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                                                                   １緒論

  

       1.1論文背景與硏究意義

  

       本論文來源于清華大學(xué)精密儀器與機械學(xué)系與南通科技數(shù)控機床技術(shù)聯(lián)合研發(fā)中心開展的合作項目。

  

       立式加工中必的特點在于其主軸軸線與工作臺垂直設(shè)置。立式加工中也因其發(fā)展較早，技術(shù)比較成熟，同時具有高速、高精度等特點，因而在中小零件及中小模具加工中具有不可替代的優(yōu)勢。

  

       中國的數(shù)控機床經(jīng)歷了凡十年的發(fā)展，己經(jīng)取得了長足的進(jìn)步。中低端數(shù)控機床己經(jīng)基本滿足了國內(nèi)需求，但是在離端領(lǐng)域，我國與歐日美等國家相比，差距顯著，裝配對產(chǎn)品可靠性的影響非常濕著，國肉機床領(lǐng)域的從業(yè)人員和研巧人員將主要精力放在機床結(jié)構(gòu)優(yōu)化、切削性能改進(jìn)等方面上，對機床裝配工芝的研巧不夠重視，對相關(guān)領(lǐng)域的研巧也不夠深入。由于機床在裝配和調(diào)試技術(shù)方面的短板，國產(chǎn)機床在定位精度、機床的動態(tài)特性上與國外還有很大差距，產(chǎn)品的壽命周期也遠(yuǎn)低于國外，這些都是國產(chǎn)高檔機床市場占有率不商的重要原因。

  

       當(dāng)前數(shù)控機床的生產(chǎn)模式屬于多品種小批里，數(shù)控機床制造企業(yè)的裝配車間大多采用半自動裝配或純手工裝配的方式，基于這種裝配方式的特點，下幾個方面導(dǎo)致了機床在裝配環(huán)節(jié)可能會存在故暗隱患。

  

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

  

       （２）裝配零部件本身的特性。裝配零部件的幾何誤差、表面粗檐度Ｗ及材料剛度屬性等方面對機床的裝配精度亦有影響。

  

       （３）機床裝配過程和裝配完成后的檢測手段。由于機床在裝巧過程和裝配完成后的測里方式往往采用半自動或手動的測量方式，測量方式并沒有執(zhí)行統(tǒng)一嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，且限于測量工具自身的檢測水平，同樣會對機床在后續(xù)工作巧態(tài)下的故睹發(fā)生產(chǎn)生影響。

  

       （４）其他因素。此外，機床制造廠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，不得不更改裝配順序，操作工人在裝配現(xiàn)場為了自身的方便，也會出現(xiàn)不嚴(yán)格執(zhí)行裝配工藝規(guī)程的現(xiàn)象；機床在安裝地點的精度指標(biāo)與出廠預(yù)驗收的精度保持一致也是難以做到的。

  

       國內(nèi)機床制造廠家為了提商機床性能，通常關(guān)鍵部件采用國外產(chǎn)品，南通機床生產(chǎn)的ＶＣＬ８５０立式加工中心，主軸、滾珠絲杠副、線性導(dǎo)軌均為外購。盡管這些零部件自身的制造精度滿足要求，似裝配完成后，機床性能尤其在工況下的定位精度、動態(tài)特性上遠(yuǎn)不及園外的同類產(chǎn)品．美國哈斯公司生產(chǎn)的ＶＦ－３型立式加工中心同ＶＣＬ８５０立式加工中心作對比，兩者在機床結(jié)構(gòu)布置方式上大致相近。化起在技術(shù)參數(shù)指標(biāo)上者差距明思，ＶＣＬ８５０立式加工中心的定位精度０.０１ｍｍ，重復(fù)定位精度０．００５ｍｍ，而ＶＦ－３系列立式加工中心的定位精度０．００５ｍｍ，重復(fù)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(tài)下，ＶＣＬ８５０立式加工中心的穩(wěn)定性要弱于ＶＦ－３型立式加工中也。南通科技的機床裝配工藝規(guī)程長期以來主要依靠工人的現(xiàn)場工作經(jīng)驗巧累，研發(fā)設(shè)計人員并沒有采用實驗的手段，需要通過量化數(shù)據(jù)去支持論證機床裝配Ｘ藝流程的合理性。機床部件裝配的累積誤差會影響到機床的加工精度口由此可化，基于裝配工藝角度來對機床進(jìn)行研巧分析，對于提高機床的動態(tài)特性意義很大。圖１－１為某數(shù)按機床的故障原因統(tǒng)計圖。

