基於動態特性分析的（de）機床主軸裝配故障診斷硏究（中）
2017-7-13 來源：北京交（jiāo）通大學 作者：李凱旋
３.主（zhǔ）軸箱（xiāng）測試係統的構建
本論文主要針對（duì）ＶＣＬ８５０的（de）主軸箱區域裝配問題開展（zhǎn）研巧。需要構建相應的測試係（xì）統對主軸箱區域的（de）信號進行采集（jí）、保（bǎo）存（cún）、離（lí）線處理、分析，進而確定（dìng）主軸箱區域存在何種類（lèi）型的裝配（pèi）故（gù）障問題。因此本章重點介（jiè）紹測試係統的（de）總體（tǐ）結構設計、硬件的選用Ｌ義及軟件的功能特點Ｈ方（fāng）麵（miàn）的內容。
３．１測（cè）試係統的總體方案（àn）設計
針對主軸箱區域，需要檢（jiǎn）測的內（nèi）容包括；主軸箱相關區域的振動信號，主軸運行時的（de）軸屯（tún）、軌跡等。因此需要滿足如下要求；
（１）可（kě）從滿足機床工作頻率範圍內的數據（jù）精（jīng）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（zhǔ）要測試ＶＣＬ８５０主軸箱區域（徑（jìng）向、軸向）附近的振動（dòng）信號，電鍋流位移傳感器（qì）主要（yào）測試主軸運行狀態下的軸也軌跡，光電（diàn）傳感器用於標（biāo）定鍵相信號，激光位移傳感器用於測試主軸運行狀態下的徑向跳動量。
測試係統的總體方案設計如圖３－１所示（shì）。
圖３－１測試（shì）係統的總體方案設計
３．２測試係（xì）統的巧件選型
選擇滿足測試要求的（de）硬件是滿試係統的物理基礎，選擇的硬件直接影巧到測試的結果，因此必（bì）須選擇合理（lǐ）的測試硬件，
（１）傳感器的選用
１）本論（lùn）文選用（yòng）ＰＣＢ公司生產的３５Ａ１６型的壓電加（jiā）速度傳感器，內置１Ｃ放大器，將傳（chuán）統的壓（yā）電加速度傳感器與電荷放大器集於一體，能夠直（zhí）接記錄（lù）、方便與采集設（shè）備進行連接，簡化了測（cè）試係統，提高了（le）測試的精度（dù）與可靠性，同時它具有較高的信噪比，傳感器體積較小（xiǎo），同時在檢測範圍內具有良好的（de）線性特性，實物（wù）圖及（jí）巧（qiǎo）主要參（cān）數指標如表３－１所示。
表３－１加速（sù）度傳感器（qì）主要參數指標
２）電渦流（liú）位移傳感器傳感（gǎn）器采用ｂｅｎｔｌｙ公司的３３００ＸＬ１１ｍｍ型產品，與振動變送器一並使用：電禍流傳（chuán）感器用於檢測被測（cè）金屬導體與探頭端麵之間靜態和動態的相對位移的變化檢測到的振（zhèn）動信號，振動變送器負責將振動信號按照比例（lì）變送成４至２０ｍＡ信號。能夠連續（xù）準確的采集到轉（zhuǎn）子在運行狀態下的多種（zhǒng）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（shí）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（cān）數指標
３）光電傳感器與ＰＸＩｅ－６３４１電壓（yā）采藥卡配合，Ｗ轉子持定位（wèi）置作為標記，獲得高低電平信號與電禍流位移傳感器相（xiàng）互配（pèi）合，得到相（xiàng）位信息。
數據采集係統
本論文主要利用ＮＩＰＸＩｅ￣４４９２、ＮＩＰＸＩｅ－６３４１數（shù）據采集卡和ＬＭＳ數據采集係統（tǒng）完成信號的采集（jí）工作。
１） ＮＩ ＰＸＩｅ＞４４９２是一款專為聲音和振動應用而巧計（jì）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（qì）連接。實物圖及其主（zhǔ）要參數指標（biāo）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（wèi）計數器／定時器，可（kě）高級定時和觸發，配有ＮＩ－ＳＴＣ３定時和同（tóng）步技術，針（zhēn）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（zhǐ）標如表３－４所示。
表３－４ ＰＸＩＥ－６３４１主要參數指（zhǐ）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（shù）據采集設備專業用於對噪聲、振動（dòng）、聲學和疲勞耐（nài）久性能測試，利用ＬＭＳ數據（jù）采集設（shè）備對實驗對象的輸入輸出信號巧行采（cǎi）策分析，巧現對未（wèi）知巧障源位置的有效識別。
