對(duì)ＶＣＬ８５０的主軸箱進(jìn)行模態(tài)分析仿真，排除機(jī)床工作頻率是否在自激振動(dòng)的區(qū)間。取六階模態(tài)，通過(guò)ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎ化得到仿真結(jié)果，其前六階固有頻率和對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型如表２－１所示，
表２－１模態(tài)仿真分析結(jié)果
表2.1 ＶＣＬ８５０主軸箱主要的裝配故障機(jī)理分析
可Ｗ看到主軸箱區(qū)間的一階固有頻率在２６３．１６Ｈｚ，證明ＶＣＬ８５０在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生的故障不是由自激振動(dòng)造成的。
下面主要介紹ＶＣＬ８５０立式加工中屯、主軸箱區(qū)域在工作轉(zhuǎn)速下的常見(jiàn)的幾種裝配故障類型：
２．１動(dòng)不平衡故障
動(dòng)不平衡是大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械最為常見(jiàn)的故障類型之一。對(duì)機(jī)床主軸箱進(jìn)行裝配時(shí)，主軸系統(tǒng)的組件之間的安裝不當(dāng)，導(dǎo)致產(chǎn)生配合間隙。安裝刀具時(shí)，刀具系統(tǒng)（刀具一刀柄）與主軸錐孔的配合不良，都會(huì)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生動(dòng)不平衡。主軸安裝之前，對(duì)主軸自身進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)是十分重要的一環(huán)，主軸箱整體裝配完成之后，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)動(dòng)不平衡的在線測(cè)試，可１＾更為徹底的檢測(cè)動(dòng)不平衡問(wèn)題。主軸與刀具系統(tǒng)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(zhuǎn)子動(dòng)不平衡示意圖，動(dòng)不平衡主要表現(xiàn)在一個(gè)旋轉(zhuǎn)體的質(zhì)量中屯、０與轉(zhuǎn)動(dòng)中也０＇不重合，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中（角速度為Ｗ）形成了周期性的巧屯、力Ｆ或者離屯、力矩的干擾，作用在機(jī)組及其相關(guān)部件，加劇旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生噪聲，在一定程度上加速了軸承等部件的磨損，縮短了機(jī)組的使用壽命。離也力Ｆ的大小與偏屯、距ｅＷ及旋轉(zhuǎn)角速度似有關(guān)，即：
就機(jī)床主軸箱區(qū)域來(lái)說(shuō)，相關(guān)安裝部件自身的制造公差、部件安裝不當(dāng)、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后導(dǎo)致主軸系統(tǒng)產(chǎn)生很大溫升、長(zhǎng)期使用導(dǎo)致部件磨損、等都是造成主軸動(dòng)不平衡的主要原因口２１。
圖２－５轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡示意圖
如圖所示，Ｏ為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)中屯、，公為轉(zhuǎn)子的質(zhì)量中必，ｅ為偏屯、距，ｗ為｝｜轉(zhuǎn)子角速度，０為偏屯、夾角。若考慮阻尼的影響，則轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)微分方程為：
動(dòng)不平衡下的轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中在Ｘ、ｙ方向的振幅并不一定相等。
２．２不對(duì)中故障
針對(duì)主軸箱而言，電機(jī)通過(guò)同步內(nèi)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(jī)偏角不對(duì)中的情況發(fā)生。
轉(zhuǎn)子不對(duì)中的實(shí)際含義是指軸系連接同，。度和平直度的偏差故障１？１。造成轉(zhuǎn)子不對(duì)中問(wèn)題的原因主要有轉(zhuǎn)子相關(guān)部件的制造誤差、安裝誤差或者長(zhǎng)時(shí)間使用造成的熱變形等因素。轉(zhuǎn)子不對(duì)中可分為偏角不對(duì)中、平行不對(duì)中和偏角平行不對(duì)中Ｈ種，可看到電機(jī)通過(guò)同步內(nèi)齒帶輪連接主軸。主軸與電機(jī)的配合簡(jiǎn)圖如圖２－６所示。
圖２－６主軸與電機(jī)配合簡(jiǎn)圖
圖２－７電機(jī)、主軸角速度一周期內(nèi)的變化
２．３碰摩故障
ＶＣＬ８５０立式加工中屯、的主軸箱剖面圖如圖２－６所示。主軸與電機(jī)通過(guò)同步內(nèi)齒帶輪連接，裝配工人依靠經(jīng)驗(yàn)將調(diào)整螺釘實(shí)現(xiàn)對(duì)帶輪的張緊，由于調(diào)整不當(dāng)，帶輪張緊力過(guò)大，會(huì)影響到間隙配合的位置，產(chǎn)生碰摩的裝配故障。
定子轉(zhuǎn)子碰摩是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的常見(jiàn)故障，由于安裝不當(dāng)影響了定子轉(zhuǎn)子的間隙誤差，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和定子間的摩擦事故經(jīng)常發(fā)生，同時(shí)由于工況變動(dòng)或過(guò)大的軸向推力，都有可能導(dǎo)致碰摩ＩＷ。圖２－８為碰摩力學(xué)模型圖。
圖２－８碰摩力學(xué)模型
碰摩是轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)一周后與定子部件上的某區(qū)域發(fā)生接觸碰撞導(dǎo)致彈性變形及摩擦熱效應(yīng)的情況。Ｋ，為定子與轉(zhuǎn)子之間的等效剛度，將Ｃ和分解到徑向的碰撞力和切向的摩擦為／；，則有：
摩故障發(fā)生。
力碰摩產(chǎn)生的接觸力足Ｗ改變轉(zhuǎn)子軌跡的運(yùn)動(dòng)方向，這時(shí)動(dòng)定子的接觸點(diǎn)不一定是固定的，其振動(dòng)響應(yīng)值應(yīng)為各接觸點(diǎn)法向力的平均值之和１巧。
２．４松動(dòng)故障
如圖２－９所示，兩處分別為電機(jī)主軸箱結(jié)合部與主軸與主軸箱結(jié)合部。
圖２－９主軸箱結(jié)合部
主軸箱區(qū)域分布著大量螺拴，部件安裝通過(guò)螺栓連接起到定位、緊固的作用。由于安裝質(zhì)量不髙及長(zhǎng)期的振動(dòng)都會(huì)引起結(jié)合部位的松動(dòng)故障，影響到主軸及電機(jī)的正常運(yùn)行及安全。
如圖２－１０為主軸與電機(jī)栓接處力學(xué)模型，表示主軸，表示電機(jī)，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。
圖２－１０主軸箱結(jié)合部力學(xué)模型
轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)的微分方程為：
由于系統(tǒng)剛度、阻尼的不穩(wěn)定，工作狀態(tài)下的機(jī)械結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)嚴(yán)重的非線性問(wèn)超，發(fā)生松動(dòng)部位的振動(dòng)信號(hào)特征復(fù)雜多變。
２．５本章小結(jié)
本章首先對(duì)ＶＣＬ８５０立式加工中屯、的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并證明了故障原因不是由于自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)造成的。重點(diǎn)分析了ＶＣＬ８５０主軸箱可能存在裝配故障的區(qū)域，對(duì)幾種主要裝配故障（動(dòng)不平衡故障、不對(duì)中故障、松動(dòng)故障、碰摩故障）的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)闡述；為接下來(lái)對(duì)ＶＣＬ８５０主軸箱區(qū)域的故障信號(hào)檢測(cè)提供理論支撐。
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