  

       

  

                    圖1.1某數(shù)挖機床的故障原因統(tǒng)計圖

  

       綜上所述，從裝配角度對機床主軸箱進(jìn)行檢測，將化床裝配故障問題類型化，故障源位置具體化，可為裝配工人在機床在裝配過程中遇到的故障問題提供指導(dǎo)性意見，方便工人迅速查找故障源；從長遠(yuǎn)上說，還可以為后續(xù)建立的化床智能故障監(jiān)測系統(tǒng)提供相關(guān)的技術(shù)儲備。

  

       1.2國內(nèi)外硏究綜述

  

       1.2.1 機床主軸箱故隨診斷技術(shù)

  

       主軸箱的裝配是機床的重要一環(huán)，主軸箱各部件的制造精度Ｗ及它們之間的裝配故障將直接影響機床的加工性能。一旦機床主軸箱區(qū)域的相關(guān)部件裝配不達(dá)標(biāo)，卻未予及時發(fā)現(xiàn)，將可能導(dǎo)致某些昂貴部件造成不可修復(fù)的損失。從先期的機床組裝階段，針對機床主軸箱各部件的裝配進(jìn)行相關(guān)檢測及分析，能夠在機床出現(xiàn)放障之前及早的發(fā)現(xiàn)問題來源，可避免不必要的經(jīng)濟損失。

  

       針對主軸箱的故障診斷，一般經(jīng)歷三個階段：設(shè)備原始數(shù)據(jù)的巧集及獲取、對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理提取有用成分、對處理數(shù)據(jù)進(jìn)行特征識別與類型匹配。為了便于觀察主軸箱的故障類型，一般將傳感器放置在主軸附近，觀察主軸的運轉(zhuǎn)情況。

 

       現(xiàn)有文獻(xiàn)針對機械設(shè)備在工作過程中出現(xiàn)失效時的故障機理、特征等方面開展了大量的研巧，專口針對機床主軸箱的裝配故障開展研巧的相關(guān)文獻(xiàn)并不多，但是針對不同檢測對象的研巧策略是相似的，進(jìn)行故障診斷的方法手段是相通的。

  

       故障診斷技術(shù)的研巧內(nèi)容主耍包括：故障信號的檢測與采集、設(shè)備巧態(tài)監(jiān)測方法研究、故障機理的研究、機械故障信息處理技術(shù)、故障特征提取與分析化研巧領(lǐng)域的詳細(xì)劃分如圖１－２所示。

  

       

  

                        圖1.2 旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測及故時診斷技術(shù)

  

       針對機床主軸箱故障診斷的研巧，楊樹蓮Ｗ利用可變回轉(zhuǎn)角度階比分析的方法對機床主軸故障特征進(jìn)行提取，收到了良知的效果。馮冬芳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(jìn)行故掩診斷，并確定了軸承端蓋的預(yù)緊力區(qū)間。周蘇波Ｗ對機床主軸的軸也軌進(jìn)進(jìn)行在線測試，發(fā)現(xiàn)機床主軸箱存在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(jìn)行處理，消去了外界喚聲對切削狀態(tài)下監(jiān)測系統(tǒng)的干擾，同時還可Ｗ對機械故障信號進(jìn)行預(yù)測，達(dá)到了提高電主軸使用壽命的目的。

  

       1.2.2 故障信息處理技術(shù)

  

