基於（yú）動態特性分析（xī）的機床主軸裝配故障診斷硏究（下）
2017-7-14 來（lái）源（yuán）：北京交通大學 作（zuò）者：李凱旋（xuán）
６.裝（zhuāng）配故障源位置識別的研（yán）究
上麵章節通過對ＶＣＬ８５０主軸箱（xiāng）區域的信號檢測與分析，確定（dìng）主軸箱可能存（cún）在動不平衡、角度不對中的裝配故障。但不確定產生（shēng）故障的具體位置。角度不對（duì）中故障為例，在主軸帶輪配合處、電機帶輪（lún）配合處均可能為裝配不當的位置，並不確定在什麽位置進行裝配調整，如圖６－１所示。這就是本章節研究的意義所在。
圖６－！主（zhǔ）軸箱（xiāng）區域可（kě）調整的裝配位（wèi）寬
在工況下，理想狀態的主軸箱區域振動信（xìn）號成分簡單，故障源主要來自電機和主軸。由於加工製（zhì）造、裝配等誤差（chà）的存在，在（zài）工作狀態下，會衍生出額外的激勵，由第二章（zhāng）可知：動不平衡故障導致離屯、力的出現；不對中問題衍生出二倍於轉（zhuǎn）速周期的激振力。裝（zhuāng）配故障（zhàng）衍生的額外激勵，作用在相關（guān）位（wèi）置，表征出成分更加複雜多變的振動信號，通過巧（qiǎo）不同形式振動信號的檢測分析，判定機械故障。對（duì）機床進行故障（zhàng）診斷，首先利用相關的檢測手段，確定（dìng）機械故障的類型，其次利用裝配故障源位置識別（bié）的方法確定產（chǎn）生振動信（xìn）號（hào）來源的位置，進而針對性的進行調整，才能夠從根本上解決機械（xiè）故障問題。
６．１裝配故障（zhàng）源位置識別的方法原理
本論文在假設機械係統（tǒng）是線性時不變係統的前（qián）提下，基於傳遞路徑分（fèn）析的原理．對存在裝配故障的主軸箱區域的（de）故障源進行識別。傳速路徑分析方法的核也在於研究（jiū）機械係（xì）統自身的（de）傳遞特性Ｗ及確定是否（fǒu）存在未知的故時源，本（běn）論文針對主軸箱區域力（lì）求建立一個較為完整的傳遞（dì）係統，並在此基礎上根據傳遞係統某（mǒu）幾點的響應特（tè）性，通過數值解析的方式確定研究區域的裝配故障源位置（zhì）。
由圍（wéi）６－２傳遞路徑分析模型可知：機械係統可被劃分為兩部分，稱之為主動部分、被動部分，主（zhǔ）動（dòng）部分包括：未知故障源和噪聲源區域，被動部分（fèn）包括：傳遞係統和（hé）振動響應區（qū）域。未知故障源通過傳遞路徑到達響應區域。
假設某機械結構為線性時不變係統，Ｗ單自由（yóu）度為例，將某機械結構等價為質量、剛度、阻尼共同組（zǔ）合的形式，且受到外界持續的激振作用，其動力學方程為（wéi）：
傳遞函數的獲取可通過Ｗ下途徑：每一個傳遞函數（shù）可Ｗ用來描述一個激勵點自由度６對某一個響應（yīng）點自由度之間的傳遞路徑關係，稱之為巧／．，針對某機械係統，假設布置ｎ個激（jī）勵點／響應點，則存在ｗ＝ｎ２個傳遞路徑，對於機械（xiè）係統上的（de）某一（yī）響應點，可認為（wéi）是故障（zhàng）源通過各條傳遞路徑達到目標（biāo）位置線（xiàn）性疊加的結果，即；
如果（guǒ）得到了某機械係（xì）統的傳遞函數矩陣，在裝（zhuāng）配故障源位置未知的的情（qíng）況下（xià），可根據測（cè）得的響應點的振動（dòng）響應信號（hào）利用數值解析的方式大致確定未知故障源的位置（zhì）。即：
