１緒論

  

       1.1論（lùn）文背景（jǐng）與（yǔ）硏究意義

  

       本論文來源於清華大學精密儀器與機械學係與南通科技數控機床（chuáng）技術聯（lián）合研發中心開展的合作項目。

  

       立式加工中必的特點在於其主（zhǔ）軸軸線與工（gōng）作台（tái）垂直設置。立式加工中也因其發展較早，技術比較（jiào）成熟，同時具有高速、高精度等特點，因而在中（zhōng）小零件及中（zhōng）小模具加工中具有不可（kě）替代的優勢（shì）。

  

       中國的數控機床經曆了凡十年的發展，己經取（qǔ）得了長足的進步。中低端數控機床己經基（jī）本滿（mǎn）足（zú）了國內需求，但是（shì）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（yǐng）響非（fēi）常濕著，國肉機床領域的從（cóng）業人員和研（yán）巧人員將主要精力放在機床結構優化、切削（xuē）性能（néng）改進等方麵（miàn）上，對機床裝配工芝的（de）研巧不夠重視，對相關領域的研巧也不夠（gòu）深（shēn）入。由（yóu）於（yú）機床在裝（zhuāng）配和調試技術方麵的（de）短板，國產機床在定位精度、機床的動態特性上與國外還有（yǒu）很大差距，產品的壽命周期也遠低於國外，這些都是國產高檔機床市場占有率不商（shāng）的重要原因。

  

       當前數控機床的（de）生產模式屬於多品種小批裏，數控機床（chuáng）製造（zào）企業的裝配車間大多采用半自（zì）動裝配或純手工裝配的方式，基於這種裝配方（fāng）式的特點，下幾個方麵導致了機床（chuáng）在裝配環節可能會存在故暗隱患。

  

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

  

       （２）裝配零部件本身的特（tè）性。裝配零（líng）部件的幾何誤差（chà）、表（biǎo）麵粗簷度Ｗ及材（cái）料剛度屬性等方麵（miàn）對機床的（de）裝配精度亦有影響。

  

       （３）機床裝配過程和裝配完成後的檢測手段。由（yóu）於機床在裝巧過程和（hé）裝配（pèi）完成後的測裏方式往往采用半（bàn）自動或手動的測量方式（shì），測量（liàng）方式並沒有執行統一嚴格的標準，且（qiě）限於測量工具自（zì）身的檢測水（shuǐ）平，同樣會對機床在後（hòu）續工作巧態下的故睹發生產生影響。

  

       （４）其他因素。此外，機床製造廠（chǎng）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（jìn）度（dù），不（bú）得不更改裝配順序，操作工（gōng）人在裝配現場為了自身的方便，也會出現不嚴格執（zhí）行裝配工藝規程的現象；機（jī）床在安裝（zhuāng）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。

  

       國內機床製（zhì）造廠家為了提商（shāng）機床性能，通常（cháng）關鍵部件采用國外產品，南（nán）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（jìn）管這些零部件（jiàn）自身的製造精度滿足要求（qiú），似裝配完成後，機床性能（néng）尤其在工況（kuàng）下的定（dìng）位精（jīng）度（dù）、動態特性上（shàng）遠不及園外的同類（lèi）產品．美國哈斯公司（sī）生產的（de）ＶＦ－３型立式加工中心同ＶＣＬ８５０立式加工中心作對比，兩者在（zài）機床結構布置方式上大致相近。化起在技術參數指標上者差距明思（sī），ＶＣＬ８５０立式（shì）加工（gōng）中心的定位精度０.０１ｍｍ，重（chóng）複定位精度０．００５ｍｍ，而ＶＦ－３係列立式加工中心的定位精度０．００５ｍｍ，重複定（dìng）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（gāo）速狀（zhuàng）態下，ＶＣＬ８５０立式加（jiā）工中心的穩定性要弱於ＶＦ－３型立式加工中也。南通（tōng）科技的機床裝配（pèi）工藝規程長期（qī）以來主要依（yī）靠工人的現場工（gōng）作經驗巧累，研發設計（jì）人員並沒有（yǒu）采用（yòng）實驗的手（shǒu）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（lèi）積（jī）誤差會影響（xiǎng）到（dào）機床的加工精（jīng）度口由此可化，基（jī）於裝配工藝角度來對機床進行研（yán）巧分析，對於提（tí）高（gāo）機床（chuáng）的動態特性意義很大。圖１－１為某數按機床的故障原因統（tǒng）計圖。

