１緒（xù）論

  

       1.1論文背景與（yǔ）硏究意義

  

       本（běn）論文來源於清華大學精密儀器與機械學係與南（nán）通科技數控機床技術聯合研發（fā）中心（xīn）開展的合（hé）作項目。

  

       立式加工中必的特點在於其主（zhǔ）軸軸線與工作（zuò）台垂直設置（zhì）。立（lì）式加（jiā）工中（zhōng）也因其發展較早，技術比較成熟，同時具有高速、高精度等特點，因而（ér）在（zài）中小零件（jiàn）及中小模具加工中（zhōng）具有不可替代的優（yōu）勢。

  

       中國（guó）的（de）數控機床經曆了凡十年的發展，己經取得了長足的進步。中低端數控（kòng）機床己經基（jī）本滿足了國內需求，但是在離端領域，我（wǒ）國與（yǔ）歐日（rì）美等國家相比，差（chà）距顯（xiǎn）著，裝配對（duì）產品可靠性的影響非常濕著，國肉機床領域的從（cóng）業人（rén）員和研巧人（rén）員將（jiāng）主要精力放在機床結構（gòu）優化（huà）、切（qiē）削性能改進等方麵（miàn）上，對機床裝配工芝的研巧不（bú）夠重視，對相關領域的（de）研巧也不夠深入（rù）。由於機床在裝配和調試技術方麵的短板，國產機床在定位精度、機床的動態特性上與國外還有很大差距，產品的壽命周期也遠低於國（guó）外，這些都是國產高檔機床市場占有率不商的重要原因。

  

       當（dāng）前數控機（jī）床的生產模式（shì）屬於（yú）多品種小批裏，數控機床（chuáng）製造企業的裝配車間大多采用半自動裝配或純手工裝配的方式，基於這種裝配方式的特點，下幾個方麵（miàn）導（dǎo）致了機床在裝配環節可能會存在故暗隱患。

  

       （１）人為因（yīn）素，裝配操作工人的素質參差不齊，會對（duì）機床裝配故障的造（zào）成很大影響，進而對機床的綜合性能也會產生影（yǐng）響（xiǎng）。

  

       （２）裝配零部件本身（shēn）的特性。裝配零部件（jiàn）的幾何誤差、表麵粗簷（yán）度Ｗ及材料剛度（dù）屬性等（děng）方麵對機床的裝配精度亦有影（yǐng）響。

  

       （３）機（jī）床裝配過程和裝配完成後的檢測手段。由於機（jī）床在裝巧過程和裝配完成後的測裏方式往往采用半自動（dòng）或手動的測量方式，測量（liàng）方式並沒（méi）有執行統一嚴格的標準，且限（xiàn）於測量工（gōng）具（jù）自身的檢測水平，同樣會對機床在（zài）後續工作巧態下的故睹發生產生影響。

  

       （４）其他因素。此外，機（jī）床製造廠家在裝配機床過程中，有些外購部件在（zài）不能及（jí）時到貨的情況下，為了不影響裝配進度，不得（dé）不更改裝配順序，操作工人在裝配（pèi）現場為了自身的（de）方便，也會出現不嚴（yán）格執行裝配工藝規程的現象；機床在安裝地點的精度指標（biāo）與出廠預驗收的精度（dù）保（bǎo）持一致也是難以做到的。

  

       國內機床製造廠（chǎng）家為（wéi）了提（tí）商機床性能，通常關鍵部件（jiàn）采用國外產品，南通機床生產的ＶＣＬ８５０立式加工中心，主軸、滾珠絲杠副、線性導軌（guǐ）均為（wéi）外購。盡管這些零部件自身的製造精度滿足要求，似裝配完成後，機床性能（néng）尤其在工況下的定位精度、動態（tài）特性（xìng）上遠不及園外的（de）同類產品．美國（guó）哈斯公司（sī）生產的ＶＦ－３型立式加工（gōng）中心同ＶＣＬ８５０立（lì）式加工中心作對比（bǐ），兩者（zhě）在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，ＶＣＬ８５０立式（shì）加工中心的定位精度０.０１ｍｍ，重複定位精度０．００５ｍｍ，而ＶＦ－３係列立式加工中心（xīn）的定位（wèi）精度０．００５ｍｍ，重複定（dìng）位精度０．００２５ｍｍ。因此在加工精度（dù）上，ＶＣＬ８５０立式加（jiā）１中屯、還（hái）有很大的提升空間。另外在高速狀（zhuàng）態下，ＶＣＬ８５０立式加工中心的（de）穩定（dìng）性要弱於ＶＦ－３型（xíng）立式（shì）加工中也。南通科技的機床裝配工（gōng）藝規程（chéng）長期以來主要依（yī）靠（kào）工人的現場工作經驗巧累（lèi），研發（fā）設計（jì）人員（yuán）並沒有采用實（shí）驗的手段，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（pèi）的累積（jī）誤差會影（yǐng）響到機床的加工精度口由此可化，基於裝配工藝角度（dù）來對機床進行研巧分析（xī），對（duì）於（yú）提高機床的動態（tài）特性意義很大。圖１－１為某數（shù）按機床的故障原因統計圖（tú）。