       故障信息處理技術(shù)通常由故障信號的檢測、分析處理兩部分構(gòu)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，分析處理就是對這些信號進(jìn)行放大、濾波、去噪、調(diào)理、解調(diào)變換等，進(jìn)而提取出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(huán)節(jié)，傳統(tǒng)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波和Ｗｉｅｎｅｒ濾波。傳統(tǒng)去噪方法的不足在于信號變換后的炯増高，無法刻畫信號的非平穩(wěn)特性并見無法得到信號的相關(guān)性。在信號去噪方法研究的早期過程中，由于受到理論方法的限制，從振動信號中去除外部噪聲干擾主要采用傳統(tǒng)去噪方法，取得了一些研究成果。１９８１年王祖榮提出了一種將系統(tǒng)進(jìn)一步簡化為滿足文泰濾波條件定常系統(tǒng)的簡化非線性濾波方法。１９８７年陳關(guān)榮ｎｓ］研究了非線性動態(tài)及觀測系統(tǒng)濾波問題的一種樣條函數(shù)遞推算法。隨著科技的發(fā)展，許多先進(jìn)的去噪技術(shù)例如小波變換、ＨＨＴ變換、ＥＭＤ分解等先后出現(xiàn)。在機械故障診斷領(lǐng)域獲得了實際應(yīng)用，取得了很好的科研成果。１９９８年傅瑜對小波理論在若干旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備故障診斷中的實際應(yīng)用問題開展了研巧。２００４年胡峰等15位學(xué)者利用小波降噪的方法提取故障信號，并用ＡＲ模型進(jìn)行譜估計，確定齒輪的故障類型及嚴(yán)重程度。２００８年劉樹春等Ｗ研究了基于二代小波的振動信號去噪相關(guān)技術(shù)。２０１３年孟宗等提出了一種解決ＨＨＴ分析中模態(tài)裂解現(xiàn)象的方法，即基于快速獨立分量分析消噪的ＨＨＴ分析方法，仿真與實例結(jié)果表明，該方法能有效抑制ＨＨＴ過程中的模態(tài)裂解現(xiàn)象，有效提取信號的特征頻率，進(jìn)而實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機械故障診斷。

  

       1.2.3 故摩特征提取與分析技術(shù)

  

       故障特征提取局分析技術(shù)是當(dāng)前故睹診斷的瓶頸，直接影響到故障早期預(yù)報的可靠性與機械故障診斷的準(zhǔn)確性。故障診斷信息處理技術(shù)研巧的主要內(nèi)容包括時間序列分析、統(tǒng)計分析、傳遞函數(shù)分析、相關(guān)分析、頻譜分析、相干分析、細(xì)化譜分析、包絡(luò)分析、模態(tài)分析和倒譜分析等，其理論基礎(chǔ)是數(shù)理統(tǒng)計和隨機過程。

  

       傳統(tǒng)的故睹特征提取與分析技術(shù)主要基于傅立葉分析，傅里葉變換與反變換建立了信號在時間域與頻率域之間相互轉(zhuǎn)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，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年埃什爾曼等腳利用波動分析儀對電動機同步和非同步過程進(jìn)行了時域方面的分析。陳瑞琪等人于１９８５年利用聲強分析儀及頻率分析儀系統(tǒng)對紡機錠子和氣流紡紗高速軸承組件的振動、噪聲進(jìn)行頻譜分析，以了解兩者的主頻率及相互關(guān)系。１９９２年艾延廷等對齒輪故障檢測中時域分析技術(shù)的實現(xiàn)過程，齒輪故障的特征波形及特征參數(shù)進(jìn)行了討論，并引證了應(yīng)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(jìn)行故障診斷時，由于設(shè)備運轉(zhuǎn)的不平穩(wěn)、外在負(fù)荷的交替變化、不確定性的沖擊等因素導(dǎo)致振動信號并非始終是平穩(wěn)的，從而使基于平穩(wěn)過程和線性系統(tǒng)的傳統(tǒng)信號處理理論的應(yīng)用受到限制Ｐ５１。傳統(tǒng)的傅立葉變換從頻域角度分析振動信號的特征信息，僅適用于對平穩(wěn)信號的分析，在處理非平穩(wěn)信號時會出現(xiàn)很大誤差，甚至與實際情況大相徑庭。隨著現(xiàn)代信號處理技術(shù)的發(fā)展和逐漸成熟，人們開始研究新的信號處理方法提取故障特征信息ＩＷ。其中具有代表性的方法如小波分析（簡稱ＷＡ）、獨立分量分析（簡稱ＩＣＡ）、主分量分析（簡稱ＰＣＡ）、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（簡稱ＥＭＤ）、隱Ｍａｒｋｏｖ模型（簡稱ＨＨＭ）等。林京等學(xué)者建立了基于連續(xù)小波變換的奇異性檢測方法，并將這種方法應(yīng)用在壓縮巧氣閥的故障診斷中，充分顯示了該方法的有效性。張生對某巧輪箱進(jìn)行故障診斷，模態(tài)分析中的固有頻率和振型作為識別故暗的重要參數(shù)特征，胡勁松利用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的方法應(yīng)用到旋轉(zhuǎn)機械信號處理與故隋診斷，為非線性和非穩(wěn)態(tài)的故障分析與診斷給出了一條新的途徑。下啟全等學(xué)者口Ｗ提出了基于因子隱Ｍａｒｋｏｖ模型的旋轉(zhuǎn)機械故障診斷方法，而且利用這種方法對旋轉(zhuǎn)機械的故障實現(xiàn)了進(jìn)行了有效的分類。

