１緒論

  

       1.1論文背景與（yǔ）硏究意義

  

       本（běn）論（lùn）文來源（yuán）於清華大學精密儀器與機械學係與南通科技數控（kòng）機床技術聯合（hé）研發（fā）中心開展的合作項目。

  

       立式加工中必的特點在（zài）於其主軸軸線與工作台垂直設置。立式加工中也因其發展較早，技術（shù）比較成（chéng）熟，同時具有高速、高精度（dù）等特點，因而在中小零件及中小模（mó）具加工中具有（yǒu）不可替代的優（yōu）勢。

  

       中國的數（shù）控機床經曆了凡十年的發展，己經取得了長足的（de）進步。中低端數（shù）控機床（chuáng）己經基本滿（mǎn）足了國內需求，但是（shì）在離端領域，我國與歐日美等國家相（xiàng）比，差距顯著，裝配對產品可靠性的影響非常濕著，國肉機床領域的從業人員和研巧人員將主要精力（lì）放在機（jī）床結構優化、切削性能改進（jìn）等方麵（miàn）上，對機床裝配工芝（zhī）的研巧（qiǎo）不夠重視，對相關領域的研（yán）巧也不夠深入。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（qī）也遠低於國外，這些都是國產高檔機床（chuáng）市（shì）場占有（yǒu）率不（bú）商的重要原因。

  

       當前數控機床的生產模式屬於多品種小批裏，數控機床（chuáng）製造企（qǐ）業（yè）的（de）裝配車間大多采用半自動裝配或純（chún）手工裝配的方式，基（jī）於這種裝配方式的特點，下幾個方麵導致了機床在裝配（pèi）環節可能會存在（zài）故暗隱患（huàn）。

  

       （１）人為因素，裝（zhuāng）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影響，進而對機床的綜（zōng）合性能也會產生影響。

  

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

  

       （３）機床裝配過程和裝配完成（chéng）後的檢測手段。由於機床在裝巧過程（chéng）和裝配完成後的測裏方式往往采（cǎi）用半自動（dòng）或（huò）手動的測量方式，測（cè）量方式並沒有執（zhí）行統一嚴格的標準，且限於測量工具自身的檢測水平（píng），同樣會對機床在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（zhuāng）配機床過（guò）程中，有些外購部件在不能及時到貨的情況下，為（wéi）了不影響（xiǎng）裝配進（jìn）度，不得不更改（gǎi）裝配順（shùn）序（xù），操作（zuò）工人在裝配現場為了自身的方便，也會出現不嚴格執行裝配工藝規程的現象；機床（chuáng）在安裝地點的精度指標與出（chū）廠預（yù）驗收的精度保持一致也是難以做到的。

  

       國內機床製造廠家為了提商機床性（xìng）能，通常關鍵部件采（cǎi）用國（guó）外產品，南通機床生產的ＶＣＬ８５０立式加工中心，主（zhǔ）軸、滾珠絲杠副、線性導軌均（jun1）為外購。盡管這些零部（bù）件自身的製造精度滿足要求（qiú），似裝配完成後，機床性能尤其在工況下的定位精度、動態（tài）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（zhōng）心同ＶＣＬ８５０立式加工（gōng）中心作對比，兩者在機床結構布置方式上大致相近。化起在技術參數指（zhǐ）標上者差距明思（sī），ＶＣＬ８５０立式（shì）加（jiā）工中心的定（dìng）位精度（dù）０.０１ｍｍ，重複（fù）定位精度０．００５ｍｍ，而（ér）ＶＦ－３係列立式（shì）加工（gōng）中心的定位精度０．００５ｍｍ，重複定位精度０．００２５ｍｍ。因（yīn）此在加工精（jīng）度上，ＶＣＬ８５０立式加１中屯、還有很大的提升空（kōng）間。另外在高速狀態下，ＶＣＬ８５０立式加工中心（xīn）的穩定性要弱於ＶＦ－３型（xíng）立式加工中也。南通科技的機床裝配工（gōng）藝規程長期以來主要依（yī）靠工人的現場工作經（jīng）驗巧累，研發設計人員並（bìng）沒（méi）有采用（yòng）實驗的（de）手段，需要通過量（liàng）化數據去（qù）支持論證機床裝配Ｘ藝（yì）流程的合理性。機床部件裝（zhuāng）配的累積誤差（chà）會影響到機（jī）床的加（jiā）工精度口（kǒu）由此可化，基（jī）於裝配工藝角度來對機床進行研巧分析（xī），對於（yú）提高機床（chuáng）的動態特性意義很大。圖１－１為某數按機床的（de）故障原因統計圖。

