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基（jī）於EAKI 辨識（shí）策略的機床振動試驗研究

2016-9-22 來源：清華大學機械工程係等作者：黃子淩劉成穎李鐵民

摘要: 機床振動是製約機床加工精（jīng）度及效率的核心因素，文章基於EAKI 策略在（zài）多台（tái）機床上開展振動試驗研究。針（zhēn）對強迫振動及自激（jī）振動信號辨識問題，首先提出EAKI 振動信號辨識（shí）策略; 為有效構建振（zhèn）動信（xìn）號備（bèi）案知識庫，提出信號特征（zhēng）分（fèn）量（liàng）提取算（suàn）法; 最後在國內外多台數控機床（chuáng）上進行了全轉速（sù）狀（zhuàng）態下的振動試驗研究。試驗結果有效地驗證了EAKI 策略的可行性與實用性，同時為機床性能評估及設計完善提供了良好借鑒。

關鍵詞: EAKI 方法; 信號辨識; 振動（dòng）試驗; 特征（zhēng）提取

0 .引言

機床振動是製約機床加工精度及效率的（de）關鍵因素之一，其可分為強迫振動及自激振（zhèn）動。二者由於產生（shēng）原因不同，對應的抑製措施也有差異，因此對其進（jìn）行辨（biàn）識分（fèn）離具有重要的研（yán）究意義。

機床的強迫振動是（shì）指由外激（jī）振源引起的（de）振動。如由機床基座引入的外界振動、機床不平衡部件( 電機等) 或（huò）磨（mó）損部件( 齒輪和軸承等) 引起的振動。機床自激振動( 顫振) 往往由（yóu）外作（zuò）用源引發( 工件（jiàn）磨損點等（děng）) ，但由加（jiā）工（gōng）係統內部激（jī）勵產生［1］。

在機床設計時，強迫振動就應設法消除或避免（miǎn）。對（duì）於高精（jīng）度機床，強迫振動的影響是較小的，因（yīn）此在一般研究（jiū）中並未引起特別注意及重視。國內外學者針對強迫振動及自激振動（dòng）信號辨識的研究工作並不多。在（zài）對（duì）強迫運動的研究中，Kegg 等人給出了對強迫振動原（yuán）因（yīn）的判定方（fāng）法，該方法在機床試驗或加工準備過（guò）程中較為實用，但不適用於（yú）在線監測評估; 值得注（zhù）意的是，Weck［2］提出了從切削力信（xìn）號的功率譜中將銑削刀齒通（tōng）過頻率辨識濾除的（de）方法（fǎ），但並未係統性地介紹強迫及自激振動的一般辨識方法。多數研究工作集中於自激振動（dòng）監（jiān）測辨識、穩定性分析以及基於振動信（xìn）號的故障（zhàng）診（zhěn）斷領域。Zhang C L 等［3-4］學（xué）者對多信號的監測能（néng）力分別進行了實驗分析，以選定最為適合的顫振監測方式; Altintas 等［5］基於再生顫振模型對顫振穩定性進行（háng）了深入研究，在（zài）實踐上獲得良好（hǎo）應用。國內於俊（jun4）一［6-9］等學者也在（zài）顫振監測、穩定性分析等領域做了大量工作，為推動（dòng）機床技術（shù）進步作出重要貢獻。

然而從國內機床的使用經驗來看，當前麵臨的一個突出（chū）問題是機（jī）床材料選用、設計製造以及安裝布置尚存在不足，由此產生的強迫振動不（bú）容忽視。在機床加工過程中，強迫振動（dòng）的影響往往甚至會處於主導地位，因此將強迫及自激振動相結合（hé）進行研（yán）究（jiū）更具有實際意（yì）義。

1. EAKI 機床（chuáng）振動信（xìn）號辨（biàn）識策略

在實際加工過程中，從觀測到的振動信號中（zhōng）往往難以區分出強（qiáng）迫振動及自激振動分量。然而，強迫振動的不確定性較小，可通過前期實驗等確定機床的強迫振動分量，在評估機床性能的同時形成先（xiān）驗知識，以在實際加工信（xìn）號中（zhōng）將其與自激振動信號區分開來，達到辨識以及（jí）分別采取抑製策略（luè）的效果; 同時，在加工前評估機（jī）床的強迫振（zhèn）動信號，也有利於在前期對機床性能不斷進（jìn）行完善。

基於上述思想，提出EAKI 方法，對機床的振（zhèn）動信號進行辨（biàn）識。具體包括以（yǐ）下步驟:

( 1) 強迫振（zhèn）動試驗( Experiments on forced vibration): 在空載（zǎi）工況下對機床振動進行試驗分析，以獲取在（zài）多轉速條件下機床主軸的（de）振動信息。

