１緒論

  

       1.1論文背景與硏究意義

  

       本論文來源於清華大學精密（mì）儀器與機械學係與南通科技數控機床技（jì）術聯合研發中心（xīn）開展的合作項（xiàng）目。

  

       立式加工中（zhōng）必的（de）特（tè）點（diǎn）在於其主（zhǔ）軸軸線與工作台垂直（zhí）設置。立（lì）式加工中也因其發展較早，技術比較成熟，同（tóng）時具有高速、高精度等特點，因而在中小零件及中小模具加工中具有不（bú）可替代（dài）的（de）優勢。

  

       中國的數控機（jī）床（chuáng）經曆了凡十年的發展，己經取（qǔ）得了長足的進（jìn）步。中低端（duān）數控機床己經基本滿足了國內需求，但是在離（lí）端領域，我國與歐日美等國（guó）家相比，差（chà）距顯著，裝配對產品可（kě）靠性（xìng）的影響（xiǎng）非常濕著，國肉機床領域的從（cóng）業人員和研巧人員將主要精力放在機床結構優化（huà）、切削性能（néng）改進等方麵上，對機床裝配工芝的研巧不夠重視，對（duì）相關領域的研巧也不夠深入。由於（yú）機床在（zài）裝配和調（diào）試技術方麵（miàn）的短（duǎn）板，國產機床在（zài）定位精度、機床的動態特（tè）性上與國外還有很（hěn）大差距，產（chǎn）品的（de）壽命周期也遠低（dī）於國外，這（zhè）些（xiē）都是國產高檔機床市場占有率不商的重要原因。

  

       當前數控機床的生產模式屬於多品種小（xiǎo）批裏，數控機床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（diǎn），下幾個方麵（miàn）導致了機床在裝配環節（jiē）可能（néng）會存（cún）在（zài）故暗隱患。

  

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

  

       （２）裝配零部件本身的特性。裝（zhuāng）配零部（bù）件的幾何誤差、表麵粗簷度Ｗ及（jí）材料剛度（dù）屬性等方麵對機床的裝配精度亦有影響。

  

       （３）機（jī）床（chuáng）裝配過程和裝（zhuāng）配完成後（hòu）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（yòng）半自動或手動的測量（liàng）方式，測量方（fāng）式並沒有執行統一嚴格的標準，且限於測（cè）量工（gōng）具自身的檢測水平，同樣會對機床（chuáng）在後續工（gōng）作巧態（tài）下的故睹發（fā）生產生影（yǐng）響。

  

       （４）其他因素。此外，機床製造廠家在裝配機床過程中，有些外購部件在不能及時到（dào）貨的情況下，為了不影響裝配進度，不（bú）得不更改裝配順序，操作工人（rén）在裝配現場為了自身的方便（biàn），也會出現不嚴格執行裝（zhuāng）配工藝規程（chéng）的現（xiàn）象；機床在安裝地點（diǎn）的（de）精（jīng）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）造廠家為了提商機床性能，通常關（guān）鍵部件采用國外產品，南通機床生產的ＶＣＬ８５０立式加工中心，主軸、滾珠絲杠副（fù）、線性導軌均為外購。盡管這些零部件自身（shēn）的製造精度滿足要求（qiú），似裝配完成後（hòu），機床（chuáng）性能尤其在工況下的定位精度、動態特性上遠不及園外的同類（lèi）產品．美國哈（hā）斯公司生產的ＶＦ－３型立式加工中心同（tóng）ＶＣＬ８５０立式加（jiā）工中心作對（duì）比，兩者在機床結構布（bù）置方式上大致相近。化起在技術參數指標上（shàng）者差距明思（sī），ＶＣＬ８５０立式加工中心的定位精度０.０１ｍｍ，重複（fù）定位精度０．００５ｍｍ，而ＶＦ－３係列立式加工中（zhōng）心的定位精（jīng）度０．００５ｍｍ，重複定位精度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。另外在高速狀態下（xià），ＶＣＬ８５０立式加工（gōng）中心的（de）穩定性要弱於ＶＦ－３型立式加工中也。南通科技的機床裝配工藝規程長期以來主要依（yī）靠工人的現場工作經（jīng）驗（yàn）巧累（lèi），研發設計（jì）人（rén）員並（bìng）沒（méi）有采用實驗的手段，需要（yào）通過量化數據去支持論證機床裝配（pèi）Ｘ藝流程的合理（lǐ）性。機床部件裝配的累積誤（wù）差會影響到機床的加工精（jīng）度（dù）口由此可化，基於裝配工藝角度（dù）來對機床（chuáng）進行研巧分析（xī），對於提高機（jī）床的動態特性意義很大。圖１－１為某數（shù）按機床的故障原因統計圖。