由（４－４ａ）可知，阻尼矩（jǔ）陣（zhèn）的存（cún）在，導致輸入信號與輸出信號存（cún）在相位差（chà），多故障源激勵下的響應點是單點故障源線性疊加的結果。Ｗ兩點結構係統為例，對兩點分別施加（jiā）單（dān）激勵，如園６－３所示。
綜上所述，針對某機械結構的故（gù）障源進行識別（bié），大致可Ｗ分為Ｈ步：
（１）在非工作狀態下，對某機械結構上的各個傳遞路徑的源頭進行單點激勵，同時測量對應響應點的響應（yīng）信號，建立頻響函數矩陣。激（jī）勵方式可為小鏈敲擊瞬態激勵的方式，也可采（cǎi）用激（jī）振器進（jìn）行（háng）持續穩定的（de）激勵（lì）。
（２）工作狀態下，測量機械結構上各個響應點的穩態響應信號。
（３）利（lì）用求得的頻響函數矩陣求逆，通過數（shù）值計算的方（fāng）式求得機械結構上（shàng）的未知（zhī）故障源位置。
６．２裝配故障源位置識別的仿真分析
利用ＡＮＳＹＳ軟件的諧響（xiǎng）應分析模塊對主軸箱的故障源進行識別，驗證實驗方法（fǎ）的可行性。實（shí）驗對象為主軸（zhóu）箱（xiāng）裝巧體，主軸箱的主要參數如表６－１所示。
表６－１主軸箱的主要參（cān）數
擬布置六個激勵點／響應點，對其一端采用（yòng）固定約束（shù）的（de）方式，如圖５＊４所示。首先對其進行模態（tài）分析仿真，確定其固有（yǒu）頻率，並分析固有頻率區間是否會對未知故（gù）障源的識別（bié）造成影響。
由模態分析結果（guǒ）可ｔＪｌ確定一階模態的固有頻率為％３．１６Ｈｚ，利用諧響應分析，對主軸箱裝配體的六（liù）個點分別單獨施（shī）加頻（pín）率在２００￣１０００Ｈｚ區間的穩態載荷激勵１０００Ｎ，如圖６－５所示。
圖６－５主軸箱裝配體的載荷設置
每個點單獨施加載荷時，得到（dào）六個點（diǎn）的響應特性（xìng），ｗ第（dì）－點麵為（wéi）例，得到的六個點的響應特性（xìng）曲（qǔ）線伯德圖如（rú）圖６－６所示（上曲線為幅（fú）頻曲線，橫坐標為頻率，縱坐（zuò）標為加速度；下曲線為相（xiàng）頻曲線，橫坐（zuò）標為頻率，縱坐標為角度）。
圖６－６單點激勵後的六點響（xiǎng）應曲線
利用（４－８）式，得到了２００？ｌＯＯＯＨｚ區間的任（rèn）意頻率（lǜ）處的頻響巧數（shù）巧陣，由表４－４可知：固（gù）有頻（pín）率處（chù）的相頻值比較接近，因此對機械係統進行故障源（yuán）識別建議避開對固有額率處。選取（qǔ）分析頻（pín）率為２８０Ｈｚ的頻響函數幅（fú）頻矩陣如表（biǎo）６－２所示。
表６－２２８０Ｈｚ下的頻響函巧幅頻矩陣
由表（biǎo）６－２可知，阻尼係數為（wéi）化００３，不同（tóng）頻率的輸出響應與輸（shū）出信號存在相位（wèi）差，２８０Ｈｚ對應的六點的相位信息如表６－３所示：
表６－３２８０Ｈｚ下的頻響畫數相頻矩陣
利用（yòng）ＬａｂＶｌＥＷ分（fèn）別對實部的結構（gòu）巧陣和虛部的結（jié）構矩（jǔ）陣求逆求逆，然後對得到的實部、虛（xū）部的解析力（lì）分別平方求和開平方根，即得到實際的解（jiě）折力（lì）。程（chéng）序框圖如圖６－７所示。
（１）單故峰（fēng）源識別
對主軸箱裝配體的任意某點分別施加載荷，得到六（liù）個點下的響應信息，例如對第六點（diǎn）施加３０００Ｎ的持續激勵用來模擬主軸箱裝配休在（zài）實際（jì）工況下的受力情況，如下閣６－８所示。