  

       1.2.4 故膊源位置識別技術(shù)

  

       機床存在機械故障時，必定會衍生出額外的激勵、噪聲。工程技術(shù)人員通過信號檢測技術(shù)對故障源進(jìn)行位置判定，進(jìn)而針對性的機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，解決機械故障問題。從這個角度上說，故陣源識別技術(shù)的應(yīng)用前景廣泛。故障源識別技術(shù)最初主要應(yīng)用在汽車領(lǐng)域，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸應(yīng)用到船舶、機床、飛機、鐵道等領(lǐng)域。從６０年代開始，隨著計算機的迅速發(fā)展，有限元網(wǎng)格劃分的精細(xì)程度和計算精度逐步提高，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有；ＡＮＳＹＳ、ＡＢＡＱＵＳ、ＭＳＣ－振動測試類的產(chǎn)品有機公司的數(shù)據(jù)采集卡系列，其中比利時的ＬＭＳ公司的測試系統(tǒng)是ＮＶＨ領(lǐng)域的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，應(yīng)懷樵教授創(chuàng)建的北京東方振動和噪聲技術(shù)研巧所在國內(nèi)也有一定的聲譽。

  

       國內(nèi)外對故陣源識別的方法有分步運巧消去法，頻譜分析法，即相干函數(shù)法，層次分析法，傳遞路徑分析法（ＴＰＡ），統(tǒng)計能量法等，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(zhuǎn)法

  

       分步運轉(zhuǎn)消去法即對一個復(fù)雜的機械系統(tǒng)進(jìn)行故障源識別時，首先在同一部位，不同時間下，對系統(tǒng)的總體振動噪聲響應(yīng)進(jìn)行測試，然后逐步關(guān)閉系統(tǒng)的各個故障源，與此同時測試關(guān)閉故障源后的振動噪聲響應(yīng)，根據(jù)疊加原理，確定各個故障源對系統(tǒng)總體的貢獻(xiàn)大小。這種方法簡單，便于直觀發(fā)現(xiàn)問題。但實際工作中復(fù)雜的機械系統(tǒng)，各個故障源往往鍋合在一起，難Ｗ單獨開啟關(guān)閉某一故障源，因此針對復(fù)雜的機械系統(tǒng)，分布運轉(zhuǎn)消除法無法解決實際問題。

  

       2. 頻譜分析法

  

       額譜分析法即在頻域?qū)收显催M(jìn)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(jù)幅值大小主觀判定故障源的貢獻(xiàn)大小。但由于機械結(jié)構(gòu)自身的動態(tài)特性，幅值最大的區(qū)域并非總是故障源區(qū)域，這種依據(jù)是不成立的。

  

       3. 相干分析法

  