圖３－２ＬＭＳ數據采染設備
３．３測試係（xì）統的軟件總體設計
本論文采用的（de）是美（měi）國國家（jiā）儀器（Ｎ１）公司研製開發的ＬａｂＶＩＥＷ軟件進行（háng）編程設計。這種閱形化編輯語言便於上手（shǒu），使用這（zhè）種語言編程時，轄（xiá）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（yī）套通用的編程係統，內部配置可完成任（rèn）何（hé）編（biān）程任務的龐大函數庫。它廣泛的應用於測試測量、控製（zhì）、仿真、快速開發、跨平台運行等各個領域。
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（kuài），主要包括：加速度信號的（de）測（cè）試（shì）和位移信號的測試（shì）。其中兩個領域裏麵又由不（bú）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（tún）、軌跡測試、數據保存、故障（zhàng）識別等功能。軟件測試係統的功（gōng）能模塊如圖３－３所（suǒ）示。
Ａ．加速度測（cè）試模塊
ＮＩＰＸＩｅ－４４９２最（zuì）離采樣率可達（dá）２０４．８ＫＳ／Ｓ兩方麵因素，設置（zhì）采樣率４０％Ｈｚ，采樣數（shù）４０９６。
加速度傳感器共（gòng）有６個采集數據（jù）通道，首先通過數據采集模塊將原始數據寫入計算機，然（rán）後通過（guò）數據（jù）分流，分（fèn）配到（dào）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。由於選用連續采集（jí）的方式，程序始（shǐ）終處於ｗｈｉｌｅ循環狀態（tài），．需要ＬａｂＶＩＥＷ軟件的（de）生產（chǎn）者－消費者模式對循環數據實時輸出，保（bǎo）存。也可在離線狀態下對數據進巧處理分析。加速度信（xìn）號的程悼框圖如（rú）圖３－４所示。
Ｂ．位移測試係統
位移測試（shì）係統主要將電禍流傳感器測（cè）得的信號（hào）進（jìn）行（háng）采集、處（chù）理、分析。其數據采集模（mó）塊、處理分析模塊同加速度測試係統，由（yóu）於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（hào）合成，實時顯示主軸運行狀態下的軸也軌跡。由於整個測試界麵比較複雜，下麵主耍介紹幾個模塊：（１）相關（guān）濾波Ｗ：帶濾（lǜ）波信號為帶（dài）有諧波（bō）、直流偏置（Ｃ）、隨（suí）機噪聲（７＾（０）等成分的複雜信號ｙ的，表示為；
相關濾波器的程序巧圖（tú）如圈３－５所示（shì）。
（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（zào）聲對主信號的影響，設兩組含隨機（jī）噪（zào）聲（shēng）的（de）兩路信號為ｘ（ｆ）、ｙ（＜）表達式為（wéi）：
利用多重相關（guān）的方法，可（kě）ｗ更有（yǒu）效的去除外界噪聲幹擾，綜合考（kǎo）慮（lǜ）本論文采用二重相關法測試電鍋流位移傳感器與光電（diàn）傳感器測得的信（xìn）號相位差（chà），程序框圖如圖（tú）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（jì）測試（shì）的流程酬圖３－７所示。
圖３－７軸屯、軌跡（jì）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（cháng）化的幾種主要的裝（zhuāng）配故障類型，產（chǎn）生這幾種故障的（de）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（de）判（pàn）別提供了理論依據（jù）；其次介紹了對主軸箱區域進行撿測之前選（xuǎn）用的硬件（jiàn）設備和相關技術參數，利用ＬａｂＶＩＥＷ設計了主（zhǔ）軸（zhóu）箱區域的檢測係統和主耍的功能模（mó）塊，為接Ｔ來（lái）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（xiāng）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係統進行了詳細介紹。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（guān）察不（bú）同（tóng）的（de）裝配故障類型（xíng）在時（shí）域、頻域、軸也軌跡（jì）等表現什麽樣的信號特征。方便後續去機床現場進行信號測試時（shí）提（tí）供一定的數據參（cān）考。因此本章針對主軸箱區域幾種主要（yào）的裝配故障類型開展了相關的（de）模擬實驗。
