基于動態特性分析的機床主軸裝配故障診斷硏究（中）
2017-7-13 來源：北京交通大學 作者：李凱旋
３.主軸箱測試系統的構建
本論文主要針對ＶＣＬ８５０的主軸箱區域裝配問題開展研巧。需要構建相應的測試系統對主軸箱區域的信號進行采集、保存、離線處理、分析，進而確定主軸箱區域存在何種類型的裝配故障問題。因此本章重點介紹測試系統的總體結構設計、硬件的選用Ｌ義及軟件的功能特點Ｈ方面的內容。
３．１測試系統的總體方案設計
針對主軸箱區域，需要檢測的內容包括；主軸箱相關區域的振動信號，主軸運行時的軸屯、軌跡等。因此需要滿足如下要求；
（１）可從滿足機床工作頻率范圍內的數據精確采集。
（２）可同時采集多組、不同的信號類型。
加速度傳感器主要測試ＶＣＬ８５０主軸箱區域（徑向、軸向）附近的振動信號，電鍋流位移傳感器主要測試主軸運行狀態下的軸也軌跡，光電傳感器用于標定鍵相信號，激光位移傳感器用于測試主軸運行狀態下的徑向跳動量。
測試系統的總體方案設計如圖３－１所示。
圖３－１測試系統的總體方案設計
３．２測試系統的巧件選型
選擇滿足測試要求的硬件是滿試系統的物理基礎，選擇的硬件直接影巧到測試的結果，因此必須選擇合理的測試硬件，
（１）傳感器的選用
１）本論文選用ＰＣＢ公司生產的３５Ａ１６型的壓電加速度傳感器，內置１Ｃ放大器，將傳統的壓電加速度傳感器與電荷放大器集于一體，能夠直接記錄、方便與采集設備進行連接，簡化了測試系統，提高了測試的精度與可靠性，同時它具有較高的信噪比，傳感器體積較小，同時在檢測范圍內具有良好的線性特性，實物圖及巧主要參數指標如表３－１所示。
表３－１加速度傳感器主要參數指標
２）電渦流位移傳感器傳感器采用ｂｅｎｔｌｙ公司的３３００ＸＬ１１ｍｍ型產品，與振動變送器一并使用：電禍流傳感器用于檢測被測金屬導體與探頭端面之間靜態和動態的相對位移的變化檢測到的振動信號，振動變送器負責將振動信號按照比例變送成４至２０ｍＡ信號。能夠連續準確的采集到轉子在運行狀態下的多種參數指標，例如主軸運巧狀態下的徑向跳動豊、軸向位置Ｗ及振幅。實物圖及其主要參數指標如表３－２所示。
表３－２電鍋流位移傳感器主要參數指標
３）光電傳感器與ＰＸＩｅ－６３４１電壓采藥卡配合，Ｗ轉子持定位置作為標記，獲得高低電平信號與電禍流位移傳感器相互配合，得到相位信息。
數據采集系統
本論文主要利用ＮＩＰＸＩｅ￣４４９２、ＮＩＰＸＩｅ－６３４１數據采集卡和ＬＭＳ數據采集系統完成信號的采集工作。
１） ＮＩ ＰＸＩｅ＞４４９２是一款專為聲音和振動應用而巧計的高精度數據采集模塊。最高采樣率可達２０４．８ＫＨＺ，可攜帶８通道４Ｘ ＩｎｆｉｎｉＢａｎｄ連接器與ＢＮＣ型接頭傳感器連接。實物圖及其主要參數指標如表３－３所示。
表３－３ ＰＸＩＥ－４４９２主要參巧指標
２） ＮＩ化Ｉｅ－６３４１具備４路３２位計數器／定時器，可高級定時和觸發，配有ＮＩ－ＳＴＣ３定時和同步技術，針對ＰＷＭ、編碼器、頻率、事件計數等功能均能滿足需求。實物團及其主耍參數指標如表３－４所示。
表３－４ ＰＸＩＥ－６３４１主要參數指標