  

       

  

                    圖1.1某數挖機床的故障原因統計（jì）圖

  

       綜上所述，從裝（zhuāng）配角度對機床主軸箱進行檢測，將（jiāng）化床裝配（pèi）故障問題類型化，故障源位置具體化，可為裝配工人在機（jī）床在裝配過程（chéng）中遇到的故障問題提供指導性意見，方便工人迅速查找（zhǎo）故障源；從長遠上說，還（hái）可以為後續建立的化床智能故障監測係統提供（gòng）相關的技術儲備。

  

       1.2國內外硏究綜述

  

       1.2.1 機床主軸箱故隨診斷（duàn）技術

  

       主軸箱的裝配是機（jī）床（chuáng）的重要一環，主軸箱各部件的製造精度Ｗ及它們之間的裝配故障將直接影（yǐng）響機床的加工性能。一旦機床主（zhǔ）軸箱區（qū）域的相關部件裝配不達（dá）標，卻未予及時發現，將可能導（dǎo）致某些昂貴部（bù）件造成不可修複的損失。從先期的機床組裝階段，針對機床（chuáng）主（zhǔ）軸箱各部件的裝配進行相關檢測及分析（xī），能夠在機床出現放障之前及早的發現（xiàn）問題來源，可避免不必要的經濟損失。

  

       針對主軸（zhóu）箱的（de）故障診斷，一般經曆三個階段：設備原始數據的巧集及獲取、對原始數據進行預處理提取有用成分、對處理數據進行特征識別與類型匹配。為了便（biàn）於觀察主軸箱（xiāng）的故障類（lèi）型，一般將傳感器（qì）放置在（zài）主軸附近，觀察主軸（zhóu）的運轉情況。

 

       現有文獻針（zhēn）對機械設備在工作過程中出現失（shī）效時的故障機理、特征等方麵開展（zhǎn）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策（cè）略是相似的，進行故障（zhàng）診斷的（de）方法手段是相通的。

  

       故障診斷技術的研巧內容主耍包括：故障信號的檢測與（yǔ）采集、設備巧態監測方（fāng）法研究、故障機理的研究（jiū）、機（jī）械故障信息（xī）處理技術、故障特征提取（qǔ）與分析化研巧領域的（de）詳細劃分如圖１－２所示（shì）。

  

       

  

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

  

       針對機床主軸箱故障診斷的研（yán）巧，楊樹蓮Ｗ利用可變回轉（zhuǎn）角度階比分析的方法（fǎ）對機床主軸故障特征進行提取，收到了良知的效果。馮冬芳Ｐ１通過頻譜（pǔ）分析（xī）的方法利（lì）用主軸軸承的振動信號，對主軸進行（háng）故掩診斷，並確定（dìng）了軸承（chéng）端蓋的預緊力區間。周（zhōu）蘇波Ｗ對（duì）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（zhuāng）配故（gù）障。商榮Ｍ利用小波奇異性對（duì）主軸（zhóu）箱的振動信號進行處理，消去了外界喚聲對（duì）切削狀態（tài）下監測係統的幹擾，同時還可Ｗ對機械（xiè）故障信號進行預測，達到了提高電主軸使用壽（shòu）命的目的。

  

       1.2.2 故障信息（xī）處理技術

  