如圖４－１為轉子實驗台（tái），由模擬台調速器控製轉速大小。可通過對轉（zhuǎn）子實驗台上的不同部件進行人為的裝配調整，模擬（nǐ）實際工（gōng）況的不同類型的裝配故障。圖中可看（kàn）到，利用第Ｈ章選用的硬（yìng）件和構建的測試係統對轉子實驗台進巧檢測分析。兩個電禍（huò）流位移傳感器互相垂直（zhí），測試轉子在運動狀態下的徑向跳動量；光電傳感器在（zài）標記位置（zhì）確定基準相位：光電傳感器照射到標記位置（zhì）時為（wéi）高電平，其他位置為低電平。
圖（tú）４－１轉（zhuǎn）子實驗（yàn）台
４．１動不平衡實驗（yàn）
圖４－１的轉子某部位存在缺失螺釘，模擬動不（bú）平衡（héng）。模擬台調速器將調整轉子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（gǎn）器的（de）相位基（jī）本穩定在（zài）５７°和１５０°左（zuǒ）右，證明動不平衡位（wèi）置與基準相位呈５７°左右夾角，兩個電巧流傳（chuán）感器互成９３。夾角。動不平巧的信號特征主要表現（xiàn）為：
（１）在（zài）轉子徑向測得的頻譜圖上，頻譜能量集中在基（jī）頻（轉（zhuǎn）子（zǐ）轉速對應的頻率），轉速頻率成（chéng）分有突出（chū）的峰值；
（巧轉（zhuǎn）速頻率的（de）數倍（bèi）於基頻的頻譜幅值很低，時域上的波形接近（jìn）於正弦波，且基頻對應的幅值隨轉（zhuǎn）速的升高而變大（dà），相位比較穩定。
(2）由於轉軸在各個方向上的支承剛度存在差別，轉（zhuǎn）子（zǐ）不平衡表現在ｘ、ｙ方向的幅值也不（bú）同，轉子的軸（zhóu）屯（tún）、軌跡接近（jìn）於楠圓形。
４．２不對中（zhōng）故障實驗（yàn）
將轉子實驗（yàn）台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（mó）擬不對中問題。利用模擬台調速器調節轉速，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（zhóu）屯、軌跡呈香蕉（jiāo）形。綜合本實驗及文獻可知，轉（zhuǎn）子不對中引起的故（gù）障主耍信號特征（zhēng）為（wéi）＂，ｉｗｉ：３
（１）若對振動（dòng）信（xìn）號進巧頻譜分析，其頻譜成分主要Ｗ—倍頻和二倍頻為主（zhǔ）轉子不（bú）對中的程度（dù）越（yuè）嚴重（chóng），二倍頻的幅頻特性越（yuè）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（shí），其（qí）軸＇。軌跡（jì）呈８字形。
４．３鬆動故障（zhàng）實驗
使底座的螺巧略為鬆動，模擬鬆（sōng）動故障。將模擬台調速器調到較低的巧速，Ｌ：Ａ６００巧（qiǎo）ｍ為例，為了更加便於觀（guān）察，對信（xìn）號采取直流分量（liàng）隔（gé）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（dé）出旋轉機械的鬆動故障其信號特（tè）征表現為ＩＷＩ：
（１）對振動信號進行頻譜分（fèn）析時，產生鬆動的對應方向與其他方向的頻譜信（xìn）息差異很大：產生鬆動的方向除了基頻信號、出現了更多的倍頻（pín），甚（shèn）至分數（shù）倍頻，鬆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）鬆動使得機械結（jié）構的結合麵出現間隙，機械（xiè）係統（tǒng）表現出非線性特征。出現鬆動故掩的轉子其軸也軌跡更加混亂（luàn）、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（zá）類麵浦織驗，分別（bié）獲得了動不平衡、角度不對中、鬆動三種故障在工作狀態下的時頻域及（jí）軸也軌跡的（de）信號特征，可Ｗ得出（chū）初步結論：動不平衡故障與基頻相關軸（zhóu）屯、軌跡表現為楠圓；角度不對中故障與基頻（pín）二倍頻相關軸屯、軌跡表現為香蕉形或外八字形（xíng），鬆動故障的頻域特征較為複雜，軸屯、軌跡（jì）無規律。為接下來對工（gōng）作現（xiàn）場的主軸箱區域的信號采集（jí）及分析提供（gòng）了數據支持。