  

       

  

                    圖1.1某數挖機床的故（gù）障原（yuán）因統計圖

  

       綜上所述，從裝配角度對機床主軸箱進行檢（jiǎn）測，將（jiāng）化（huà）床裝配故障問題（tí）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（zhǐ）導性意見，方便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術儲備。

  

       1.2國內外硏究綜述

  

       1.2.1 機床主軸箱（xiāng）故隨診斷技術（shù）

  

       主軸（zhóu）箱的裝（zhuāng）配是機（jī）床的（de）重要一環（huán），主軸箱各部件的製造精（jīng）度Ｗ及它們之間的裝配故障將直接影響機床的加工性能。一旦機床主軸箱區域的相（xiàng）關部件裝配不達標，卻未予及時發現，將可能導致某些昂貴部件造成不可修複的損（sǔn）失。從先期的機床（chuáng）組裝階（jiē）段，針對機床主軸箱各部件的裝配進行相關檢測及分析，能夠在機床出現放障之前及早的發現問（wèn）題來源，可避免不必要的經濟損失。

  

       針對主軸箱的故障診斷，一（yī）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（yù）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）於觀察主軸箱的故障類型（xíng），一般將傳感器放置（zhì）在主軸附（fù）近，觀察主軸的運轉情況。

 

       現有文獻針對機械設備在工作過程中（zhōng）出現失效時的故障機（jī）理、特征等方麵（miàn）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。

  

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

  

       

  

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

  

       針對機床主軸箱故障診斷的研（yán）巧，楊（yáng）樹蓮Ｗ利用可變回轉角度（dù）階比（bǐ）分析的方法對機床主軸（zhóu）故障（zhàng）特征進行提取，收到（dào）了良知的效果。馮冬芳Ｐ１通過（guò）頻譜分析的（de）方法利用主軸軸承的振動信號，對主軸進行故掩（yǎn）診（zhěn）斷，並確定了（le）軸承端蓋的預緊（jǐn）力區間。周蘇波Ｗ對機床主軸的軸也軌（guǐ）進進行在線測試，發現機（jī）床主軸箱存在動不平衡的裝配故障。商榮Ｍ利用小波奇（qí）異性對主軸（zhóu）箱的振動信號進行處理，消去了外界喚聲對切削狀態下監測係統的幹擾，同時還可Ｗ對機械故障信號（hào）進行預（yù）測（cè），達到了（le）提（tí）高電主軸使用壽命的目的。

  

       1.2.2 故障信息處理技術

  

       故（gù）障信息處理技（jì）術（shù）通常由故（gù）障（zhàng）信（xìn）號（hào）的（de）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，分析處理就是對（duì）這些（xiē）信號進（jìn）行放大、濾波、去噪、調理、解（jiě）調變換等，進（jìn）而提取出對（duì）故障特（tè）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，傳統的去噪（zào）方法主要（yào）包括線性濾波（bō）和非線性濾波，其中的典型代表是中值濾波和Ｗｉｅｎｅｒ濾波。傳統去噪方法的不足在於信號（hào）變換（huàn）後的炯増（zēng）高，無法（fǎ）刻畫信號（hào）的非平（píng）穩特性（xìng）並見無法得到信號的相關性。在信號去噪方法研究的早（zǎo）期過程中，由於受到理論方法的限製（zhì），從（cóng）振動信號（hào）中去（qù）除外部（bù）噪聲（shēng）幹擾主要采用傳統（tǒng）去噪方法（fǎ），取得了一些研究成果。１９８１年王祖榮提出了一種將（jiāng）係統進一步簡化為（wéi）滿足文泰（tài）濾波條件定常係統的簡化非線性濾波方法。１９８７年陳關（guān）榮ｎｓ］研究了非線性動態及觀測係統濾波（bō）問題的一種樣條函數遞推算法。隨著科技的發展，許（xǔ）多先進的去噪技術例如小波變換、ＨＨＴ變換、ＥＭＤ分解等（děng）先後出現。在機械故障診斷（duàn）領域獲得了（le）實際應（yīng）用，取得了很好的科研（yán）成果。１９９８年傅瑜對小波理論在（zài）若幹（gàn）旋轉機械設備故障診（zhěn）斷中的實際應用問題開展了（le）研巧。２００４年胡峰等15位學者利用小波降噪的方法提取（qǔ）故障信號，並用ＡＲ模型進行譜估計，確定齒輪的故障類型及嚴重程度。２００８年劉樹（shù）春等（děng）Ｗ研究了基於二代小波的振動信號去噪相關（guān）技術。２０１３年孟宗等提出了一種解決ＨＨＴ分析中模態裂解現象的方法，即基於快速獨立分量分析消噪的ＨＨＴ分析方法，仿真與實例結（jié）果表明（míng），該方（fāng）法能有（yǒu）效抑製ＨＨＴ過程中的模態裂解（jiě）現象，有效提取信號的特（tè）征頻率，進而實（shí）現旋轉（zhuǎn）機械故障診斷。