  

       

  

                    圖1.1某數挖機床的故障原因統計圖

  

       綜上所述（shù），從裝配角度對機床主軸箱（xiāng）進行檢（jiǎn）測，將（jiāng）化床裝配故障問題類型化（huà），故障源位置（zhì）具（jù）體化，可為裝配工人在機床在裝（zhuāng）配過程中（zhōng）遇到的故障問題提供指導性（xìng）意見，方便（biàn）工人迅速查找故障源；從長遠上說，還可以為後續建立的化床智能故障監測係統提供相關的技（jì）術儲備。

  

       1.2國內外硏究綜述

  

       1.2.1 機床（chuáng）主軸箱故隨診斷技術（shù）

  

       主軸箱的裝配是機床的重要一環，主軸箱各部件的製造精度（dù）Ｗ及它們之間的裝配故障（zhàng）將直接（jiē）影響機床的加工性能（néng）。一旦機床主軸箱區域的相關部件（jiàn）裝配不達標，卻未予及時發現，將（jiāng）可能導致某些昂貴部件造成不可修複的（de）損失（shī）。從先期的機床組裝階段，針對機床主軸箱各部件的裝配進行相關檢測（cè）及分析，能夠在機床出現放障之前及早的發現問題來源，可避（bì）免不必要的經濟損失。

  

       針對主（zhǔ）軸箱（xiāng）的故障診斷，一般經曆三個階段：設備原始數（shù）據（jù）的（de）巧集（jí）及獲取、對原始（shǐ）數據進行預處理提取有用成分、對（duì）處理數據進行特征識別與類型（xíng）匹配。為了（le）便於觀察主軸箱的故障類型，一般將傳感器（qì）放置在主軸附近，觀察主軸的運轉情況。

 

       現有文獻針對機械設備在工作過（guò）程中出（chū）現失效時的故障機理、特征等方麵開展了大量的研巧，專口針對機床主軸箱的裝配故障開展研巧的相關文獻並不多，但是針對不同檢測對象的研巧（qiǎo）策略是相（xiàng）似的，進行故障診斷的方法手段是相通的。

  

       故障診斷技術（shù）的研（yán）巧內容主耍包括：故障信（xìn）號的檢測與采集、設備（bèi）巧態監測方法研究、故障機理的研究、機械（xiè）故障信息處理技術（shù）、故障特征提取與分析化研巧領域的詳細劃分如圖（tú）１－２所示。

  

       

  

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

  

       針對（duì）機床（chuáng）主（zhǔ）軸箱故障診（zhěn）斷的研巧（qiǎo），楊樹蓮Ｗ利用可變回轉角度（dù）階比分析的方法對機床主軸故障特征進行提取，收到了良知的效果。馮（féng）冬（dōng）芳Ｐ１通過頻譜分析的方法利用主軸軸承的振動信號，對主軸進行故掩診斷，並確定了（le）軸承端蓋的預緊力區間。周蘇波Ｗ對機床主軸的軸也軌進進行在線測試，發現機床主軸箱存在（zài）動不平衡的裝配故障。商榮Ｍ利用小波奇異性對主軸箱的振動信號進行處理，消去了外界喚聲對切削狀態（tài）下監測係統的幹擾，同時（shí）還可Ｗ對機械故障信號（hào）進行預測，達到了（le）提高電主軸使用壽命的目（mù）的。

  

       1.2.2 故障信（xìn）息處理技術（shù）

  

