基于動態(tài)特性分析的機(jī)床主軸裝配故障診斷硏究（下）
2017-7-14 來源：北京交通大學(xué) 作者：李凱旋
６.裝配故障源位置識別的研究
上面章節(jié)通過對ＶＣＬ８５０主軸箱區(qū)域的信號檢測與分析，確定主軸箱可能存在動不平衡、角度不對中的裝配故障。但不確定產(chǎn)生故障的具體位置。角度不對中故障為例，在主軸帶輪配合處、電機(jī)帶輪配合處均可能為裝配不當(dāng)?shù)奈恢茫⒉淮_定在什么位置進(jìn)行裝配調(diào)整，如圖６－１所示。這就是本章節(jié)研究的意義所在。
圖６－！主軸箱區(qū)域可調(diào)整的裝配位寬
在工況下，理想狀態(tài)的主軸箱區(qū)域振動信號成分簡單，故障源主要來自電機(jī)和主軸。由于加工制造、裝配等誤差的存在，在工作狀態(tài)下，會衍生出額外的激勵，由第二章可知：動不平衡故障導(dǎo)致離屯、力的出現(xiàn)；不對中問題衍生出二倍于轉(zhuǎn)速周期的激振力。裝配故障衍生的額外激勵，作用在相關(guān)位置，表征出成分更加復(fù)雜多變的振動信號，通過巧不同形式振動信號的檢測分析，判定機(jī)械故障。對機(jī)床進(jìn)行故障診斷，首先利用相關(guān)的檢測手段，確定機(jī)械故障的類型，其次利用裝配故障源位置識別的方法確定產(chǎn)生振動信號來源的位置，進(jìn)而針對性的進(jìn)行調(diào)整，才能夠從根本上解決機(jī)械故障問題。
６．１裝配故障源位置識別的方法原理
本論文在假設(shè)機(jī)械系統(tǒng)是線性時不變系統(tǒng)的前提下，基于傳遞路徑分析的原理．對存在裝配故障的主軸箱區(qū)域的故障源進(jìn)行識別。傳速路徑分析方法的核也在于研究機(jī)械系統(tǒng)自身的傳遞特性Ｗ及確定是否存在未知的故時源，本論文針對主軸箱區(qū)域力求建立一個較為完整的傳遞系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)傳遞系統(tǒng)某幾點的響應(yīng)特性，通過數(shù)值解析的方式確定研究區(qū)域的裝配故障源位置。
由圍６－２傳遞路徑分析模型可知：機(jī)械系統(tǒng)可被劃分為兩部分，稱之為主動部分、被動部分，主動部分包括：未知故障源和噪聲源區(qū)域，被動部分包括：傳遞系統(tǒng)和振動響應(yīng)區(qū)域。未知故障源通過傳遞路徑到達(dá)響應(yīng)區(qū)域。
假設(shè)某機(jī)械結(jié)構(gòu)為線性時不變系統(tǒng)，Ｗ單自由度為例，將某機(jī)械結(jié)構(gòu)等價為質(zhì)量、剛度、阻尼共同組合的形式，且受到外界持續(xù)的激振作用，其動力學(xué)方程為：
傳遞函數(shù)的獲取可通過Ｗ下途徑：每一個傳遞函數(shù)可Ｗ用來描述一個激勵點自由度６對某一個響應(yīng)點自由度之間的傳遞路徑關(guān)系，稱之為巧／．，針對某機(jī)械系統(tǒng)，假設(shè)布置ｎ個激勵點／響應(yīng)點，則存在ｗ＝ｎ２個傳遞路徑，對于機(jī)械系統(tǒng)上的某一響應(yīng)點，可認(rèn)為是故障源通過各條傳遞路徑達(dá)到目標(biāo)位置線性疊加的結(jié)果，即；
如果得到了某機(jī)械系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣，在裝配故障源位置未知的的情況下，可根據(jù)測得的響應(yīng)點的振動響應(yīng)信號利用數(shù)值解析的方式大致確定未知故障源的位置。即：
由（４－４ａ）可知，阻尼矩陣的存在，導(dǎo)致輸入信號與輸出信號存在相位差，多故障源激勵下的響應(yīng)點是單點故障源線性疊加的結(jié)果。Ｗ兩點結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為例，對兩點分別施加單激勵，如園６－３所示。
綜上所述，針對某機(jī)械結(jié)構(gòu)的故障源進(jìn)行識別，大致可Ｗ分為Ｈ步：
