基于動(dòng)態(tài)特性分析的機(jī)床主軸裝配故障診斷硏究（中）
2017-7-13 來源：北京交通大學(xué) 作者：李凱旋
３.主軸箱測試系統(tǒng)的構(gòu)建
本論文主要針對ＶＣＬ８５０的主軸箱區(qū)域裝配問題開展研巧。需要構(gòu)建相應(yīng)的測試系統(tǒng)對主軸箱區(qū)域的信號進(jìn)行采集、保存、離線處理、分析，進(jìn)而確定主軸箱區(qū)域存在何種類型的裝配故障問題。因此本章重點(diǎn)介紹測試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件的選用Ｌ義及軟件的功能特點(diǎn)Ｈ方面的內(nèi)容。
３．１測試系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)
針對主軸箱區(qū)域，需要檢測的內(nèi)容包括；主軸箱相關(guān)區(qū)域的振動(dòng)信號，主軸運(yùn)行時(shí)的軸屯、軌跡等。因此需要滿足如下要求；
（１）可從滿足機(jī)床工作頻率范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)精確采集。
（２）可同時(shí)采集多組、不同的信號類型。
加速度傳感器主要測試ＶＣＬ８５０主軸箱區(qū)域（徑向、軸向）附近的振動(dòng)信號，電鍋流位移傳感器主要測試主軸運(yùn)行狀態(tài)下的軸也軌跡，光電傳感器用于標(biāo)定鍵相信號，激光位移傳感器用于測試主軸運(yùn)行狀態(tài)下的徑向跳動(dòng)量。
測試系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)如圖３－１所示。
圖３－１測試系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)
３．２測試系統(tǒng)的巧件選型
選擇滿足測試要求的硬件是滿試系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，選擇的硬件直接影巧到測試的結(jié)果，因此必須選擇合理的測試硬件，
（１）傳感器的選用
１）本論文選用ＰＣＢ公司生產(chǎn)的３５Ａ１６型的壓電加速度傳感器，內(nèi)置１Ｃ放大器，將傳統(tǒng)的壓電加速度傳感器與電荷放大器集于一體，能夠直接記錄、方便與采集設(shè)備進(jìn)行連接，簡化了測試系統(tǒng)，提高了測試的精度與可靠性，同時(shí)它具有較高的信噪比，傳感器體積較小，同時(shí)在檢測范圍內(nèi)具有良好的線性特性，實(shí)物圖及巧主要參數(shù)指標(biāo)如表３－１所示。
表３－１加速度傳感器主要參數(shù)指標(biāo)
２）電渦流位移傳感器傳感器采用ｂｅｎｔｌｙ公司的３３００ＸＬ１１ｍｍ型產(chǎn)品，與振動(dòng)變送器一并使用：電禍流傳感器用于檢測被測金屬導(dǎo)體與探頭端面之間靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的相對位移的變化檢測到的振動(dòng)信號，振動(dòng)變送器負(fù)責(zé)將振動(dòng)信號按照比例變送成４至２０ｍＡ信號。能夠連續(xù)準(zhǔn)確的采集到轉(zhuǎn)子在運(yùn)行狀態(tài)下的多種參數(shù)指標(biāo)，例如主軸運(yùn)巧狀態(tài)下的徑向跳動(dòng)豊、軸向位置Ｗ及振幅。實(shí)物圖及其主要參數(shù)指標(biāo)如表３－２所示。
表３－２電鍋流位移傳感器主要參數(shù)指標(biāo)
３）光電傳感器與ＰＸＩｅ－６３４１電壓采藥卡配合，Ｗ轉(zhuǎn)子持定位置作為標(biāo)記，獲得高低電平信號與電禍流位移傳感器相互配合，得到相位信息。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
本論文主要利用ＮＩＰＸＩｅ￣４４９２、ＮＩＰＸＩｅ－６３４１數(shù)據(jù)采集卡和ＬＭＳ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成信號的采集工作。
１） ＮＩ ＰＸＩｅ＞４４９２是一款專為聲音和振動(dòng)應(yīng)用而巧計(jì)的高精度數(shù)據(jù)采集模塊。最高采樣率可達(dá)２０４．８ＫＨＺ，可攜帶８通道４Ｘ ＩｎｆｉｎｉＢａｎｄ連接器與ＢＮＣ型接頭傳感器連接。實(shí)物圖及其主要參數(shù)指標(biāo)如表３－３所示。
表３－３ ＰＸＩＥ－４４９２主要參巧指標(biāo)
２） ＮＩ化Ｉｅ－６３４１具備４路３２位計(jì)數(shù)器／定時(shí)器，可高級定時(shí)和觸發(fā)，配有ＮＩ－ＳＴＣ３定時(shí)和同步技術(shù)，針對ＰＷＭ、編碼器、頻率、事件計(jì)數(shù)等功能均能滿足需求。實(shí)物團(tuán)及其主耍參數(shù)指標(biāo)如表３－４所示。
