（机械电子工程专业论文）数控机床主轴箱故障诊断的研究及应用.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 近几年来我国制造业中，数控机床的占有率不断提高，在生产中已经占有重要地 位。数控机床在许多企业中被用于重要的加工环节，对全厂的生产起着决定作用。如果 出现故障后不能及时正确地进行故障诊断和维修，则会带来较大的经济损失。据统计， 数控机床的机械故障中，主轴箱的故障占百分之六十左右，可见，数控机床的主轴箱是 诱发其机械故障的重要部位，因此，对数控机床主轴箱的故障诊断是非常重要的。 本文结合大连理工大学振动工程研究所与上海通用汽车公司的合作项目，对数控机 床主轴箱的故障诊断进行了研究，主要包括以下几个部分： 首先阐述了对数控机床主轴箱进行故障诊断的总体思想，即应用p d m 2 0 0 0 的数据 采集仪在设备现场拾取数据，再通过p d m 2 0 0 0 的软件系统与故障诊断数据库的有效结 合，来实现数控机床主轴箱的整个故障诊断过程。 其次论述了常用的故障诊断方法，即时域分析方法和频域分析方法。分别介绍了这 些方法的基本原理及它们的优点和不足。在时域、频域分析方法的基础上，论述了一种 时频域分析方法局域波法。在阐述全局波法及其局限性的基础上，论述了局域波法 的基本理论，包括瞬时频率、局域波分量、局域波分解、局域波时频表示和局域波边界 谱等。同时还通过仿真试验，对局域波法应用于数控机床主轴箱的故障诊断进行了可行 性分析。 上述的各种方法都要基于完整的设备参数和特征参数的数据才能实现对数控机床主 轴箱的故障诊断，所以一个全面完备的故障诊断数据库是必不可少的。本文论述了该数 据库的开发平台，数控管道和数据窗口等关键技术以及数控来源等，同时还阐述了数据 库的具体结构。 最后，分别应用传统方法和局域波法对上海通用汽车公司某车间的数控机床主轴箱 进行故障诊断，给出了具体的诊断实例。实际应用不仅证明了局域波法可以实现对数控 机床主轴箱的有效诊断而且可以弥补传统方法的不足，同时也验证了故障诊断数据库的 实用性和有效性。 关键词：数控机床：主轴箱：故障诊断；局域波法：数据库 数控机床主轴箱故障诊断的研究及应用 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，n u m e r i c a lc o n l r o im a c h i n eh a sg o ti m p o r m ms t a t u sa n d p r e d o m i n a t i o n i n m a n u f a c t = l = n go f c h i n a - n t m a e r i c a lc o n u o lm a c h i n eh a sg r o w n a sk e ya n dd e c i d i n gf a c t o ri n m a n yp l a n t s w i m o mt i m e l yf a u l td i a 罂l o s i sa n ds e f y i c e , s e r i o u se c o n o m i c l o s sc a nb ec a u s e a a c c o r d i n g t ot h es t a r a b o u t6 0p e r c e n to f m a c h i n e r yf a u l ti nn u m e r i c a lc o n l r o lm a c h i n ei sf a u l t o fh e a d s t o c k t h e r e f o r e ，h e a d s t o c ki st h ek e ys e g m e n ti nf a u l tf i n d i n gf i e l d a n dt h ef a u l t d i a g n o s i so nt h eh e a d s t o c k i sb e c 0 1 啦m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c hi sm a i n l yc a r r i e do u to r lf a u l td i a g n o s i so nt h eh e a d s t o c ko f n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e w h i c hi se x t r a c t e df r o mt h ep r o j e c to fs h a n g h a ig ml t d a n d i n s t i t u t i o no f v i b r a t i o ne n g i n e e r i n go f d a l l a nu m v e r s i t yo f t e c h n o l o g y i tc a l lb ed i v i d e di n t o s e v e r a ls e g m e n t sl i s t e db e l o w ： f i r s t , t h e 瑚s sa n t