（１）在非工作狀態(tài)下，對某機(jī)械結(jié)構(gòu)上的各個傳遞路徑的源頭進(jìn)行單點激勵，同時測量對應(yīng)響應(yīng)點的響應(yīng)信號，建立頻響函數(shù)矩陣。激勵方式可為小鏈敲擊瞬態(tài)激勵的方式，也可采用激振器進(jìn)行持續(xù)穩(wěn)定的激勵。
（２）工作狀態(tài)下，測量機(jī)械結(jié)構(gòu)上各個響應(yīng)點的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)信號。
（３）利用求得的頻響函數(shù)矩陣求逆，通過數(shù)值計算的方式求得機(jī)械結(jié)構(gòu)上的未知故障源位置。
６．２裝配故障源位置識別的仿真分析
利用ＡＮＳＹＳ軟件的諧響應(yīng)分析模塊對主軸箱的故障源進(jìn)行識別，驗證實驗方法的可行性。實驗對象為主軸箱裝巧體，主軸箱的主要參數(shù)如表６－１所示。
表６－１主軸箱的主要參數(shù)
擬布置六個激勵點／響應(yīng)點，對其一端采用固定約束的方式，如圖５＊４所示。首先對其進(jìn)行模態(tài)分析仿真，確定其固有頻率，并分析固有頻率區(qū)間是否會對未知故障源的識別造成影響。
由模態(tài)分析結(jié)果可ｔＪｌ確定一階模態(tài)的固有頻率為％３．１６Ｈｚ，利用諧響應(yīng)分析，對主軸箱裝配體的六個點分別單獨(dú)施加頻率在２００￣１０００Ｈｚ區(qū)間的穩(wěn)態(tài)載荷激勵１０００Ｎ，如圖６－５所示。
圖６－５主軸箱裝配體的載荷設(shè)置
每個點單獨(dú)施加載荷時，得到六個點的響應(yīng)特性，ｗ第－點麵為例，得到的六個點的響應(yīng)特性曲線伯德圖如圖６－６所示（上曲線為幅頻曲線，橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為加速度；下曲線為相頻曲線，橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為角度）。
圖６－６單點激勵后的六點響應(yīng)曲線
利用（４－８）式，得到了２００？ｌＯＯＯＨｚ區(qū)間的任意頻率處的頻響巧數(shù)巧陣，由表４－４可知：固有頻率處的相頻值比較接近，因此對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行故障源識別建議避開對固有額率處。選取分析頻率為２８０Ｈｚ的頻響函數(shù)幅頻矩陣如表６－２所示。
表６－２２８０Ｈｚ下的頻響函巧幅頻矩陣
由表６－２可知，阻尼系數(shù)為化００３，不同頻率的輸出響應(yīng)與輸出信號存在相位差，２８０Ｈｚ對應(yīng)的六點的相位信息如表６－３所示：
表６－３２８０Ｈｚ下的頻響畫數(shù)相頻矩陣
利用ＬａｂＶｌＥＷ分別對實部的結(jié)構(gòu)巧陣和虛部的結(jié)構(gòu)矩陣求逆求逆，然后對得到的實部、虛部的解析力分別平方求和開平方根，即得到實際的解折力。程序框圖如圖６－７所示。
（１）單故峰源識別
對主軸箱裝配體的任意某點分別施加載荷，得到六個點下的響應(yīng)信息，例如對第六點施加３０００Ｎ的持續(xù)激勵用來模擬主軸箱裝配休在實際工況下的受力情況，如下閣６－８所示。
圖６－８單故掩源下主箱箱裝配體的受力情況
在實際載荷的激勵下得到六個點的響應(yīng)信息如表６－４所示。
表６－４六個點的響應(yīng)信息
利用（４－４）式求解六個點的實際受為情況如表６－７所示。
表６－５解析山的受力情況
由表６＞４、表６－５可知，某點單故障源激勵得到的各點的響應(yīng)信息與頻響函數(shù)的某行存在比例關(guān)系，島兩者的相位信息是一致的。而頻響函數(shù)矩陣的獲取就是通過所有點的單獨(dú)激勵得到的。因此，實際利用數(shù)值解析得到的六個點的受力情況與實際十分符合，有效實現(xiàn)了故陣源的有效識別。只利用頻響函數(shù)矩陣的幅值信息，就可Ｗ實現(xiàn)對單故降源的有效識別。
（２）多故障源識別