表３－４ ＰＸＩＥ－６３４１主要參數(shù)指標(biāo)
引本課題采用ＬＭＳ公司的ＬＭＳ數(shù)據(jù)采集設(shè)備，如圖３－２所示。ＬＭＳ數(shù)據(jù)采集設(shè)備專業(yè)用于對噪聲、振動(dòng)、聲學(xué)和疲勞耐久性能測試，利用ＬＭＳ數(shù)據(jù)采集設(shè)備對實(shí)驗(yàn)對象的輸入輸出信號巧行采策分析，巧現(xiàn)對未知巧障源位置的有效識別。
圖３－２ＬＭＳ數(shù)據(jù)采染設(shè)備
３．３測試系統(tǒng)的軟件總體設(shè)計(jì)
本論文采用的是美國國家儀器（Ｎ１）公司研制開發(fā)的ＬａｂＶＩＥＷ軟件進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。這種閱形化編輯語言便于上手，使用這種語言編程時(shí)，轄本上不寫程序代碼．取而代之的是流程圖或框圖。同ＢＡＳＩＣ和Ｃ－樣，ＬａｂＶＩＥＷ也是一套通用的編程系統(tǒng)，內(nèi)部配置可完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫。它廣泛的應(yīng)用于測試測量、控制、仿真、快速開發(fā)、跨平臺運(yùn)行等各個(gè)領(lǐng)域。
本論文通過ＬａｂＶＩＥＷ軟件將本論文的研巧內(nèi)容設(shè)計(jì)成不同的功能模塊，主要包括：加速度信號的測試和位移信號的測試。其中兩個(gè)領(lǐng)域里面又由不同的子模塊構(gòu)成。具體包括；原始數(shù)據(jù)的采集、濾波、隔直、頻譜分析、軸屯、軌跡測試、數(shù)據(jù)保存、故障識別等功能。軟件測試系統(tǒng)的功能模塊如圖３－３所示。
Ａ．加速度測試模塊
ＮＩＰＸＩｅ－４４９２最離采樣率可達(dá)２０４．８ＫＳ／Ｓ兩方面因素，設(shè)置采樣率４０％Ｈｚ，采樣數(shù)４０９６。
加速度傳感器共有６個(gè)采集數(shù)據(jù)通道，首先通過數(shù)據(jù)采集模塊將原始數(shù)據(jù)寫入計(jì)算機(jī)，然后通過數(shù)據(jù)分流，分配到單數(shù)據(jù)分析模塊，進(jìn)行時(shí)頻域分析，也可對特定頻率的信號幅值進(jìn)行監(jiān)測。由于選用連續(xù)采集的方式，程序始終處于ｗｈｉｌｅ循環(huán)狀態(tài)，．需要ＬａｂＶＩＥＷ軟件的生產(chǎn)者－消費(fèi)者模式對循環(huán)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出，保存。也可在離線狀態(tài)下對數(shù)據(jù)進(jìn)巧處理分析。加速度信號的程悼框圖如圖３－４所示。
Ｂ．位移測試系統(tǒng)
位移測試系統(tǒng)主要將電禍流傳感器測得的信號進(jìn)行采集、處理、分析。其數(shù)據(jù)采集模塊、處理分析模塊同加速度測試系統(tǒng)，由于兩路電鍋流傳感器同時(shí)采集且互成９０度角，需要對這兩路信號合成，實(shí)時(shí)顯示主軸運(yùn)行狀態(tài)下的軸也軌跡。由于整個(gè)測試界面比較復(fù)雜，下面主耍介紹幾個(gè)模塊：（１）相關(guān)濾波Ｗ：帶濾波信號為帶有諧波、直流偏置（Ｃ）、隨機(jī)噪聲（７＾（０）等成分的復(fù)雜信號ｙ的，表示為；
相關(guān)濾波器的程序巧圖如圈３－５所示。
（２）相位測量
本論文可根據(jù)多重相關(guān)法和ＦＦＴ分析法對相位進(jìn)行測量。多重相關(guān)法可Ｌ：Ａ有效消除隨機(jī)噪聲對主信號的影響，設(shè)兩組含隨機(jī)噪聲的兩路信號為ｘ（ｆ）、ｙ（＜）表達(dá)式為：
利用多重相關(guān)的方法，可ｗ更有效的去除外界噪聲干擾，綜合考慮本論文采用二重相關(guān)法測試電鍋流位移傳感器與光電傳感器測得的信號相位差，程序框圖如圖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(jìn)行檢測，軸‘６軌跡測試的流程酬圖３－７所示。
圖３－７軸屯、軌跡測試的流程困
３．５本章小結(jié)
本辜苗先介紹了機(jī)床主軸箱區(qū)域常化的幾種主要的裝配故障類型，產(chǎn)生這幾種故障的機(jī)理和對應(yīng)的信號將征，為接下來的機(jī)床主軸箱醫(yī)域檢測、故障類型的判別提供了理論依據(jù)；其次介紹了對主軸箱區(qū)域進(jìn)行撿測之前選用的硬件設(shè)備和相關(guān)技術(shù)參數(shù)，利用ＬａｂＶＩＥＷ設(shè)計(jì)了主軸箱區(qū)域的檢測系統(tǒng)和主耍的功能模塊，為接Ｔ來的信號檢測做好準(zhǔn)備。
４.主軸箱裝配故障的模擬實(shí)驗(yàn)