５主軸箱區域的信號采（cǎi）集及分析
通（tōng）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（hé）了解（jiě），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（jí）及分析，主要包括；加速度傳感器位置如何確定、加（jiā）速（sù）度信（xìn）號的采（cǎi）集分析、主軸運行狀態下徑向位移信號、軸屯、軌（guǐ）跡的采集分析、故障類型的識（shí）別判定等。
５．１機床主軸箱加（jiā）速度（dù）信號的采集及分析
５.1.１加速（sù）度傳感器位置的確定
加速度傳感器對（duì）故障產生時伴隨的振動信號（hào）十分敏感（gǎn），因此（cǐ）需要采集時域內主軸箱的振動信號，ｉＵ便用於（yú）後續的分（fèn）析研巧。如何利（lì）用有限的傳感器放置在主軸箱的最佳測試位置，便於後續的檢測與分析，這是一個命題，模態試（shì）驗分析領域稱之為：響應點優（yōu）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（de）問題提供一種思路（lù）。
模態動能（néng）法｜Ｍ１（ＭＫＥ）Ｗ測得的模態動能最大為（wéi）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（diǎn）對模態向量線性獨立的貢獻最大（dà）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（xìng）趣（qù）的模態（tài）振型在較少測點的情況下（xià），盡可（kě）能保持線性獨立，在測試中用有限的傳感器獲取最大（dà）的模態信息。
本文結合上（shàng）述兩種方法，應（yīng）用於機床主軸箱（xiāng）區域，在工作頻率下（xià）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（bú）同階模（mó）態振型（xíng），利用有限的傳感器實現對不同（tóng）頻率下（xià）主軸箱最大形變區域（yù）的有效識別。
對於振動係統：係統振動具（jù）有動能（Ｔ）和勢能（Ｕ），可表示（shì）為：
圖（tú）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（dào）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（jìn）行仿真（zhēn）分析，模擬實際工況，如圖５－２所（suǒ）示。ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ作為（wéi）線（xiàn）性分析軟件（jiàn），外界（jiè）激勵的（de）變化不會改變主軸箱區域的應（yīng）力分布情況，軸箱（xiāng）區域的動態應力、應（yīng）變幅值隻會等比例的發生改變。因此對主軸（zhóu）箱區域施加的邊界條件為：四端固定約束，主軸附近（jìn）受到離屯、力矩設（shè）定為ｌＯＯＯＮ．ｍｍ，經過網格（gé）劃分；５３７６９個節點。
圖５－２主軸箱仿真模（mó）型
主軸一般的（de）工作轉速為３６００？９６００ｒｐｍ，對應頻率區間為６０￣１２０Ｈｚ，主（zhǔ）軸箱（xiāng）在實際工作狀態下（xià），不同頻率點對應（yīng）的工作變形是不（bú）同的，稱之（zhī）為工作變（biàn）形分析（ＯＤＳ），利用有限（xiàn）的傳感器實（shí）現（xiàn）對不同頻率下最大形變位置的（de）有效識別。這與利用（yòng）有（yǒu）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（yóu）於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（de）形變（biàn）。
假設經過有限元網（wǎng）格劃分後的節點均可（kě）作為傳感器布（bù）置的位置，即所（suǒ）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（jiàn）利（lì）用（yòng）ＭＡＣ矩陣（zhèn）作為評價齒數，在全節點（diǎn）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。