對主軸箱裝酷體的任意兩點分別施加載荷，得到六個點下的響應(yīng)信息，例如對第一點施加２０００Ｎ，第二點施加Ｉ０００Ｎ，用來模擬主軸箱裝配體在實際工況下的受力情況，如閱６－９所示。
圖６－９《巧障源下主軸箱裝配體的受力情況
在實際載荷的激勵下得到六個點的響應(yīng)信息如表６－６所示。
表６－６六個點的響應(yīng)信息
利用（４－４）式求解六個點的實際受力情況如表６－７所示。
表６－７解析出的受力情況
由表６－７可知，多故障源得到的各點響應(yīng)信息實則是各點單故障源線性疊加得到的結(jié)果，因此相位信息也發(fā)生了改變。求解方式；分別提取各點響應(yīng)信息的實部、虛部，對應(yīng)與頻響函數(shù)矩陣的實部、虛部進(jìn)巧計算求解，解析得到六個點的受力情況。由表６－７可知；解析出的受力與實際十分符合，有效實現(xiàn)了故虜源位置的有效識別。
６．３裝配故障源位置識別的實驗論證
以雙驅(qū)絲杠實驗臺上的彎板工件為研充對象，驗證本次方法的可行性，由于設(shè)備的局限性，只開展對單故障源識別的實驗驗證。分別采用力鏈和激振器兩種激勵方法對故障源進(jìn)巧識別。彎板工件的布點如圖６－１０所示。
圖６－１０測試點布置
６．３．１力鍵敲擊實驗
首先利用力鍾對工件的四個點進(jìn)行逐點敲擊，工件的一階固有頻率為巧２Ｈｚ，
選取分析頻率區(qū)間為５１２Ｈｚ，與此同時在四個點分別布置加速度傳感器，由此得到１６姐頻響函數(shù)．進(jìn)而求得工件上四個點的傳迸兩數(shù)矩陣，實驗現(xiàn)場如圖６－１１所示。
利用力鍵對某一點進(jìn)行敲擊，與此四點的加速度傳感器得到響應(yīng)信息，構(gòu)成四組頻響函數(shù)，在峰值處，頻響函數(shù)的相頻曲線較為集中，幅頻曲線還是存在較大差異。如間６－１２所示。
國６－１２某點滿勵下的四姐頻巧曲線
力鏈敲擊的質(zhì)量對能否獲取正確的頻響函數(shù)曲線脊很大的影響。進(jìn)而影響到對故障源位置的有效識別。假如設(shè)置力鍵敲擊五次，取五次平均值，利用相干性系數(shù)來評價五次力鍵敲擊的好壞程度。
就單輸入輸出系統(tǒng)而言，一般利用常相干分析。圖６－１３為單輸入輸出示意圖，圖中Ｈ（／）為系統(tǒng)的頻響函數(shù)。
圖６－１３單輸入輸出系統(tǒng)
例如某機(jī)械系統(tǒng)中存在輸入信號乂（ｔ），輸出信號＾〇；），引入互譜幅值的一個重要不等式：
某點的五次相干性系數(shù)如圖６－１４所示。可見在５０？１５０Ｈｚ頻率區(qū)間的相干性系數(shù)接近１，此頻率區(qū)間的頻響函數(shù)矩陣是可信賴的。
對四個點中的第二點進(jìn)巧敲擊，得到四個點的響應(yīng)曲線如圖６－１５所示。
圖６－１５第二點激勵下的各點響應(yīng)曲線
實際情況下，只能測得響應(yīng)信息，另外根據(jù)之前獲得的傳遞歯數(shù)矩陣，求解判定故障源的位置。利用ＬａｂＶＩＥＷ編寫的程序?qū)韩@取的信息進(jìn)行求解，得到四個點的故障源幅頻曲線如圖６－１６所示。加速度傳感器的頻響量程在５？５０００Ｈｚ，ＯＨｚ附近的數(shù)值不予考慮，由圖６－１６可知，第二點處求解的振源曲線在５０Ｈｚ？１５０Ｈｚ
區(qū)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他蘭點。因此解析得到的結(jié)果與實際相符，因此對故障源實現(xiàn)了有效的位置判別。
圖６－１６敲擊第２點解析得到的振源幅頻曲線
實際情況下，若要實現(xiàn)對圭軸箱區(qū)域故障位置的有效識別，必須保證對所有可能產(chǎn)生故障區(qū)域進(jìn)行布點。但可能并沒有在故障區(qū)域布置測試點，建立全面的傳遞函數(shù)矩陣。如圖６－１７所示，實際激勵位置沒有在四個點上，利用此位置上激勵得到的四點響應(yīng)信息，求解激勵。
如圖６－１８所示。可Ｗ看到在相干性系數(shù)較高的頻域，解析出的振源位置為第一點， 實際激勵位置與第一點比較靠近，因此解析得到的結(jié)果較為理想。