       故障信息處理技術通常由故障信號（hào）的檢測、分析處理兩部分構成，檢測的常見信號類型包括：流量、噪聲、電流、溫度、振動、壓力、電壓等，分析處（chù）理就是對這些信號進行放大、濾波、去噪（zào）、調理、解調變換等（děng），進而提取出對故障（zhàng）特征識（shí）別有用的信息。故（gù）障信號（hào）去噪是對故障特征提（tí）取與（yǔ）分（fèn）析之前的一個必要（yào）環節，傳統的去噪方法主要包括線（xiàn）性濾（lǜ）波和（hé）非線性濾波，其中的典（diǎn）型代（dài）表是中值濾波和Ｗｉｅｎｅｒ濾波。傳統去噪方法的不足在於信號變換（huàn）後（hòu）的炯増（zēng）高，無法刻畫信號的非平穩特性並見無法得到信號的相關性。在信號去噪方法研（yán）究的早期過程中，由於受到理（lǐ）論方法的限製，從（cóng）振動信（xìn）號中去除（chú）外部（bù）噪聲幹擾主要采用傳統去噪方法，取得了一些研究成果。１９８１年王祖榮（róng）提出了一種將係統進一步簡化為滿足文泰濾波條件定常係統的簡化非線性濾波方法。１９８７年（nián）陳關榮ｎｓ］研究了非線性動態及觀測係統濾波問題（tí）的一種樣條（tiáo）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）小波變換、ＨＨＴ變（biàn）換、ＥＭＤ分解等先後出現。在機械故障（zhàng）診斷領域獲得了實際應用，取得（dé）了很好（hǎo）的科研成果。１９９８年傅瑜對小波理論在若（ruò）幹旋轉機械設備故障（zhàng）診斷（duàn）中的實際應用問題（tí）開展了研（yán）巧。２００４年胡峰等15位學者利用小（xiǎo）波降噪的（de）方法提取故障信號，並用ＡＲ模型進行譜估計，確定齒（chǐ）輪的（de）故障類型及嚴重程度。２００８年劉樹春等Ｗ研究了基於二代（dài）小（xiǎo）波的振動信（xìn）號去噪相關技術。２０１３年孟宗等提出了一種（zhǒng）解決ＨＨＴ分析中模態（tài）裂解現象的方法，即基（jī）於快速獨（dú）立分（fèn）量分析消噪的ＨＨＴ分析方法（fǎ），仿真與實例結（jié）果表明，該方法能（néng）有效抑製ＨＨＴ過程中的模態裂解（jiě）現象，有效提取信號的特征頻（pín）率，進而（ér）實現旋轉機械故障診斷。

  

       1.2.3 故摩特征提取與分析技術

  

       故障特征提取局分（fèn）析技術是當前故睹診斷的瓶頸，直接影響到故障早（zǎo）期預報的可靠性與機械故障診斷的準確性。故障診斷信（xìn）息處理技術研（yán）巧的主要內容包括時間序列分析、統計（jì）分析（xī）、傳（chuán）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（qí）理論基礎（chǔ）是數理統計和隨機過程。

  

       傳統的故（gù）睹特（tè）征提取與分析技術（shù）主要基於傅立葉分析，傅裏（lǐ）葉變換與反變換建立（lì）了信號在時間域與（yǔ）頻率域之間相互轉化的橋梁，提供了信號的時域分析和頻（pín）域分析兩種方法。因此，傳統的故（gù）障特征提取方法主要分為時域分析方法（fǎ）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（yí）對電動（dòng）機同步和非同步過程進行了時域（yù）方麵的分析。陳（chén）瑞琪等人於１９８５年利用聲（shēng）強分析儀及頻率分析儀（yí）係統對紡機錠子和（hé）氣流紡紗高速軸承組件的振動、噪聲進（jìn）行頻譜分析，以了解兩者的（de）主頻率及相互關係。１９９２年艾延廷等對齒輪故障檢測中（zhōng）時域分析技術的實現過程，齒輪故障的特征波形及特征參數進行了討論，並引證了（le）應用時域分析技術檢測齒輪故障的實例。

    