第二章主要針對主軸箱區(qū)域可能存在何種類型的裝配故障及其內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了分析研巧，第Ｈ章就圍繞主軸箱區(qū)域構(gòu)建的測試系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。為了更好的對主軸箱區(qū)域的裝配故障類型進(jìn)行判斷，需要在實(shí)驗(yàn)室開展針對性的模擬實(shí)驗(yàn)，觀察不同的裝配故障類型在時(shí)域、頻域、軸也軌跡等表現(xiàn)什么樣的信號特征。方便后續(xù)去機(jī)床現(xiàn)場進(jìn)行信號測試時(shí)提供一定的數(shù)據(jù)參考。因此本章針對主軸箱區(qū)域幾種主要的裝配故障類型開展了相關(guān)的模擬實(shí)驗(yàn)。
如圖４－１為轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺，由模擬臺調(diào)速器控制轉(zhuǎn)速大小。可通過對轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺上的不同部件進(jìn)行人為的裝配調(diào)整，模擬實(shí)際工況的不同類型的裝配故障。圖中可看到，利用第Ｈ章選用的硬件和構(gòu)建的測試系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)巧檢測分析。兩個(gè)電禍流位移傳感器互相垂直，測試轉(zhuǎn)子在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的徑向跳動(dòng)量；光電傳感器在標(biāo)記位置確定基準(zhǔn)相位：光電傳感器照射到標(biāo)記位置時(shí)為高電平，其他位置為低電平。
圖４－１轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺
４．１動(dòng)不平衡實(shí)驗(yàn)
圖４－１的轉(zhuǎn)子某部位存在缺失螺釘，模擬動(dòng)不平衡。模擬臺調(diào)速器將調(diào)整轉(zhuǎn)子Ｌ的轉(zhuǎn)速，８００巧ｍ左右的轉(zhuǎn)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(gè)電鍋流傳感器的相位基本穩(wěn)定在５７°和１５０°左右，證明動(dòng)不平衡位置與基準(zhǔn)相位呈５７°左右夾角，兩個(gè)電巧流傳感器互成９３。夾角。動(dòng)不平巧的信號特征主要表現(xiàn)為：
（１）在轉(zhuǎn)子徑向測得的頻譜圖上，頻譜能量集中在基頻（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對應(yīng)的頻率），轉(zhuǎn)速頻率成分有突出的峰值；
（巧轉(zhuǎn)速頻率的數(shù)倍于基頻的頻譜幅值很低，時(shí)域上的波形接近于正弦波，且基頻對應(yīng)的幅值隨轉(zhuǎn)速的升高而變大，相位比較穩(wěn)定。
(2）由于轉(zhuǎn)軸在各個(gè)方向上的支承剛度存在差別，轉(zhuǎn)子不平衡表現(xiàn)在ｘ、ｙ方向的幅值也不同，轉(zhuǎn)子的軸屯、軌跡接近于楠圓形。
４．２不對中故障實(shí)驗(yàn)
將轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺的一端底座用墊片墊離造成兩端底座商低不平，使轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸形成一定夾角，模擬不對中問題。利用模擬臺調(diào)速器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，ＷｎＯＯｒｐｍ左右
可Ｌ義管到轉(zhuǎn)子不對中時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的—倍頻幅值明顯，軸屯、軌跡呈香蕉形。綜合本實(shí)驗(yàn)及文獻(xiàn)可知，轉(zhuǎn)子不對中引起的故障主耍信號特征為＂，ｉｗｉ：３
（１）若對振動(dòng)信號進(jìn)巧頻譜分析，其頻譜成分主要Ｗ—倍頻和二倍頻為主轉(zhuǎn)子不對中的程度越嚴(yán)重，二倍頻的幅頻特性越明顯，其至超過一倍頻。
（２）從轉(zhuǎn)子徑向檢測其信號，其兩個(gè)方向的時(shí)域波形類似崎變的正弦波。轉(zhuǎn)子的軸屯、軌跡呈香蕉形Ｉ當(dāng)二倍頻的幅值更加明顯時(shí)，其軸＇。軌跡呈８字形。
４．３松動(dòng)故障實(shí)驗(yàn)
使底座的螺巧略為松動(dòng)，模擬松動(dòng)故障。將模擬臺調(diào)速器調(diào)到較低的巧速，Ｌ：Ａ６００巧ｍ為例，為了更加便于觀察，對信號采取直流分量隔離的措施。測得的信號特征如圓４－４所示：
綜合本次實(shí)驗(yàn)及文獻(xiàn)調(diào)研得出旋轉(zhuǎn)機(jī)械的松動(dòng)故障其信號特征表現(xiàn)為ＩＷＩ：