i l o g yo ff a u l td i a g n o s i st oh e a d s t o c ko fn u m e r i c a lc e n t r e lm a c h i n ei s e x p r e s s e di nt h ep a p e r l i k e w i s e , c o l l e c tt h ed a t af r o m1 0 c a le q u i p m e n t sb yd a t ac o l l e c t i n g i n s t r u m e n t s 、u t i l i z et h ed a t a b a s eo f f a u l td i a g n o s i sa n ds o f t w a r eo f p d m 2 0 0 0s y s t e m , t h e nt h e t o t a lf a u l td i a g 】a o s i sp r o c e s so nh e a d s t o c ko f n u m e r i c a lc o n t r o li n s e h m ei sr e a l i z e d t h e nt h et i m ed o m a i n a n a l y s i sm e t h o d sa n df i v q u e n c yd o m a i na n a l y s i sm e t h o d sw h i c h a r e f r e q u e n c y u s e df o rf a u l td i a g n o s i sh a v e b e e n d i s c u s s e d p r i n e i 【p l e so f t h em e t h o d s ，a d v a n t a g e a s w e l la sd i s a d v a n t a g ea l s ob e e ni n t r o d u c e d o nt h eb a s i so ft h em e t h o d sa b o v e t h em e t h o do f t i m e f i e q u e n c ya n a l y s i s ：i o c a lw a v em e t h o d i si n t r o d u c c d c o m p a r e dw i t ho r d i n a r yf r e q u e n c y a n a l y s i s sl i m i t a t i o n s ，t h ef i m d a m e n t o fl o c a lw a v em e t h o di sd i s s e r t e d , i n c l u d i n gi n s t a n t a n e o u s f r e q u e n c y , 1 0 e a l w a v f c o m p o n e n t s , 1 0 c a l w a v e d e c o m p o s i t i o n t h el h n e - f r e q u e n c y d e m o n g t 蒯o no fl o c a lw a v ea n dl o c a lw a v e b o u n d a r ys p e c m u n b a s e do nl o c a lw a v e a tl a s t , t h ef e a s i b i l i t yo ft h el o c a lw a v em e t h o da p p l i e do nt h eh e a d s t o c ko fn u m e r i c a lc o n t r o l m a c h i n e sf a u l td i a g n o s i sh a sb e e nd i s c u s s e da f t e rt h ee m u l a t i o n e x p e r i m e n t 蛇b a s i so fm e t h o d sa b o v ei si n t e g r a t e dd a t ao f e q u i p m e n tp m a m e t e ra n dc h a r a c t e r s oa s e l f - c o n t a i n e da n d c o m p l e t ed a t a b a s eo f f a u l td i a g n o s i si sm o s n y n e c e s s a r y i nt h i sp a p e r ，t h e r e s e a r c hf l a tf o rt h ed a t a b a s e ，k e yt e c h n i q u e ss u c ha sd a m p i p e l i n ea n dd a t aw i n d o w s ，a n d n u m e r i c a lc e n t r e lr e s u l l l v ei sw