       在Ｗ振動信號為化態變量進行故障診斷時，由於設備運轉的不平穩（wěn）、外在負荷的交替變化、不確（què）定性的衝擊等因素導致振（zhèn）動信號並非始終是平穩的，從而使基於平（píng）穩過程和（hé）線性係統的傳統信號處理理論的應用（yòng）受到限製Ｐ５１。傳統的（de）傅立葉變換從（cóng）頻域角度分析振動信號的特征信息，僅適用於對平穩信號的分（fèn）析，在（zài）處理非平穩信號時會出現很大誤差，甚至與實際（jì）情況大相徑庭。隨著現代信（xìn）號處理技術（shù）的發展和逐漸成熟，人們（men）開始研究新的信號處理方法提取故障特征（zhēng）信息ＩＷ。其中具有代（dài）表性的方法如小波分析（簡（jiǎn）稱ＷＡ）、獨（dú）立分量分析（簡稱ＩＣＡ）、主分量（liàng）分析（簡稱ＰＣＡ）、經驗模態分解（簡稱ＥＭＤ）、隱Ｍａｒｋｏｖ模型（簡稱ＨＨＭ）等。林京等學者建立（lì）了基於（yú）連續小波變換的奇異性檢測方法，並將這種方法應用在壓縮巧氣閥的故障診斷（duàn）中（zhōng），充分顯示了該方法的有效性。張生對某巧輪箱（xiāng）進行故障診斷，模態分析中的固有（yǒu）頻率和振型作為（wéi）識別故暗的重要參（cān）數特征（zhēng），胡勁鬆利用經驗模態分（fèn）解的方法應用到旋轉機械信號處理與故隋診斷，為非線性和非穩態（tài）的故障分析與（yǔ）診斷給（gěi）出（chū）了一條新的途徑。下啟全等學者口Ｗ提出了基於（yú）因子隱Ｍａｒｋｏｖ模型的旋轉（zhuǎn）機械故障診（zhěn）斷方法，而且利用這種方法對旋轉機械的故（gù）障實現了進行了有效的分（fèn）類。

  

       1.2.4 故膊源位置識別技術

  

       機床存在機械故障時，必定會衍生出額外的激勵、噪（zào）聲。工程技術人（rén）員通過信號檢測技術對故障源進行位置判定，進而針對性的機械結（jié）構進行調整，解決機械故障問題。從這個（gè）角度（dù）上說，故陣源（yuán）識（shí）別技術的應（yīng）用前（qián）景廣泛。故障（zhàng）源識別技術最（zuì）初（chū）主要（yào）應用在汽車領域，隨著科學技術（shù）的不斷發展，逐（zhú）漸（jiàn）應用到船舶、機床、飛機、鐵道等領域（yù）。從６０年代開始，隨著計算（suàn）機的迅速發展，有限元網格劃分的精細程度和計算精度（dù）逐步提高，出現（xiàn）了與Ｍ動嗓聲緊密相關（guān）的計算分析理論巧軟件。目前較為主流的有限元分析巧件代表（biǎo）有；ＡＮＳＹＳ、ＡＢＡＱＵＳ、ＭＳＣ－振（zhèn）動測試類的產（chǎn）品有機公司的數據采集卡係列，其中比利時的ＬＭＳ公司的測試係統是ＮＶＨ領域的行業領導者，應懷樵教授創建的北京東（dōng）方振動和噪聲技術研巧所在國內也（yě）有一定的聲譽。

  

       國內外對（duì）故陣源識別的方（fāng）法有分步運（yùn）巧消去（qù）法，頻譜分析（xī）法，即相幹函數法，層次分析（xī）法（fǎ），傳（chuán）遞路徑分析法（ＴＰＡ），統計能量法等，主成分（fèn）分析法，獨立分量分祈法（fǎ）等等。在此僅介紹前三種方法。

  

       1. 分步運轉法

  

       分步運（yùn）轉消去法即對一個複（fù）雜的機械係統進行故障源識（shí）別時，首先在同一部位，不同時間下，對係統的總體振動噪聲響應進行測試，然後逐步關閉係統的（de）各個故障源，與此同時測試關閉故障源後的振動噪聲響（xiǎng）應，根據疊加原理，確定各個（gè）故障源對（duì）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械（xiè）係統，各個故障源往往鍋合在一起，難Ｗ單獨開啟關閉某一故障源，因此針對複雜的機（jī）械係統，分布運轉消除法無（wú）法解決實際問題。

  

       2. 頻譜分析法

  

       額（é）譜分（fèn）析法即在（zài）頻域對故障源進行識別，一（yī）般不同的振動（dòng）噪聲故障源具（jù）有不同的頻率特性。可通過頻譜分析（xī），依據幅值大小主觀判定故障（zhàng）源（yuán）的貢獻大小。但由於機（jī）械結構自（zì）身的動態特（tè）性，幅值最大的區域並非（fēi）總是（shì）故（gù）障（zhàng）源區域，這種依據是不成立的。

  

       3. 相幹分析法

  