       故障信息處理技術通常由故（gù）障信號的檢測、分析處理兩部分（fèn）構成，檢測（cè）的常見信號類型包括：流量、噪（zào）聲、電流、溫度、振動、壓力、電壓等（děng），分析處理就是對這些信號（hào）進（jìn）行放大、濾波、去（qù）噪、調理、解調變（biàn）換等，進而提取（qǔ）出對故障特征識別（bié）有用的信息。故障信號去噪是對故（gù）障特征提取與分析之前的一個必要環（huán）節，傳統（tǒng）的（de）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波（bō）和Ｗｉｅｎｅｒ濾波。傳統去噪方法的不足在於信號變換後的炯（jiǒng）増高，無法刻畫信號的非平穩特性並見無法得到信號的相（xiàng）關性。在信號去噪方法研究的早期過程中，由於受到理論方法的限製，從振動信號中去除外部噪聲幹擾（rǎo）主（zhǔ）要采用傳統去噪方法，取得了一些研究成果。１９８１年王祖榮提出（chū）了一種將係統（tǒng）進一步簡化（huà）為滿足文（wén）泰濾（lǜ）波條件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（xiàn）性動態及觀測係統（tǒng）濾波問題的一種樣條函數遞推算法。隨著科技（jì）的發展（zhǎn），許多先進（jìn）的去噪技術例如（rú）小波變換、ＨＨＴ變換（huàn）、ＥＭＤ分解等先後出現。在機械故障診斷領域獲得了實（shí）際應用（yòng），取得（dé）了很好的科研成果。１９９８年傅瑜（yú）對小波理論在若幹旋轉機（jī）械設備故障診斷中的實際應用問題開（kāi）展了研巧。２００４年胡峰等（děng）15位（wèi）學者利用小波降（jiàng）噪的方（fāng）法提取故障信號，並（bìng）用ＡＲ模型進行譜（pǔ）估計，確定齒輪的故障類型及嚴重程度。２００８年劉樹春等Ｗ研究了基於二代小（xiǎo）波的振動信號去噪相關技術。２０１３年孟（mèng）宗等（děng）提出了一種（zhǒng）解決ＨＨＴ分析中模態裂（liè）解現象的方法，即基於快速獨立分量分析消噪的ＨＨＴ分析方法，仿真與（yǔ）實例結果表明，該方法能有效抑製ＨＨＴ過程中的模態裂解現象，有（yǒu）效提取信號的特（tè）征頻率，進而實現（xiàn）旋轉機械故障診（zhěn）斷。

  

       1.2.3 故摩特征（zhēng）提取與分析技術

  

       故障特征提取（qǔ）局分析技術是當前故睹（dǔ）診斷的瓶頸，直接影響到故障早期（qī）預報的可靠性與機械故障診斷（duàn）的準確性。故障診斷信息處理技術研巧的（de）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（luò）分析、模態分析和倒譜分析等，其理論基（jī）礎是數理統計和隨機過程。

  