       相干分析法作為－－種比較成熟的技術(shù)廣泛應(yīng)用到了振動噪聲領(lǐng)域，P.R Roth于１９７１年在有背景噪聲的情況下，利用常相干分析方法正確識別了噪聲源。M.Caliskan利用相干分析用于紡織機的瞬時噪聲源識別，與傳統(tǒng)方法得到的結(jié)果相同，證明了相干分析可同樣適用于故障源識別，與國內(nèi)對相干分析的研巧始于上個世紀(jì)８０年代，吳浩珪等人于１９９５年利用相干分析法確定了某柴油客車的主要噪聲源，并進(jìn)行了后續(xù)的降噪處理。張衰維等人利用自功率譜分析與相干分析技術(shù)，對某臺內(nèi)燃叉車的液力變速箱進(jìn)行測試分析，找到了該變速箱產(chǎn)生噪聲的主要來源。

  

       4. 傳遞路徑分析法

  

       傳遞路徑分析（ＴＰＡ）是指通過試驗來跟蹤由源經(jīng)過一系列己知結(jié)構(gòu)或空氣傳播路徑傳遞到指定接收點能量流的分析方法。其目的在于評價由振動源到響應(yīng)點每個路徑能量的矢里貢獻(xiàn)，從而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(gòu)優(yōu)化設(shè)計使部件得到理想的特性。于上個世紀(jì)９０年代開始發(fā)展起來，如今在機械故障診斷、部件性能改進(jìn)、振動噪聲源識別等方面得到了很好的應(yīng)用，己經(jīng)被國外汽車ＮＶＨ領(lǐng)域廣泛認(rèn)同并且己經(jīng)商用化，國內(nèi)也開始興起。比利時的ＬＭＳ公司的ＬＭＳＴｅｓｔｌａｂＴｒａｎｓｆｅｒＰａｔｈＡｎａｌｙｓｉｓ軟件在汽車領(lǐng)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(jīng)分析等方面積累了大量成功案例。Ｋ．Ｇｅｎｕｉｔ等人利用雙通道傳遞路徑分析模型對車內(nèi)進(jìn)行聲學(xué)診斷；福特公司的ＰｅｒｒｙＧｕ等人對巧態(tài)振動狀態(tài)下的車內(nèi)振動巧聲進(jìn)行了定量分析，Ｇｒｙａｎａｒｏｒａ等人利用傳遞路徑分析法對路面噪聲對車內(nèi)貢獻(xiàn)的影響進(jìn)行了分析等等。目前國內(nèi)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，吉林大學(xué)、同濟大學(xué)、上海交通大學(xué)Ｗ及長安汽研院在這方面做出了不錯的成績，并且應(yīng)用到了很多領(lǐng)域。吉林大學(xué)的起形航ｔ＂］利用傳遞路徑分析法較完整地分析了車內(nèi)振動噪聲的傳遞路徑，建立了車內(nèi)振動噪聲傳遞模型，并對主要的傳遞路徑進(jìn)行分析，取得了很好的預(yù)期效果。同濟大學(xué)的郭榮等對燃料電池轎車車內(nèi)噪聲的傳遞路徑進(jìn)行了分析研究，在怠速工況下對車內(nèi)噪聲進(jìn)行傳遞路徑測試試驗，識別得出了主要傳遞路徑。長安汽車工程研巧院李傳兵等人用傳遞路徑分析的相關(guān)軟件，針對某新車型的車內(nèi)噪聲問題進(jìn)行了傳遞路徑分析，找到了對車內(nèi)噪聲影響最大的傳遞路徑，針對性地對部分部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效地消除了運行狀態(tài)下的車內(nèi)噪聲問題。總體上說國內(nèi)的高校和研究機構(gòu)對傳遞路徑分析方法的研究應(yīng)用還處于摸索前進(jìn)階段。

  

       1.3  論文主要硏究內(nèi)容

  