圖６－８單故掩源（yuán）下主箱箱裝配體的（de）受力情（qíng）況
在實際載荷的激勵下得到六個點的響應信息如表６－４所示。
表６－４六個點的響應信息
利用（４－４）式求（qiú）解六個點的實際受（shòu）為情況如表６－７所示。
表６－５解析山的受力（lì）情況
由表６＞４、表６－５可知，某點單故障源（yuán）激勵得到的各點的響應信息與頻響函數的某行存在比例關係，島兩者的相位信息是一致（zhì）的。而頻響函數矩（jǔ）陣的獲取（qǔ）就（jiù）是通過所有點的單獨激勵得到的。因此，實際利用（yòng）數值（zhí）解析得到的六個點的受力情況與實際十分符合，有效實現了故陣源的（de）有效識（shí）別。隻利用頻響函數矩陣的幅值信息，就可Ｗ實現對單故降源的有效識別。
（２）多故障源（yuán）識別
對（duì）主軸箱（xiāng）裝酷體的任意（yì）兩點分別施加載荷，得到六個點下的響應信息，例（lì）如對第一點施加２０００Ｎ，第二（èr）點施加Ｉ０００Ｎ，用（yòng）來模（mó）擬主軸箱裝配體在實際工況下的（de）受力情況，如閱（yuè）６－９所示。
圖６－９《巧障源下主軸（zhóu）箱（xiāng）裝配體的受力情況（kuàng）
在實際載荷的（de）激（jī）勵下得（dé）到六個點的響應信息（xī）如表６－６所（suǒ）示。
表（biǎo）６－６六個點的響應信息
利用（４－４）式求解六個點的實際（jì）受力情（qíng）況如表６－７所示（shì）。
表６－７解析出的（de）受力情況
由表６－７可知，多故障源得到的各（gè）點響應信息（xī）實則是各點單故障源線（xiàn）性疊加得到的結果，因此相位信息也發生了改變。求解方式；分別（bié）提取各點響應信息的實部、虛（xū）部，對應與頻響函數（shù）矩陣的實部、虛部進巧計算求解，解析得到六個點的受力情況。由表６－７可知；解析（xī）出的受力與實際十分符合，有效實現了故虜源位置的有效識別。
６．３裝（zhuāng）配故障源位置（zhì）識別的實驗論證
以雙驅絲（sī）杠實驗台上的彎板工件為研充對象，驗證本次（cì）方法的可行性，由於設（shè）備的局限性，隻開展對單故障（zhàng）源識別的實驗驗證。分別采用力鏈和激振器兩種激勵方法對故障源進（jìn）巧（qiǎo）識別。彎板工件的布點如圖６－１０所示。
圖６－１０測試點布置
６．３．１力鍵敲擊實驗（yàn）
首先利（lì）用力（lì）鍾對工件的四個點進行逐點（diǎn）敲擊，工件的一階固有頻率為巧２Ｈｚ，
選取分析頻率區間（jiān）為５１２Ｈｚ，與此（cǐ）同時在四個點分別布置加速度傳感器，由此（cǐ）得到１６姐頻響函數．進而求得工件上四個點的傳迸兩數矩（jǔ）陣（zhèn），實（shí）驗現場如圖６－１１所示。
利用力鍵對某一點進行敲擊，與（yǔ）此（cǐ）四點的加速度傳感器得到響應信（xìn）息，構成四組頻響函數，在峰值處，頻響函數的相頻曲線（xiàn）較為集中，幅頻曲（qǔ）線還是存在較大差異。如間６－１２所示。
國６－１２某點滿勵下的四（sì）姐頻巧曲線（xiàn）
力鏈敲擊的質量對能否（fǒu）獲取正確的頻響函數曲線脊（jǐ）很大的影（yǐng）響。進而影響到（dào）對故障源位置的有（yǒu）效識別。假如（rú）設置力鍵敲擊五次，取五（wǔ）次平均值，利用相幹性係數來評價五次力鍵敲擊的好壞程度。
就單輸（shū）入輸出係統而言，一般（bān）利用常相幹分析。圖６－１３為單輸入輸出示意圖，圖中Ｈ（／）為係統的頻響函數。