引本課題采用ＬＭＳ公司的ＬＭＳ數據采集設備，如圖３－２所示。ＬＭＳ數據采集設備專業用于對噪聲、振動、聲學和疲勞耐久性能測試，利用ＬＭＳ數據采集設備對實驗對象的輸入輸出信號巧行采策分析，巧現對未知巧障源位置的有效識別。
圖３－２ＬＭＳ數據采染設備
３．３測試系統的軟件總體設計
本論文采用的是美國國家儀器（Ｎ１）公司研制開發的ＬａｂＶＩＥＷ軟件進行編程設計。這種閱形化編輯語言便于上手，使用這種語言編程時，轄本上不寫程序代碼．取而代之的是流程圖或框圖。同ＢＡＳＩＣ和Ｃ－樣，ＬａｂＶＩＥＷ也是一套通用的編程系統，內部配置可完成任何編程任務的龐大函數庫。它廣泛的應用于測試測量、控制、仿真、快速開發、跨平臺運行等各個領域。
本論文通過ＬａｂＶＩＥＷ軟件將本論文的研巧內容設計成不同的功能模塊，主要包括：加速度信號的測試和位移信號的測試。其中兩個領域里面又由不同的子模塊構成。具體包括；原始數據的采集、濾波、隔直、頻譜分析、軸屯、軌跡測試、數據保存、故障識別等功能。軟件測試系統的功能模塊如圖３－３所示。
Ａ．加速度測試模塊
ＮＩＰＸＩｅ－４４９２最離采樣率可達２０４．８ＫＳ／Ｓ兩方面因素，設置采樣率４０％Ｈｚ，采樣數４０９６。
加速度傳感器共有６個采集數據通道，首先通過數據采集模塊將原始數據寫入計算機，然后通過數據分流，分配到單數據分析模塊，進行時頻域分析，也可對特定頻率的信號幅值進行監測。由于選用連續采集的方式，程序始終處于ｗｈｉｌｅ循環狀態，．需要ＬａｂＶＩＥＷ軟件的生產者－消費者模式對循環數據實時輸出，保存。也可在離線狀態下對數據進巧處理分析。加速度信號的程悼框圖如圖３－４所示。
Ｂ．位移測試系統
位移測試系統主要將電禍流傳感器測得的信號進行采集、處理、分析。其數據采集模塊、處理分析模塊同加速度測試系統，由于兩路電鍋流傳感器同時采集且互成９０度角，需要對這兩路信號合成，實時顯示主軸運行狀態下的軸也軌跡。由于整個測試界面比較復雜，下面主耍介紹幾個模塊：（１）相關濾波Ｗ：帶濾波信號為帶有諧波、直流偏置（Ｃ）、隨機噪聲（７＾（０）等成分的復雜信號ｙ的，表示為；
相關濾波器的程序巧圖如圈３－５所示。
（２）相位測量
本論文可根據多重相關法和ＦＦＴ分析法對相位進行測量。多重相關法可Ｌ：Ａ有效消除隨機噪聲對主信號的影響，設兩組含隨機噪聲的兩路信號為ｘ（ｆ）、ｙ（＜）表達式為：
利用多重相關的方法，可ｗ更有效的去除外界噪聲干擾，綜合考慮本論文采用二重相關法測試電鍋流位移傳感器與光電傳感器測得的信號相位差，程序框圖如圖３－６所示：
利用Ｘ、Ｙ兩向電禍流位移傳感器和光電傳感器測試對主軸的軸必軌跡進行檢測，軸‘６軌跡測試的流程酬圖３－７所示。
圖３－７軸屯、軌跡測試的流程困
３．５本章小結
本辜苗先介紹了機床主軸箱區域常化的幾種主要的裝配故障類型，產生這幾種故障的機理和對應的信號將征，為接下來的機床主軸箱醫域檢測、故障類型的判別提供了理論依據；其次介紹了對主軸箱區域進行撿測之前選用的硬件設備和相關技術參數，利用ＬａｂＶＩＥＷ設計了主軸箱區域的檢測系統和主耍的功能模塊，為接Ｔ來的信號檢測做好準備。
４.主軸箱裝配故障的模擬實驗