（１）對振動(dòng)信號進(jìn)行頻譜分析時(shí)，產(chǎn)生松動(dòng)的對應(yīng)方向與其他方向的頻譜信息差異很大：產(chǎn)生松動(dòng)的方向除了基頻信號、出現(xiàn)了更多的倍頻，甚至分?jǐn)?shù)倍頻，松動(dòng)方向的振動(dòng)越強(qiáng)烈、高頻信息越豐富；其他方向的頻譜信息較少。
（２）松動(dòng)使得機(jī)械結(jié)構(gòu)的結(jié)合面出現(xiàn)間隙，機(jī)械系統(tǒng)表現(xiàn)出非線性特征。出現(xiàn)松動(dòng)故掩的轉(zhuǎn)子其軸也軌跡更加混亂、重也漂移。
４．４本章小結(jié)
棉棚轉(zhuǎn)ｆ自驗(yàn)自壯科日駐獅劍日雜類麵浦織驗(yàn)，分別獲得了動(dòng)不平衡、角度不對中、松動(dòng)三種故障在工作狀態(tài)下的時(shí)頻域及軸也軌跡的信號特征，可Ｗ得出初步結(jié)論：動(dòng)不平衡故障與基頻相關(guān)軸屯、軌跡表現(xiàn)為楠圓；角度不對中故障與基頻二倍頻相關(guān)軸屯、軌跡表現(xiàn)為香蕉形或外八字形，松動(dòng)故障的頻域特征較為復(fù)雜，軸屯、軌跡無規(guī)律。為接下來對工作現(xiàn)場的主軸箱區(qū)域的信號采集及分析提供了數(shù)據(jù)支持。
５主軸箱區(qū)域的信號采集及分析
通過就不同類型的裝配故障進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，對不同類型裝配故障所表現(xiàn)的信號特征有了一定的認(rèn)識和了解，本章主要針對機(jī)床現(xiàn)場，對運(yùn)行狀態(tài)下的主軸箱區(qū)域的信號進(jìn)行采集及分析，主要包括；加速度傳感器位置如何確定、加速度信號的采集分析、主軸運(yùn)行狀態(tài)下徑向位移信號、軸屯、軌跡的采集分析、故障類型的識別判定等。
５．１機(jī)床主軸箱加速度信號的采集及分析
５.1.１加速度傳感器位置的確定
加速度傳感器對故障產(chǎn)生時(shí)伴隨的振動(dòng)信號十分敏感，因此需要采集時(shí)域內(nèi)主軸箱的振動(dòng)信號，ｉＵ便用于后續(xù)的分析研巧。如何利用有限的傳感器放置在主軸箱的最佳測試位置，便于后續(xù)的檢測與分析，這是一個(gè)命題，模態(tài)試驗(yàn)分析領(lǐng)域稱之為：響應(yīng)點(diǎn)優(yōu)化布置ＩＷ。本論文借鑒模態(tài)試驗(yàn)中常用的模態(tài)動(dòng)能法和有效獨(dú)立法，為解決實(shí)際工況下傳感器優(yōu)化布置的問題提供一種思路。
模態(tài)動(dòng)能法｜Ｍ１（ＭＫＥ）Ｗ測得的模態(tài)動(dòng)能最大為目標(biāo)來選擇傳感器的位置進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)測量。有效獨(dú)立法１＾］巧１）在模態(tài)動(dòng)能法的基礎(chǔ)上每個(gè)傳感器測點(diǎn)對模態(tài)向量線性獨(dú)立的貢獻(xiàn)最大為目標(biāo)，逐步刪除有效獨(dú)立向量具有最小值的節(jié)點(diǎn)，與此同時(shí)不斷優(yōu)化改進(jìn)Ｆｉｓｈｅｒ矩陣，最終達(dá)到的效果使感興趣的模態(tài)振型在較少測點(diǎn)的情況下，盡可能保持線性獨(dú)立，在測試中用有限的傳感器獲取最大的模態(tài)信息。
本文結(jié)合上述兩種方法，應(yīng)用于機(jī)床主軸箱區(qū)域，在工作頻率下實(shí)現(xiàn)對傳感器的優(yōu)化布置，將不同頻率下對應(yīng)的工作變形認(rèn)定為不同階模態(tài)振型，利用有限的傳感器實(shí)現(xiàn)對不同頻率下主軸箱最大形變區(qū)域的有效識別。
對于振動(dòng)系統(tǒng)：系統(tǒng)振動(dòng)具有動(dòng)能（Ｔ）和勢能（Ｕ），可表示為：
圖５－１傳感器優(yōu)化布置的巧術(shù)路線
主軸箱在空轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行測試，受到的外界激勵(lì)較弱，主要受到主軸自身轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離屯、力作用，利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ對主軸箱區(qū)域進(jìn)行仿真分析，模擬實(shí)際工況，如圖５－２所示。ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ作為線性分析軟件，外界激勵(lì)的變化不會(huì)改變主軸箱區(qū)域的應(yīng)力分布情況，軸箱區(qū)域的動(dòng)態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變幅值只會(huì)等比例的發(fā)生改變。因此對主軸箱區(qū)域施加的邊界條件為：四端固定約束，主軸附近受到離屯、力矩設(shè)定為ｌＯＯＯＮ．ｍｍ，經(jīng)過網(wǎng)格劃分；５３７６９個(gè)節(jié)點(diǎn)。