由於存在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（kào）近的區（qū）域，圖５－３中的藍色（sè）區域。這樣節省了大量的計算時間。利用ＭＡＴＬＡＢ軟件對節（jiē）點逐步消減，由圖４－２可知，６０個節點（diǎn）之前，明５－：５）式作（zuò）為評價南數，６０個節點之後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（gè）節點到６０個節（jiē）點，再從６０個節點到１個（gè）節點兩個階段。橫坐標為節點數，縱（zòng）坐（zuò）標（biāo）為（wéi）ＭＡＣ矩陣非對角線最大元素值。
由（yóu）圖５－３可知（zhī），在剰餘６個節（jiē）點（即傳感器數目為６個）的（de）時候，既經（jīng）濟又能巧兼顧識別各個頻率下（xià）最大形變效果。剩餘數目為３０時，在主軸箱區（qū）域的節點分布如圖５－６所示。
可贈到：有的節點在主軸（zhóu）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（sòng）５－７ 所示。
剩餘六個節點位置的ＭＡＣ矩陣（zhèn）如圖５－８所示。非對角線元素（sù）最大值為化０８１５７６，主軸箱在（zài）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（dù）信號的采集與分析
本次實驗レッ南通化床某台存在故障但（dàn）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（de）振動信號（hào）進行檢測及分析，由於主軸的轉速區間為４８？１２０００ｒｐｍ，擬定Ｗ６００ｒｐｍ為（wéi）一間隔，從６０（Ｋ９６００ｒｐｍ測試主軸箱區域的振動情況。測試現場（chǎng）如圖５－９所示（shì）。
在主軸（zhóu）空（kōng）轉之前（qián）對冷（lěng）卻循環液開啟前後的測試數據進（jìn）行了（le）分（fèn）析（xī），在六個（gè）部（bù）位觀察頻域圖，發現未產（chǎn）生明（míng）顯變化，隻在高頻區（qū）間產生了影響（xiǎng）。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（shù）據為例，如圖（tú）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（zhèn）動（dòng）情（qíng）況。現；＾＾主軸前端為例，觀察主（zhǔ）軸在６００？８４００ｒｐｍ之（zhī）間的（de）時（shí）頻域圍：在０？３６００巧１１１區間，（＾＾？（１８（分（fèn）貝）表（biǎo）征其幅值，雖然從１８００巧〇１開（kāi）始，主軸轉速對應（yīng）頻率的幅值開始突出，但其（qí）軸向、徑向的振動特征與其他頻域幅值相差不（bú）大，幅值的數（shù）量級在ｌｅ－６級。主（zhǔ）軸在（zài）徑向的振動（dòng）特征與軸向比較，幅值更小，數量級在５ｅ－７級（jí），Ｗ軸向信號特征為代表如圖５－１１所示。
從４２００ｒｐｍ開始，信號特（tè）征變（biàn）得明盈，主要表現為（wéi）一倍頻二倍頻。Ｗ主軸前端上部為例，分別４２００ｒｐｍ、７８００ｒｐｍ為例觀察（chá）時頻域圍。化圖５－１２所示，左列為（wéi）時域信號，右列對（duì）應頻域信號（hào）。
利用ＭＡＴＬＡＢ將Ｋ麵將主軸上中下底左右六（liù）個部位巧不同轉速下的軸向、徑向（xiàng）幅值進行對比（橫（héng）坐（zuò）標為轉速，縱坐標為幅值，藍線為軸向，紅線為徑向）如圖（tú）５－１３所示。可以發（fā）現軸向的振動信號明顯強於徑向（xiàng）。
對比主軸箱區（qū）域上（shàng）中底左右（線條顏色分別為黑綠紅（hóng）藍紫）五個部（bù）位的（de）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（zhuǎn）速變化的（de）振動趨勢卻差異很大。
（１）軸向在上中底（dǐ）左右五個部位的幅值走向基（jī）本一致（zhì），上中下部和（hé）底、左右（yòu）側的幅值成平行關係，這是由於主軸箱在底端、左兩端、前端的壁厚（hòu）各不（bú）相同，因此測得的（de）信號強弱也會不同。