o r k e d o u t , w h i l et h ec o - - o n o f t h ed a t a b a s ei sp a r t i c u l a r l y e x p r g s s n f i n a l l y ，t h et w om e t h o d so ft r a d i t i o n a la n dl o c a lw a v ea r ea p p l i e di nah c a d s t o e ko f d u l t i e r i c a lc e n t r e lm a c h i n ei ns o m ew o r k s h o p si n s h a n g h a ig ml t d r e s p e c t i v e l y a n dt h e d i a g n o s i se x a m p l e s a r e p r e s e n t e d i nt h ep a p e r 豇1 ee x a m p l e sn o t o n l yp r o v e t h a tt h el o c a lw a v e m e t h o dc a r l d i a g n o s et h eh e a d s t o c ko fn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n ee f f e c t i v e l ya n dc u tt h e s h o r t a g eo f t r a d i t i o n a lm e t h o d ，b u ta l s ot e s t i f yt h e p r a c t i c a b i l i t ya n dv a l i d i t yo ff a u l td i a g n o s i s d a t a b a s e 1 k e yw o r d s = n u m e r i o a lo o n t r o lm a c h i n e ；h e a d s t o c k ；f a u l td i a g n e s i s ：l e e s lw a v e m e t h o d ：d a t a b a s e - 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名： 硷盘簋1日期：丝：童：1 2 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的研究背景及意义 自我国成功地加入了世贸组织以来，国民经济发展面临着新的机遇和挑战。装备制 造业是国民经济发展的基础，没有先进的装备就不能有经济的高速发展。近几年来我国 的装备制造业中，数控机床的占有率不断提高，在生产中已经占有重要地位，以数控机 床为基础的各类加工中心、柔性生产线蓬勃发展，数控机床成为现代制造业的技术基础 【”。然而作为一种加工精度高、自动化程度好的加工设备，数控机床的结构非常复杂， 它由n c 系统、进给系统、机械传动系统、冷却系统、润滑系统、电源和电机等许多子 系统组成，而且故障现象和故障原因之间不是“一对一”的关系，而是“一对多”的关 系，即一种故障现象可能是由多种故障原因引起的，而一种故障原因又可能引起多种故 障现象口】。据统计，数控机床主轴箱的故障占其机械故障的6 0 ，然而主轴箱的是否存 在故障和存在怎样程度的故障则直接影响着生产加工。可见，对数控机床主轴箱进行故 障诊断是非常重要的。 上海通用汽车公司曾与大连理工大学振动工程研究所有过合作项目，该公司应用振 动工程研究所的科研专利产品- p d m 2 0 0 0 智能故障诊断与设备预知维修系统为该公 司某车间的一个加工生产线的数控机床进行故障诊断，诊断出这个生产线有1 3 的机床 主轴轴承有故障。诊断结果得到机床生产厂家美国i n g e r s o l l 公司的认可和赔偿，为 企业挽回了巨大的经济损失。可见，数控机床主轴箱故障诊断在实际生产过程中有着非 常重要的意义。 同时，我们也可以看到在数控机床主轴箱的放障诊断中，设备的参数信息数据是至 关重要的，因为这是故障诊断的基础。然而要得到一个完备准确的故障诊断数据库，却 不是一件容易的事。有人讲“三分技术，七分管理，十二分基础数据”是有定道理 的。笔者在研究生期间，在围绕数控机床主轴箱故障诊断研究的同时，也进行了故障诊 断数据库设计的工作，并将它们应用于数控机床主轴箱的实际故障诊断中。 1 2 数控机床及其结构特点 数字控制( n c - - n t m a e r i c a tc o n t r 0 1 ) ，简称为数控，它是用数字化信号对机床的运 动及加工过程进行控制的一种方法，属于自动控制技术。由于数控与机床控制技术的发 数控机床主轴箱故障诊断的研究及应用 展紧密相联，因此。现在人们通常所讲的“数控”就是指“机床数控”，用这种控制技 术所控制的机床称为“数控机床”，相应的控制装置称为“数控装置” 国际信息处理联盟( i f i p - - i n t e m a t i o r m l f e d e r a t i o no fh l 】b 蚴砸o np r o c e s s i n g ) 第五技 术委员会对数控机床的定义是：数控机床是一个装有程序控制系统的机床，该系统能够 逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。