( 2) 振動信（xìn）號分析( Analysis of forced vibration signal) 對試驗采集到的（de）強迫振動信號（hào）進行分析處理，旨在提取出起主導作用的強迫振動信號特征。

( 3) 備案知識庫構建( Knowledge Base formation) :基於信（xìn）號分析處理結果，並結合（hé）相關判定規則，形成相應振動信號備案知識庫。

( 4) 辨識評估（gū）( Identification of vibration signal) : 基於知識庫，對實際加工過程中監測到的（de）振動信號進行對比分析，從而辨識出自激振動分量，並對其影（yǐng）響程（chéng）度進行評估，識別出（chū）起（qǐ）主導作用的因素，為（wéi）後續抑製方式奠定基（jī）礎。

在EAKI 方（fāng）法中，強迫振動試驗及（jí）振動信號分析是該方法最為重要而基礎的部分，也是決定該方法是否可行的關鍵，後文即通過多機床試驗及（jí）信（xìn）號特征提取算法等，探究EAKI 方法（fǎ）的可行性（xìng）。

2 .關鍵設備（bèi）及試驗方案

根據EAKI 方法（fǎ），強迫振動（dòng）試驗是進行信號辨識分析的前提。強迫振動試（shì）驗主要包含信號采（cǎi）集分析軟硬件設（shè）備以及試驗機床等。

本試驗采用實驗室（shì）自主研發的主軸振動測量係統，能完成信（xìn）號采集監測、時頻域分析（xī）、狀態報（bào）警（jǐng）等多種功能。設備安裝及試驗（yàn）現場如圖1 所示。

圖1 試驗現場圖

為綜合全麵地（dì）驗證EAKI 方法並分析比較各機床的差異（yì）性，選取（qǔ）了四台機床作為試驗對象，基本涵蓋了國（guó）內外典型機床類型( 其中（zhōng）D 為德國機床) 。各機床（chuáng）的主要參數如表1所示。

具體試驗過程如下:

( 1) 安裝試驗設備。試驗采用兩支ICP 加速度傳（chuán）感（gǎn）器，安裝在主軸頭處，分置於X、Y 方向。

( 2) 設置試驗參數。主要包含測量頻次、采集（jí）頻率、信號耦合方式、濾波方式以及信號對應的（de）測量（liàng）轉速（sù）等信（xìn）息。

( 3) 試驗信號采集。設定數控機床運轉至所需轉速（sù），待信號穩定之後實時采集（jí）並存儲。

( 4) 改變（biàn）轉速，重複采集（jí）試驗。根據（jù）每台機床的額定轉速或（huò）最（zuì）高轉速，選取一定的轉速間隔，分別測定在不同轉速情形下的振動信號。

3 .振動信（xìn）號特征分（fèn）量提取算法

試驗采集到的加速度信號描述了機（jī）床主軸在相應轉速下的振（zhèn）動（dòng）特征。信號分（fèn）析的目的（de）在於獲取該轉速下（xià）強迫振動特征分量（liàng）信息，該特征分量包括頻率及信號幅值等信息。本文提出特征分（fèn）量提取算法如圖2 所示。

在進（jìn）行信號分析前，已對試驗機床在（zài）各轉速條件（jiàn）·44· 組合（hé）機床與自動（dòng）化加工技術（shù）第2 期

圖2 振動信號特征分量提取算法

在進行信號分析前，已對試驗機床在各轉速條件（jiàn）下的（de）振（zhèn）動信號進行了采（cǎi）集存儲。原（yuán）始信號是加速度傳（chuán）感器輸出的電壓時域信號f( t) ，經傅裏葉變換等（děng）算法處理後，易於生成頻域信號。加速度信號Fa( t) 在反映信號瞬態（tài）變化時較為有（yǒu）效，但在描述強迫振動源頻率特征時，不（bú）能對各頻（pín）率下振動信號的能量分布進行很好的區分（fèn）; 經處理獲取的速（sù）度信（xìn）號Fv( t) ，能夠更（gèng）好（hǎo）地對振動（dòng）特（tè）征進行描述。以試（shì）驗機床A 在5500r /min時的（de）振動信號（hào）為例（lì），圖3、圖4、圖5 分別描述了時域加（jiā）速度信號、頻域加速度信號及頻域速度信號特征。

圖3 時（shí）域加速度振動信號特征

圖4 頻（pín）域加速度振動信號特征

圖5 頻域速度振動信號特征

經處理得到（dào）的頻域速度信號具有（yǒu）明顯的峰穀特征，可以用頻率-幅（fú）值（zhí）序列來描述每一振動信號（hào）的頻（pín）率特性，幅值反映出該頻率基準信號的振動烈度。通（tōng）常情況下，可分離出5 ～ 10 組頻率-幅值序列（liè），以此來近似表征該轉速情（qíng）況下的振動信號。