（２）徑向在上中底左右五個部位的幅值（zhí）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（xià）的幅值隨（suí）轉速呈無（wú）規則（zé）的變化。主軸巧電機通過同步內齒帶輪連接，可能（néng）由於帶輪（lún）張緊（jǐn）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（tóng）部位的徑向幅值產生差異。
（３）由（２－１）式（shì）可知，加速度信號幅值與轉速的平方成正比，由圖５－１４可（kě）知，主軸區域可能存（cún）在動不平衡的問題。由於偏（piān）角不對中（zhōng）的顯著特征之一為（wéi）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（bèi）頻與二倍頻（一（yī）倍頻為藍線，二（èr）倍頻為紅線）的幅（fú）值也（yě）能印證上述結論，如圖５－１５所示。
為了進（jìn）行驗證由（yóu）加（jiā）速度化睡器（qì）測試分（fèn）析得（dé）出的結論，下麵針對主軸運斤狀態下的軸（zhóu）屯（tún）、軌跡（jì）進斤測試、分析。
５．２機床主軸（zhóu）的軸心軌跡測試
Ｗ同樣（yàng）的加工中屯、為（wéi）實驗對象，對其主軸運行狀態下（６００巧ｍ？８４００ｒｐｍ區間（jiān））的軸屯、軌跡進行檢測，觀察（chá）其軸也軌跡的變化情況。軸（zhóu）‘心軌跡實驗（yàn）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（bǐ）此要盡量保證９０度，由於電禍流傳感（gǎn）器探頭據（jù）測試對（duì）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範圍內，又要防止主軸開（kāi）啟時劇階到探頭，造成傳感器損壞。
（２）由於（yú）主軸開啟後和（hé）每次變速後，都（dōu）會引起工作台振動，必須在將傳感（gǎn）器放（fàng）置在一（yī）個（gè）有足（zú）夠重的質量塊。
（３）由於電鍋流傳感器經振動變送器輸出的電壓幅值在１５．６Ｖ，而（ér）ＰＸＩｅ－４４９２數（shù）據采（cǎi）集（jí）卡的（de）電壓輸出範圍為±５Ｖ，因此在變送器輸出端采用分壓電阻（zǔ）的方式，使得輸出（chū）電（diàn）壓為３ＶＷ內（nèi）。原理如圖５－１７所示。
圖（tú）５－１７分壓電阻圖
在１２００？８４００ ｒｐｍ區間，檢測（cè）主軸的軸心軌（guǐ）跡，采樣率為４０９６Ｈｚ．采樣（yàng）數為４０９６，其（qí）時域頻域隨著轉速的改變（biàn）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（tú）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（lǜ）波後的軸屯、軌跡圖，圖５－１８（ｃ）的左側為濾波後的（de）軸（zhóu）必軌跡闡，濾波（bō）采用己特（tè）沃茲濾波器型（xíng）低迪（dí）濾波（bō）器，截止頻率為（wéi）５００Ｈｚ。圖５－１９（ａ）為７８００ｒｐｍ的時域圖、圖５－ｌ％ｂ）７８００ｒｐｍ的頻域圖、圖５－１９似（sì）為７８００ｒｐｍ的軸（zhóu）屯、軌跡（jì）留，低轉速下的軸也軌跡較高轉速的軸也軌跡更為（wéi）清晰，但（dàn）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（jiǎo）不對中的信號特征描述（shù）是一致的，同時也印（yìn）證了加速度（dù）信號測試後得出的結（jié）論：
針對上（shàng）述實驗對象的實驗結果，現對某台正常（cháng）使（shǐ）用的機床（chuáng）主軸軸必軌跡進斤測試（shì），觀察（chá）其軸必軌跡。如圖（tú）５－２０所示。
在４２００ｒｐｍ下，采用相關濾波器（qì）對（duì）采集的（de）數據進行處理後的時域波形如圖５－２１（ａ）所示，頻域波形如圖５－２ｌ（ｂ）所巧（qiǎo），濾波前（qián）後（hòu）的軸屯、軌跡如圖５－２１（ｃ）所示（shì）（主要濾掉（diào）５〇Ｈｚ的（de）交流電源（yuán）頻率）。
對比兩姐數據，可發現（xiàn）：
（１）雖然本次實驗（yàn）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（shí）驗數據相（xiàng）比，幅值並不明顯。最大信號為基頻信號（hào），軸必軌跡為類圓形。