  

       

  

                    圖1.1某數挖機床（chuáng）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（háng）檢測，將（jiāng）化床裝配故障問（wèn）題類型化（huà），故障源位置具體化，可為裝配工人在機床在裝配過程中遇（yù）到的故障問題提供指導性意見（jiàn），方便工人迅速查找故（gù）障源；從長遠上說，還可以為後續建（jiàn）立的化床智能（néng）故（gù）障監測係統提供相關的技術儲備。

  

       1.2國內外（wài）硏究綜述

  

       1.2.1 機床主（zhǔ）軸箱故隨診斷技（jì）術

  

       主軸箱的裝配是機床的重要一環，主（zhǔ）軸箱各部件的製造精度Ｗ及（jí）它們之間的裝配故障將直接影響機床的加工（gōng）性能。一旦機床主（zhǔ）軸箱區域的相關部件裝配不達標，卻未予（yǔ）及（jí）時發現，將可能（néng）導致某（mǒu）些昂貴部件造成不可修複的損失。從先期的機床組裝階段，針對機床主（zhǔ）軸箱各部件的裝配進（jìn）行相關檢測及分析，能（néng）夠在機床出現放障之（zhī）前及早的發現問題來源，可避免不必要（yào）的經濟損失。

  

       針對主軸箱（xiāng）的故障診（zhěn）斷，一般經曆三個階段：設備（bèi）原始數據的巧集及（jí）獲取、對原始數（shù）據進行預處理提取有用成分、對（duì）處理（lǐ）數（shù）據進行特征識別與類型匹配。為了便於觀（guān）察主軸箱的故障類（lèi）型（xíng），一（yī）般將傳感器（qì）放（fàng）置在主軸附近，觀察主軸的運轉（zhuǎn）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、特征等方麵（miàn）開展了大量的研巧，專口（kǒu）針（zhēn）對機床主軸箱的裝配故障開（kāi）展研巧的相關文獻並不多，但（dàn）是（shì）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（gù）障（zhàng）診斷技術的研巧內容（róng）主耍（shuǎ）包括：故障信號（hào）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（zhēng）提取與分析（xī）化研巧領域的詳細劃分如圖１－２所示（shì）。

  

       

  

                        圖1.2 旋轉機械狀態監測（cè）及故時診斷技術

  

       針對機床（chuáng）主（zhǔ）軸箱故障診斷的研巧，楊（yáng）樹蓮Ｗ利用可變（biàn）回轉角（jiǎo）度階比分析的（de）方法對機床（chuáng）主（zhǔ）軸故障特征進行提取，收到了良知的效果（guǒ）。馮冬芳Ｐ１通過頻譜（pǔ）分（fèn）析的方法利用主軸軸承的振動信號，對主軸進（jìn）行故掩診斷，並確定了軸承端蓋的預緊力區（qū）間。周蘇波Ｗ對機床主軸的軸（zhóu）也軌（guǐ）進進行在線測試，發現機床主軸箱存在動不平衡（héng）的裝配故障。商榮Ｍ利（lì）用小波奇（qí）異性對主軸箱（xiāng）的振動（dòng）信號進（jìn）行處理，消去了外界喚聲對切削狀態下監測係統的幹擾，同（tóng）時還可Ｗ對機械故障信號（hào）進行預（yù）測，達（dá）到了提高（gāo）電主軸使（shǐ）用（yòng）壽（shòu）命的目的。

  

       1.2.2 故障信息（xī）處理技術（shù）

  