       傳（chuán）統的（de）故睹特征（zhēng）提（tí）取與分（fèn）析技術主要基於傅立葉分析，傅（fù）裏葉變換與反變換建立了信號在時（shí）間域與頻率域之間相互轉化的橋梁，提供了信號的時域分析和頻域分析兩種方法。因此（cǐ），傳統的故障特征提取方法（fǎ）主要分為時域分析方（fāng）法和頻域分析方法兩大類ＰＷＩ１，１９８３年埃（āi）什爾曼等腳利用波（bō）動分析儀對電動機同步和非同步過程進行（háng）了時域方麵（miàn）的分析。陳瑞琪等人於１９８５年利用聲強分析（xī）儀及頻率分析儀係統對紡機錠子和氣流紡紗高（gāo）速軸承組（zǔ）件的振動（dòng）、噪聲進（jìn）行頻譜分析，以了解（jiě）兩（liǎng）者的主頻率及相互關（guān）係。１９９２年艾延廷等對齒輪故障檢測（cè）中時域分析技術（shù）的實現過程，齒輪故障（zhàng）的特征波形及特征參數（shù）進行了（le）討論，並引證了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（biàn）量進行故障診斷時，由於設備（bèi）運轉的不平穩、外在負荷的（de）交替變化、不（bú）確定性的衝擊等因素（sù）導致振動信號（hào）並非始終是平穩的，從而使基於平穩過程和線性係統的傳統信號處理理（lǐ）論的（de）應用受到限製Ｐ５１。傳（chuán）統的傅立葉變換從頻域角度分析振動信號的特（tè）征信息，僅適用於對平穩（wěn）信號的分析，在處理非平穩信號時會出（chū）現（xiàn）很大誤差，甚至與實際情況大相徑庭。隨著現代信號處理技術的（de）發展和逐漸成（chéng）熟（shú），人們開始研究新的信號處理方法提取故（gù）障特征信（xìn）息ＩＷ。其中具有代表性的方法（fǎ）如小波分析（簡稱ＷＡ）、獨立分量分析（簡稱ＩＣＡ）、主（zhǔ）分量分析（簡（jiǎn）稱（chēng）ＰＣＡ）、經驗模態分解（簡稱ＥＭＤ）、隱Ｍａｒｋｏｖ模型（簡稱ＨＨＭ）等。林京等學（xué）者（zhě）建立了基於連續小波變換的奇異（yì）性檢測方（fāng）法，並將這種方法應用在壓縮巧氣閥的故障診斷中，充分顯示了該方（fāng）法的（de）有效性。張生對（duì）某巧輪箱進行故障診斷，模（mó）態分析中（zhōng）的固有頻率和振（zhèn）型（xíng）作為識別故暗的重要參數特征，胡勁（jìn）鬆利用經（jīng）驗模態分解的方法應用（yòng）到旋轉機械（xiè）信號處理與故（gù）隋診斷，為非線性和非穩（wěn）態的故障分（fèn）析與診斷給出了一條新的（de）途徑。下（xià）啟全等學者（zhě）口Ｗ提出了基於因子隱Ｍａｒｋｏｖ模型的（de）旋轉機械故（gù）障（zhàng）診斷方法（fǎ），而且利用這種方法對旋（xuán）轉機械的故（gù）障實現了進行了有效（xiào）的分（fèn）類。

  

       1.2.4 故膊（bó）源（yuán）位置識別技術

  

       機床（chuáng）存在機械故障時，必定會衍生出額外的激勵、噪聲。工程技（jì）術人員通過信號檢測技術對故障源進行位置判定，進而針對（duì）性的機械（xiè）結構進行調整，解決機械故障問題。從這個角度上說，故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（yòng）在汽（qì）車領域，隨著（zhe）科學技術（shù）的不斷發展（zhǎn），逐漸應用到船舶（bó）、機床、飛機、鐵道等領域。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逐步提高，出現了與Ｍ動嗓聲緊密相關的（de）計算分析理論巧軟件。目前較為主流的有限元分析巧（qiǎo）件代表有；ＡＮＳＹＳ、ＡＢＡＱＵＳ、ＭＳＣ－振（zhèn）動測（cè）試類的產品有機（jī）公司的數據采集卡係列，其中比利時的ＬＭＳ公司的測試係（xì）統是ＮＶＨ領域的行業領導（dǎo）者，應懷樵（qiáo）教授創建的北京東方振動和噪聲技術研巧所在國內也有一定的聲譽。

  

       國內（nèi）外（wài）對故（gù）陣源識別的方法有分步運巧消去法，頻譜分析法，即相幹函數法，層次分析法，傳遞路徑分析（xī）法（ＴＰＡ），統計能量法（fǎ）等，主成分分析法，獨立分量分祈法等等。在此僅介紹前三種方法。

  

       1. 分步運轉法

  

       分步運轉（zhuǎn）消去法即對一個複雜的（de）機械係統進行故障源識別時，首（shǒu）先在同一部位，不同（tóng）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（gè）個故障源，與此同時測試關閉故障源（yuán）後（hòu）的振動噪聲響應，根據疊加（jiā）原理，確定各個（gè）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（jì）工作中複雜的機械係統，各個故障源往往鍋合在一（yī）起，難Ｗ單獨開啟關閉某一故障源，因此針對複雜的機械係統，分布（bù）運轉消除法無法解決實際問題（tí）。

  

       2. 頻譜分析法

  

       額譜分析法即在頻域對故障源進行識別，一般不同的振動噪（zào）聲故障源具有不同（tóng）的頻率特性。可通過頻譜（pǔ）分析，依據（jù）幅（fú）值大（dà）小主觀判定故障源的貢（gòng）獻大小。但由於機械結構自身的動態特性（xìng），幅值最大的區域並非總是故障源區域，這（zhè）種依據是不成立的。