初步分離提取出的頻率-幅值序列不能直接用於（yú）進行後續（xù）分析，因其包（bāo）含較多的冗餘或無（wú）效信息（xī）。為此，需對該序列進行進一步地篩（shāi）選過濾。考慮到信號分離的目的，主要采用三個指標來對頻率-幅值序列進（jìn）行篩選，分別（bié）為幅值指標、功率譜指標以及獨立性指標。幅值指標及功率譜指（zhǐ）標用來表征基準信號的烈度及（jí）功率密度，其中幅值指標最為直（zhí）觀，對於較低幅值的序列予以過濾，幅值閾（yù）值A0參（cān）照ISO2372 旋轉機械振動烈度標準進行設定，為保證信息完整，此處選取0.1

mm/s。獨立（lì）性指標用來對頻率對應的振（zhèn）動源的獨立性關係進行表征。由於采樣頻率限製及信號處理時分辨率製約，頻率序列會出現頻（pín）率接近的情況。為更準（zhǔn）確真（zhēn）實地表征信號對應的強迫振（zhèn）動源，將頻率（lǜ）值相（xiàng）近的序列對進行合並（bìng）。用頻率間距值F0 來刻畫各序列（liè）對之間的獨立性關（guān）係，根據經驗，采取5Hz 或10Hz 作為間距閾值。

對所有轉速下的振動信號（hào）按照上述方法進行處理後（hòu），便可得到（dào）轉速-特征頻率矩陣。以試驗機床D 為例，經上述（shù）流程得到的典型轉（zhuǎn）速（sù）-特征頻率（lǜ）矩陣如表（biǎo）2所示（shì）。

對其他機床進行試驗分析得到與此相近的結（jié）果（guǒ），該結果作為信號分析的輸出成（chéng）果（guǒ），形成備案知識（shí）庫。

4. EAKI 策略有效性（xìng）分析

經上述算法得到振動特征分量信息（xī），須對該結果進行分（fèn）析，以驗證EAKI 方法的可行性與有效性。驗證的關鍵在於通過本次試驗及信號分析能否觀察（chá）到穩定存在（zài）的強迫振動源，同時需驗證該類型強（qiáng）迫振動是否產（chǎn）生重要影響。機床強迫振動按激振（zhèn）源類型可分為（wéi）兩（liǎng）類，一類由自身回轉引起，一類由外激振源引起。下（xià）麵分別進行分析研究。

4． 1 機床主（zhǔ）軸（zhóu）回轉對應的強迫振動分析

主軸自（zì）身回轉形成的強迫振動激勵是重要而的強迫振（zhèn）動激（jī）振源，其對應的頻率可稱之為轉速頻率。理（lǐ）論轉速頻率（lǜ）與轉（zhuǎn）速正（zhèng）相關，即（jí）f = n /60。

將試驗（yàn）測定的（de）強迫（pò）振動轉速頻（pín）率與理論強迫振動轉速頻率進行對比，如圖6 所示。

由圖6 分析發（fā）現，各機床理論轉速頻率與實（shí）際監測出的振動頻率吻合度很高，反映出機床（chuáng）回轉形成的（de）強迫振動不容忽視，同時也驗證（zhèng）了該監測方法以及信號（hào）特征提取算法的有效性。

另一方麵（miàn），轉（zhuǎn）速頻率對（duì）應的（de）強迫振動對（duì）各機床產生的影（yǐng）響各不相同。首先（xiān），該類型強迫（pò）振（zhèn）動產生顯著影響的時刻不同。試驗機（jī）床A 從最（zuì）低轉速500r /min時便可明顯（xiǎn）觀測出轉速（sù）頻率造成的影響，試驗（yàn）機床B、C、D 分別在5200r /min、3300r /min 及8000r /min 時方（fāng）可（kě）觀測到（dào）轉速頻率造成影響。其次，各機床回轉型強迫振動烈度也各不相（xiàng）同（tóng），這將在4． 3 節進行分析。

綜上分析可得出，試驗有效地驗證了回轉型強迫振動廣泛存在於各機床中，往往對（duì）機床產生較大影響，因此可將其作為典型強迫振動頻率予以備案，形成知識庫（kù）中的重要知識（shí）。

圖6 各機床理論與試驗轉速頻率對應關係

4． 2 其他外激振源強迫振動分析

除（chú）轉速頻（pín）率之外，試驗還發現（xiàn），各（gè）機床普遍（biàn）存在其（qí）他（tā）一些可持續監測到的強迫振動頻率，剔除轉速頻率之後，每種轉速下對應監測（cè）到的強迫振動頻率如（rú）圖7所示。