       故障信息處理技術通常由故（gù）障信號（hào）的檢測、分析處理兩部分構成，檢測（cè）的常見信（xìn）號類型包括：流量、噪聲、電流、溫度、振動（dòng）、壓力、電壓等，分析處理就是對這些（xiē）信號進行放大、濾波、去噪（zào）、調（diào）理、解調變換（huàn）等（děng），進而提取（qǔ）出（chū）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（lǜ）波和Ｗｉｅｎｅｒ濾波（bō）。傳統去噪方法的不足在於信號變換後的炯（jiǒng）増（zēng）高，無法（fǎ）刻畫信號的非平穩特性並（bìng）見無法得到信號的（de）相關（guān）性。在信號（hào）去噪方法研究的早期過程中（zhōng），由於受到理論方法的限製，從振動（dòng）信號中去除外部噪聲幹擾主要采用傳（chuán）統去噪方法，取（qǔ）得了一些研究成果。１９８１年王祖榮提出了一種將係統進一步簡化為滿足文泰濾波條件（jiàn）定常係統的簡化非線性濾（lǜ）波方法。１９８７年陳關榮ｎｓ］研究了非線性動態及觀測係統濾波（bō）問題的一種樣（yàng）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（rú）小波（bō）變換、ＨＨＴ變（biàn）換、ＥＭＤ分解等先（xiān）後出現。在機械故障診斷（duàn）領域獲（huò）得（dé）了（le）實際應用，取得了很好的科（kē）研成果。１９９８年（nián）傅（fù）瑜對小波理論在若幹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（fāng）法提取故障信號，並用ＡＲ模型進行譜估計，確（què）定齒輪的故（gù）障類型及嚴重程度。２００８年劉樹春等Ｗ研究了基於二代小波的振動信號去噪相關技術。２０１３年孟宗等（děng）提出了一種（zhǒng）解決（jué）ＨＨＴ分析（xī）中模態裂解（jiě）現象的方法，即基於快速獨立分量分析消噪的ＨＨＴ分（fèn）析方法，仿真與（yǔ）實例結果表明，該方（fāng）法能有效抑製ＨＨＴ過（guò）程中的模態（tài）裂解現（xiàn）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（gù）摩（mó）特（tè）征提取與分析技術

  

       故（gù）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（kě）靠（kào）性（xìng）與機（jī）械故障診斷（duàn）的準確性。故（gù）障診斷信息（xī）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、相幹分析、細化譜分析、包絡分析、模態分析和倒譜分析等，其理（lǐ）論基礎是數理統計（jì）和隨機過程（chéng）。

  

       傳統的故睹特征提取與分析技術主要基於傅立葉（yè）分析，傅裏葉變換與反（fǎn）變換建立了信號在（zài）時間域（yù）與（yǔ）頻率（lǜ）域之間相互轉化的橋梁，提（tí）供了信號的時域分析和頻域分析兩種方法（fǎ）。因此，傳統（tǒng）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（ěr）曼等（děng）腳利用波動分析儀對電（diàn）動機同步（bù）和非同步過程進行了時域方（fāng）麵的分析。陳瑞琪等人（rén）於１９８５年利用聲強分析儀（yí）及頻率分析儀係統對紡機錠子和氣流紡（fǎng）紗高速軸承組件的振動、噪聲進行頻譜分析，以了解兩者（zhě）的（de）主頻率及相互關係。１９９２年艾延廷等對（duì）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（bō）形及特征參數進行了討論，並引證了應用時域分析技術（shù）檢測齒輪故障的實例。

    