圖（tú）６－１３單輸入輸出係統
例如某機械係統中（zhōng）存在輸（shū）入信號乂（ｔ），輸出信號＾〇；），引入互譜幅值的一個重要（yào）不等式：
某點的五次相幹性係數如圖６－１４所示。可見在５０？１５０Ｈｚ頻率區間的相幹性係（xì）數接近１，此頻率區間的頻響函數矩陣（zhèn）是可信賴的。
對四個點中的第二（èr）點進巧（qiǎo）敲擊（jī），得（dé）到四個點的響應曲（qǔ）線如圖６－１５所示。
圖６－１５第二點（diǎn）激勵下的各點響應曲線
實（shí）際情況下，隻能測（cè）得響應信息，另外根據之前獲得的傳遞歯數矩陣，求解判定故障源的位置（zhì）。利用ＬａｂＶＩＥＷ編寫的程序對己獲取的信息進（jìn）行求解（jiě），得到四個點的故障源幅頻曲線如（rú）圖６－１６所示。加速度傳（chuán）感器的頻響量程在５？５０００Ｈｚ，ＯＨｚ附（fù）近的數值不予考慮，由圖６－１６可知，第二點處求解的振（zhèn）源曲線（xiàn）在５０Ｈｚ？１５０Ｈｚ
區間遠遠高於其他蘭點。因此解析（xī）得到的結果與實（shí）際相符，因此對故障源實現了有效的位置判別。
圖（tú）６－１６敲擊第２點解析得到的振源幅頻曲線
實（shí）際情況下，若要實現對圭軸箱區域故障位置的有效識別，必須保證對所有可能產生故障區域進行布點（diǎn）。但可能並沒有在故（gù）障區域布置測試點，建立全麵的傳遞函數矩陣。如圖６－１７所示，實際激勵位置沒有在（zài）四個（gè）點上，利用（yòng）此位置上激勵得到的四點響應（yīng）信息，求解激勵。
如圖６－１８所示。可（kě）Ｗ看到在相幹性係數較高的頻域，解析出的振源（yuán）位置為第一點， 實（shí）際激勵位置與（yǔ）第一點比較靠近，因此解析得到的結果較為理想。
假如利用力鍵敲擊的實際（jì）激勵位置在彎（wān）板（bǎn）工件的中間位置，與布置的任何一（yī）點都不靠近，如圖（tú）６－１９所示（shì）。
圖６－１９不同點布局下的故障源識別
利用此點（diǎn）激勵得到的四點響應信息與傳遞（dì）函數（shù）矩陣（zhèn）進行計算，解析得到的各點振源曲線如圖６－２０所示。發（fā）現無法判定振源的實（shí）際位（wèi）置。應對的辦法是對（duì）預判的故障源位置進行更加密集（jí）的（de）布點。如圖６－２１所示，得到了理想的識別效果。
結論：有（yǒu）＾文（wén）上實驗可知：對故障源進行有（yǒu）效識別的前提：對某機械結（jié）構布置測試點，構造傳遞函數矩陣，一（yī）定要盡量包含可能存在故（gù）障源的所有區域，不一（yī）定布置的（de）測試點恰（qià）好對應未知故障源處，但是遠離故（gù）障區域，將無法實現對未知故障源的有效識別。應對的辦法是對預判的故障（zhàng）源位置進行更加密集的（de）布點。
６．３．２激振器激勵實驗
對某特定關屯、頻率的裝配故障源位置進行識別，可采（cǎi）用激振器的方式進行激勵，如圖６－２２所示。
實驗設備包括激（jī）振（zhèn）器、ＬＭＳ控製係統（tǒng）、功率放大器、ＰＣ機等。ＬＭＳ控製係統同時具備信（xìn）號發生器和信號（hào）采集兩個功能，ＬＭＳ輸出特定頻率的正弦信號通過功率放（fàng）大器，將信號放大輸入到激振器，激振器作用於工件上，給工（gōng）件施加特定頻率（lǜ）的正弦激勵（lì），與此（cǐ）同時，力傳感器和加速度（dù）傳感器將測得的信號采集到ＬＭＳ中。這樣（yàng）形成了一套信號發送（sòng）與采集（jí）的閉環係統。