  

       3. 相幹分析法

  

       相幹分析法作為－－種比較成熟的技術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，利用常相幹分析方法正確識別了噪聲（shēng）源。M.Caliskan利用相幹分析用於紡織機的瞬時噪聲源識別，與傳統方法得到的結果相同（tóng），證明了相幹分析可同樣適用於故障源（yuán）識別，與國內對相幹分（fèn）析的研巧（qiǎo）始於上個（gè）世紀８０年代（dài），吳浩（hào）珪等人於１９９５年利用相幹（gàn）分析法確定了某柴油客（kè）車的主要噪聲源（yuán），並進行了後（hòu）續的降噪處理（lǐ）。張衰（shuāi）維等人（rén）利用自功率譜（pǔ）分析與相幹分析技術，對某台內燃叉車的液力變（biàn）速箱進行測試分析，找到了（le）該變速箱產生噪聲（shēng）的主要來源。

  

       4. 傳遞路徑分析法

  

       傳遞路徑分析（ＴＰＡ）是（shì）指通過（guò）試驗（yàn）來跟蹤由源（yuán）經過一係（xì）列己（jǐ）知結構或空（kōng）氣傳播路（lù）徑（jìng）傳遞到指定接收點（diǎn）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（jìng）能量的矢（shǐ）裏貢獻，從而（ér）確定為了解決特定的問題，路徑上哪些部件需要修改，或者通過結（jié）構優化設計使部件得到（dào）理想的特性。於上個世紀（jì）９０年代開始發展起來，如今在機械（xiè）故障診斷、部件性能改進、振動噪聲源識（shí）別（bié）等方麵得到了很好（hǎo）的應用，己經被國外汽車ＮＶＨ領域廣泛認同並且己經商用化，國內也開始興起。比（bǐ）利時的ＬＭＳ公司的ＬＭＳＴｅｓｔｌａｂＴｒａｎｓｆｅｒＰａｔｈＡｎａｌｙｓｉｓ軟件在汽車領域得到了（le）廣泛（fàn）好評與普遍應用，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大量成功案例。Ｋ．Ｇｅｎｕｉｔ等人利（lì）用雙通道（dào）傳遞路徑分析模型對車內（nèi）進行聲學（xué）診斷；福特公司的ＰｅｒｒｙＧｕ等人對巧態振動狀態下的車內振動巧聲進行了（le）定量（liàng）分析，Ｇｒｙａｎａｒｏｒａ等人利用傳遞路（lù）徑分析法對路（lù）麵噪聲對車（chē）內貢獻的影響進行了（le）分析等等。目前國內開展（zhǎn）傳遞路徑分析研巧的單位主要Ｌ：高校和科研（yán）院所為主，吉林大學（xué）、同濟大學、上海交通大學Ｗ及長安汽研院在這方麵做出了（le）不錯的成績，並且應用到了很多領域。吉（jí）林大學的起形航ｔ＂］利用傳遞路徑分（fèn）析法較完整地（dì）分析了車內（nèi）振動噪聲的傳遞路徑，建立了車內振動噪聲傳遞模型，並對主要的（de）傳遞路徑進行分析，取（qǔ）得了很好（hǎo）的預期效果。同濟（jì）大學的郭榮等對燃料電池轎車車內噪聲的傳（chuán）遞路徑進（jìn）行了分析研究，在怠速工（gōng）況（kuàng）下對車內噪聲進行傳遞路徑測試試驗，識別得出了主要（yào）傳遞（dì）路徑。長安汽車工程（chéng）研巧院李傳兵等人用傳遞路徑分析的相關（guān）軟（ruǎn）件，針對某新車型的車內噪聲（shēng）問題（tí）進行（háng）了傳遞路徑（jìng）分析（xī），找到了（le）對車內噪聲影響最大的傳遞路徑，針對性地對部分部件進（jìn）行結構優化，有效地消除了運行狀態下的車內噪聲問題。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（yīng）用還處於摸索前進階段。

  

       1.3  論文主要硏究（jiū）內（nèi）容

  