       在Ｗ振動信號為化態（tài）變量進行故障診斷時，由於設備運轉的不平穩、外在負荷的交替變化、不確定性的衝擊等因素導致振動信號並非始終是平穩的（de），從而使基於平穩過程和線性係統的傳統信號處理理論的（de）應用受到限製Ｐ５１。傳統的傅立葉變（biàn）換從頻域角度分析振動信（xìn）號的特征（zhēng）信（xìn）息，僅適用於對平穩信號的分析，在處理（lǐ）非平穩信號時會出現很大誤差，甚（shèn）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（jiàn）成（chéng）熟（shú），人們開始研究新的信號處理方法（fǎ）提取故障特征信息ＩＷ。其中具有代表性的方法如小（xiǎo）波分（fèn）析（簡稱ＷＡ）、獨立分（fèn）量分析（簡稱ＩＣＡ）、主分量分析（簡（jiǎn）稱ＰＣＡ）、經驗模態分解（簡稱ＥＭＤ）、隱Ｍａｒｋｏｖ模型（xíng）（簡稱ＨＨＭ）等。林京等學者建立了基於連續小波變換的（de）奇異性檢測方（fāng）法，並將這種（zhǒng）方法應用在壓縮巧（qiǎo）氣閥的故障診斷中，充分顯示了該方法的有效性。張生對某（mǒu）巧輪箱（xiāng）進行故障診斷（duàn），模態分析中的固有頻率和振型作為識別故（gù）暗的（de）重要參數（shù）特征，胡勁鬆利（lì）用經（jīng）驗模態分解的方法應用到旋轉（zhuǎn）機械信號（hào）處理與（yǔ）故隋診斷，為非線性和非穩態的故障分析與診斷（duàn）給（gěi）出了一條新（xīn）的途（tú）徑。下啟全等學者口Ｗ提出了基於因子隱Ｍａｒｋｏｖ模型的旋轉機械故障診（zhěn）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（xiào）的（de）分類（lèi）。

  

       1.2.4 故膊源位置（zhì）識別技術

  

       機床存在機械故障（zhàng）時，必定（dìng）會（huì）衍生出額外的激勵、噪聲。工程技術人員通（tōng）過信號檢測技術對故（gù）障源進行位置判定，進而（ér）針對性（xìng）的機械結構進行調整，解決機械故（gù）障問題（tí）。從這個角度上（shàng）說，故（gù）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（děng）領域（yù）。從６０年（nián）代開始，隨著計算機（jī）的（de）迅（xùn）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（lùn）巧軟件。目（mù）前較（jiào）為主流的有限元分析巧件代（dài）表（biǎo）有；ＡＮＳＹＳ、ＡＢＡＱＵＳ、ＭＳＣ－振動測（cè）試類的產（chǎn）品有機公司的數據采（cǎi）集卡係（xì）列，其中比利時的ＬＭＳ公司的測試係統是ＮＶＨ領域的行業領導（dǎo）者，應懷樵教（jiāo）授創建的北京東方振動和噪聲技（jì）術研巧所在國內也（yě）有一定的聲（shēng）譽。

  

       國內外對故陣源識別（bié）的方法有分步運巧消去法，頻譜分（fèn）析法（fǎ），即相幹函數法，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（fǎ），獨立分（fèn）量（liàng）分祈法等等。在此僅介紹前三種方法（fǎ）。

  

       1. 分步運轉法

  

       分步運轉消去法（fǎ）即對一（yī）個（gè）複雜的機械係（xì）統進（jìn）行（háng）故障源識別時（shí），首先在（zài）同一部位，不同時（shí）間下，對係統的總體振（zhèn）動噪聲響應進行測試，然後逐步關閉係（xì）統的各個故障源，與（yǔ）此同時（shí）測試關閉故障源（yuán）後的（de）振動噪聲響應（yīng），根（gēn）據疊加原理，確（què）定各個故障源對係統總體的貢獻大小。這種方法簡單，便於直觀發現問題。但實際工作中複雜的機（jī）械係統，各個故障源往往（wǎng）鍋合在一起，難Ｗ單獨開（kāi）啟關閉某（mǒu）一故障源，因此針對複雜的機械係統，分布運轉消除法無法（fǎ）解決實際問（wèn）題。

  

       2. 頻譜分析法

  

       額譜分析法即在頻域（yù）對（duì）故障（zhàng）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（pàn）定故障源的（de）貢獻大小。但（dàn）由於機（jī）械結構自身的（de）動（dòng）態特性，幅值（zhí）最大的區域並（bìng）非總是故障源區域，這種依據是不成立的。