圖５－２主軸箱仿真模型
主軸一般的工作轉(zhuǎn)速為３６００？９６００ｒｐｍ，對應(yīng)頻率區(qū)間為６０￣１２０Ｈｚ，主軸箱在實(shí)際工作狀態(tài)下，不同頻率點(diǎn)對應(yīng)的工作變形是不同的，稱之為工作變形分析（ＯＤＳ），利用有限的傳感器實(shí)現(xiàn)對不同頻率下最大形變位置的有效識別。這與利用有限的傳感器實(shí)現(xiàn)對不同模態(tài)振型的有效識別有著共同之處。由于機(jī)床的工作頻率區(qū)間在60~160HZ，因此本論文的分析頻率點(diǎn)分別為60、80、100、120、140１６０Ｈｚ，表５－１分別為６０、８０、１００、１２０、１４０、１６０Ｈｚ 下的形變。
假設(shè)經(jīng)過有限元網(wǎng)格劃分后的節(jié)點(diǎn)均可作為傳感器布置的位置，即所有節(jié)點(diǎn)布置加速度傳感器，得到的ｍａｃ矩陣值如表５－２所示：
由此可見利用ＭＡＣ矩陣作為評價(jià)齒數(shù)，在全節(jié)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(shí)現(xiàn)了有效識別。
由于存在５３７６９個(gè)節(jié)點(diǎn)，首先從ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ中篩除沒有形變的節(jié)點(diǎn)，主要分布在與固定約束靠近的區(qū)域，圖５－３中的藍(lán)色區(qū)域。這樣節(jié)省了大量的計(jì)算時(shí)間。利用ＭＡＴＬＡＢ軟件對節(jié)點(diǎn)逐步消減，由圖４－２可知，６０個(gè)節(jié)點(diǎn)之前，明５－：５）式作為評價(jià)南數(shù)，６０個(gè)節(jié)點(diǎn)之后Ｌ；｜（５－７）為評價(jià)函數(shù)。傳感器的求解走勢如圖５－５所示：從３８００個(gè)節(jié)點(diǎn)到６０個(gè)節(jié)點(diǎn)，再從６０個(gè)節(jié)點(diǎn)到１個(gè)節(jié)點(diǎn)兩個(gè)階段。橫坐標(biāo)為節(jié)點(diǎn)數(shù)，縱坐標(biāo)為ＭＡＣ矩陣非對角線最大元素值。
由圖５－３可知，在剰余６個(gè)節(jié)點(diǎn)（即傳感器數(shù)目為６個(gè)）的時(shí)候，既經(jīng)濟(jì)又能巧兼顧識別各個(gè)頻率下最大形變效果。剩余數(shù)目為３０時(shí)，在主軸箱區(qū)域的節(jié)點(diǎn)分布如圖５－６所示。
可贈(zèng)到：有的節(jié)點(diǎn)在主軸箱的內(nèi)部，實(shí)際上傳感器是沒辦法放置的，經(jīng)過排除，齡６個(gè)節(jié)點(diǎn)分布在主軸箱上、中、下、底、左、右六個(gè)位置，誦５－７ 所示。
剩余六個(gè)節(jié)點(diǎn)位置的ＭＡＣ矩陣如圖５－８所示。非對角線元素最大值為化０８１５７６，主軸箱在各頻率對應(yīng)下的形變能夠得到有效識別，滿足要求。
５.1.２加速度信號的采集與分析
本次實(shí)驗(yàn)レッ南通化床某臺存在故障但未發(fā)現(xiàn)原因的ＶＣＬ８５０立式加工中屯、為對象，首先在化床開啟的狀態(tài)下對主軸箱區(qū)域的振動(dòng)信號進(jìn)行檢測及分析，由于主軸的轉(zhuǎn)速區(qū)間為４８？１２０００ｒｐｍ，擬定Ｗ６００ｒｐｍ為一間隔，從６０（Ｋ９６００ｒｐｍ測試主軸箱區(qū)域的振動(dòng)情況。測試現(xiàn)場如圖５－９所示。
在主軸空轉(zhuǎn)之前對冷卻循環(huán)液開啟前后的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，在六個(gè)部位觀察頻域圖，發(fā)現(xiàn)未產(chǎn)生明顯變化，只在高頻區(qū)間產(chǎn)生了影響。說明：冷卻循環(huán)液對主軸箱區(qū)域的影響不大。主軸箱中部的測試數(shù)據(jù)為例，如圖５－１０所示。
利用Ｈ向加速度傳感器，可Ｗ同時(shí)檢測主軸在不同轉(zhuǎn)速下的軸向和徑向的振動(dòng)情況。現(xiàn)；＾＾主軸前端為例，觀察主軸在６００？８４００ｒｐｍ之間的時(shí)頻域圍：在０？３６００巧１１１區(qū)間，（＾＾？（１８（分貝）表征其幅值，雖然從１８００巧〇１開始，主軸轉(zhuǎn)速對應(yīng)頻率的幅值開始突出，但其軸向、徑向的振動(dòng)特征與其他頻域幅值相差不大，幅值的數(shù)量級在ｌｅ－６級。主軸在徑向的振動(dòng)特征與軸向比較，幅值更小，數(shù)量級在５ｅ－７級，Ｗ軸向信號特征為代表如圖５－１１所示。