       機（jī）床部件裝配（pèi）的累積誤差４影響到機床的加工（gōng）精度本論文針對某立式（shì）加工中屯、的主軸箱在裝配出廠階段進行質（zhì）量檢測及分析，將機械故（gù）障診斷的理論和方（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藝規（guī）程的不（bú）斷改進具有指導意義。另外（wài），本論文所開展的工作也為後續針對機床的自動監測與診斷係統的開發積累了資料（liào）素材。本論文的主要研巧內（nà）容（róng）如下；

  

       （1）在研巧ＶＣＬ８５０立式加工中也主軸箱的部件組（zǔ）成（chéng）、裝（zhuāng）配特點的基礎上，結合ＶＣＬ８５０立式加工中也的裝配王藝規程等相關資料，分析主軸箱在安（ān）裝過程中可能存在裝配（pèi）故障的（de）區域（yù），並對其故障機理進（jìn）行了探討分析。

  

       （2）結合測試方案和要求（qiú），選（xuǎn）用合適（shì）的傳感（gǎn）器、數（shù）據采集卡，利用LabVIEW軟（ruǎn）件進行編程，構建針對主軸箱區域的測試係統。實現基於相關分析的濾波降噪功（gōng）能、相位測量功能，頻域分析功能，基於ＳＶＤ法、不變矩法的軸也軌跡識別功能。

  

       （3）利用轉（zhuǎn）子實（shí）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（mó）巧實驗，並結合相關文（wén）獻，初步（bù）確定（dìng）三種不同類型裝配故巧的信號特征表現形（xíng）式。

  

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

  

       （5）對空轉狀態下的主（zhǔ）軸箱（xiāng）區域振動信號進行采集，對振動信號進行降巧處理，分析裝配主軸箱故障原因；對（duì）主軸運行狀態下的軸屯、軌跡進行檢測，並基於ＳＶＤ法（fǎ）、不變矩法（fǎ）對主軸的軸屯、軌跡進行識別方法分析，軸也（yě）軌跡（jì）作為判定不同主要的裝配故障類（lèi）型的信（xìn）號指標，實現對不同主要的裝（zhuāng）配故（gù）障類（lèi）型的分類識別。

  

       （6）基於傳迸路徑分析的原理（lǐ），對不同裝配故障產生的異常故障源位置進行判定：首先介紹故（gù）障源識別采用的主要方法，然後利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ仿真（zhēn）軟件實現對主軸箱（xiāng）故障源位置的識（shí）別，最終開（kāi）展（zhǎn）實驗論證這種故障源（yuán）位置識（shí）別方（fāng）法（fǎ）的可行性。

  

       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（shì））是南通機床自（zì）主開發的一款高檔通用的（de）自動化機床，配裝了（le）刀庫容量為２４把刀的機械手刀庫，可完成較、統（tǒng）、鑽（zuàn）、錯、攻絲等多種（zhǒng）工序（xù）的切削加工。

  

       

  

                           圖2.1 ＶＣＬ８５０立式加工中心

  

       本論文的研巧重點為ＶＣＬ８５０立（lì）式加工中屯、的主軸箱區域。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（bù）齒形帶，主軸、等相關配合（hé）部件。

  

       

  

                                     圖2.2 主軸箱裝配圖

  

       在機床出廣階段，由於裝配不當會（huì）導致機床在後續工作中出現不同類型的機械故（gù）陣，在工（gōng）作狀態下，化床所表現出不同（tóng）形式的信號（hào）特征可指（zhǐ）導檢測人員判定故障原因。不（bú）同振動類型（xíng）及表現形式（shì）如圖２－３所示，簡單描述了不同振動類型所表現的信號（hào）特征：

  

       

  

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

  

       自激振動是由機床自身（shēn）結構決（jué）定的，在機床出廠階段，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（fèn）析，排（pái）除自激振動的幹擾。ＶＣＬ８５０的轉速區間（jiān）在４８？１２０００巧（qiǎo）ｍ，對應頻率為２００Ｈｚ，首先對ＶＣＬ８５０的主軸箱進行模態分析仿（fǎng）真，排除機床工（gōng）作（zuò）頻率是否在（zài）自激振（zhèn）動的區（qū）間。取六階模態，通過ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎ化得到仿真結果，其前六階固有頻率和對應的模態振型如表2.1所（suǒ）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頻率在（zài）２６３．１６Ｈｚ，證明ＶＣＬ８５０在工作轉速（sù）範圍內產生的故障不是由自激振動造成的。