（２）未調試機床的信號幅值在ｌ５＾ｌｍ左右（yòu），測得的（de）可正常使用的機床（chuáng）信號幅值在（zài）如ｍ左右，從這（zhè）個角度也可看出，未調（diào）試機床（chuáng）的主軸徑向跳動過大。
（３）由（２－１）可（kě）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（duì）象的數據看，基頻（pín）的振幅均穩定在（zài）一（yī）定範圍內，因此主軸不存（cún）在動不平衡問題。
圖５－２２為ＶＣＬ８５０主軸（zhóu）在１２００？９６００ｒｐｍ範圍的基頻相位信息。可看出基頻對應的相位信息並不（bú）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基於軸心軌跡的故障類型（xíng）識別（bié）方法
軸屯、軌跡是旋轉機（jī）械的重要信號（hào）表征（zhēng）形式，目（mù）前軸屯、軌（guǐ）跡的形（xíng）狀識別作為判斷設備故障的重要依據，在旋轉機械（包（bāo）括（kuò）水電機組）的狀（zhuàng）態監（jiān）測與故障診斷中得到一定應用ＩＷ１。通過軸屯、軌跡（jì）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（qǔ）措施防止機械巧障進一步惡化。長期的（de）理論和（hé）實踐（jiàn）研究已經確立了幾種典型的機（jī）械（xiè）故睹模式及其轉子軸屯、軌跡（jì）形狀的對應關係，幾種（zhǒng）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（qiǎo）原因
對軸屯（tún）、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（shí）別兩個方麵。特征提取是從軸也軌跡（jì）中（zhōng）提取能（néng）反應（yīng）軸也軌跡（jì）本原的、重要特（tè）性的特征向量，能盡量（liàng）代表軸屯、軌跡所對應的圖形形狀。目（mù）前常用的特征提取方法有ＳＶＤ法ＩＭＷ、不變矩（jǔ）法１７０－＂１、傅立葉描述子法等等。下麵主（zhǔ）要介紹一下ＳＶＤ法和不變矩法。
５．３．１基於ＳＶＤ的識別原（yuán）理
矩陣奇異值分（fèn）解作為一種有效的（de）正交變換目前廣泛應用於數據壓縮、信號處理、模式識別等方麵。軸也軌跡圖形是由兩個垂直方向的波形信（xìn）號組合而成（chéng）。離散化設為乂（０、７（０，艮Ｐ：
５.３．２基於不變矩的識別原理
不變矩（jǔ）法（fǎ）於１９６２年由Ｈｕ提出，並運用代（dài）數方法證明了其不變性，隨（suí）後許多學（xué）者對不（bú）變矩進行了較深入的理論與實際應用的研究（jiū），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（fàn）的應用ｉｎｉ。定義（yì）在平麵上的二維函（hán）數／〇ｃ，：Ｖ），它（tā）的ｐ＋ｑ階混合原點矩定義為：
不變矩的特性。若利用（yòng）歸一化的中也矩，則特征不（bú）僅具有平移（yí）不（bú）變性，還具有比例不變性。這樣，可（kě）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（bú）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。
通過反複實驗發現：七個函數在離散情況下（xià）對尺度縮放是敏感（gǎn）的（de），而且經過定性分析變化原（yuán）因從之前（qián）的推到可（kě）ｔＡ得（dé）出Ｗ下結論：若圖形尺度變化因子為Ｐ，則變化後的矩函數與原畫數的關係為：
５．３．３ＶＣＬ８５０主軸的軸心軌跡識別
利用ＬａｂＶ舊Ｗ軟（ruǎn）件編（biān）製幾（jǐ）組不同的標（biāo）準軸屯、軌跡形狀，此作為不同主要的裝配故障類（lèi）型的軸屯、軌跡圖形基準，同樣利用ＬａｂＶＩＥＷ通過基於ＳＶＤ和（hé）不（bú）變兩種（zhǒng）方法對實驗測得的（de）軸也軌跡進行識別方法（fǎ）。相（xiàng）互垂直的信號（hào）表達式分別為ｘ（ｔ）和ｙ（ｔ），其（qí）表（biǎo）達式為；
利用ＬａｂＶｌＥＷ軟件根（gēn）據（３－３如式設計得到不同形狀的軸屯、軌跡合（hé）成信號五種不同類（lèi）型的軸也軌（guǐ）跡形狀：滿圓、外八字形、內八字形、花瓣形、香蕉形（xíng）。如圖５－２５所示