       機床部件裝配的累積誤差４影響到機床的加工精度本論文針對某立式加工中屯、的主軸箱在裝配出廠階段進(jìn)行質(zhì)量檢測及分析，將機械故障診斷的理論和方法應(yīng)用于工廠實際生產(chǎn)中，這種探索與嘗試，對現(xiàn)場工人進(jìn)行機床質(zhì)量檢驗和機床裝配工藝規(guī)程的不斷改進(jìn)具有指導(dǎo)意義。另外，本論文所開展的工作也為后續(xù)針對機床的自動監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的開發(fā)積累了資料素材。本論文的主要研巧內(nèi)容如下；

  

       （1）在研巧ＶＣＬ８５０立式加工中也主軸箱的部件組成、裝配特點的基礎(chǔ)上，結(jié)合ＶＣＬ８５０立式加工中也的裝配王藝規(guī)程等相關(guān)資料，分析主軸箱在安裝過程中可能存在裝配故障的區(qū)域，并對其故障機理進(jìn)行了探討分析。

  

       （2）結(jié)合測試方案和要求，選用合適的傳感器、數(shù)據(jù)采集卡，利用LabVIEW軟件進(jìn)行編程，構(gòu)建針對主軸箱區(qū)域的測試系統(tǒng)。實現(xiàn)基于相關(guān)分析的濾波降噪功能、相位測量功能，頻域分析功能，基于ＳＶＤ法、不變矩法的軸也軌跡識別功能。

  

       （3）利用轉(zhuǎn)子實驗臺，對動不平衡、角亭不對中、松動等Ｈ種不同類型的裝配故障進(jìn)行模巧實驗，并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，初步確定三種不同類型裝配故巧的信號特征表現(xiàn)形式。

  

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

  

       （5）對空轉(zhuǎn)狀態(tài)下的主軸箱區(qū)域振動信號進(jìn)行采集，對振動信號進(jìn)行降巧處理，分析裝配主軸箱故障原因；對主軸運行狀態(tài)下的軸屯、軌跡進(jìn)行檢測，并基于ＳＶＤ法、不變矩法對主軸的軸屯、軌跡進(jìn)行識別方法分析，軸也軌跡作為判定不同主要的裝配故障類型的信號指標(biāo)，實現(xiàn)對不同主要的裝配故障類型的分類識別。

  

       （6）基于傳迸路徑分析的原理，對不同裝配故障產(chǎn)生的異常故障源位置進(jìn)行判定：首先介紹故障源識別采用的主要方法，然后利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ仿真軟件實現(xiàn)對主軸箱故障源位置的識別，最終開展實驗論證這種故障源位置識別方法的可行性。

  

       ２ ＶＣＬ８５０主軸箱主要的裝配故障機理分析

  

       本次實驗的實驗對象ＶＣＬ８５０立式加工中如（如圖２－１所示）是南通機床自主開發(fā)的一款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(tǒng)、鉆、錯、攻絲等多種工序的切削加工。

  

       

  

                           圖2.1 ＶＣＬ８５０立式加工中心

  

       本論文的研巧重點為ＶＣＬ８５０立式加工中屯、的主軸箱區(qū)域。ＶＣＬ８５０立式加工中也主軸箱區(qū)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(guān)配合部件。

  

       

  

                                     圖2.2 主軸箱裝配圖

  

       在機床出廣階段，由于裝配不當(dāng)會導(dǎo)致機床在后續(xù)工作中出現(xiàn)不同類型的機械故陣，在工作狀態(tài)下，化床所表現(xiàn)出不同形式的信號特征可指導(dǎo)檢測人員判定故障原因。不同振動類型及表現(xiàn)形式如圖２－３所示，簡單描述了不同振動類型所表現(xiàn)的信號特征：

  

       

  

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

  

       自激振動是由機床自身結(jié)構(gòu)決定的，在機床出廠階段，受迫振動則是由裝配不當(dāng)造成的。因此需要對ＶＣＬ８５０進(jìn)行模態(tài)分析，排除自激振動的干擾。ＶＣＬ８５０的轉(zhuǎn)速區(qū)間在４８？１２０００巧ｍ，對應(yīng)頻率為２００Ｈｚ，首先對ＶＣＬ８５０的主軸箱進(jìn)行模態(tài)分析仿真，排除機床工作頻率是否在自激振動的區(qū)間。取六階模態(tài)，通過ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎ化得到仿真結(jié)果，其前六階固有頻率和對應(yīng)的模態(tài)振型如表2.1所示。