即数控机床是采用了数控技 术的机床或装各了数控装置的机床吲。 数控机床，即n c ( n u m b e rc o n t r 0 1 ) 机床主要由数控装置、伺服驱动装置、测量反馈 装置和机床本体等四大部分，再加上程序的输入输出设备、可编程控制器( p l c 或p m c ) 等几部分组成，如下图所示1 5 。 i 数控装置p 1 伺服驱动装置 卜h 机床本体 f l 测矗馈装置l 一- - - _ - - - 一一- - 一一。_ 一- _ 一- - 一- 一。_ - 一 图i 1 数控机床的组成 f i g i i c o m p o s i t l o no f n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e 1 ) 数控装置 数控装置是数控系统的核心，是由硬件和软件两大部分组成。它接受从机床输入装 置( 软磁盘、硬磁盘、纸带阅读机、磁带机等) 输入的控制信号代码，经过输入、缓 存、译码、寄存、运算、存储等转变成控制指令实现直接或通过可编程逻辑控制器( p l c ) 对伺服驱动系统的控制。 2 ) 伺服驱动装置 伺服驱动装只是数控装置与机床主机之间的联接环节，它是接受数控装置插补生成 的进给脉冲信号，经过放大驱动机床主机的执行机构，实现机床运动。伺服驱动装置包 括主轴驱动单元( 主要控制主轴的速度) 、进给驱动单元( 主要是迸给系统的速度控制和位 置控制) 、主轴电机和进给电机等。目前常用的有直流伺服电机和交流伺服电机，且交 流伺服电机正逐渐取代直流伺服电机。 3 ) 测量反馈装置 2 一 大连理工大学硕士学位论文 测量反馈装置是通过现代化的测量元件：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、 光栅尺、磁尺和激光等，将执行元件( 如电机、刀架等) 或工作台等的速度相位移检测出 来，经过相应的电路将所测得信号反馈回数控装置，构成半闭环或闭环系统，辛h 偿执行 机构的运动误差，以达到提高运动精度的目的。 钔机床本体 机床本体就是数控机床的机械结构件。包括床身、箱体、立柱、导轨、工作台、主 轴、进给机构、刀具交换机构等。 此外，为保证数控机床功能的充分发挥，还有一些辅助系统，如冷却、润滑、液压 f 或气动) 、排屑、防护系统等。 1 3 数控机床主轴箱典型故障的振动特征 数控机床的故障主要分为两类【5 l ： 一类是电子、电器类故障，包括电子元器件、控制装置机测试系统等故障： 一类是机械故障包括主轴箱故障、导轨副和丝杠螺母副的配合故障、轴承及支撑的 预紧故障、液压和气动装置故障等。 电子元器件的主要故障如下： 1 ) 编程设定错误： 伺服系统或电机故障； 3 ) 行程开关故障； 4 】印刷线路板连接故障： 5 1 过热故障； 6 ) 系统故障。 机械类故障主要反映在机床主轴、传动轴、轴承、齿轮等传动部件的不平衡、不对 中、松动、表面剥落、裂纹、变形等。这些故障一般是通过状态信号，如振声、温度、 压力、油液及机床的一些性能参数在时域、频域或幅域的变化情况来诊断。 主轴上轴承或齿轮即使发生轻微的故障，就将对零件加工精度产生重要影响，因此 其监测诊断非常重要。主要针对轴承、齿轮、滚珠丝杠、导轨等进行分析。 下面主要阐述一下主轴箱典型故障的振动特征 1 齿形误差 。3 数控机床主轴箱故障诊断的研究及应用 存在齿形误差时，频谱产生以啮合频率及其高次谐波为载波频率，齿轮所在轴转频 及其倍频为调制频率的啮合频率调制现象，谱图上在啮合频率及其倍频附近产生幅值小 且稀疏的边频带；解调谱上出现转频阶数较少，一般以一阶为主。而当齿形误差严重 时，由于激振能量较大，产生以齿轮各阶固有频率为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍 频为调制频率的齿轮共振频率调制现象。 齿形误差的主要特征为： a )以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的 啮合频率调制：当齿形误差严重时，由于激振能量较大，以齿轮各阶固有频率为载波频 率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的齿轮共振频率调制； b )振动能量( 包括有效值和峭度指示) 有一定程度的增大： c )包络能量( 包括有效值和峭度指示) 有一定程度的增大。 2 齿轮均匀磨损 齿轮均匀磨损时由于无冲击振动信号产生，所以不会出现明显的调制现象。当磨损 发展到一定程度时，啮合频率及其各阶谐波幅值明显增大，而且阶数越高，谐波增大的 幅度越大。同时，振动能量( 包括有效值和峭度指标) 有较大幅度的增加。 齿轮均匀磨损的主要特征为： a ) 齿轮啮合频率及其谐波的幅值明显增大，阶数越高，幅值增大的幅度越大： b ) 振动能量( 包括有效值和峭度指标) 有较大幅度的增加。 3 箱体共振 箱体共振时，在谱凰上出现了箱体的固有频率成份，一般情况下共振能量很大，而 其它频率成份则很小或没有出现。 