  

       1.2.3 故摩特征提（tí）取與分析（xī）技術（shù）

  

       故障特征提取局分析技（jì）術是當前故睹診斷的瓶頸，直接影（yǐng）響到故障早期預報的可靠性與機械故障診斷的準確性。故障診（zhěn）斷信息處理技（jì）術研巧的主要內容包括時間序（xù）列分析、統計分析、傳遞函數分析、相關分析、頻（pín）譜分析、相幹分析、細化譜分析、包絡分析、模態分析和倒譜（pǔ）分析等（děng），其理論基礎是數理統計和隨（suí）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分析（xī），傅裏葉變（biàn）換與反（fǎn）變換建立了信號在時間域與頻率域之（zhī）間（jiān）相互轉化的橋梁，提供了信號的時域（yù）分析（xī）和頻域分析兩（liǎng）種方法。因此，傳統的故障（zhàng）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（lèi）ＰＷＩ１，１９８３年埃什爾曼等腳利用波（bō）動分析儀對電動機同步和非（fēi）同（tóng）步過程進行了時域方麵的分析（xī）。陳瑞琪（qí）等人於１９８５年利用聲強分（fèn）析（xī）儀及頻（pín）率（lǜ）分析儀係統對紡機錠子（zǐ）和氣流紡紗高速（sù）軸承組件的振動、噪聲進行頻譜分析，以了解兩者的主頻率及（jí）相互關係。１９９２年艾延廷等對齒輪故障檢測中時域分（fèn）析技（jì）術的實現過程，齒輪故障的特征波形（xíng）及特征參數進（jìn）行了討論，並引（yǐn）證（zhèng）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（shí），由於設備運轉的不平穩、外在（zài）負荷的交替變化、不確定性的衝擊等因素（sù）導致振動信號並非始終是平穩（wěn）的，從而使基於平穩過程（chéng）和（hé）線性係統的傳統信號處理理論的應用受到限製Ｐ５１。傳統的傅立葉變換從頻域角度分（fèn）析振動（dòng）信號（hào）的（de）特征信息，僅適用於對（duì）平穩信號的分析，在處理非平（píng）穩信號時會出現很大（dà）誤差，甚至與實際（jì）情況大相徑庭。隨著現代信號處理技術的發展和逐漸成熟，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（jiǎn）稱ＰＣＡ）、經驗模態分解（簡稱ＥＭＤ）、隱Ｍａｒｋｏｖ模型（簡稱ＨＨＭ）等。林京等學（xué）者建立了基於連續小波變換的奇（qí）異性檢測方法，並（bìng）將這種方法應用在壓縮巧（qiǎo）氣閥（fá）的故障診斷（duàn）中，充分顯示（shì）了該方（fāng）法的有效性。張生（shēng）對某巧輪箱（xiāng）進行（háng）故障診斷，模態分析中的固有頻率和振（zhèn）型作為識別故暗（àn）的重要參數特征，胡（hú）勁鬆利用（yòng）經驗模態分（fèn）解的方法應用到旋轉機械信號處理與故（gù）隋診斷，為非線性和非穩態的故（gù）障分析與診斷給出了一條新的（de）途徑。下（xià）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斷方法，而且利用這種方法對旋轉機械的故障實現了（le）進行（háng）了有效的分類。