圖7 各機床外激振（zhèn）源強迫（pò）振動頻率

由圖7 分（fèn）析得出，各機床在一定轉（zhuǎn）速範圍內（nèi）均（jun1）可觀測出一些典型外強迫振動頻率。機床A 在低速範圍內監測出5Hz 及42Hz 強迫振動信號; 試驗機床（chuáng）B在0 ～ 1000r /min 及5000 ～ 8000r /min 的範圍內監測出較為穩定的頻率為12． 5Hz 的振動信號，在1000 ～5000r /min 的範（fàn）圍（wéi）內監測出頻率（lǜ）為（wéi）5Hz 的振動信號;試驗機床C 在全轉（zhuǎn）速範圍內均監測出頻率為5Hz 的振動信號，在低速範圍下還監測出較高頻率（lǜ）的振動信號; 試驗機床D 在各個（gè）轉（zhuǎn）速下均監測出至少兩種較為穩定的（de）振動信號，分別為10Hz 及45Hz 左右。

上述結果表明基於EAKI 策略能夠有效識（shí）別出各機床在全轉速（sù）範圍內（nèi）存在的典型外激振源強（qiáng）迫振動類型; 同時由於（yú）工況（kuàng）環境不同，外激振強迫振（zhèn）動的分布也（yě）有（yǒu）差異。

4． 3 各典型強迫振動幅（fú）值分析

本（běn）試（shì）驗除監測（cè）備案（àn）各機床典型強迫振動頻（pín）率外，還可對各機床各類強迫振動（dòng）的幅值進行（háng）分析，以更全麵地表征機床強迫振（zhèn）動狀態。結果如（rú）圖（tú）8 所示。

圖8 各（gè）機床典型強迫振動幅值-轉速關係

根據4． 2 節的（de）分析，回轉型強迫振動是一類典型振動（dòng）形式，圖8 中機床A、B 的頻率3、機床C、D 的頻（pín）率4 分別對應（yīng）該類（lèi）強迫（pò）振動在全轉速情形下（xià）的振（zhèn）動（dòng）幅值。圖8 反映出: 第一，各機床強迫振動（dòng）的主導類型不同。對於機（jī）床A，回轉型強迫振動在（zài）全轉（zhuǎn）速範圍內均處於主導地位，對於機床B、C、D，不（bú）同轉速範圍內起主導作用的強迫振動類型不同; 第二，各強迫振動的影響程度不同，對應機床（chuáng）加工精度也（yě）有差異。機床A 回轉型（xíng）強迫振動幅值達20mm/s，對機床（chuáng）C、D 而言，在加工範（fàn）圍內強迫振動的幅值均小於1mm/s。

由上述（shù）結果可得出（chū），依（yī）據EAKI 策略能夠（gòu）有效監測各機床強迫振動類型、幅值及影響範圍，可綜合全麵地反（fǎn）映機床強迫振動狀態，進而為針對每台機床構建強迫振動信號知識庫形成（chéng）良好基礎; 同（tóng）時各機床強迫振動（dòng）形式各異也反映了采用EAKI 方法進行振動辨識（shí）的必要性。

圖12 試驗振動監控界麵

4. 4數據處理軟件

本測（cè）控係統的數據處理軟件采用Access 數據庫設計了滾珠絲杠副可靠性信息數（shù）據庫以及數據庫管理軟件（jiàn）［10］，用來保存試（shì）驗過程中（zhōng）的原始數（shù）據、數據分析結果，能很好的幫助試驗人（rén）員完成試驗（yàn）。

5.試驗台設計成果（guǒ）

如圖13 所示，為滾珠絲杠副可靠性試驗台，在機械結構（gòu）的基（jī）礎上，運用上文所設（shè）計的測控係統，試驗台麵已經可以模擬實（shí）際工況（kuàng）的往複運轉。加載係統最大加載力為2t，拖動電機最高轉速3000r /min，各傳感器信號正常，能很好的完成（chéng）試驗的要求。

圖13 試驗台整體實物圖

6.結束語

本文針對滾珠絲杠副（fù）可靠性試驗台所需要實（shí）現的（de）功能問題，對其測控係統進行（háng）了研究。結合試驗裝置，提出了試驗台測（cè）控係統的設計方案，用以模擬實際工況下，被測（cè）絲杠的（de）運轉以及參數的檢測功能。本文提出的滾珠絲杠（gàng）副（fù）測控係統的設（shè）計方案，有利於完成絲杠的可靠性試驗，為滾珠絲杠副可靠性的參數分析提（tí）供試驗基礎。

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