第二章主要針對主軸箱區域可能存在何種類型的裝配故障及其內在機理進行了分析研巧，第Ｈ章就圍繞主軸箱區域構建的測試系統進行了詳細介紹。為了更好的對主軸箱區域的裝配故障類型進行判斷，需要在實驗室開展針對性的模擬實驗，觀察不同的裝配故障類型在時域、頻域、軸也軌跡等表現什么樣的信號特征。方便后續去機床現場進行信號測試時提供一定的數據參考。因此本章針對主軸箱區域幾種主要的裝配故障類型開展了相關的模擬實驗。
如圖４－１為轉子實驗臺，由模擬臺調速器控制轉速大小。可通過對轉子實驗臺上的不同部件進行人為的裝配調整，模擬實際工況的不同類型的裝配故障。圖中可看到，利用第Ｈ章選用的硬件和構建的測試系統對轉子實驗臺進巧檢測分析。兩個電禍流位移傳感器互相垂直，測試轉子在運動狀態下的徑向跳動量；光電傳感器在標記位置確定基準相位：光電傳感器照射到標記位置時為高電平，其他位置為低電平。
圖４－１轉子實驗臺
４．１動不平衡實驗
圖４－１的轉子某部位存在缺失螺釘，模擬動不平衡。模擬臺調速器將調整轉子Ｌ的轉速，８００巧ｍ左右的轉速為例，得到的信號特征如圖４－２所示。
適然存在直流分量，但不影響信號特征。兩個電鍋流傳感器的相位基本穩定在５７°和１５０°左右，證明動不平衡位置與基準相位呈５７°左右夾角，兩個電巧流傳感器互成９３。夾角。動不平巧的信號特征主要表現為：
（１）在轉子徑向測得的頻譜圖上，頻譜能量集中在基頻（轉子轉速對應的頻率），轉速頻率成分有突出的峰值；
（巧轉速頻率的數倍于基頻的頻譜幅值很低，時域上的波形接近于正弦波，且基頻對應的幅值隨轉速的升高而變大，相位比較穩定。
(2）由于轉軸在各個方向上的支承剛度存在差別，轉子不平衡表現在ｘ、ｙ方向的幅值也不同，轉子的軸屯、軌跡接近于楠圓形。
４．２不對中故障實驗
將轉子實驗臺的一端底座用墊片墊離造成兩端底座商低不平，使轉子與轉軸形成一定夾角，模擬不對中問題。利用模擬臺調速器調節轉速，ＷｎＯＯｒｐｍ左右
可Ｌ義管到轉子不對中時，運轉狀態下的—倍頻幅值明顯，軸屯、軌跡呈香蕉形。綜合本實驗及文獻可知，轉子不對中引起的故障主耍信號特征為＂，ｉｗｉ：３
（１）若對振動信號進巧頻譜分析，其頻譜成分主要Ｗ—倍頻和二倍頻為主轉子不對中的程度越嚴重，二倍頻的幅頻特性越明顯，其至超過一倍頻。
（２）從轉子徑向檢測其信號，其兩個方向的時域波形類似崎變的正弦波。轉子的軸屯、軌跡呈香蕉形Ｉ當二倍頻的幅值更加明顯時，其軸＇。軌跡呈８字形。
４．３松動故障實驗
使底座的螺巧略為松動，模擬松動故障。將模擬臺調速器調到較低的巧速，Ｌ：Ａ６００巧ｍ為例，為了更加便于觀察，對信號采取直流分量隔離的措施。測得的信號特征如圓４－４所示：
綜合本次實驗及文獻調研得出旋轉機械的松動故障其信號特征表現為ＩＷＩ：
（１）對振動信號進行頻譜分析時，產生松動的對應方向與其他方向的頻譜信息差異很大：產生松動的方向除了基頻信號、出現了更多的倍頻，甚至分數倍頻，松動方向的振動越強烈、高頻信息越豐富；其他方向的頻譜信息較少。
（２）松動使得機械結構的結合面出現間隙，機械系統表現出非線性特征。出現松動故掩的轉子其軸也軌跡更加混亂、重也漂移。
４．４本章小結
棉棚轉ｆ自驗自壯科日駐獅劍日雜類麵浦織驗，分別獲得了動不平衡、角度不對中、松動三種故障在工作狀態下的時頻域及軸也軌跡的信號特征，可Ｗ得出初步結論：動不平衡故障與基頻相關軸屯、軌跡表現為楠圓；角度不對中故障與基頻二倍頻相關軸屯、軌跡表現為香蕉形或外八字形，松動故障的頻域特征較為復雜，軸屯、軌跡無規律。為接下來對工作現場的主軸箱區域的信號采集及分析提供了數據支持。