圖（tú）５－２５不同的（de）軸心軌跡形狀（zhuàng）
每種（zhǒng）類型的軸屯、軌跡（jì）形狀求解Ｈ組，排除偶然因素的幹擾，為後續的ＳＶＤ法、不變（biàn）矩法提供評價標準。
利用ＳＶＤ法對（duì）ＶＣＬ８５０立式加工中（zhōng）心測得的軸屯、軌跡形狀進行（háng）識別，得到（dào）外八字形的識別結（jié）果，濾波前後的軸屯、軌跡識（shí）別結果如圖５Ｊ６所示。
濾波前後（hòu）形（xíng）狀置（zhì）信度（匹（pǐ）配度（dù））參數如（rú）下（xià）表５－２，表５－３所示：
表５－２未（wèi）濾波的形狀置信度參（cān）數（shù）
表５－３濾波後的形（xíng）狀置信度參數（shù）
由（yóu）結果可ＵＪ？看出基（jī）於ＳＶＤ法實現了軸（zhóu）屯、軌跡（jì）形狀的有效識別。但由於ＳＶＤ法的特征值維（wéi）數較低，待識別形狀的置信度（dù）參數較低，針對局部變化敏（mǐn）感的軸屯、軌（guǐ）跡形狀，此種方法的識別率更會降低。
基於不變矩法（fǎ）對圖５－２５的五種不同軸屯、軌跡（jì）的形狀進斤（jīn）矩函數計算，同時每（měi）種類（lèi）型（xíng）的軸屯、軌（guǐ）跡形狀的函數值求平均，得到（dào）的毛個特征（zhēng）值如（rú）表５－４所示；
對實（shí）驗測得的軸屯、軌跡形狀進行矩函數計算得到（dào）的屯個特征值如表（biǎo）５－５所示：
利（lì）用（５－４２）式對待識別圖形進行計算得（dé）到的數據如表５－６所示。
表（biǎo）５-６基於（５＞４２）式的識別結果
利用（３－３７）式對待識（shí）別圖形進行計算得到的數據如（rú）表５－７所示。
表（biǎo）５－７基於（５－４３巧的識別結果（guǒ）
由兩種（zhǒng）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（de）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（fǎ）與（yǔ）不變矩法的判定結果一致時，認定判定結（jié）果（guǒ）正確（què）。
２）當ＳＶＤ法與不（bú）變矩（jǔ）法的判定結果不一致時，認定判（pàn）定結果失效。
這樣將同時考慮了兩種方法（fǎ），提高軸必軌跡形狀識別的正確率。
由於表征軸屯、軌跡形狀的特征值達（dá）到了七個，因此基於不變（biàn）矩法識別（bié）的正（zhèng）確率較（jiào）ＳＶＤ法要更（gèng）加明顯，但基於不變矩（jǔ）法，即（jí）使同樣形狀，得到的特征（zhēng）值也（yě）是存在差異的。本論文結合兩（liǎng）種方法對軸也（yě）、軌跡進行識別，提髙了識別的正確率。
５．４本（běn）章小結（jié）
本章在前麵章節的基礎上，利用（yòng）構建的測（cè）試係統對（duì）主軸箱區域的振動（dòng）信號進行了測試，有下成果：
（１）結合模（mó）態動能法與有效獨立法，將應用於模態試驗中的傳感器優化布置問題運用到工作激（jī）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（qì）優化（huà）布置問題的一種方法（fǎ）。
（２）對采集的信號（hào）通過（guò）分析發現（xiàn）：主軸箱區（qū）域的振動信號與主軸轉速密切相關，基（jī）頻、二倍頻信號明顯，屬於（yú）不（bú）對中的故（gù）障特（tè）征，主軸區（qū）域（yù）的（de）徑向幅值隨轉速成正相關（guān）關係，屬於動不平巧的故障恃征。
（３）對主軸軸（zhóu）也軌跡進行了在線測試，發現基頻、二倍（bèi）頻信號十分突出，運行狀態下的（de）主軸軸也軌跡呈外（wài）八字形，符合角度不對中的故障特征，測試對象在不（bú）同轉速（sù）下的基（jī）頻相位並不穩（wěn）定，說明主軸與刀（dāo）柄安裝位置（zhì）不存在明（míng）顯的動不平（píng）衡問題（tí）。
（４）利用ＳＶＤ法（fǎ）和不（bú）變矩法Ｗ軸屯、軌跡作為故障（zhàng）的評價指標進（jìn）行識別，並利用ＬａｂＶ Ｗ編寫相關程序，基於兩種方法對測得的實（shí）驗數據進行了識別判定。最（zuì）後將兩種方法的優勢結（jié）合起來，提髙軸也（yě）軌跡形狀識別的正確。
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