箱体共振的主要特征为振动能量很大。 4 断齿 断齿时域表现为幅值很大的冲击型振动，频率等于有断齿轴的转频。而频域上在啮 合频率及其高次谐波附近出现间隔为断齿轴转频的边频带：边频带一般数量多、幅值较 大、分布较宽解调谱中常出现转频及其高次谐波，甚至出现1 0 阶以上。同时由于瞬 态冲击能量大，时常激励起固有频率，产生固有频率调制现象。 断齿的主要特征为： a ) 以齿轮啮合频率及其高次谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频 率的啮合频率调制，调制边频带宽而高，解调谱出现所在轴的转频和多次高阶谐波； 4 大连理工大学硕士学位论文 b 、以齿轮各阶固有频率为载波频率。齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的齿轮 共振频率调制，调制边频带宽而高，解调谐出现所在轴的转频和多次高阶谐波； c )振动能量( 包括有效值和峭度指标) 有较大幅度的增加； d )包络能量( 包括有效值和峭度指标) 有较大幅度的增加。 5 轴轻度弯曲 轴轻度弯曲时，在齿轮传动中将导致齿形误差，形成以啮合频率及其倍频为载波频 率，以齿轮所在轴转频为调制频率的啮合频率调制现象，如果弯曲轴上有多对齿轮啮 合，则会出现多对啮合频率调制。但一般谱图上边带数量少而稀，它与齿形误差虽有类 似的边带，但其轴向振动能量明显加大。 轴轻度弯曲的主要特征为： a )以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的 啮合频率调制，调制边频带数量少而稀，解调谱上一般只出现所在轴的转频； b )如果弯曲轴上有多对齿啮合，则会出现多对啮合频率调制： c )振动能量( 包括有效值和峭度指标) 有一定程度的增加： d )包络能量( 包括有效值和峭度指标) 有一定程度的增加。 6 轴有较严重的不平衡 轴有较严重的不平衡时，在齿轮传动中将导致齿形误差，形成以啮合频率及其倍频 为载波频率，以齿轮所在轴转频为调制频率的啮合频率调制现象，但一般谱图上边带数 量少而稀。但在谱图中其有故障轴的转频成分明显加大。 轴有较严重的不平衡时的主要特征： a )以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的 啮合频率调制，调制边频带数量少而稀，解调谱上一般只出现所在轴的转频： b )有故障轴的转频成分有较大程度的增加； c )振动能量( 包括有效值和峭度指标) 有一定程度的增加： d )包络能量( 包括有效值和峭度指标) 有一定程度的增加。 7 轴承疲劳剥落和点蚀 滚动轴承内外环及滚动体疲劳剥落和点蚀后，右其频谱中高频区外环固有频率附近 出现明显的调制雌群，产生以外环固有频率为载波频率，以轴承通过频率为调制频率的 国有频率调制现象。由于滚动轴承产生的振动在传动箱中与齿轮振动相比能量较小，解 调谱中调制频率幅值较小，一般只出现一阶。 5 数控机床主轴箱故障诊断的研究及应用 1 4 数控机床故障诊断的现状及发展趋势 近年来，随着电子测量技术、信号处理技术、通信技术及计算机技术的发展，数控 机床故障诊断技术也有了很大的发展【6 】。 1 ) 远程故障诊断系统 数控机床远程故障诊断系统也称为设备远程通信系统。该系统一端连接用户的 c n c 系统中的专用“远程通信接口”，通过局域网或将普通电话线连接到i n t e r n e t 上， 另一端则通过i n t e m e t 连接到设备远程维修中心的专用诊断计算机上。由诊断计算机向 用户的c h i c 系统发送诊断程序，并将测试数据送回到诊断计算机进行分析，得出诊断 结论，然后再将诊断结论和处理方法通知用户。 2 ) 自诊断系统 数控机床自诊断系统也称为自修复系统，就是在数控系统的软件中装有自诊断程序 在c n c 系统内设置备用的模块。软件运行中，一旦发现某一模块发生故障，该系统就 会将故障信息及时显示在c r t 上，同时自动寻找是否拥有备用模块，若有备用模块， 该系统就能自动切断故障模块而接通备用模块，使系统迅速恢复正常运行状态。 3 ) 专家故障诊断系统 专家系统是一种“基于知识”( k n o w l e d g e - b a s e d ) 人工智能诊断系统，它的实质是在 某些特定领域内应用大量人类专家的知识和推理方法求解复杂的实际问题的一种人工智 能计算机程序。通常，专家系统由知识库、推理机、数据库以及解释程序、知识获取程 序等组成，如下图所示。 图1 2 故障诊断专家系统 i 2 e x p e r t s y s t e m o f f a u l t d i a g n o s e 4 ) 人工神经网络诊断技术 6 大连理工大学硕士学位论文 人工神经元网络，简称神经网络，它是在对人脑思维研究的基础上，模仿人的大脑 神经元结构特征，应用数学方法将其简化、抽象并模拟，而建立的一种非线性动力学网 络系统。由于神经网络系统具有处理复杂多模式及进行联系、推测、容错、记忆、自适 应、自学习等功能，作为一种新的模式识别技术和知识处理方法，人工神经网络在故障 诊断领域中显示出极大的应用潜力，这是数控机床故障诊断技术新的发展途径。 