５主軸箱區域的信號采集及分析
通過就不同類型的裝配故障進行模擬實驗，對不同類型裝配故障所表現的信號特征有了一定的認識和了解，本章主要針對機床現場，對運行狀態下的主軸箱區域的信號進行采集及分析，主要包括；加速度傳感器位置如何確定、加速度信號的采集分析、主軸運行狀態下徑向位移信號、軸屯、軌跡的采集分析、故障類型的識別判定等。
５．１機床主軸箱加速度信號的采集及分析
５.1.１加速度傳感器位置的確定
加速度傳感器對故障產生時伴隨的振動信號十分敏感，因此需要采集時域內主軸箱的振動信號，ｉＵ便用于后續的分析研巧。如何利用有限的傳感器放置在主軸箱的最佳測試位置，便于后續的檢測與分析，這是一個命題，模態試驗分析領域稱之為：響應點優化布置ＩＷ。本論文借鑒模態試驗中常用的模態動能法和有效獨立法，為解決實際工況下傳感器優化布置的問題提供一種思路。
模態動能法｜Ｍ１（ＭＫＥ）Ｗ測得的模態動能最大為目標來選擇傳感器的位置進而提高結構動態響應測量。有效獨立法１＾］巧１）在模態動能法的基礎上每個傳感器測點對模態向量線性獨立的貢獻最大為目標，逐步刪除有效獨立向量具有最小值的節點，與此同時不斷優化改進Ｆｉｓｈｅｒ矩陣，最終達到的效果使感興趣的模態振型在較少測點的情況下，盡可能保持線性獨立，在測試中用有限的傳感器獲取最大的模態信息。
本文結合上述兩種方法，應用于機床主軸箱區域，在工作頻率下實現對傳感器的優化布置，將不同頻率下對應的工作變形認定為不同階模態振型，利用有限的傳感器實現對不同頻率下主軸箱最大形變區域的有效識別。
對于振動系統：系統振動具有動能（Ｔ）和勢能（Ｕ），可表示為：
圖５－１傳感器優化布置的巧術路線
主軸箱在空轉狀態進行測試，受到的外界激勵較弱，主要受到主軸自身轉動產生的離屯、力作用，利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ對主軸箱區域進行仿真分析，模擬實際工況，如圖５－２所示。ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ作為線性分析軟件，外界激勵的變化不會改變主軸箱區域的應力分布情況，軸箱區域的動態應力、應變幅值只會等比例的發生改變。因此對主軸箱區域施加的邊界條件為：四端固定約束，主軸附近受到離屯、力矩設定為ｌＯＯＯＮ．ｍｍ，經過網格劃分；５３７６９個節點。
圖５－２主軸箱仿真模型
主軸一般的工作轉速為３６００？９６００ｒｐｍ，對應頻率區間為６０￣１２０Ｈｚ，主軸箱在實際工作狀態下，不同頻率點對應的工作變形是不同的，稱之為工作變形分析（ＯＤＳ），利用有限的傳感器實現對不同頻率下最大形變位置的有效識別。這與利用有限的傳感器實現對不同模態振型的有效識別有著共同之處。由于機床的工作頻率區間在60~160HZ，因此本論文的分析頻率點分別為60、80、100、120、140１６０Ｈｚ，表５－１分別為６０、８０、１００、１２０、１４０、１６０Ｈｚ 下的形變。