  

       1.2.4 故膊源位置識別技術

  

       機（jī）床存在機械故障時，必定（dìng）會衍生出額外的激勵、噪聲。工程技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）性的機械結構進行調整，解決機械（xiè）故障問（wèn）題。從這個角度上說，故陣源識別技術的應用前景廣泛。故障（zhàng）源識別技術最初（chū）主要應（yīng）用在汽車領域，隨著科學技術的不斷發展，逐漸應用到船舶（bó）、機床、飛機、鐵道等領域。從（cóng）６０年代開始，隨著（zhe）計算機的迅速發展，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動嗓聲緊密相關的計算（suàn）分析（xī）理論巧軟件（jiàn）。目前較為主流的有限元分析巧件代表有；ＡＮＳＹＳ、ＡＢＡＱＵＳ、ＭＳＣ－振動測試類的產品有機公（gōng）司的數據采集卡係列，其中比利時的ＬＭＳ公司的測試係統（tǒng）是ＮＶＨ領域的行業領（lǐng）導者，應（yīng）懷樵教授創建的北京東方振動和噪（zào）聲技術研巧所在國內（nèi）也有一定的（de）聲譽。

  

       國內外對故陣源識別的方法有分步運巧消去法（fǎ），頻譜分析法，即相幹函數法，層次（cì）分析法（fǎ），傳遞路徑分析法（ＴＰＡ），統計能量法等，主成分分析法，獨立分量分（fèn）祈法等（děng）等。在此僅介（jiè）紹前三種方法。

  

       1. 分（fèn）步運轉（zhuǎn）法

  

       分步運轉消去法即對一個複雜的機械係統進行故障源識別時（shí），首先在同一部（bù）位，不同時間下，對係統的總體振動噪聲響應（yīng）進行測試，然後逐步關閉係統的各個故障源，與此同時測試關閉故障源後的振動噪聲響應，根據疊加原理，確定各個（gè）故障源對係統總體的（de）貢獻大小。這種方法簡單，便於直觀發現問題。但實際工作（zuò）中複雜的機械係統，各個故（gù）障源往往鍋合在一起，難Ｗ單獨（dú）開啟關閉某一故障源，因此針對複雜的（de）機械係統，分布運轉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（pín）域對故障源進行（háng）識別，一般不同的振動噪聲故障源（yuán）具有不（bú）同的頻（pín）率特（tè）性。可通過頻譜分析，依據幅值大小主觀判（pàn）定故障（zhàng）源的貢獻大小。但由於機（jī）械結構自身的（de）動態特性，幅值最大（dà）的區域並非總是故障源（yuán）區域，這種依據是不成立的。

  

       3. 相幹分（fèn）析法

  

       相幹分析法作為（wéi）－－種比較成熟的技術廣泛應用到了振動（dòng）噪聲領域，P.R Roth於１９７１年在有（yǒu）背景噪聲的情況下，利用（yòng）常（cháng）相幹分析方法正確識別了噪聲源。M.Caliskan利用相幹分析用（yòng）於紡織機（jī）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（yú）故障源識別，與國內對相（xiàng）幹分析的研（yán）巧始於上個世紀８０年（nián）代，吳浩珪（guī）等人於１９９５年利（lì）用相幹分析法確定了某柴油客車的主要噪聲源，並進行了後續的降噪處理。張衰維等人利（lì）用自功率譜分（fèn）析與相幹分析技術（shù），對某台內燃叉車的液力變速箱進（jìn）行測試分析，找到了該變速箱（xiāng）產生噪聲的主要來源。

  

       4. 傳遞（dì）路（lù）徑分析法

  