假如利用力鍵敲擊的實際激勵位置在彎板工件的中間位置，與布置的任何一點都不靠近，如圖６－１９所示。
圖６－１９不同點布局下的故障源識別
利用此點激勵得到的四點響應(yīng)信息與傳遞函數(shù)矩陣進(jìn)行計算，解析得到的各點振源曲線如圖６－２０所示。發(fā)現(xiàn)無法判定振源的實際位置。應(yīng)對的辦法是對預(yù)判的故障源位置進(jìn)行更加密集的布點。如圖６－２１所示，得到了理想的識別效果。
結(jié)論：有＾文上實驗可知：對故障源進(jìn)行有效識別的前提：對某機(jī)械結(jié)構(gòu)布置測試點，構(gòu)造傳遞函數(shù)矩陣，一定要盡量包含可能存在故障源的所有區(qū)域，不一定布置的測試點恰好對應(yīng)未知故障源處，但是遠(yuǎn)離故障區(qū)域，將無法實現(xiàn)對未知故障源的有效識別。應(yīng)對的辦法是對預(yù)判的故障源位置進(jìn)行更加密集的布點。
６．３．２激振器激勵實驗
對某特定關(guān)屯、頻率的裝配故障源位置進(jìn)行識別，可采用激振器的方式進(jìn)行激勵，如圖６－２２所示。
實驗設(shè)備包括激振器、ＬＭＳ控制系統(tǒng)、功率放大器、ＰＣ機(jī)等。ＬＭＳ控制系統(tǒng)同時具備信號發(fā)生器和信號采集兩個功能，ＬＭＳ輸出特定頻率的正弦信號通過功率放大器，將信號放大輸入到激振器，激振器作用于工件上，給工件施加特定頻率的正弦激勵，與此同時，力傳感器和加速度傳感器將測得的信號采集到ＬＭＳ中。這樣形成了一套信號發(fā)送與采集的閉環(huán)系統(tǒng)。
由于激振器自身會受到５０Ｈｚ交變電壓信號的干擾，因此選取頻率要避免是５０Ｈｚ的倍數(shù)，選擇特定頻率為２１２Ｈｚ，每次給定５Ｎ左右的激振力，同時對四個點的加速度信號進(jìn)行采集。測試界面如圖６－２３所示。
從左到右，從上到下一次為激振時域信號、激振頻域信號、某點的時域響應(yīng)信號、頻響函數(shù)曲線。
利用激振器得到的２１２Ｈｚ處的頻響函數(shù)矩陣如表６－８所示。
表６－８２１２Ｈｚ下的頻響函巧矩陣
第四點進(jìn)行激振，只利用在此點激勵下的響應(yīng)信息判定激振點位置。解析得到的四點激勵如表６－９所示。
表６－９解巧出的受力情況
由于外界的交變電壓信號、隨化噪聲等干擾，頻響函數(shù)矩陣經(jīng)過逆矩陣變換會產(chǎn)生很大的數(shù)值變化。解析出的激勵幅值與實際并不相符。可對解析得到的所有激勵信息求和，然后計算各點的激勵信息與總體激勵信息的權(quán)重關(guān)系。
利用（４－１３）、（４－１４）顯然第四點所占的權(quán)重最大，占７８．８％，由Ｗ上信息可知，利用激振器同樣實現(xiàn)了對故障源位置的有效識別。
針對主軸箱民域可能引發(fā)角度不對中的位置布置測試點，如圖６－２４所示。
圖６－２４主軸｜ｇ區(qū)麵試點的布局
關(guān)心頻率區(qū)間為二倍于轉(zhuǎn)速的頻率附近。首先在離線狀態(tài)下建立測試點之間的傳遞函數(shù)矩陣，然后在工作狀態(tài)下利用加速度傳感器對主軸箱區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化布置，獲取準(zhǔn)確有效的響應(yīng)信息，對未知裝配故障源的位置進(jìn)巧識別判定。
６．４本章小結(jié)
本章承接上面章節(jié)，通過開展信號測試與分析的實驗研巧，確定了主軸箱區(qū)域存在動不平衡、角度不對中等裝配故障，明確了不同類型裝配故障所對應(yīng)的信號特征。本章對＂判別特定類型裝配故障的位置＂這一問題開展研究。基于傳遞路徑分析的原理，對裝配故障源位置識別的理論基礎(chǔ)進(jìn)行了簡要介紹，利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ有限元軟件采用諧響應(yīng)分析的方法對主軸箱裝配體上的六個測試點進(jìn)行仿真分析，對裝配故障源位置進(jìn)行了有效識別。分別采用力鍵、激振器兩種激勵方式對上述方法進(jìn)斤實驗論證，均得到了較為理想的結(jié)果，實現(xiàn)了對裝配故睹源位置的有效識別。