假設經過有限元網格劃分后的節點均可作為傳感器布置的位置，即所有節點布置加速度傳感器，得到的ｍａｃ矩陣值如表５－２所示：
由此可見利用ＭＡＣ矩陣作為評價齒數，在全節點下的非對角線最大元素僅為８．０１Ｅ－０５，完全對工作頻率下的主軸箱形變實現了有效識別。
由于存在５３７６９個節點，首先從ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ中篩除沒有形變的節點，主要分布在與固定約束靠近的區域，圖５－３中的藍色區域。這樣節省了大量的計算時間。利用ＭＡＴＬＡＢ軟件對節點逐步消減，由圖４－２可知，６０個節點之前，明５－：５）式作為評價南數，６０個節點之后Ｌ；｜（５－７）為評價函數。傳感器的求解走勢如圖５－５所示：從３８００個節點到６０個節點，再從６０個節點到１個節點兩個階段。橫坐標為節點數，縱坐標為ＭＡＣ矩陣非對角線最大元素值。
由圖５－３可知，在剰余６個節點（即傳感器數目為６個）的時候，既經濟又能巧兼顧識別各個頻率下最大形變效果。剩余數目為３０時，在主軸箱區域的節點分布如圖５－６所示。
可贈到：有的節點在主軸箱的內部，實際上傳感器是沒辦法放置的，經過排除，齡６個節點分布在主軸箱上、中、下、底、左、右六個位置，誦５－７ 所示。
剩余六個節點位置的ＭＡＣ矩陣如圖５－８所示。非對角線元素最大值為化０８１５７６，主軸箱在各頻率對應下的形變能夠得到有效識別，滿足要求。
５.1.２加速度信號的采集與分析
本次實驗レッ南通化床某臺存在故障但未發現原因的ＶＣＬ８５０立式加工中屯、為對象，首先在化床開啟的狀態下對主軸箱區域的振動信號進行檢測及分析，由于主軸的轉速區間為４８？１２０００ｒｐｍ，擬定Ｗ６００ｒｐｍ為一間隔，從６０（Ｋ９６００ｒｐｍ測試主軸箱區域的振動情況。測試現場如圖５－９所示。
在主軸空轉之前對冷卻循環液開啟前后的測試數據進行了分析，在六個部位觀察頻域圖，發現未產生明顯變化，只在高頻區間產生了影響。說明：冷卻循環液對主軸箱區域的影響不大。主軸箱中部的測試數據為例，如圖５－１０所示。
利用Ｈ向加速度傳感器，可Ｗ同時檢測主軸在不同轉速下的軸向和徑向的振動情況。現；＾＾主軸前端為例，觀察主軸在６００？８４００ｒｐｍ之間的時頻域圍：在０？３６００巧１１１區間，（＾＾？（１８（分貝）表征其幅值，雖然從１８００巧〇１開始，主軸轉速對應頻率的幅值開始突出，但其軸向、徑向的振動特征與其他頻域幅值相差不大，幅值的數量級在ｌｅ－６級。主軸在徑向的振動特征與軸向比較，幅值更小，數量級在５ｅ－７級，Ｗ軸向信號特征為代表如圖５－１１所示。
從４２００ｒｐｍ開始，信號特征變得明盈，主要表現為一倍頻二倍頻。Ｗ主軸前端上部為例，分別４２００ｒｐｍ、７８００ｒｐｍ為例觀察時頻域圍。化圖５－１２所示，左列為時域信號，右列對應頻域信號。
利用ＭＡＴＬＡＢ將Ｋ面將主軸上中下底左右六個部位巧不同轉速下的軸向、徑向幅值進行對比（橫坐標為轉速，縱坐標為幅值，藍線為軸向，紅線為徑向）如圖５－１３所示。可以發現軸向的振動信號明顯強于徑向。
對比主軸箱區域上中底左右（線條顏色分別為黑綠紅藍紫）五個部位的軸向、徑向幅值，如圖５－１４所示。可發現軸向的信號隨轉速變化的振動趨勢基本一致，徑向的信號隨轉速變化的振動趨勢卻差異很大。