  

                                      表2.1 模態(tài)仿真分析結(jié)果

  

       

        

  

       可以看到主軸箱區(qū)間的一階固有頻率在２６３．１６Ｈｚ，證明ＶＣＬ８５０在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生的故障不是由自激振動造成的。

  

       下面主要介紹ＶＣＬ８５０立式加工中心主軸箱區(qū)域在工作轉(zhuǎn)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(zhuǎn)機械最為常見的故障類型之一。對機床主軸箱進(jìn)行裝配時，主軸系統(tǒng)的組件之間的安裝不當(dāng)，導(dǎo)致產(chǎn)生配合間隙。安裝刀具時，刀具系統(tǒng)（刀具一刀柄）與主軸錐孔的配合不良，都會在運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生動不平衡。主軸安裝之前，對主軸自身進(jìn)行動平衡試驗是十分重要的一環(huán)，主軸箱整體裝配完成之后，能夠?qū)崿F(xiàn)對動不平衡的在線測試，可１＾更為徹底的檢測動不平衡問題。主軸與刀具系統(tǒng)的安裝如圖２－３所示。

  

       

  

                            圖2.4 主軸與刀具的配合

       如圖2.5為轉(zhuǎn)子動不平衡示意圖，動不平衡主要表現(xiàn)在一個旋轉(zhuǎn)體的質(zhì)量中心、０與轉(zhuǎn)動中也０’不重合，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)過程中（角速度為Ｗ）形成了周期性的離心力Ｆ或者離心力矩的干擾，作用在機組及其相關(guān)部件，加劇旋轉(zhuǎn)機械的振動，同時產(chǎn)生噪聲，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Ｆ的大小與偏屯、距ｅＷ及旋轉(zhuǎn)角速度似有關(guān)，即：

                                                                                                         (2.1)

  

       就機床主軸箱區(qū)域來說，相關(guān)安裝部件自身的制造公差、部件安裝不當(dāng)、長時間運行后導(dǎo)致主軸系統(tǒng)產(chǎn)生很大溫升、長期使用導(dǎo)致部件磨損、等都是造成主軸動不平衡的主要原因。

  

       

  

                          圖2.5 轉(zhuǎn)子動不平衡示意圖

  

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

  

                                                       (2.2)

  

       在x,y方向則有：                         (2.3)

       令         經(jīng)過解析，在x,y方向的振幅Ax,Ay為：

                                           (2.4)

  

       動不平衡下的轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)過程中在x,y方向的振幅并不一定相等。

  

       2.2 不對中故障

  

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

  

       轉(zhuǎn)子不對中的實際含義是指軸系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(zhuǎn)子相關(guān)部件的制造誤差、安裝誤差或者長時間使用造成的熱變形等因素。轉(zhuǎn)子不對中可分為偏角不對中、平行不對中和偏角平行不對中三種，可看到電機通過同步內(nèi)齒帶輪連接主軸。主軸與電機的配合簡圖如圖2.6所示。

  

       

  

                                圖2.6 主軸與電機配合簡圖

  

       當(dāng)主軸中心與主軸電機中心線產(chǎn)生一定的偏角時（設(shè)偏角為ａ），則電機不能夠以為1:1的轉(zhuǎn)速比傳遞給主軸，主軸電機轉(zhuǎn)速為ω1，主軸轉(zhuǎn)速ω2。

  

       當(dāng)電機轉(zhuǎn)動角度為Ａ，設(shè)主軸轉(zhuǎn)動的角度為Ａ，將主軸的轉(zhuǎn)角向垂直于電機中心線的平面上投影，則：

  

                                                    (2.5)

  

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

  

       而傳動比為：           (2.7)

  

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

  

       因此產(chǎn)生了２倍頻的激振力。主軸的變化范圍為：

    

       

  