７.結(jié)論
７．１結(jié)論
裝配是工程機(jī)械領(lǐng)域的重要環(huán)節(jié)，裝配精度與機(jī)床的加工性能緊密相關(guān)，能夠準(zhǔn)確診斷出裝配環(huán)節(jié)的故障類型、發(fā)生故障的位置，對于指導(dǎo)現(xiàn)場工人迅速排除裝配故障，保證機(jī)床高質(zhì)高效的出廠具有重要的指導(dǎo)意義。本論文在前期大量調(diào)研現(xiàn)有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，Ｗ南通科技生產(chǎn)的ＶＣＬ８５０立式加工中屯、主軸箱為實驗對象，對不同的裝配故障形式的信號特征、故障特征識別方法、故障源位置識別等內(nèi)容進(jìn)行了較為深入的研巧。
本論文從上述完成的主要研巧內(nèi)容分為＾式下方面；
（１）Ｌ＾ＬａｂＶ圧Ｗ為開發(fā)平臺，構(gòu)建了用于信號采集處理與分析的測試系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)采集和保存、降噪濾波、時頻域分析、軸也、軌跡測試、相位檢測、軸必軌跡識別等功能。
（２）基于模態(tài)動能法與有效獨(dú)立法的原理，利用有限的傳感器尋找主軸箱區(qū)域的最佳測試點，為解決運(yùn)行狀態(tài)下傳感器優(yōu)化布置的問題提供了一種思路。
（３）通過對采集的加速度信號進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：主軸箱區(qū)域的基頻、二倍頻信號特征突出，主軸在徑向的基頻幅值與轉(zhuǎn)速存在正相關(guān)關(guān)系，證明主軸區(qū)域可能存在動不平衡問題；主軸在不同轉(zhuǎn)速下的軸也軌跡呈外八字形，且基頻、二倍頻信號明顯。通過與正常工作的機(jī)床主軸的軸也軌跡進(jìn)行對比，確定ＶＣＬ８５０存在主軸與電機(jī)角度不對中的裝配問題。
（４）基于ＳＶＤ和不變矩兩種方法Ｗ巧也軌跡作為判定故障類型的特征指標(biāo)，對ＶＣＬ８５０主軸的軸屯、軌跡進(jìn)行判定，識別出主軸箱存在角度不對中的裝爾故障。取得了較為理想的效果。
（５）基于傳遞路徑分析的原理，對ＶＣＬ８５０主軸箱區(qū)域的故障源位置進(jìn)行識別：并利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ［＾＾１主軸巧為對象進(jìn)行了仿真分析，有效實現(xiàn)了主軸箱區(qū)域故障源位置的判定。通過：開展實驗針對某化械結(jié)構(gòu)，采用激振器、力鏈兩種不同的激勵方式模巧實際工況，論證了本方法的可行性。
７．２工作展望
本論文Ｗ南通科技生產(chǎn)的ＶＣＬ８５０為實驗對象，對主軸箱區(qū)域的裝配故障進(jìn)行診斷，力求建立一套行之有效的裝配指導(dǎo)方案，機(jī)床出現(xiàn)故障問題時，工人可通過本論文成果確定裝配故障問題的類型，找到發(fā)生裝配故障的具體位置，保證在出廠階段，有效排除機(jī)床的裝配問題。由于客觀條件的限制レッ及本人的能力有限，對于本論文的研巧工作遠(yuǎn)不夠完善，接下來可在ａ下幾方面開展研兜：
（１）雖然利用電禍流位移傳感器對兩個機(jī)床的主軸軸屯、軌跡進(jìn)行了測試，但并未對掙在問題的機(jī)床主軸箱進(jìn)行裝配調(diào)整。另外機(jī)械松動、碰摩故障的轉(zhuǎn)子軸屯、軌跡特征表現(xiàn)形式應(yīng)該開展大量的實驗，反復(fù)論證。
（2)本論文對故障源位置進(jìn)行識別，在信噪比較為理想的狀態(tài)下開展實驗，取得了理想的結(jié)果。實際工況下的故障源復(fù)雜多變，環(huán)境噪聲強(qiáng)烈，還要在實際工況下的機(jī)床主軸箱上開展實驗，并對本方法進(jìn)一步完善。
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