（１）軸向在上中底左右五個部位的幅值走向基本一致，上中下部和底、左右側的幅值成平行關系，這是由于主軸箱在底端、左兩端、前端的壁厚各不相同，因此測得的信號強弱也會不同。
（２）徑向在上中底左右五個部位的幅值走向出現差異。左右側的幅值基本ｆｃ成穩步上升態勢，上中下的幅值隨轉速呈無規則的變化。主軸巧電機通過同步內齒帶輪連接，可能由于帶輪張緊力的作用，導致主軸局部受力（主軸頂部）過大，因此分布在轉子不同部位的徑向幅值產生差異。
（３）由（２－１）式可知，加速度信號幅值與轉速的平方成正比，由圖５－１４可知，主軸區域可能存在動不平衡的問題。由于偏角不對中的顯著特征之一為二倍頻幅值明顯，因此對比上中底左四個部位為代表的一倍頻與二倍頻（一倍頻為藍線，二倍頻為紅線）的幅值也能印證上述結論，如圖５－１５所示。
為了進行驗證由加速度化睡器測試分析得出的結論，下面針對主軸運斤狀態下的軸屯、軌跡進斤測試、分析。
５．２機床主軸的軸心軌跡測試
Ｗ同樣的加工中屯、為實驗對象，對其主軸運行狀態下（６００巧ｍ？８４００ｒｐｍ區間）的軸屯、軌跡進行檢測，觀察其軸也軌跡的變化情況。軸‘心軌跡實驗現場如圖５－１６所示。
實驗注意事項：
（１）傳感器的安裝：兩個電禍流傳感器彼此要盡量保證９０度，由于電禍流傳感器探頭據測試對象的測量區間在０．４１？２ｍｍ，因此既要保證安裝距離在規定量程范圍內，又要防止主軸開啟時劇階到探頭，造成傳感器損壞。
（２）由于主軸開啟后和每次變速后，都會引起工作臺振動，必須在將傳感器放置在一個有足夠重的質量塊。
（３）由于電鍋流傳感器經振動變送器輸出的電壓幅值在１５．６Ｖ，而ＰＸＩｅ－４４９２數據采集卡的電壓輸出范圍為±５Ｖ，因此在變送器輸出端采用分壓電阻的方式，使得輸出電壓為３ＶＷ內。原理如圖５－１７所示。
圖５－１７分壓電阻圖
在１２００？８４００ ｒｐｍ區間，檢測主軸的軸心軌跡，采樣率為４０９６Ｈｚ．采樣數為４０９６，其時域頻域隨著轉速的改變基頻、倍頻亦發生改變，但軸屯、軌跡基本保持一致，Ｗ３０００ｒｐｍ、７８００ｒｐｍ 為代表，圖５－１８（ａ）為３０００ｒｐｍ的時域圖、圖５－１８（ｂ）３０００ｒｐｍ的頻域圖、圖５－１８（（：）為３０００巧１１１的軸屯、軌跡圖；
圖５－１８（ｃ）的左側為濾波后的軸屯、軌跡圖，圖５－１８（ｃ）的左側為濾波后的軸必軌跡闡，濾波采用己特沃茲濾波器型低迪濾波器，截止頻率為５００Ｈｚ。圖５－１９（ａ）為７８００ｒｐｍ的時域圖、圖５－ｌ％ｂ）７８００ｒｐｍ的頻域圖、圖５－１９似為７８００ｒｐｍ的軸屯、軌跡留，低轉速下的軸也軌跡較高轉速的軸也軌跡更為清晰，但總體均為外８字形，主耍由一倍頻、二倍頻構成，也出現了Ｈ倍頻，這與偏角不對中的信號特征描述是一致的，同時也印證了加速度信號測試后得出的結論：
針對上述實驗對象的實驗結果，現對某臺正常使用的機床主軸軸必軌跡進斤測試，觀察其軸必軌跡。如圖５－２０所示。
在４２００ｒｐｍ下，采用相關濾波器對采集的數據進行處理后的時域波形如圖５－２１（ａ）所示，頻域波形如圖５－２ｌ（ｂ）所巧，濾波前后的軸屯、軌跡如圖５－２１（ｃ）所示（主要濾掉５〇Ｈｚ的交流電源頻率）。