       傳（chuán）遞路（lù）徑分析（xī）（ＴＰＡ）是指通過試驗來跟蹤（zōng）由源經過（guò）一係列己（jǐ）知結構或空（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（yīng）點每個路徑能量的矢裏貢獻，從而確定為了解決（jué）特定的問題，路（lù）徑上（shàng）哪些部件需要修改，或（huò）者通（tōng）過結構優化設計使（shǐ）部（bù）件得（dé）到（dào）理想的特（tè）性。於上（shàng）個世紀９０年代（dài）開始發展起來，如（rú）今在機械（xiè）故障診斷、部件性能（néng）改進、振動噪聲源（yuán）識別等方麵（miàn）得到了很好的應用，己經被（bèi）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。比利時的ＬＭＳ公司的ＬＭＳＴｅｓｔｌａｂＴｒａｎｓｆｅｒＰａｔｈＡｎａｌｙｓｉｓ軟件在汽車領域得到了廣泛好評與普遍應用，ＬＭＳ公司在空氣聲（shēng）定量識別、多參考點傳遞路（lù）徑分析、王（wáng）況（kuàng）傳遞經分（fèn）析等方麵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（duì）車內進行聲學診斷（duàn）；福特公司的ＰｅｒｒｙＧｕ等人對巧態振動（dòng）狀態下的車內振動巧（qiǎo）聲進行了定量分（fèn）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（de）影響進行了分析等等。目前國內開展傳遞路徑分析研（yán）巧的單位主要Ｌ：高校和科研院所為（wéi）主，吉林大學、同濟（jì）大學、上海（hǎi）交通（tōng）大學（xué）Ｗ及長安汽研院在這（zhè）方麵做出了不錯的成績，並且應用到了很多領域。吉林大學的起形（xíng）航ｔ＂］利用傳遞路徑分析法較完整地分析了車（chē）內振動噪聲的（de）傳遞路徑，建立了車內振動噪聲傳遞模型，並對主要的傳遞路徑進行分析，取得了很好的預期效果。同濟大學的郭榮等對燃料電池轎（jiào）車（chē）車內噪聲的傳遞路徑進行了分析研究，在怠速工況下對車內噪聲進行傳遞路徑測試試（shì）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（jìng）分（fèn）析的相關軟件，針對某新車型的車（chē）內噪聲問題進行了傳遞路徑分析，找到了對車內噪聲影響最大的傳遞路徑，針對性地（dì）對部分部件進行結（jié）構優化，有效地消除了（le）運行狀態下的（de）車內（nèi）噪（zào）聲問題。總體上說國內的（de）高校和研（yán）究機（jī）構對傳遞路徑分（fèn）析方法的研究應用還處於摸索前進階段。

  

       1.3  論文主（zhǔ）要硏究（jiū）內容

  

       機床部（bù）件（jiàn）裝配的累積（jī）誤差４影響到機床（chuáng）的加工精度本論（lùn）文（wén）針對某立式加工中屯、的主軸箱在裝配（pèi）出廠階段進行質量檢測及分析，將機（jī）械故障診斷的理論和方法應用於工廠實際生產中，這種探索與嚐試，對現場工人進行機床質量檢驗和（hé）機（jī）床裝配工藝規（guī）程的不（bú）斷改（gǎi）進具有（yǒu）指（zhǐ）導意義。另外（wài），本論文（wén）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（fā）積累了資料素材。本論文的主要研巧內容如下；

  

       （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（tàn）討分析。

  

       （2）結合測試方案（àn）和要（yào）求，選用合適的傳感器、數（shù）據采集卡，利用LabVIEW軟件進（jìn）行編程，構建針對主（zhǔ）軸箱區域的測試係統。實現基於相關分析的濾波降噪功能、相（xiàng）位（wèi）測量功能（néng），頻域分析功能，基於ＳＶＤ法、不變矩法的軸也軌跡識別功能。

  

       （3）利用轉子實驗台，對動不（bú）平（píng）衡、角亭不對中、鬆動等Ｈ種不同類型的裝配故障進行模巧實驗，並（bìng）結合相關文（wén）獻，初步確定三種不同類型裝配故巧的信號特征表現形式。

  

       （4）結合（hé）模態（tài）動能法與有（yǒu）效獨立（lì）法，針對主軸箱在工作激勵下如（rú）何實（shí）現傳感器的優化布置開展研巧，為（wéi）機械故席診斷前期如何優化布置傳感器（qì）提供了一種新的思路。

  

       （5）對空轉狀態（tài）下的主軸箱區域振動信（xìn）號進行采集，對振動信號進行降巧處理，分析裝配（pèi）主軸箱故障原因；對主軸（zhóu）運行狀態下的軸屯、軌跡進行檢測，並基於ＳＶＤ法、不變矩法對主軸的軸屯、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，實現對不同主要的裝配故障類型的分類識別。

  