從４２００ｒｐｍ開始，信號特征變得明盈，主要表現(xiàn)為一倍頻二倍頻。Ｗ主軸前端上部為例，分別４２００ｒｐｍ、７８００ｒｐｍ為例觀察時(shí)頻域圍。化圖５－１２所示，左列為時(shí)域信號，右列對應(yīng)頻域信號。
利用ＭＡＴＬＡＢ將Ｋ面將主軸上中下底左右六個(gè)部位巧不同轉(zhuǎn)速下的軸向、徑向幅值進(jìn)行對比（橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)為幅值，藍(lán)線為軸向，紅線為徑向）如圖５－１３所示。可以發(fā)現(xiàn)軸向的振動(dòng)信號明顯強(qiáng)于徑向。
對比主軸箱區(qū)域上中底左右（線條顏色分別為黑綠紅藍(lán)紫）五個(gè)部位的軸向、徑向幅值，如圖５－１４所示。可發(fā)現(xiàn)軸向的信號隨轉(zhuǎn)速變化的振動(dòng)趨勢基本一致，徑向的信號隨轉(zhuǎn)速變化的振動(dòng)趨勢卻差異很大。
（１）軸向在上中底左右五個(gè)部位的幅值走向基本一致，上中下部和底、左右側(cè)的幅值成平行關(guān)系，這是由于主軸箱在底端、左兩端、前端的壁厚各不相同，因此測得的信號強(qiáng)弱也會(huì)不同。
（２）徑向在上中底左右五個(gè)部位的幅值走向出現(xiàn)差異。左右側(cè)的幅值基本ｆｃ成穩(wěn)步上升態(tài)勢，上中下的幅值隨轉(zhuǎn)速呈無規(guī)則的變化。主軸巧電機(jī)通過同步內(nèi)齒帶輪連接，可能由于帶輪張緊力的作用，導(dǎo)致主軸局部受力（主軸頂部）過大，因此分布在轉(zhuǎn)子不同部位的徑向幅值產(chǎn)生差異。
（３）由（２－１）式可知，加速度信號幅值與轉(zhuǎn)速的平方成正比，由圖５－１４可知，主軸區(qū)域可能存在動(dòng)不平衡的問題。由于偏角不對中的顯著特征之一為二倍頻幅值明顯，因此對比上中底左四個(gè)部位為代表的一倍頻與二倍頻（一倍頻為藍(lán)線，二倍頻為紅線）的幅值也能印證上述結(jié)論，如圖５－１５所示。
為了進(jìn)行驗(yàn)證由加速度化睡器測試分析得出的結(jié)論，下面針對主軸運(yùn)斤狀態(tài)下的軸屯、軌跡進(jìn)斤測試、分析。
５．２機(jī)床主軸的軸心軌跡測試
Ｗ同樣的加工中屯、為實(shí)驗(yàn)對象，對其主軸運(yùn)行狀態(tài)下（６００巧ｍ？８４００ｒｐｍ區(qū)間）的軸屯、軌跡進(jìn)行檢測，觀察其軸也軌跡的變化情況。軸‘心軌跡實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖５－１６所示。
實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：
（１）傳感器的安裝：兩個(gè)電禍流傳感器彼此要盡量保證９０度，由于電禍流傳感器探頭據(jù)測試對象的測量區(qū)間在０．４１？２ｍｍ，因此既要保證安裝距離在規(guī)定量程范圍內(nèi)，又要防止主軸開啟時(shí)劇階到探頭，造成傳感器損壞。
（２）由于主軸開啟后和每次變速后，都會(huì)引起工作臺振動(dòng)，必須在將傳感器放置在一個(gè)有足夠重的質(zhì)量塊。
（３）由于電鍋流傳感器經(jīng)振動(dòng)變送器輸出的電壓幅值在１５．６Ｖ，而ＰＸＩｅ－４４９２數(shù)據(jù)采集卡的電壓輸出范圍為±５Ｖ，因此在變送器輸出端采用分壓電阻的方式，使得輸出電壓為３ＶＷ內(nèi)。原理如圖５－１７所示。
圖５－１７分壓電阻圖
在１２００？８４００ ｒｐｍ區(qū)間，檢測主軸的軸心軌跡，采樣率為４０９６Ｈｚ．采樣數(shù)為４０９６，其時(shí)域頻域隨著轉(zhuǎn)速的改變基頻、倍頻亦發(fā)生改變，但軸屯、軌跡基本保持一致，Ｗ３０００ｒｐｍ、７８００ｒｐｍ 為代表，圖５－１８（ａ）為３０００ｒｐｍ的時(shí)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(cè)為濾波后的軸屯、軌跡圖，圖５－１８（ｃ）的左側(cè)為濾波后的軸必軌跡闡，濾波采用己特沃茲濾波器型低迪濾波器，截止頻率為５００Ｈｚ。圖５－１９（ａ）為７８００ｒｐｍ的時(shí)域圖、圖５－ｌ％ｂ）７８００ｒｐｍ的頻域圖、圖５－１９似為７８００ｒｐｍ的軸屯、軌跡留，低轉(zhuǎn)速下的軸也軌跡較高轉(zhuǎn)速的軸也軌跡更為清晰，但總體均為外８字形，主耍由一倍頻、二倍頻構(gòu)成，也出現(xiàn)了Ｈ倍頻，這與偏角不對中的信號特征描述是一致的，同時(shí)也印證了加速度信號測試后得出的結(jié)論：
針對上述實(shí)驗(yàn)對象的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，現(xiàn)對某臺正常使用的機(jī)床主軸軸必軌跡進(jìn)斤測試，觀察其軸必軌跡。如圖５－２０所示。