       可以看到當(dāng)電機轉(zhuǎn)動一周時，主軸的角速度變化了兩個周期，如圖2.7所示，ω1、ω2—周期內(nèi)的變化。如圖2.6，主軸實質(zhì)上由于角度不對中產(chǎn)生的偏心質(zhì)量，設(shè)為ｍ，主軸轉(zhuǎn)速為Ｗ，，則在某位置的偏也距為ｒ時，激振力徑向的表達(dá)式為：

  

       

  

                       圖2.7 電機、主軸角速度一周期內(nèi)的變化

  

       2.3 碰摩故障

  

       ＶＣＬ８５０立式加工中心的主軸箱剖面圖如圖２－６所示。主軸與電機通過同步內(nèi)齒帶輪連接，裝配工人依靠經(jīng)驗將調(diào)整螺釘實現(xiàn)對帶輪的張緊，由于調(diào)整不當(dāng)，帶輪張緊力過大，會影響到間隙配合的位置，產(chǎn)生碰摩的裝配故障。

  

       

        

  

                          圖 2.8 VCL850主軸箱剖面圖

  

       定子轉(zhuǎn)子碰摩是旋轉(zhuǎn)機械的常見故障，由于安裝不當(dāng)影響了定子轉(zhuǎn)子的間隙誤差，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和定子間的摩擦事故經(jīng)常發(fā)生，同時由于工況變動或過大的軸向推力，都有可能導(dǎo)致碰摩ＩＷ。圖２－８為碰摩力學(xué)模型圖。

  

       

  

       

  

       碰摩是轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動一周后與定子部件上的某區(qū)域發(fā)生接觸碰撞導(dǎo)致彈性變形及摩擦熱效應(yīng)的情況。Ｋ，為定子與轉(zhuǎn)子之間的等效剛度，將Fl和Fr分解到徑向的碰撞力Fx和切向的摩擦Fy，則有：

                               (2.10),

式中              R為圓盤的位移，R0為轉(zhuǎn)子的間厳，當(dāng)R≥R0時，有碰摩故障發(fā)生。

  

       力碰摩產(chǎn)生的接觸力足Ｗ改變轉(zhuǎn)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(yīng)值應(yīng)為各接觸點法向力的平均值之和。

  

       2.4 松動故障

  

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

  

       

  

                                   圖2.9主軸箱結(jié)合部

  

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

  

       由于安裝質(zhì)量不髙及長期的振動都會引起結(jié)合部位的松動故障，影響到主軸及電機的正常運行及安全。

  

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

  

       

  

       轉(zhuǎn)子運行時的微分方程為：

                                                           (2.11)

  

       式中：Ｍ為包括主軸與電機等部件的質(zhì)量矩陣；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為合外力向量；X為位移向量。

  

       Ks1,Km1分別為螺栓未松動時電機主軸連接處的等效剛度，Cs1,Cs2分別為螺栓未松動時電機主軸連接處的等效阻尼；Ks2,Km2分別為螺栓松動后電機主軸連接處的等效剛度，Cs2,Cm2分別為螺栓松動后電機主軸連接處的等效阻尼。設(shè)δ1,δ2分別表示電機、主軸栓接處未發(fā)生松動的臨界間隙值。則有：，  同理Cs,Cm的取值。

  

       由于系統(tǒng)剛度、阻尼的不穩(wěn)定，工作狀態(tài)下的機械結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)嚴(yán)重的非線性問題，發(fā)生松動部位的振動信號特征復(fù)雜多變。

  

       2.5 本章小結(jié)

  

       本章首先對ＶＣＬ８５０立式加工中心的結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行了簡要介紹，并證明了故障原因不是由于自身的結(jié)構(gòu)特點造成的。重點分析了ＶＣＬ８５０主軸箱可能存在裝配故障的區(qū)域，對幾種主要裝配故障（動不平衡故障、不對中故障、松動故障、碰摩故障）的內(nèi)在機理進(jìn)行了詳細(xì)闡述；為接下來對ＶＣＬ８５０主軸箱區(qū)域的故障信號檢測提供理論支撐。