由於激振器自身會受到５０Ｈｚ交變電壓信號的（de）幹擾，因此選（xuǎn）取（qǔ）頻（pín）率（lǜ）要避（bì）免是５０Ｈｚ的倍（bèi）數，選擇特定（dìng）頻率（lǜ）為２１２Ｈｚ，每次給定５Ｎ左右的激振力，同時對四個點的加速度信號進行采集。測試界麵如圖６－２３所示。
從左到右，從上到下一次為激振（zhèn）時域信號、激振頻域信號、某點的時域響應信號、頻響函（hán）數曲線。
利用激振器得到的２１２Ｈｚ處的頻響函數矩陣（zhèn）如表６－８所示。
表（biǎo）６－８２１２Ｈｚ下的頻響函巧矩陣
第四點進行激振（zhèn），隻（zhī）利用（yòng）在此點激勵下的響應信息判定激振點位置。解析（xī）得（dé）到的四點激勵如（rú）表６－９所（suǒ）示。
表６－９解巧出的受（shòu）力情況
由於外界的交變（biàn）電壓（yā）信號（hào）、隨化噪聲等幹擾（rǎo），頻響函（hán）數矩陣經過逆矩陣變換會產生很（hěn）大的數值變化（huà）。解析出的激勵幅值與實際並不相符。可對解析得到的所有激勵信息求和，然後計算各點的激勵信息與總體激勵信息的（de）權重（chóng）關係。
利用（４－１３）、（４－１４）顯然第四（sì）點（diǎn）所占的（de）權重（chóng）最大，占７８．８％，由Ｗ上（shàng）信息可知（zhī），利用激振器同樣實現了對故障源位置的有效識別。
針對主軸箱民域可能引發角度不對中的位置布置測試點，如圖６－２４所示。
圖６－２４主軸｜ｇ區麵試點的（de）布局
關心頻（pín）率（lǜ）區間為二倍於（yú）轉速的頻率附近（jìn）。首先（xiān）在離（lí）線（xiàn）狀態下建立測試（shì）點之間的（de）傳遞（dì）函數矩陣，然後在工（gōng）作狀態下利用加速度傳感器對主（zhǔ）軸箱區域進行（háng）優化布（bù）置，獲取準確有效的響應信息，對未（wèi）知裝配故障源的位置進巧識別判定。
６．４本章小結
本（běn）章承接（jiē）上麵章節，通過開展信號測試與分析（xī）的實驗研巧，確定了主軸箱區域存（cún）在動不平衡、角度不對中等裝配故障，明確了不同（tóng）類（lèi）型裝配故障所對應的信號特征。本章對＂判別特定類型（xíng）裝配故（gù）障的位（wèi）置＂這一問題開（kāi）展研究。基於傳遞路徑分析的原（yuán）理，對裝配故障源位置識別的理論基礎進行了簡（jiǎn）要介紹，利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ有限元軟件采用諧響應分（fèn）析的方（fāng）法對主軸箱裝配體上（shàng）的六個測試點進行仿（fǎng）真分析（xī），對裝配故障源位置進行了有效識別。分別采用力鍵、激振器兩（liǎng）種激勵方式對上述方法進斤實驗（yàn）論證，均（jun1）得到了較為理想的結果，實現了對裝配故睹源位置的有（yǒu）效識別（bié）。
７.結論
７．１結（jié）論
裝配是工（gōng）程（chéng）機械領域（yù）的（de）重要環（huán）節，裝配精（jīng）度與機（jī）床的加工（gōng）性能緊密相關，能夠準確診斷出裝配環（huán）節的故障類型、發生故（gù）障（zhàng）的位置，對於指（zhǐ）導現場工人迅速排（pái）除（chú）裝配故（gù）障，保證（zhèng）機床高質高效的出廠具有重要的指導意義。本論（lùn）文（wén）在前期（qī）大量調研現有文獻的基礎上，Ｗ南通（tōng）科技生產的ＶＣＬ８５０立式加工中（zhōng）屯、主軸箱為實驗對象，對不同的裝（zhuāng）配故障形式的信號（hào）特征、故障特征識別方法、故障源位置識（shí）別等內容進行了較為深入的研（yán）巧。