       （6）基於傳迸路徑分析的原理，對不同裝配故障產生的異常故障源位置進行判（pàn）定：首先介紹故障源識（shí）別采用的主要方法，然後利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ仿真軟件實現對主軸箱故障源位置（zhì）的識別，最終開展實驗論證這種故障源位置識別（bié）方法的可行性。

  

       ２ ＶＣＬ８５０主（zhǔ）軸（zhóu）箱主要的裝配（pèi）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（shì）南通機床自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（de）機械手刀庫，可完成較、統、鑽、錯、攻絲等多種工序的切削（xuē）加工（gōng）。

  

       

  

                           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、的主軸箱區域。ＶＣＬ８５０立式加工中（zhōng）也主軸箱區域（yù）的裝配圖如圖２－２所示。主要（yào）包括（kuò）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（huì）導致機床在後續工作中出現不同類（lèi）型（xíng）的機（jī）械故陣，在工作狀態下，化床所（suǒ）表現出不同形式的信號特征可指導檢測人員判定故障（zhàng）原因。不同（tóng）振動類型（xíng）及表現形式如圖２－３所示，簡單描述了不同振動類（lèi）型所表現的信號特征：

  

       

  

                                 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構決（jué）定的，在機床出廠階段，受迫振動（dòng）則是（shì）由（yóu）裝配不當造成的（de）。因此需要對ＶＣＬ８５０進行模態分（fèn）析，排除自激（jī）振動的幹擾（rǎo）。ＶＣＬ８５０的轉速區間（jiān）在４８？１２０００巧ｍ，對應頻率為２００Ｈｚ，首先對ＶＣＬ８５０的主軸箱進（jìn）行模態分析仿真，排（pái）除機床工作頻（pín）率是否在自激振動的區（qū）間。取六階模（mó）態，通過ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎ化得到仿（fǎng）真結果，其前六階固有頻（pín）率和對應的模態振型如表（biǎo）2.1所（suǒ）示。

  

                                      表（biǎo）2.1 模態（tài）仿（fǎng）真分析結果

  

       

        

  

       可以看到主軸箱區間的一階固有頻率在２６３．１６Ｈｚ，證明ＶＣＬ８５０在（zài）工作轉速範圍內產生的（de）故障不是由自激振動造成的。

  

       下麵主要（yào）介紹（shào）ＶＣＬ８５０立式（shì）加工（gōng）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，主軸係統的組件之（zhī）間的安裝不當，導致產生配（pèi）合間隙。安裝（zhuāng）刀具時，刀具係統（tǒng）（刀具一刀柄）與（yǔ）主軸錐孔的配合不良，都會（huì）在運轉過程中產生動不平衡。主軸安裝之前，對主（zhǔ）軸自身（shēn）進行動平衡試驗（yàn）是十分（fèn）重要的一環，主軸箱整體裝配完成之後，能夠實現對動不平（píng）衡的在線測（cè）試，可１＾更（gèng）為徹底的檢測動不平衡問題。主軸與刀具（jù）係統的安裝如圖２－３所示。

  

       

  

                            圖2.4 主軸與刀具的配合

       如圖2.5為轉子動（dòng）不平衡示意圖，動不平衡主要表（biǎo）現在一個旋轉體的（de）質量中心、０與轉動中也０’不重合，導（dǎo）致轉子在運轉過程中（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部件（jiàn），加劇旋轉機械的振動，同時產生噪聲，在（zài）一定程度上加速了軸承等（děng）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（jí）旋轉角速度似（sì）有關，即：

                                                                                                         (2.1)

  

       就機床（chuáng）主軸箱區域來說，相關安（ān）裝（zhuāng）部件自身的製造公差（chà）、部件安裝不當、長時間運（yùn）行後導致主軸係統產生很大溫（wēn）升、長期使用導（dǎo）致部件磨損、等（děng）都是造成（chéng）主軸動不平衡的主要原因（yīn）。

  

       

  

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

  

       如圖所（suǒ）示（shì），O為轉子的轉（zhuǎn）動中心，O’為轉子的質量中心（xīn），ｅ為偏心距，ｗ為轉子角速度，θ為偏心夾（jiá）角。若考（kǎo）慮阻（zǔ）尼（ní）的影響，則轉子運動微分方程為：

  

                                                       (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運轉過程（chéng）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，電機通過同步內齒帶與主（zhǔ）軸連接，張緊力施加的不合理，極（jí）有（yǒu）可能造成主軸、電機偏角不對中的（de）情況發生。