       相幹（gàn）分析法作為（wéi）－－種（zhǒng）比較成熟的技術（shù）廣泛應用到了振動噪聲領域，P.R Roth於１９７１年在有背景噪聲的情況下，利用常相幹分析（xī）方（fāng）法正確識別（bié）了（le）噪聲源。M.Caliskan利用相幹（gàn）分析用於（yú）紡織機的瞬時噪聲源識別，與傳統方法得到（dào）的結果相同，證明了（le）相幹分析可同樣適用於故障源識別，與國內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（zhǔ）要噪聲源（yuán），並進行了後續的降（jiàng）噪（zào）處理。張衰維（wéi）等人利用（yòng）自功率譜分析與相幹分析技術，對某台內燃叉車的（de）液力變速箱進行測試分析，找到了該變速箱產生噪聲的主要來源（yuán）。

  

       4. 傳（chuán）遞路徑分析（xī）法

  

       傳遞路徑分析（ＴＰＡ）是指通過試驗來跟蹤由源經過一係（xì）列己知結構或空氣傳播（bō）路徑傳遞到（dào）指（zhǐ）定接收點能量流的分析方法。其目的在於評價由振動源到響應點每個路徑能量的（de）矢裏貢獻，從而確定為了解（jiě）決特定的問題，路（lù）徑上哪（nǎ）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（de）特性。於上個世紀（jì）９０年代開始發展起來，如今在機械故（gù）障診斷、部件性能改進（jìn）、振動噪聲源識別等方麵得到了很好的應用，己經被國（guó）外汽車ＮＶＨ領域廣泛認同並且己經商用化，國內也開始興起。比利時的ＬＭＳ公司的ＬＭＳＴｅｓｔｌａｂＴｒａｎｓｆｅｒＰａｔｈＡｎａｌｙｓｉｓ軟件在汽（qì）車領域得到（dào）了廣泛好評與普遍應用，ＬＭＳ公司在空氣（qì）聲定量識別、多參考點（diǎn）傳遞路徑分析、王況傳遞經分析（xī）等方（fāng）麵積累了大量成功案例。Ｋ．Ｇｅｎｕｉｔ等人利（lì）用雙通道傳遞路（lù）徑分析模型對車（chē）內進行聲學診（zhěn）斷；福特公司的ＰｅｒｒｙＧｕ等人對巧態振（zhèn）動狀態下的車內振動巧聲進行了定量（liàng）分析（xī），Ｇｒｙａｎａｒｏｒａ等人利用傳遞路徑分析法對路麵噪聲對車（chē）內貢獻的（de）影響（xiǎng）進行（háng）了分析等（děng）等（děng）。目前國內開展傳遞路徑分析研巧的單位主要Ｌ：高校（xiào）和科研院所為（wéi）主，吉林大學、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（lín）大學的起形航ｔ＂］利用傳遞路徑分析法較完整地分析了車內振動噪聲的（de）傳遞路徑，建立了車內振動噪聲傳（chuán）遞模型，並對主要的（de）傳遞路徑（jìng）進行分析，取得了很好的預期效果（guǒ）。同濟（jì）大學的郭榮等（děng）對燃料電池轎車（chē）車內噪聲的傳（chuán）遞（dì）路徑進行了分析研究，在怠速工況下（xià）對車內噪聲進行傳遞路徑測（cè）試試驗（yàn），識別得出（chū）了主要傳遞（dì）路徑。長安汽車（chē）工程研巧（qiǎo）院李傳兵等人用傳遞路徑（jìng）分析的相關軟件，針對某新車（chē）型的車內噪聲問題進行了傳遞路徑分（fèn）析，找到了對車內噪聲影響最大的傳遞路徑，針對性地對部分部（bù）件進行（háng）結構優化（huà），有效地消除了（le）運行狀態下的車內（nèi）噪聲問題。總體上說國內的高校和研究機構對傳遞路徑分析方法的研究應用還處於摸（mō）索前進階段。

  

       1.3  論文主要硏究內容

  

       機床部件裝配的累積誤（wù）差４影響到機床的加工精度本論文針對某立式加工中屯、的主軸（zhóu）箱在裝配出（chū）廠階段（duàn）進行質量檢測及分（fèn）析，將機（jī）械故障診斷的理（lǐ）論和方（fāng）法應用於工廠實際生（shēng）產中，這種探索與嚐試，對現場工人進行機床質量檢驗和機床裝配工（gōng）藝規程的（de）不斷改（gǎi）進具有指導意義。另外，本論文所開展的工作也為後續針對（duì）機（jī）床的自動監測與診斷係統的開發積累了資料素材。本論文的主要研巧（qiǎo）內（nà）容如下；

  