本論文從上述完成的主要研巧內容（róng）分為＾式下（xià）方麵；
（１）Ｌ＾ＬａｂＶ圧Ｗ為（wéi）開發平台，構建了用於信號采集處理與分析（xī）的測試係統，具有（yǒu）數據采（cǎi）集和保存、降噪濾波、時頻域分析、軸也、軌跡測試、相位檢測、軸必軌跡識別等功能。
（２）基於模態動能法與有效獨立法的原理，利用有限的傳感器尋找主軸箱區域的最佳測（cè）試點（diǎn），為解決運行狀態下傳感器優化布（bù）置的問題提供了一（yī）種思路。
（３）通過對采集的加速度信號進（jìn）行分析發現：主軸箱（xiāng）區域的基頻、二倍頻信號特征突出，主軸在徑向的（de）基頻幅值（zhí）與轉速存在（zài）正相關關係（xì），證明主軸區域可能存在動不平衡（héng）問題；主軸在不同轉速（sù）下的軸也軌跡呈外八字形，且基頻、二倍頻信號明顯。通過與正常工作（zuò）的機床主軸的軸也軌跡進行對比，確定ＶＣＬ８５０存在主軸與電機角度不對中的裝配（pèi）問（wèn）題。
（４）基於ＳＶＤ和不變矩（jǔ）兩種方法Ｗ巧也軌跡（jì）作為判定故障類型的（de）特征指標，對ＶＣＬ８５０主軸的軸屯、軌跡進行判定，識別出主軸箱存在角度不對（duì）中的裝爾故障。取得了較為理想（xiǎng）的效果。
（５）基於傳遞路徑（jìng）分析的原理，對ＶＣＬ８５０主（zhǔ）軸箱區域的故障源位置進行識別：並利（lì）用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ［＾＾１主（zhǔ）軸巧為（wéi）對象進行（háng）了仿真（zhēn）分析，有效實現了主軸箱區域故障源位置的判定。通過：開展實驗針對某化械結構，采用（yòng）激振器、力鏈兩種（zhǒng）不同的（de）激勵方式模巧實（shí）際工況，論（lùn）證了本方法的可行性。
７．２工作展望
本論（lùn）文Ｗ南通科（kē）技生產的ＶＣＬ８５０為實驗對象，對主軸箱區域的裝配故障進行診斷，力求建立（lì）一套行之有效的裝配（pèi）指（zhǐ）導方案，機床出現故障問題時，工人可通過本（běn）論（lùn）文成果確定裝（zhuāng）配故（gù）障問題的類型（xíng），找到發生裝配故障的具體位置，保證在出廠階（jiē）段，有效排除機（jī）床的裝（zhuāng）配問題。由於客觀條件的限製レッ及本人的能力有限，對（duì）於本論文的研巧工作遠不夠完善，接下來可在ａ下幾方麵開展（zhǎn）研兜：
（１）雖然利用（yòng）電禍流位移傳感器對兩個機床的主軸軸（zhóu）屯（tún）、軌（guǐ）跡進行了測試，但（dàn）並未對掙在問題的機床主軸箱進行裝配調整。另外機械（xiè）鬆動、碰摩故障的（de）轉子軸（zhóu）屯、軌跡（jì）特征表現形（xíng）式應該開展大量的實驗，反複論證。
（2)本論文對故障源位置進（jìn）行識別（bié），在信噪比較為（wéi）理想的狀（zhuàng）態下開展實驗，取得了理想的結果。實際工況下的故障源複雜多變，環境噪聲強烈，還要在實際工況下的機床主軸（zhóu）箱上開展實驗，並對本方法進一步完善。
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