在４２００ｒｐｍ下，采用相關(guān)濾波器對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后的時(shí)域波形如圖５－２１（ａ）所示，頻域波形如圖５－２ｌ（ｂ）所巧，濾波前后的軸屯、軌跡如圖５－２１（ｃ）所示（主要濾掉５〇Ｈｚ的交流電源頻率）。
對比兩姐數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)：
（１）雖然本次實(shí)驗(yàn)對象工作狀態(tài)下的主軸依舊存在二倍頻，但與未調(diào)試機(jī)床的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，幅值并不明顯。最大信號為基頻信號，軸必軌跡為類圓形。
（２）未調(diào)試機(jī)床的信號幅值在ｌ５＾ｌｍ左右，測得的可正常使用的機(jī)床信號幅值在如ｍ左右，從這個(gè)角度也可看出，未調(diào)試機(jī)床的主軸徑向跳動(dòng)過大。
（３）由（２－１）可知，動(dòng)不平衡的表征為基頻信號的振幅與轉(zhuǎn)速的平方成正比，從兩次實(shí)驗(yàn)對象的數(shù)據(jù)看，基頻的振幅均穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，因此主軸不存在動(dòng)不平衡問題。
圖５－２２為ＶＣＬ８５０主軸在１２００？９６００ｒｐｍ范圍的基頻相位信息。可看出基頻對應(yīng)的相位信息并不穩(wěn)定，也說明了主軸與刀柄安裝位置不存在明顯的動(dòng)不平衡問題。
５．３基于軸心軌跡的故障類型識別方法
軸屯、軌跡是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的重要信號表征形式，目前軸屯、軌跡的形狀識別作為判斷設(shè)備故障的重要依據(jù)，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械（包括水電機(jī)組）的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中得到一定應(yīng)用ＩＷ１。通過軸屯、軌跡對應(yīng)的圖形形狀的識別，可進(jìn)一步分析設(shè)備振動(dòng)的原因，得到故障征兆，及時(shí)采取措施防止機(jī)械巧障進(jìn)一步惡化。長期的理論和實(shí)踐研究已經(jīng)確立了幾種典型的機(jī)械故睹模式及其轉(zhuǎn)子軸屯、軌跡形狀的對應(yīng)關(guān)系，幾種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原因
對軸屯、軌跡的識別本質(zhì)上就是對二維圖像的識別，主要包括特征提取、分類識別兩個(gè)方面。特征提取是從軸也軌跡中提取能反應(yīng)軸也軌跡本原的、重要特性的特征向量，能盡量代表軸屯、軌跡所對應(yīng)的圖形形狀。目前常用的特征提取方法有ＳＶＤ法ＩＭＷ、不變矩法１７０－＂１、傅立葉描述子法等等。下面主要介紹一下ＳＶＤ法和不變矩法。
５．３．１基于ＳＶＤ的識別原理
矩陣奇異值分解作為一種有效的正交變換目前廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)壓縮、信號處理、模式識別等方面。軸也軌跡圖形是由兩個(gè)垂直方向的波形信號組合而成。離散化設(shè)為乂（０、７（０，艮Ｐ：
５.３．２基于不變矩的識別原理
不變矩法于１９６２年由Ｈｕ提出，并運(yùn)用代數(shù)方法證明了其不變性，隨后許多學(xué)者對不變矩進(jìn)行了較深入的理論與實(shí)際應(yīng)用的研究，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(lǐng)域獲得了較為廣泛的應(yīng)用ｉｎｉ。定義在平面上的二維函數(shù)／〇ｃ，：Ｖ），它的ｐ＋ｑ階混合原點(diǎn)矩定義為：
不變矩的特性。若利用歸一化的中也矩，則特征不僅具有平移不變性，還具有比例不變性。這樣，可Ｌ義利用歸一化的中屯、矩的線性組合，達(dá)到待識別的圖形具有平移、旋轉(zhuǎn)、比例不變性的特征。ＨｕＭＫ利用代數(shù)不變量理論構(gòu)造了韋個(gè)不變矩函數(shù)式。
通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：七個(gè)函數(shù)在離散情況下對尺度縮放是敏感的，而且經(jīng)過定性分析變化原因從之前的推到可ｔＡ得出Ｗ下結(jié)論：若圖形尺度變化因子為Ｐ，則變化后的矩函數(shù)與原畫數(shù)的關(guān)系為：
５．３．３ＶＣＬ８５０主軸的軸心軌跡識別
利用ＬａｂＶ舊Ｗ軟件編制幾組不同的標(biāo)準(zhǔn)軸屯、軌跡形狀，此作為不同主要的裝配故障類型的軸屯、軌跡圖形基準(zhǔn)，同樣利用ＬａｂＶＩＥＷ通過基于ＳＶＤ和不變兩種方法對實(shí)驗(yàn)測得的軸也軌跡進(jìn)行識別方法。相互垂直的信號表達(dá)式分別為ｘ（ｔ）和ｙ（ｔ），其表達(dá)式為；