  

       下（xià）麵主要介紹ＶＣＬ８５０立式加工（gōng）中心主軸箱區域在工作轉速下的常見的幾（jǐ）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類型之一。對機床主軸箱進行裝配時，主軸係統（tǒng）的組件（jiàn）之間的安裝不當，導致產生配合間隙。安裝刀具時，刀具係統（刀具（jù）一刀柄）與主軸錐孔的配合不良，都會在運轉過程中產生動不平衡。主軸安裝之前，對主軸自身進行動平衡試驗是十分重要的一環，主軸（zhóu）箱整體裝（zhuāng）配完成之後，能夠實現對動不平衡的在線測試，可１＾更為徹底（dǐ）的檢測動不平衡問題。主軸與刀具係（xì）統的安裝如圖２－３所（suǒ）示。

  

       

  

                            圖（tú）2.4 主軸與刀具的配合

       如圖2.5為轉子動不平衡示意圖，動不平衡主（zhǔ）要表現在一個（gè）旋轉體的質（zhì）量中心、０與轉動中（zhōng）也０’不重合，導（dǎo）致轉子在運轉過程中（角速度為Ｗ）形（xíng）成了周期性的離心力Ｆ或者離心（xīn）力（lì）矩的幹擾，作用（yòng）在機組及其（qí）相關部（bù）件，加劇旋轉機械的振動，同時產生（shēng）噪（zào）聲，在一定程度上加速了軸承等部件的磨損，縮短了機組的使用壽命。離也力（lì）Ｆ的大小（xiǎo）與偏屯、距ｅＷ及旋（xuán）轉角速度似有關，即：

                                                                                                         (2.1)

  

       就機床（chuáng）主軸箱區域來說，相關安裝部件自身的製造公差、部件安裝不當、長時間運行後導致（zhì）主軸係統產生很（hěn）大溫升、長期使用導致部件磨（mó）損、等都是造（zào）成主軸動不平衡的主要原因。

  

       

  

                          圖2.5 轉子動不平衡示（shì）意（yì）圖

  

       如圖所示，O為轉子的轉動中（zhōng）心，O’為轉子的質量中心，ｅ為偏心距，ｗ為轉子角速（sù）度，θ為偏心夾角（jiǎo）。若考慮阻尼的影響，則轉子（zǐ）運動微分方程為：

  

                                                       (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)

  

       動不平衡下的轉子在（zài）運轉過（guò）程中在x,y方向的振幅並不一定相等。

  

       2.2 不對中（zhōng）故障

  

       針對主（zhǔ）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（néng）造成主軸、電機偏角不（bú）對中的情況發生。

  

       轉子不對中的實際含義是指（zhǐ）軸係連接同心度和平直度的偏差故障。造成轉（zhuǎn）子不對中問題的原因主要有轉子相關部件的製造誤差、安（ān）裝誤差或者長時間使（shǐ）用（yòng）造成的熱變形等因素。轉子不對中可分為偏角不對（duì）中、平行不對中和偏角（jiǎo）平行不對中三種，可看到電機通過（guò）同（tóng）步內齒帶輪連接主軸。主軸與（yǔ）電機的（de）配合簡圖如圖（tú）2.6所示。

  

       

  

                                圖2.6 主軸與電機配合簡圖

  

       當主軸（zhóu）中心與主軸電機（jī）中心線產生一定的偏角（jiǎo）時（設偏角為（wéi）ａ），則（zé）電機不能夠以為1:1的轉速比傳遞給（gěi）主軸，主軸（zhóu）電機轉速為ω1，主軸轉速（sù）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（chuí）直於電機中心線的平麵上投影，則：

  

                                                    (2.5)

  

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

  

       而傳動比（bǐ）為：           (2.7)

  

       式中  由於ａ、ｍ、ｎ是常（cháng）數，ｉ是主軸與電機的傳動比（bǐ）。

  

       因（yīn）此產生了２倍頻的激振力。主軸的變化範圍為：

    

       

  