  

       3. 相幹分析（xī）法

  

       相幹分析法作為－－種比（bǐ）較成熟（shú）的技術廣泛應用到了振動（dòng）噪聲領域，P.R Roth於１９７１年在有背景噪聲的情況下，利用常相幹分析方法正確識別了噪聲源。M.Caliskan利用（yòng）相（xiàng）幹分析用（yòng）於紡（fǎng）織機的瞬時噪聲源識別（bié），與傳統方法得到的結果相（xiàng）同，證（zhèng）明了相幹分析（xī）可同樣適用於故障源識別，與國內（nèi）對相幹分析的研巧始於上個世紀８０年代，吳浩珪等人於１９９５年利用相幹分析法確定了某柴油客車的主要噪聲源，並（bìng）進行了後續的降噪處理（lǐ）。張衰維等（děng）人利（lì）用自功率譜（pǔ）分析與相幹分（fèn）析技術，對某台（tái）內燃叉車的液力變速箱進行測試分析，找到了該變（biàn）速箱產生（shēng）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（guò）試驗來跟（gēn）蹤（zōng）由（yóu）源經過一係列己知結構或（huò）空（kōng）氣傳播路徑傳遞到指定接收點能量流的分析方法。其（qí）目的在於評價由振動源到響應點每個路徑能量的矢裏貢獻（xiàn），從而確定為了解決特定（dìng）的（de）問題，路徑上（shàng）哪些部（bù）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。於上個世紀９０年代開始發展起來，如今在機械故障診斷（duàn）、部件性（xìng）能改進、振動噪聲源識別等方麵得到了很好的應用，己經被國外汽車ＮＶＨ領域廣泛（fàn）認同並且己經商用化，國內也開始興起（qǐ）。比利時的ＬＭＳ公（gōng）司的ＬＭＳＴｅｓｔｌａｂＴｒａｎｓｆｅｒＰａｔｈＡｎａｌｙｓｉｓ軟件在（zài）汽車領域得到了廣泛好評與普遍應（yīng）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麵積累了（le）大量成功案例。Ｋ．Ｇｅｎｕｉｔ等人利用雙通道（dào）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（zhuàng）態下的車內振動巧聲（shēng）進（jìn）行了定量分析，Ｇｒｙａｎａｒｏｒａ等人利用傳遞路徑分析法對路麵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（lín）大學、同濟大學、上海交通大學Ｗ及長安汽研院在這方麵做出了不錯的成績，並且應用到了很（hěn）多領域。吉林大學的起形航（háng）ｔ＂］利用傳遞路徑分析（xī）法較完整地分析（xī）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，並（bìng）對主要的傳遞路徑進行分（fèn）析，取得了很（hěn）好的（de）預（yù）期（qī）效果。同濟大學的郭榮等對（duì）燃料電池轎車車內噪聲的傳遞路徑（jìng）進行了分析研究，在怠速工況下對車內噪聲進行（háng）傳（chuán）遞路徑測試試驗，識別得出了主要傳遞路徑（jìng）。長安汽車工程研巧院李傳兵等（děng）人用傳遞路徑分析的相關軟件，針（zhēn）對某新車型的車內噪聲問題進行了傳遞路徑分析（xī），找到了對車內噪聲（shēng）影響最大的傳遞路徑，針對性地對部分部（bù）件（jiàn）進行結（jié）構優化，有效地消除了運行狀態下的車內噪聲問題。總（zǒng）體上（shàng）說國內的高校和研究機構對傳遞路徑分析方法（fǎ）的（de）研究應用還處於摸索前進階段。

  

       1.3  論文主要硏究內容（róng）

  