對比兩姐數據，可發現：
（１）雖然本次實驗對象工作狀態下的主軸依舊存在二倍頻，但與未調試機床的實驗數據相比，幅值并不明顯。最大信號為基頻信號，軸必軌跡為類圓形。
（２）未調試機床的信號幅值在ｌ５＾ｌｍ左右，測得的可正常使用的機床信號幅值在如ｍ左右，從這個角度也可看出，未調試機床的主軸徑向跳動過大。
（３）由（２－１）可知，動不平衡的表征為基頻信號的振幅與轉速的平方成正比，從兩次實驗對象的數據看，基頻的振幅均穩定在一定范圍內，因此主軸不存在動不平衡問題。
圖５－２２為ＶＣＬ８５０主軸在１２００？９６００ｒｐｍ范圍的基頻相位信息。可看出基頻對應的相位信息并不穩定，也說明了主軸與刀柄安裝位置不存在明顯的動不平衡問題。
５．３基于軸心軌跡的故障類型識別方法
軸屯、軌跡是旋轉機械的重要信號表征形式，目前軸屯、軌跡的形狀識別作為判斷設備故障的重要依據，在旋轉機械（包括水電機組）的狀態監測與故障診斷中得到一定應用ＩＷ１。通過軸屯、軌跡對應的圖形形狀的識別，可進一步分析設備振動的原因，得到故障征兆，及時采取措施防止機械巧障進一步惡化。長期的理論和實踐研究已經確立了幾種典型的機械故睹模式及其轉子軸屯、軌跡形狀的對應關系，幾種常見的軸必軌跡圖形及其故障原因見表５－１。
表５－１常見的軸必軌跡圖形及其故巧原因
對軸屯、軌跡的識別本質上就是對二維圖像的識別，主要包括特征提取、分類識別兩個方面。特征提取是從軸也軌跡中提取能反應軸也軌跡本原的、重要特性的特征向量，能盡量代表軸屯、軌跡所對應的圖形形狀。目前常用的特征提取方法有ＳＶＤ法ＩＭＷ、不變矩法１７０－＂１、傅立葉描述子法等等。下面主要介紹一下ＳＶＤ法和不變矩法。
５．３．１基于ＳＶＤ的識別原理
矩陣奇異值分解作為一種有效的正交變換目前廣泛應用于數據壓縮、信號處理、模式識別等方面。軸也軌跡圖形是由兩個垂直方向的波形信號組合而成。離散化設為乂（０、７（０，艮Ｐ：
５.３．２基于不變矩的識別原理
不變矩法于１９６２年由Ｈｕ提出，并運用代數方法證明了其不變性，隨后許多學者對不變矩進行了較深入的理論與實際應用的研究，不變矩的理論得到了逐步完善，在模式識別與圖形處理等領域獲得了較為廣泛的應用ｉｎｉ。定義在平面上的二維函數／〇ｃ，：Ｖ），它的ｐ＋ｑ階混合原點矩定義為：
不變矩的特性。若利用歸一化的中也矩，則特征不僅具有平移不變性，還具有比例不變性。這樣，可Ｌ義利用歸一化的中屯、矩的線性組合，達到待識別的圖形具有平移、旋轉、比例不變性的特征。ＨｕＭＫ利用代數不變量理論構造了韋個不變矩函數式。
通過反復實驗發現：七個函數在離散情況下對尺度縮放是敏感的，而且經過定性分析變化原因從之前的推到可ｔＡ得出Ｗ下結論：若圖形尺度變化因子為Ｐ，則變化后的矩函數與原畫數的關系為：
５．３．３ＶＣＬ８５０主軸的軸心軌跡識別
利用ＬａｂＶ舊Ｗ軟件編制幾組不同的標準軸屯、軌跡形狀，此作為不同主要的裝配故障類型的軸屯、軌跡圖形基準，同樣利用ＬａｂＶＩＥＷ通過基于ＳＶＤ和不變兩種方法對實驗測得的軸也軌跡進行識別方法。相互垂直的信號表達式分別為ｘ（ｔ）和ｙ（ｔ），其表達式為；