利用ＬａｂＶｌＥＷ軟件根據(jù)（３－３如式設(shè)計(jì)得到不同形狀的軸屯、軌跡合成信號五種不同類型的軸也軌跡形狀：滿圓、外八字形、內(nèi)八字形、花瓣形、香蕉形。如圖５－２５所示
圖５－２５不同的軸心軌跡形狀
每種類型的軸屯、軌跡形狀求解Ｈ組，排除偶然因素的干擾，為后續(xù)的ＳＶＤ法、不變矩法提供評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
利用ＳＶＤ法對ＶＣＬ８５０立式加工中心測得的軸屯、軌跡形狀進(jìn)行識別，得到外八字形的識別結(jié)果，濾波前后的軸屯、軌跡識別結(jié)果如圖５Ｊ６所示。
濾波前后形狀置信度（匹配度）參數(shù)如下表５－２，表５－３所示：
表５－２未濾波的形狀置信度參數(shù)
表５－３濾波后的形狀置信度參數(shù)
由結(jié)果可ＵＪ？看出基于ＳＶＤ法實(shí)現(xiàn)了軸屯、軌跡形狀的有效識別。但由于ＳＶＤ法的特征值維數(shù)較低，待識別形狀的置信度參數(shù)較低，針對局部變化敏感的軸屯、軌跡形狀，此種方法的識別率更會(huì)降低。
基于不變矩法對圖５－２５的五種不同軸屯、軌跡的形狀進(jìn)斤矩函數(shù)計(jì)算，同時(shí)每種類型的軸屯、軌跡形狀的函數(shù)值求平均，得到的毛個(gè)特征值如表５－４所示；
對實(shí)驗(yàn)測得的軸屯、軌跡形狀進(jìn)行矩函數(shù)計(jì)算得到的屯個(gè)特征值如表５－５所示：
利用（５－４２）式對待識別圖形進(jìn)行計(jì)算得到的數(shù)據(jù)如表５－６所示。
表５-６基于（５＞４２）式的識別結(jié)果
利用（３－３７）式對待識別圖形進(jìn)行計(jì)算得到的數(shù)據(jù)如表５－７所示。
表５－７基于（５－４３巧的識別結(jié)果
由兩種判別方式均可Ｗ得到正確的結(jié)果，但是內(nèi)八字形和香蕉形的數(shù)據(jù)產(chǎn)生了很大的變化，從處理的數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用（５－４２）式作為分類識別過程中的判別依據(jù)較為合理。
將ＳＶＤ法和不變矩法相結(jié)合，對軸必軌跡的形狀進(jìn)行判定：
１）當(dāng)ＳＶＤ法與不變矩法的判定結(jié)果一致時(shí)，認(rèn)定判定結(jié)果正確。
２）當(dāng)ＳＶＤ法與不變矩法的判定結(jié)果不一致時(shí)，認(rèn)定判定結(jié)果失效。
這樣將同時(shí)考慮了兩種方法，提高軸必軌跡形狀識別的正確率。
由于表征軸屯、軌跡形狀的特征值達(dá)到了七個(gè)，因此基于不變矩法識別的正確率較ＳＶＤ法要更加明顯，但基于不變矩法，即使同樣形狀，得到的特征值也是存在差異的。本論文結(jié)合兩種方法對軸也、軌跡進(jìn)行識別，提髙了識別的正確率。
５．４本章小結(jié)
本章在前面章節(jié)的基礎(chǔ)上，利用構(gòu)建的測試系統(tǒng)對主軸箱區(qū)域的振動(dòng)信號進(jìn)行了測試，有下成果：
（１）結(jié)合模態(tài)動(dòng)能法與有效獨(dú)立法，將應(yīng)用于模態(tài)試驗(yàn)中的傳感器優(yōu)化布置問題運(yùn)用到工作激勵(lì)狀態(tài)下的傳感器優(yōu)化布置問題上，提出了在工作激勵(lì)下解決傳感器優(yōu)化布置問題的一種方法。
（２）對采集的信號通過分析發(fā)現(xiàn)：主軸箱區(qū)域的振動(dòng)信號與主軸轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，基頻、二倍頻信號明顯，屬于不對中的故障特征，主軸區(qū)域的徑向幅值隨轉(zhuǎn)速成正相關(guān)關(guān)系，屬于動(dòng)不平巧的故障恃征。
（３）對主軸軸也軌跡進(jìn)行了在線測試，發(fā)現(xiàn)基頻、二倍頻信號十分突出，運(yùn)行狀態(tài)下的主軸軸也軌跡呈外八字形，符合角度不對中的故障特征，測試對象在不同轉(zhuǎn)速下的基頻相位并不穩(wěn)定，說明主軸與刀柄安裝位置不存在明顯的動(dòng)不平衡問題。
（４）利用ＳＶＤ法和不變矩法Ｗ軸屯、軌跡作為故障的評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行識別，并利用ＬａｂＶ Ｗ編寫相關(guān)程序，基于兩種方法對測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了識別判定。最后將兩種方法的優(yōu)勢結(jié)合起來，提髙軸也軌跡形狀識別的正確。
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