5 )“基于行为”的智能化故障诊断技术 “基于行为”( b e h a v i o r - b a s e a ) 的计算机辅助诊断的基本原理是：从某台机器的实际 运行状态出发，“自下而上”，即从具体到一般( 而“基于知识”的专家系统则是“自 上而下”，即从一般到特殊) ，从机器工况状态的变化判断其故障属性。按此原理构建 的基于行为的智能化故障诊断( b c h a v i o r - b a s e x tf a u l td i a g n o s i s ，简称b f d ) 系统其核心内 容是一个诊断系统应在运行过程中，不断提高自身的智能化水平。即诊断系统应当具有 智能化功能。 6 ) 虚拟现实在故障诊断系统中的应用 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，简称v r ) 是在综合计算机图形技术、计算机仿真技术、传 感技术、显示技术等多种科学技术的基础上发展起来的。它利用计算机及其外设和软件 而产生另一种境界的仿真，为用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图 形世界，1 并通过头盔显示器、数据手套等辅助传感器设备，向用户提供一个观察并与该 虚拟世界交互的多维用户界面，使用户可以直接参与和探索仿真对象在所处环境中的作 用与变化，具有较强的“身临其境”之感。 1 5 论文的主要内容及结构 本文的主要内容是围绕数控机床主轴箱的故障诊断展开的： 1 首先论述了常用的故障诊断分析方法，主要从时域和频域两个角度入手。分别 论述了它们的基本原理，应用范围及优缺点。 2 论述了时频域分析方法一局域波法，包括瞬时频率和局域波分量等理论基 础，及局域波分解的实现、局域波时频表示及局域波边界谱等。 3 阐述了故障诊断数据库的设计工作，包括开发平台，数据管道和数控窗1 ：3 等关 键技术，同时具体介绍了设备数据库和轴承数据库中关键表的结构及轴承数据库的建立 和数据检索流程等。 4 分别应用时域、频域方法和局域波法，并结合故障诊断数据库，具体分析了数 控机床主轴箱的诊断实例。 一7 数控机床主轴箱故障诊断的研究及应用 本文的结构如下图所示。 图1 3 论文的结构 f i g 1 3s t r u c t u r eo f t h e s i s 8 大连理工大学硕士学位论文 2 数控机床主轴箱故障诊断的总体设计 大连理工大学振动工程研究所与上海通用汽车公司的合作项目，主要是应用 p d m 2 0 0 0 为该公司的数控机床提供机械方面的故障诊断服务。我们都知道，数控机殊 的主轴箱是数控机床机械故障的主要来源之一，而且主轴箱的故障诊断与维修对于现代 生产制造而言，也是至关重要的，所以主轴箱成为了我们的主要故障诊断对象。实现数 控机床主轴箱故障诊断，主要包括硬件设备、软件系统和数据库三个方面的设计工作。 2 1 硬件设备 p d m 2 0 0 0 是一个集成化、智能化的设备预知维修与故障诊断系统。该系统的工作 方式为巡检式，即操作者定期携带采集器在设备运行现场采集有关数据，再把存储的数 据回送给主机( 微机) ，进行分析和诊断。 所以，我们的主要硬件设备是p d m 2 0 0 0 的数据采集仪，它具有以下几个特点： ( 1 ) 由于经常带到现场，必须是便携式，操作简单，工作可靠，抗干扰能力强。 ( 2 ) 双通道测量，以便分析信号间的相关性和被测设备的频响特性。 ( 3 ) 具有路径方式，非路径方式和实时方式三种工作方式以满足不同的需要。 ( 4 ) 具有现场快速信号分析能力，保证采集数据的质量和高的工作效率。 ( 5 ) 具有现场故障诊断的功能，以适应现场作业的需要。 ( 6 ) 具有与主控系统正反向快速通讯的功能。 2 2 软件系统 软件系统是具体深入分析和诊断数据的工具，它的功能模块的好坏直接影响到整个 故障诊断的过程。针对数控机床主轴箱的故障特性，p d m 2 0 0 0 系统的软件部分设计了六 大模块； 1 诊断设备登录模块 该模块的主要是把与需要检测的数控机床设备及其测点有关的参数登录在案，为形 成采集信号的巡检表和其它模块作好准备，因此具有与数据库通讯和设备文件管理的功 能。 该模块主要实现三个功能： a ) 建立要进行检测诊断的设备表头登录文件( e p h e a d h e a ) ： 9 数控机床主轴箱故障诊断的研究及应用 b ) 建立设备各测点主要参数的测点登录文件( 木e t p ) ； c ) 建立采集器的巡检次序文件( 冰e p a ) 。 2 ，采集数据通讯模块 该模块的作用是构成巡检表，并把巡检表传输给p d m 2 0 0 0 数据采集器，接收由采集 器输入的检测数据，同时形成其它模块进行数据分析的有关文件，保持与数据库之间的 联系。 3 时域、频域分析及时频域分析模块 在时域、频域内对信号进行分析，包括微分、积分、概率统计分析、数字滤波、数 字包络、自相关、互相关、轴心轨迹、自功率谱、互功率谱、倒谱、相位、相干、传递 函数、细化谱、共振解调谱、谱阵等分析以及各类窗口显示、编辑功能。 这些分析方法将在下两章中进行详细阐述。 4 趋势分析模块 根据设备各测点历次的测量数据，对设备的运行状况及趋势进行分析和故障预测， 以对设各使用和维修计划进行指导。报警分两类： ( 1 ) 整体报警，即对测点在整个频率范围内所有的能量总和进行监测，根据某些原 则制定报警线，对己测能量进行曲线拟合( 线性、二次) ，以达至q 对设备的故障预测和报 警维修的目的。 ( 2 ) 多段( 六段) 报警，根据需要把整个频段分成若干段( 一般为六段) ，通过计 算各段历次能量的变化，对设备进行分段趋势分析、故障预测和报警。 该模块均采用国际惯例，以振动裂度值作为评价指标。 报警线的确定要靠长期的测量和经验的积累，该模块自动设定了两个报警线，操作 者可根据需要进行修正，一旦确定下来，报警线值即传入数据库。 5 通用设备诊断模块 设各故障诊断系统由通用设备诊断模块和设备简图绘制模块两大模块构成。 通用设备诊断模块是在频域分析模块的基础上增加了对转轴、齿轮、轴承等零件故 障特征频率的计算功能，可从多种角度对信号进行频谱分析。 1 0 大连理工大学硕士学位论文 通用诊断模块提供了两种诊断方式：自动诊断和手动诊断。手动诊断用户需要输入 轴承型号，程序自动检索出相应的机构参数和特征频率。给出诊断结果；自动诊断时， 程序自动诊断轴承和齿轮的参数以及诊断结果，可以实现综合故障诊断报表打印输出。 因为在进行诊断分析时，往往需输入一些有关齿轮和轴承的基本参数，为此本系统提供 了手工和自动两种方式供使用者选择，这可通过设置诊断方式来指定。一般而言，若被 诊断设备的旋转零部件参数能够以数据库的方式( 诊断设备传动系统参数库) 提供，则 宜采用自动输入方式；否则可采用手工输入方式。根据信号分析模块提供的功能，对采 集的信号进行时域，频域的分析，根据用户所选的诊断方式，由系统完成诊断功能最后 将诊断结果存入诊断纪录中。 6 设备筒图绘制模块 该模块可以绘制出设备简图。该设备简图被通用设各诊断模块所使用。设备简图绘 制模块可以模拟现实设备，实现图形的层次结构，从工厂车间到单个机器，再到机器的 各个轴系，再到单个齿轮、轴承零件的管理。设备简图绘制模块图形工具齐全，实现几 乎所有通用旋转机械构件以及一些辅助图形。包括螺杆螺母、垂直于平面的传感器、同 一平面的传感器、手柄、砂轮、叶片、轴、奁齿轮、斜齿轮、带轮、蜗轮、蜗杆、电 机、单列深沟球轴承、单列角接触球轴承、单列推力球轴承、单列圆柱滚子轴承、单列 圆锥滚子轴承、多列深沟球轴承、多列角接触球轴承、多列推力球轴承、多列圆柱滚子 轴承、多列圆锥滚子轴承、普通向心滚动轴承、普通单向推力滚动轴承、普通双向推力 滚动轴承、直线( 斜线) 、水平直线、垂直直线、圆弧、无填充圆角矩形、无填充矩形、 无填充椭圆( 圆) 、任意直线、虚框等。设备简图绘制模块可以实现文本标注，文本可添 加、删除、修改以及参数输入，即几何信息( 图形形状、大小、位置等) 、拓扑信息 ( 图形相对关系) 、实体结构信息( 具体零件结构参数) 、语义信息( 诊断环境、条件 等) 等信息的输入。 2 3 数据库 如前所述，我们可以看到诸多模块都需要数据库的支持。数据库作为p d m 2 0 0 0 是设 备预知维修与故障诊断系统中独立的一个部分，是数据采集、信号分析、故障诊断的基 础。我们的数据库既包括大量的基础数据，又包括设备结构简图。设备结构简图既可由 p d m 2 0 0 0 提供的设备简图绘制模块绘制而成，又可由a u t o c a d 支持软件绘制而成，并变成 绘图文件存储。基础数据库是以d b f 为后缀的数据库， d b f 数据库既可由本系统提供的 数控机床主轴箱故障诊断的研究及应用 传动库、轴承库模块编辑生成：又可以用当前常用的一些软件生成， f o x b a s e 、 a c c e s s 等。该数据库分设备数据库( 包括设备传动库) 和轴承数据库两大部分。两大数 据库各自独立，与主系统相联，实现数据交互通讯。 2 3 1 设备数据库 设备数据库是把要检测的数控机床设各以及结构、组成、归属、测点布置等有关参 数规范化管理起来，主要组成有： 1 ) 设备总库 设备总库记录了设备测点的信息。利用数据库方式进行表头登录时，需要此类数据 库。p d 抛0 0 0 软件系统提供了该数据库样本，如p d m p a r a r q c j d b f 等，用户可根据数 据库样本建立自己的d b f 数据库。 设备结构图库 对于由a u t o c a d 绘制而成的设备结构简图( p l t ) ，可以变成绘图文件存储。还可 以由设各简图绘制模块绘制设备结构简图( d r y ) 。 2 ) 设备传动库( c 1k 曲f ) 设备传动库中记录了各台设备的每个轴上的齿轮齿数、轴承类型和支承形式。它反 映了对应每个主轴的主轴转速、各个轴的转速及传动关系，它与设备结构图是致的。 2 3 。2 轴承数据库 轴承是设备监测与故障诊断的重要内容。轴承库包括各种类型、各种型号的轴承结 构参数2 0 0 0 0 余种。数据库是开放式结构，用户可根据需要增加内容。主程序需要对某 轴承进行诊断时，可直接从轴承库自动调入其参数。 轴承数据库中录入了向心球轴承、推力球轴承、调心球轴承、角接触球轴承、推力 角接触球轴承、圆柱滚子轴承、调心滚予轴承和推力圆柱滚子轴承等共1 4 种类型2 0 0 0 0 余种轴承的数据。数据内容包括轴承型号、滚动体直径、数目、列数，节圆直径、接触 角及与外国同类轴承型号的对照。p d m 2 0 0 0 软件系统提供了该数据库，即 p d m p a r a z c k _ * d b f 。用户不可对这些数据库进行操作。