       機床部件裝（zhuāng）配的累（lèi）積誤差４影響到機床的加工精度（dù）本論文針（zhēn）對某立式加工（gōng）中屯、的主軸箱在裝配出廠階段進行（háng）質量檢測及分析，將機械（xiè）故障診斷的理論和方法應用於（yú）工廠（chǎng）實際（jì）生產中（zhōng），這種探索與嚐試，對（duì）現（xiàn）場工人進行機床質量檢（jiǎn）驗（yàn）和機床裝配工藝規程的不斷改進具有指導（dǎo）意義（yì）。另外，本論文所開展的工作也為後續針對機床的自動監測（cè）與診（zhěn）斷係統的開發積累了資料素（sù）材。本論文的主（zhǔ）要研巧（qiǎo）內容如下（xià）；

  

       （1）在研巧ＶＣＬ８５０立式加工中也主軸箱的部件組成（chéng）、裝配特點的基礎上（shàng），結合ＶＣＬ８５０立式（shì）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（kě）能存在裝配故障的區（qū）域，並對其故障機理進行了探討分析。

  

       （2）結合測試方案和要（yào）求，選用合適（shì）的傳感器、數據采集卡，利用（yòng）LabVIEW軟件進行編（biān）程，構建針對主軸箱區域的測（cè）試係統。實現基於相關分析的濾波降噪功（gōng）能、相位測量功（gōng）能，頻域分析功能，基於（yú）ＳＶＤ法、不變矩法的軸也軌跡識別功（gōng）能。

  

       （3）利用轉（zhuǎn）子實驗台，對動不平衡、角亭不對中、鬆動等（děng）Ｈ種不同（tóng）類型的裝配故（gù）障進（jìn）行模巧（qiǎo）實驗，並結合相關文獻（xiàn），初步確定三種不同類型裝配故巧的信號特征表現形式（shì）。

  

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

  

       （5）對空轉狀態（tài）下的主（zhǔ）軸箱區域（yù）振動信號進行采（cǎi）集，對振動信號進行降巧處理，分析裝配主軸箱故障（zhàng）原因；對主軸運行狀態下的軸（zhóu）屯、軌跡進行檢測，並基於ＳＶＤ法、不變矩法對主軸的軸屯（tún）、軌跡進行識別方法分析，軸也軌跡作為判（pàn）定不同主要的裝配故障類型的信號指標（biāo），實（shí）現（xiàn）對不同主要的裝配故障類（lèi）型的分類識別。

  

       （6）基於傳迸路徑分析的原（yuán）理，對不同裝配故障產生的異常故障源位置進行判定（dìng）：首先介紹故（gù）障源識別采（cǎi）用的主（zhǔ）要方法，然（rán）後利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ仿真軟件實現對主（zhǔ）軸箱故障源位置的識別，最終開（kāi）展實驗論（lùn）證這種故障源（yuán）位置識別方法的可（kě）行性。

  

       ２ ＶＣＬ８５０主軸箱主要的裝（zhuāng）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（zì）主開發的一款高檔通用（yòng）的自動化機床，配裝了刀庫容量（liàng）為２４把刀的機械手刀庫，可完成較、統、鑽、錯、攻絲（sī）等多種工序的切削加工。

  

       

  

                           圖2.1 ＶＣＬ８５０立式加工中心

  

       本（běn）論文的研巧重點為ＶＣＬ８５０立式加工中屯、的主軸箱區域（yù）。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（tú）

  

       在機床出廣階段，由於裝配不當會導致機床在後續工（gōng）作中（zhōng）出現不同類型的機械故陣，在工（gōng）作狀態下，化床所表現出不同形式的（de）信號特征可指導檢測人員（yuán）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（tóng）振動類型所表（biǎo）現的信號特征：

  

       

  

                                 圖2.3 不同振動類（lèi）型及表現形式

  

       自激振動是由機床自身結構決定的（de），在機床出廠階段（duàn），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，排除自激振動的幹擾。ＶＣＬ８５０的轉速（sù）區間在４８？１２０００巧ｍ，對應（yīng）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（fǒu）在自激振動的區間。取六階模（mó）態，通過ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎ化（huà）得到仿真結果，其前六階（jiē）固有頻率和（hé）對應的模（mó）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（yǒu）頻率在２６３．１６Ｈｚ，證明ＶＣＬ８５０在工作（zuò）轉速範圍內產生的故障不是由自（zì）激振動造成的（de）。