       可以看到當電（diàn）機轉（zhuǎn）動一周時，主軸（zhóu）的角速（sù）度變化（huà）了兩個（gè）周期，如圖2.7所示，ω1、ω2—周期內的（de）變化。如圖2.6，主軸實質上由於角度不對中產生的偏心質量，設為ｍ，主軸轉速為Ｗ，，則在某位置的偏也距為ｒ時，激振力徑向的表達式為：

  

       

  

                       圖2.7 電機、主（zhǔ）軸角速度一周期內的變化（huà）

  

       2.3 碰摩故障

  

       ＶＣＬ８５０立式加工中心的主軸箱剖麵圖如圖２－６所（suǒ）示。主軸與電機通過同步內齒帶輪連接，裝配工人依靠經驗將（jiāng）調整螺釘實現對帶輪的張緊，由於調（diào）整不當，帶輪（lún）張緊（jǐn）力過大，會影響到間隙配合的位（wèi）置，產生碰摩的裝配故障。

  

       

        

  

                          圖 2.8 VCL850主軸箱（xiāng）剖麵圖

  

       定子轉子碰摩是（shì）旋轉機械（xiè）的常見故障，由於安裝不當影響（xiǎng）了（le）定子轉子的間隙誤差，導致轉子和定子間的摩擦事（shì）故（gù）經常發生，同時由於工況變動或過大的軸向推力，都有（yǒu）可能導致碰摩ＩＷ。圖２－８為碰摩力學模型圖（tú）。

  

       

  

       

  

       碰摩是轉子在轉動一周後與定（dìng）子部（bù）件（jiàn）上的某區域發生接觸碰撞導致彈性變形及摩擦熱（rè）效應的（de）情況。Ｋ，為定子與轉子之間的等效剛度，將Fl和Fr分解到徑（jìng）向的碰撞力Fx和切向的摩（mó）擦（cā）Fy，則有：

                               (2.10),

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

  

       力碰摩產生的接觸力足Ｗ改變轉子軌跡的運動方向，這時動定子的接觸點不（bú）一（yī）定是固定的（de），其振動響應值應為各接觸點（diǎn）法向力的平均值之和。

  

       2.4 鬆動故障

  

       如圖2.9所示，兩處分別為電機主軸箱結（jié）合部與主（zhǔ）軸與主軸箱結合部。

  

       

  

                                   圖2.9主軸箱結合部

  

       主軸箱區（qū）域分布著大量螺拴，部件安（ān）裝通過螺栓連（lián）接起到定位、緊（jǐn）固的作用。

  

       由於安裝質量不髙（gāo）及長（zhǎng）期的振動都會（huì）引起結合部位的鬆動故障，影（yǐng）響到主（zhǔ）軸及電機的正常運行及安全。

  

       如圖2.10為（wéi）主軸與（yǔ）電機栓接處力學模型，Ms表示主軸，Mm表示電機，Ｃ表示傳送帶，剛（gāng）度阻尼模型等效（xiào）為其緊固、定位作用的螺栓連接處。

  

       

  

       轉子運行時的微分方程為：

                                                           (2.11)

  

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

  

       Ks1,Km1分別為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（shuān）未鬆動時電機主軸連接處的等效阻尼；Ks2,Km2分別為螺栓鬆動後電機主軸（zhóu）連接處的等效剛度，Cs2,Cm2分別為螺栓鬆動後電（diàn）機主軸連接處的（de）等效阻尼。設δ1,δ2分別表示電機、主（zhǔ）軸栓接處未發生鬆動的臨界間（jiān）隙值。則有：，  同理Cs,Cm的取值。

  

       由於係統剛度、阻尼的不穩定，工作狀態下的（de）機械結構呈現嚴重的非線性問題，發生鬆動部位的振動信號特征複雜多變。

  

       2.5 本章小（xiǎo）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，並證明了故障原因不是由於自身的結（jié）構特（tè）點造成的（de）。重點分析（xī）了（le）ＶＣＬ８５０主軸箱可能存在裝配故（gù）障的（de）區域，對幾種主要裝配故障（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（jìn）行了詳細闡述；為接下來對ＶＣＬ８５０主（zhǔ）軸箱區域的故障信號檢測提供理論支撐。