       （1）在研巧ＶＣＬ８５０立式加工中也主軸箱（xiāng）的部件組成、裝配特點的基礎（chǔ）上，結合（hé）ＶＣＬ８５０立式加工中（zhōng）也的裝配王藝規程等相關資料，分析（xī）主軸箱在安裝過程中可能存在裝配故障的區域，並對其故障機理進行了探討分析。

  

       （2）結合測試方案和要求，選用合適的傳感器、數據采集卡，利用LabVIEW軟件進行（háng）編程，構建（jiàn）針（zhēn）對主軸箱區域的測試（shì）係統。實現基於相關（guān）分（fèn）析的濾波降噪功能、相（xiàng）位測量功能，頻域分析（xī）功能，基於ＳＶＤ法、不變矩法的軸也軌跡識別功能。

  

       （3）利（lì）用轉子實驗台，對動不平衡、角亭不對中、鬆動等Ｈ種不同類型的裝配故障進行模巧（qiǎo）實驗，並結合相關文獻，初步確定（dìng）三種不（bú）同類型裝配故巧的信號特征表現形式。

  

       （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開展研巧，為機械故席診斷前（qián）期如何優化布置傳感器提供了一種新的思路。

  

       （5）對空轉狀態下的（de）主（zhǔ）軸箱區（qū）域（yù）振動信號進行采集，對振動信號進行降巧處理，分析裝配主軸箱故障原因；對主軸（zhóu）運行狀態下的軸屯、軌（guǐ）跡進行檢測，並基（jī）於ＳＶＤ法、不變矩法對（duì）主軸的軸屯（tún）、軌跡（jì）進行識別方（fāng）法分析，軸也軌跡作為判定（dìng）不同主（zhǔ）要的裝（zhuāng）配故障類型的信號指標，實現對不同主要的裝配故障類型的（de）分類識（shí）別。

  

       （6）基於傳迸路徑分析的原理（lǐ），對不同（tóng）裝配故障產生的異常（cháng）故障（zhàng）源位置進行判定（dìng）：首先（xiān）介紹故障源識別采用的主要方法，然後（hòu）利用（yòng）ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ仿真軟件實（shí）現對主軸箱故障源位置的識別，最終開（kāi）展實驗論證這種故障源位置（zhì）識別方法的可行性（xìng）。

  

       ２ ＶＣＬ８５０主軸箱主要的裝配故障機理分析

  

       本次實驗的實（shí）驗對象ＶＣＬ８５０立式（shì）加工中如（如圖２－１所示）是南通機床自（zì）主開發的（de）一（yī）款（kuǎn）高檔通用的自動化機床，配裝了刀庫容量為２４把刀的機械手刀庫，可完成較、統、鑽（zuàn）、錯（cuò）、攻絲等多（duō）種工序的切削加工。

  

       

  

                           圖（tú）2.1 ＶＣＬ８５０立式加工中心（xīn）

  

       本論文的研巧重點為ＶＣＬ８５０立式加工中屯、的主軸箱區域。ＶＣＬ８５０立式加工（gōng）中也主軸箱區域的裝配圖如圖２－２所示。主要包（bāo）括主軸箱（xiāng）、主軸電機，同步齒（chǐ）形帶，主軸、等相（xiàng）關配合部件。

  

       

  

                                     圖2.2 主軸箱裝配圖

  

       在機床出廣階段，由於（yú）裝配不當會導致（zhì）機（jī）床在（zài）後續工作中出現不同類型的機械（xiè）故陣，在工作狀態下，化床所表現出不同形式的信號特征可指（zhǐ）導檢測人員判定故障原因。不（bú）同振動類型及表現形式如圖２－３所示，簡單（dān）描（miáo）述了不（bú）同振動類型所表現的信號（hào）特征：

  

       

  

                                 圖（tú）2.3 不同振動（dòng）類型及表現形式

  

       自激振動（dòng）是由（yóu）機床自身結構決定的，在機床出廠階段，受迫振動則是由裝配不當造成（chéng）的。因此需要對ＶＣＬ８５０進行模態（tài）分析，排除自激振（zhèn）動的幹擾。ＶＣＬ８５０的轉速區間在４８？１２０００巧ｍ，對應頻率（lǜ）為２００Ｈｚ，首先對ＶＣＬ８５０的主軸箱進行（háng）模態分析仿真，排除機（jī）床工作（zuò）頻率是否（fǒu）在（zài）自激振動的區間。取六階模態，通過ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎ化得到仿（fǎng）真結果，其前六階固（gù）有頻（pín）率和對（duì）應的模態振型如表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（de）一階固有頻率在２６３．１６Ｈｚ，證明ＶＣＬ８５０在工作（zuò）轉速範（fàn）圍內產生的故障不是由自激振動造成的。