  

       下麵主要介紹ＶＣＬ８５０立式加工中心主軸箱區域在工作轉速下的（de）常（cháng）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（zhàng）類型之一。對機（jī）床主軸箱（xiāng）進行裝配時，主軸係（xì）統的（de）組件之間的安裝不當，導致產生配合間隙。安裝刀具時，刀具（jù）係統（刀具一刀柄（bǐng））與主（zhǔ）軸錐孔的（de）配合不良，都會在（zài）運轉過程中產生動不平衡。主（zhǔ）軸安裝之前，對主軸自身進行動（dòng）平（píng）衡試驗是十分（fèn）重要的一環，主軸箱整體裝配完成之後，能夠實現（xiàn）對動不平衡的在線測試，可１＾更為徹底的檢測動（dòng）不平衡（héng）問題。主軸與刀具係統的安裝如圖２－３所（suǒ）示。

  

       

  

                            圖2.4 主軸與刀具（jù）的配合

       如圖2.5為轉子動不（bú）平衡示意圖，動不平衡（héng）主要表現在一個旋轉體的質量中心、０與（yǔ）轉動中也（yě）０’不重合，導（dǎo）致（zhì）轉子在運轉過程中（角速度為（wéi）Ｗ）形成了周期性的離心力Ｆ或者（zhě）離心（xīn）力矩的幹擾，作用在機組及其相關部件（jiàn），加劇（jù）旋轉機械的振動，同時產生噪聲（shēng），在一定程（chéng）度上加速了軸承等部（bù）件的磨損（sǔn），縮短了機組的使用壽命。離也力（lì）Ｆ的（de）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（shuō），相關安裝部件自身的製造公（gōng）差、部件安裝不當、長時間運行（háng）後導致主軸係統產生很大溫升、長期使（shǐ）用導致部（bù）件磨（mó）損、等都是造成主軸動（dòng）不平衡的主要原因。

  

       

  

                          圖2.5 轉子動不平衡（héng）示意圖

  

       如圖所示（shì），O為轉子的轉動中心，O’為（wéi）轉子的質量（liàng）中心，ｅ為（wéi）偏心距，ｗ為轉子角（jiǎo）速（sù）度，θ為偏心夾角。若考慮阻尼的影響，則轉子運（yùn）動微分方程為：

  

                                                       (2.2)

  

       在（zài）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（fāng）向的振幅並不一定相等。

  

       2.2 不對中故障

  

       針對主軸箱而言，電機（jī）通過同（tóng）步內齒（chǐ）帶與（yǔ）主軸連接，張緊力施加的不合理，極有（yǒu）可能造成（chéng）主軸、電機偏角不對中（zhōng）的（de）情況發生。

  

       轉子（zǐ）不對中的實際含義是指軸係連接同心度（dù）和平直度的偏差故（gù）障。造成轉子不對中問（wèn）題的原因主要有轉子相關部件的製造誤差、安裝誤差或（huò）者長時間使用造成的熱變形等因素。轉子不對中可（kě）分為偏角不對中、平行不對中和偏角平行不對中（zhōng）三種，可看到電機通（tōng）過同步內齒帶輪連接主軸。主軸與電機的配合簡圖如（rú）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（yǐ）為1:1的轉速比傳遞給主軸，主軸電機轉速（sù）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（jiǎo）向垂直於電機（jī）中心線的平麵上（shàng）投影（yǐng），則：

  

                                                    (2.5)

  

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

  

       而傳動比為：           (2.7)

  

       式中  由（yóu）於ａ、ｍ、ｎ是常數，ｉ是主（zhǔ）軸與電（diàn）機的傳動比。

  

       因此產生了２倍頻的激振（zhèn）力。主軸的變化範圍為：

    

       

  

       可以看到當電機（jī）轉動一周（zhōu）時，主軸的角速度變化了兩個周期，如圖2.7所示，ω1、ω2—周期（qī）內的變化。如圖2.6，主軸實質（zhì）上由於角度不對中產生的偏心質量，設（shè）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（de）表達式為（wéi）：