利用ＬａｂＶｌＥＷ軟件根據（３－３如式設計得到不同形狀的軸屯、軌跡合成信號五種不同類型的軸也軌跡形狀：滿圓、外八字形、內八字形、花瓣形、香蕉形。如圖５－２５所示
圖５－２５不同的軸心軌跡形狀
每種類型的軸屯、軌跡形狀求解Ｈ組，排除偶然因素的干擾，為后續的ＳＶＤ法、不變矩法提供評價標準。
利用ＳＶＤ法對ＶＣＬ８５０立式加工中心測得的軸屯、軌跡形狀進行識別，得到外八字形的識別結果，濾波前后的軸屯、軌跡識別結果如圖５Ｊ６所示。
濾波前后形狀置信度（匹配度）參數如下表５－２，表５－３所示：
表５－２未濾波的形狀置信度參數
表５－３濾波后的形狀置信度參數
由結果可ＵＪ？看出基于ＳＶＤ法實現了軸屯、軌跡形狀的有效識別。但由于ＳＶＤ法的特征值維數較低，待識別形狀的置信度參數較低，針對局部變化敏感的軸屯、軌跡形狀，此種方法的識別率更會降低。
基于不變矩法對圖５－２５的五種不同軸屯、軌跡的形狀進斤矩函數計算，同時每種類型的軸屯、軌跡形狀的函數值求平均，得到的毛個特征值如表５－４所示；
對實驗測得的軸屯、軌跡形狀進行矩函數計算得到的屯個特征值如表５－５所示：
利用（５－４２）式對待識別圖形進行計算得到的數據如表５－６所示。
表５-６基于（５＞４２）式的識別結果
利用（３－３７）式對待識別圖形進行計算得到的數據如表５－７所示。
表５－７基于（５－４３巧的識別結果
由兩種判別方式均可Ｗ得到正確的結果，但是內八字形和香蕉形的數據產生了很大的變化，從處理的數據結果發現使用（５－４２）式作為分類識別過程中的判別依據較為合理。
將ＳＶＤ法和不變矩法相結合，對軸必軌跡的形狀進行判定：
１）當ＳＶＤ法與不變矩法的判定結果一致時，認定判定結果正確。
２）當ＳＶＤ法與不變矩法的判定結果不一致時，認定判定結果失效。
這樣將同時考慮了兩種方法，提高軸必軌跡形狀識別的正確率。
由于表征軸屯、軌跡形狀的特征值達到了七個，因此基于不變矩法識別的正確率較ＳＶＤ法要更加明顯，但基于不變矩法，即使同樣形狀，得到的特征值也是存在差異的。本論文結合兩種方法對軸也、軌跡進行識別，提髙了識別的正確率。
５．４本章小結
本章在前面章節的基礎上，利用構建的測試系統對主軸箱區域的振動信號進行了測試，有下成果：
（１）結合模態動能法與有效獨立法，將應用于模態試驗中的傳感器優化布置問題運用到工作激勵狀態下的傳感器優化布置問題上，提出了在工作激勵下解決傳感器優化布置問題的一種方法。
（２）對采集的信號通過分析發現：主軸箱區域的振動信號與主軸轉速密切相關，基頻、二倍頻信號明顯，屬于不對中的故障特征，主軸區域的徑向幅值隨轉速成正相關關系，屬于動不平巧的故障恃征。
（３）對主軸軸也軌跡進行了在線測試，發現基頻、二倍頻信號十分突出，運行狀態下的主軸軸也軌跡呈外八字形，符合角度不對中的故障特征，測試對象在不同轉速下的基頻相位并不穩定，說明主軸與刀柄安裝位置不存在明顯的動不平衡問題。
（４）利用ＳＶＤ法和不變矩法Ｗ軸屯、軌跡作為故障的評價指標進行識別，并利用ＬａｂＶ Ｗ編寫相關程序，基于兩種方法對測得的實驗數據進行了識別判定。最后將兩種方法的優勢結合起來，提髙軸也軌跡形狀識別的正確。
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