用户增加、修改的轴承数据库 存于p d m p a r a u s e r 。d b f 。 2 4 小结 1 2 大连理工大学硕士学位论文 本章简要地介绍了应用p d m 2 0 0 0 对数控机床主轴箱进行故障诊断的总体设计，其 中包括硬件设备p d m 2 0 0 0 数据采集仪，软件系统包括诊断设备登录模块、采集数 据通讯模块、时域、频域分析及时频域分析模块、趋势分析模块、设备诊断模块和设备 简图绘制模块六大模块。同时介绍了支持这些模块的数据库，包括设备数据库和轴承数 据库。 1 3 数控机床主轴箱故障诊断的研究及应用 3 常用的故障诊断分析方法 一般而言。对随机信号可从时域和频域这两个角度来进行分析。如果对所测得的时 间历程信号直接实行各种运算且运算结果仍然属于时域范畴，则这样的分析运算即为时 域分析，如统计特性参量分析、相关分析等；反之，如果首先将所测时历信号经过傅立 叶变换为频域信号，然后再对其施行各种运算的分析方法成为频域分析。 3 1 时域分析 常用工程信号都是时间波形的形式。时间波形有直观、易于理解等特点，由于是最 原始的信号，所以包含的信息量大。缺点是不太容易看出所包含信息与故障的联系。对 于某些故障信号，其波形具有明显的特征，这时可以利用时间波形作出初步判断【t 甜。 3 1 1 自相关函数 信号或数据工( f ) 的自相关函数疋( r ) 用以描述一个时刻的取值与另一个时刻的取值 之间的依赖关系。 图3 1 自相关函数 3 1s e l f - o r r e l a t i o nf u n c t i o n 自相关函数数学表达式为 县( r ) = ：l i m 土，r x ( r ) z ( ) 出 离散化数据计算公式为 胄2 志1 罢工( ，龇跏r ) 一” 1 4 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 大连理工大学硕士学位论文 式中，n _ 采样点数( 样本长度) ；n 耐延数：i 时序号。 自相关函数有以下性质： 1 r 一) 为偶函数，即 量( f ) = b ( 一f ) ( 3 3 ) 2 r x ( o ) 为最大值，即 r x ( ) r x ( o ) = e x 2 ( f ) 】 ( 3 4 ) 3 若定义自相关系数 b h = r ( r ) r ，( 0 ) ( 3 5 ) 则见( f ) l ( 3 6 ) r ；( f ) 是有量纲的，不同波形的自相关程度很难互相比较；而以( r ) 是量纲为一的 参数，作为相关性的度量更直观。 4 若l i m r 存在，有 j 皿( 。) = ( 3 7 ) 5 宅i x ( t ) 中有一周期成分，则也( f ) 中有同样周期的周期分量。如 x ( f ) = 4c o s ( w + 铂 ( 3 8 ) * j z 则b ( f ) = i 4 - c o s f ( 3 9 ) 这表明，疋( r ) 和x ( r ) 具有相同的频率成分，其振幅由4 变为哆彳，但相位角信 息丢失。 不同信号具有不同的相关函数，是利用自相关函数进行故障诊断依据。正常运动的 机器，其平稳状态下的振动信号的自相关函数往往与宽带随机噪声的自相关函数相近， 而当有故障，特别是周期性冲击故障时，自相关函数就会出现较大的峰值。 3 1 2 互相关函数 如图3 2 互相关函数是表示两组数据之间的依赖关系的相关统计量，互相关的函数 表示为 1 5 数控机床主轴箱故障诊断的研究及应用 如( r ) = 舰专r x ( r ) y ( m ) a t 图3 2 互相关函数 f 蜷3 2c r o s sc o r r e l a t i o nf u n c t i o n ( 3 1 0 ) 离散化数据计算公式为 如缸) 2 志荟x ( f 。她+ 一a t ) ( 3 1 1 ) 互相关函数有以下性质： 1 - ( r ) 为非奇非偶函数，即码( r ) = ( 一r ) ( 3 1 2 ) 2 1 r a o i - 4 r , ( o ) r , ( o ) ，即码( o ) 一般不为最大值，且无特定的物理意义， 它并不表示均方值。 3 若两个具有零均值的平稳随机过程 z ( r ) 和 y ( f ) 是相互独立的，则有 ( f ) = o ，这个性质可以检测隐藏在噪声中的规律信号。 4 若定义互相关系数p w ( r ) 2 燕 ( 3 1 3 ) 则 岛( f ) | o( 3 1 8 ) 1 7 数控机床主轴箱故障诊断的研究及应用 由此可见，最( 厂) 反映的信号频率结构与信号的幅值谱p ( 厂) l 相似，但是自谱反 映的是信号幅值的平方，因此它反映的频率结构更明显。 自功率谱分析能够将实测的复杂工程信号分解成简单的谐波分量来研究，描述了信 号的频率结构，因此对机器设备的动态信号作功率谱相当于给机器“透视”，从而了解 机器设备各个部分的工作状况。功率谱分析在解决工程实际问题中获得了广泛的应用。 3 2 1 2 互功翠谱密度函数 两个随机过程的互功率谱密度函数可以定义为这两个过程相应的互相关函数的傅立 叶变换，若皿。为给定的两个随机过程的互相关函数，则互功率谱密度函数为 ( ，) = 如( f ) e 。2 小d r ( 3 1 9 ) 互相关函数码( r ) 由双边互功率谱密度函数岛(