  

       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常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（jī）械最（zuì）為常見的故障類型之一。對（duì）機床（chuáng）主（zhǔ）軸（zhóu）箱進（jìn）行裝配時，主（zhǔ）軸（zhóu）係統的組件之間的安（ān）裝不當，導致產生配合間隙（xì）。安裝刀（dāo）具時，刀具係（xì）統（刀具一刀柄（bǐng））與主軸錐孔的（de）配合不良，都會在運轉過程（chéng）中產生動不平衡。主軸安裝之前，對主軸（zhóu）自身進行動平衡（héng）試驗是十分重要的一環，主軸箱整體裝（zhuāng）配完成之後，能夠實現（xiàn）對動不平衡（héng）的在線測試，可１＾更為（wéi）徹（chè）底的檢測動不平衡問題。主軸與刀具係統的安裝如圖２－３所示。

  

       

  

                            圖2.4 主軸與刀具的（de）配合

       如圖2.5為轉子（zǐ）動不平（píng）衡示意圖，動不平衡主要表現在一個旋轉體的質（zhì）量中（zhōng）心、０與轉動中也０’不重合，導致轉子在（zài）運轉過程中（角速度為Ｗ）形成了周期性的離心力Ｆ或者離心力矩的幹擾，作用在機組及其相關（guān）部件，加（jiā）劇旋（xuán）轉機械的振動，同時產生噪聲，在一定程（chéng）度上加速了軸承等部件的（de）磨損，縮短了機（jī）組的使（shǐ）用壽命。離也力Ｆ的大小與偏屯、距ｅＷ及旋轉（zhuǎn）角速度似（sì）有關，即：

                                                                                                         (2.1)

  

       就機床主軸箱區（qū）域來說（shuō），相關（guān）安裝部件自身的製造公差、部件安裝不當、長（zhǎng）時間（jiān）運行後導致主軸係統產生很（hěn）大溫升、長（zhǎng）期使用（yòng）導致部（bù）件磨損、等都是造成主軸動（dòng）不平衡（héng）的主要原（yuán）因。

  

       

  

                          圖（tú）2.5 轉子動不平衡示意圖

  

       如圖（tú）所示，O為轉子的轉動中心，O’為轉子的質量中心，ｅ為偏心距，ｗ為轉子（zǐ）角速度，θ為偏心夾角。若考慮阻尼的影響，則轉子運動微分方程為（wéi）：

  

                                                       (2.2)

  

       在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（dòng）不平衡下的轉子在運（yùn）轉過程中在x,y方向的振（zhèn）幅並不一定相等。

  

       2.2 不（bú）對中故障

  

       針對主軸箱而言，電機通過同步內齒帶與主軸連接，張緊力施加的不合理，極有可能造成主軸、電機偏角不對中的（de）情況發生。

  

       轉子不對中的實（shí）際含義是指軸係連接同心度和平（píng）直度的偏差故障。造成轉子不對中問題的原因主要（yào）有轉子相（xiàng）關部件（jiàn）的製造誤差、安裝誤差或者長時間（jiān）使用造成的熱（rè）變形等因素。轉子（zǐ）不對中可分為偏角不對中、平行不對中和（hé）偏角平行不對中三種，可看到電（diàn）機通過同（tóng）步內齒（chǐ）帶輪連接主軸（zhóu）。主軸與電機（jī）的配合（hé）簡圖如圖2.6所示。

  

       

  

                                圖2.6 主軸與電機配合簡圖

  

       當（dāng）主軸中心（xīn）與主軸電機中心線產生一定的偏角時（設偏角為ａ），則電機不能夠以為（wéi）1:1的轉速比傳遞給主軸，主軸電機轉速為ω1，主軸轉速ω2。

  

       當（dāng）電（diàn）機轉動角度為Ａ，設主軸轉動的角度為Ａ，將（jiāng）主軸的轉角向垂直於（yú）電機中心線（xiàn）的平麵上投影，則：

  

                                                    (2.5)

  

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

  

       而傳動比為：           (2.7)

  

       式中  由於ａ、ｍ、ｎ是常數，ｉ是主軸與（yǔ）電機的傳動比。

  

       因（yīn）此產生了２倍頻的（de）激振（zhèn）力（lì）。主軸的變化範圍為：

    

       

  