  

       轉子不（bú）對中的實際含義是指軸（zhóu）係連接同心度和平直（zhí）度的偏差故障。造成轉子不對中問題的原因主要有轉子相（xiàng）關部件的製造誤差、安裝誤差或者長時間（jiān）使用造成的熱變形等因素。轉子不對（duì）中可（kě）分為偏角不（bú）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齒帶輪（lún）連接主軸。主軸（zhóu）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（jiǎn）圖

  

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

  

       當電機轉動角度為Ａ，設主軸（zhóu）轉動的角度為Ａ，將主軸的轉（zhuǎn）角向垂直於電機中心線的平麵上投影，則：

  

                                                    (2.5)

  

       （2.2）公（gōng）式兩（liǎng）邊對時間求導得：          (2.6)

  

       而（ér）傳動比為：           (2.7)

  

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

  

       因此產生了２倍頻的激振力。主軸的變化範圍為：

    

       

  

       可以（yǐ）看到當電機轉動一周時，主軸的角（jiǎo）速度變化了兩個周期（qī），如圖2.7所示，ω1、ω2—周（zhōu）期內的變化。如圖2.6，主軸（zhóu）實質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（jìng）向的表（biǎo）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立式加工中心的主軸箱剖麵圖如圖２－６所示。主軸（zhóu）與電機通過同步內齒帶輪（lún）連接，裝配工人依靠經驗將調整螺釘實現對帶輪的張緊，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（cháng）見故障，由於安裝不當影響了定子轉（zhuǎn）子的間隙（xì）誤差，導致轉子和定子間的摩擦事（shì）故經常發生，同（tóng）時由於工況變動或過大的軸（zhóu）向推力，都有可能導致碰摩ＩＷ。圖（tú）２－８為碰（pèng）摩（mó）力學（xué）模型（xíng）圖。

  

       

  

       

  

       碰摩是轉子在轉（zhuǎn）動一周後與（yǔ）定子部件上（shàng）的某區域發生接觸碰撞導（dǎo）致彈性變形及摩擦熱效應的情（qíng）況。Ｋ，為定子與轉子之間的等效剛度，將Fl和Fr分解到徑向的（de）碰撞力Fx和切向的摩擦（cā）Fy，則有：

                               (2.10),

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

  

       力碰摩產生的接觸力足Ｗ改變轉子（zǐ）軌（guǐ）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（dòng）響應值應為各（gè）接觸點法向力的（de）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（zhǔ）軸箱結合部與主（zhǔ）軸與主軸箱結合（hé）部。

  

       

  

                                   圖2.9主軸箱結合部

  

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

  

       由於安裝質量不髙及長期的振動都會（huì）引起結合（hé）部位的鬆動故障，影響到主軸（zhóu）及電機的正（zhèng）常運行及安全。

  

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

  

       

  

       轉子（zǐ）運（yùn）行時的微分方程為：

                                                           (2.11)

  

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

  

       Ks1,Km1分別為螺栓未（wèi）鬆動時電機主軸連接處的等效剛度，Cs1,Cs2分別（bié）為螺栓未鬆動時電機主軸連接處的（de）等效阻尼（ní）；Ks2,Km2分別為螺栓鬆動後電（diàn）機主軸連接處的等效剛度，Cs2,Cm2分別為螺栓（shuān）鬆動後電機主軸連接處的等（děng）效阻尼。設δ1,δ2分別表示電機、主軸栓接處未發生鬆動的（de）臨界間隙值。則（zé）有：，  同理Cs,Cm的取值。

  

       由於係統剛度、阻尼的不穩定，工作（zuò）狀態下的機械結構呈（chéng）現嚴重的非線性問（wèn）題，發生鬆（sōng）動部位的振（zhèn）動信號特征複（fù）雜多變。

  

       2.5 本（běn）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，並證明了故（gù）障原因（yīn）不是由於自身的結構特點（diǎn）造成的。重點分析了ＶＣＬ８５０主軸箱可能存（cún）在裝配故障的區域，對幾種主要裝（zhuāng）配故（gù）障（動不平衡（héng）故障、不對中故障、鬆動故（gù）障、碰（pèng）摩故障（zhàng））的內在（zài）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。