  

       

  

                       圖2.7 電機、主軸（zhóu）角（jiǎo）速度一周期（qī）內（nèi）的變化

  

       2.3 碰摩故障

  

       ＶＣＬ８５０立式加（jiā）工中心的主軸箱剖麵圖如（rú）圖（tú）２－６所示（shì）。主軸與電機通過同步內齒帶輪連接（jiē），裝配工人（rén）依靠經驗將調整螺釘實現對（duì）帶輪的張緊，由於調整不當，帶輪張緊力過大，會影響到間隙配（pèi）合的位置，產生碰摩的裝配故障。

  

       

        

  

                          圖 2.8 VCL850主軸箱剖麵圖

  

       定子轉子碰摩是旋轉機械的常見故障，由於安裝不當（dāng）影響了定子轉子的間隙誤差，導致轉子和定子（zǐ）間的（de）摩擦事故經常發生，同時由於工況變動或過大的軸向推力，都有可能導致（zhì）碰摩ＩＷ。圖２－８為碰摩力（lì）學模型圖（tú）。

  

       

  

       

  

       碰摩是轉子（zǐ）在轉動一周後與定（dìng）子部件上（shàng）的某區（qū）域（yù）發生接（jiē）觸碰撞導致彈性變形及（jí）摩擦熱效應的情況。Ｋ，為定子與轉子之間（jiān）的等效剛度，將Fl和Fr分解到徑向的碰撞力Fx和切向的摩（mó）擦Fy，則有（yǒu）：

                               (2.10),

式中              R為圓盤（pán）的（de）位移，R0為轉子的間（jiān）厳（yán），當R≥R0時，有碰摩故障發生。

  

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

  

       2.4 鬆動故障

  

       如（rú）圖2.9所示，兩處分別為電（diàn）機主軸箱結合部與主軸與主軸箱結合部。

  

       

  

                                   圖2.9主軸箱結（jié）合部

  

       主軸箱區域分布著大量螺拴（shuān），部件安裝通過螺栓連接起（qǐ）到定（dìng）位、緊固的作用。

  

       由於安裝質量不髙及長期的振動都會（huì）引起結合部（bù）位的鬆（sōng）動故障，影響到主軸及電（diàn）機的正常運行及（jí）安全。

  

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

  

       

  

       轉（zhuǎn）子運行時的微分方程為：

                                                           (2.11)

  

       式中（zhōng）：Ｍ為包（bāo）括主軸（zhóu）與電（diàn）機等部件的質量矩陣；Ｃ為包括主軸與電機栓接（jiē）處（chù）的阻尼（ní）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（wéi）螺栓未鬆動時電機主軸連接處的等效剛度，Cs1,Cs2分別為螺栓未鬆動時電機主軸（zhóu）連接處的等效阻尼；Ks2,Km2分別（bié）為螺栓鬆動後電（diàn）機主軸連接處的等效（xiào）剛度，Cs2,Cm2分別為螺栓（shuān）鬆動（dòng）後電機主軸連（lián）接處的等（děng）效阻尼。設δ1,δ2分（fèn）別表示電機、主（zhǔ）軸栓接處未發生（shēng）鬆動的臨界（jiè）間隙值。則有：，  同理Cs,Cm的取值（zhí）。

  

       由於係統剛（gāng）度、阻尼的不（bú）穩（wěn）定，工作狀態下的機械結構呈現嚴重的非線性（xìng）問題，發生鬆動部位的（de）振動信號特征複雜多變。

  

       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（shào），並證明了故障原因不（bú）是由於自（zì）身的結構特點造成的。重點（diǎn）分析了ＶＣＬ８５０主軸箱可能存在裝配故障（zhàng）的區域，對幾種主要裝配故（gù）障（動不平衡故障、不對中故障、鬆動故障、碰摩（mó）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（xìn）號檢測提供理論支（zhī）撐。