       可以看到當電機（jī）轉動一周時，主軸的角速度變化了兩個周（zhōu）期，如圖2.7所示，ω1、ω2—周期內（nèi）的變化。如（rú）圖2.6，主軸實質上由（yóu）於角度不對中產生的偏心質量，設為ｍ，主（zhǔ）軸轉速為Ｗ，，則在某位置的偏也距（jù）為ｒ時，激振（zhèn）力徑向的表達式為：

  

       

  

                       圖2.7 電機、主軸角速度一周期內的變化

  

       2.3 碰摩故障

  

       ＶＣＬ８５０立式加工中心的（de）主軸箱（xiāng）剖麵圖如（rú）圖２－６所示。主軸與電機通過（guò）同步內齒帶輪連（lián）接（jiē），裝配工人（rén）依靠經驗將（jiāng）調整螺釘實現對（duì）帶輪的張緊，由於調（diào）整不當，帶輪張緊力過大，會影響（xiǎng）到間隙（xì）配合的（de）位置，產生碰摩的裝配（pèi）故（gù）障（zhàng）。

  

       

        

  

                          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（zhuāng）不當影響了定子轉子的（de）間（jiān）隙誤差，導致轉子（zǐ）和定子間的摩擦事故經常發生，同時由於工況變（biàn）動或過大（dà）的軸向推力，都有可能導（dǎo）致碰（pèng）摩ＩＷ。圖２－８為碰摩力學模型圖。

  

       

  

       

  

       碰摩是轉子在轉動一周後與定子部件上的某區域發（fā）生接（jiē）觸碰撞（zhuàng）導致彈性變（biàn）形及摩擦熱效應的情況。Ｋ，為定（dìng）子與轉子之間的等效剛度，將Fl和Fr分解到徑向的碰撞力Fx和切向（xiàng）的摩擦Fy，則有：

                               (2.10),

式中              R為圓盤（pán）的位移，R0為轉子的間厳，當R≥R0時，有碰摩故障發生。

  

       力碰（pèng）摩（mó）產生的接（jiē）觸力足Ｗ改變轉子軌跡的運動方向，這時動定子的接觸點不一定是固定的，其振動響應值應為各接觸點法向力的平均值之和。

  

       2.4 鬆動故（gù）障

  

       如圖（tú）2.9所（suǒ）示，兩處分別為（wéi）電機主軸箱結合部與主軸與（yǔ）主軸箱（xiāng）結合部。

  

       

  

                                   圖2.9主（zhǔ）軸箱結合部

  

       主軸箱（xiāng）區域分布著（zhe）大量螺拴，部（bù）件安裝通過螺栓連接起到定位（wèi）、緊固的（de）作用。

  

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

  

       如圖2.10為主（zhǔ）軸與電機栓接處力學模型，Ms表示主軸，Mm表示電機，Ｃ表示（shì）傳送帶，剛度阻尼模型等效為其緊固、定位（wèi）作用的螺栓連接（jiē）處。

  

       

  

       轉子運行時的微分方程為：

                                                           (2.11)

  

       式中：Ｍ為包括主軸（zhóu）與電機等部件的質量矩陣；Ｃ為包括主（zhǔ）軸與電機栓接處的阻尼矩陣；K為整體的剛度矩陣（zhèn）；Ｆ為合（hé）外力向量；X為位移向量。

  

       Ks1,Km1分別為（wéi）螺栓未（wèi）鬆動時電（diàn）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連接處的（de）等效阻尼；Ks2,Km2分別為（wéi）螺栓鬆（sōng）動後電機主軸連接處的等效剛度，Cs2,Cm2分別為螺栓鬆動（dòng）後電機主軸（zhóu）連接處的等效阻尼。設δ1,δ2分別表示電機、主軸栓（shuān）接處未發生（shēng）鬆動（dòng）的臨（lín）界間隙值（zhí）。則有：，  同理Cs,Cm的取值。

  

       由於（yú）係統剛度、阻尼的不穩定，工作狀態下的機械結構呈現嚴（yán）重的非線性（xìng）問題，發生鬆動部位的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（de）結構特點進行了簡要介紹，並證明了故（gù）障原因不是由於自身的結構特點（diǎn）造成的。重點分析（xī）了ＶＣＬ８５０主軸箱可能存在裝配故障的區域，對幾（jǐ）種主（zhǔ）要裝配（pèi）故障（動（dòng）不平衡故障、不對中故障、鬆動故障、碰摩故障）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號檢測提供理論支（zhī）撐。