機床主軸振動監(jiān)測與分析

機床主軸振動監(jiān)測與分析

0旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子實時監(jiān)控隨著市場競爭加劇，制造業(yè)面臨著巨大的壓力。一方面制造型企業(yè)面臨在產(chǎn)品質(zhì)量、響應(yīng)時間、產(chǎn)品成本和服務(wù)等方面適應(yīng)更高的外部要求另一方面,制造企業(yè)也面臨著對自身制造系統(tǒng)運行過程進行優(yōu)化改造、降低成本的壓力。這些壓力都集中到制造系統(tǒng)優(yōu)化上———實現(xiàn)對生產(chǎn)車間設(shè)備的運行狀態(tài)信息的在線監(jiān)控。從總體上看,對設(shè)備的實時監(jiān)控也是企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營目標實現(xiàn)的技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ),是生產(chǎn)順利進行的前提,是降低成本提高經(jīng)濟效益的有效途徑,也是促進企業(yè)技術(shù)進步的關(guān)鍵因素。據(jù)不完全統(tǒng)計,在相關(guān)的設(shè)備故障中,絕大部分故障與機械振動有直接或間接的關(guān)聯(lián),與此同時,機械振動還將產(chǎn)生噪聲而危害人身健康,因此針對旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子進行實時監(jiān)測,尤其是監(jiān)測其振動情況是很有必要的。東華大學的王彥兵等采用了傳感器與虛擬儀器結(jié)合,實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子運動狀態(tài)的在線監(jiān)測;中北大學的郝建亮等開發(fā)的便攜式機械振動測試系統(tǒng)能及時、準確的反映機械設(shè)備的運行狀態(tài)和故障起因等?；贚abVIEW的機床設(shè)備主軸振動測量與分析是通過選擇相應(yīng)的傳感器采集主軸工作過程中的振動信號,經(jīng)過信號調(diào)理電路處理,經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡將該振動信號傳遞至PC機中,借助于LabVIEW軟件強大的信號處理能力,將主軸的振動信號轉(zhuǎn)換成易于監(jiān)控人員理解的波形圖等,實現(xiàn)對機床設(shè)備主軸振動情況的實時監(jiān)控。1旋轉(zhuǎn)機械樹干的振動測量方案1.1電渦流位移傳感器對于機床主軸振動信號測量關(guān)鍵之一在于對振動信號的提取,只有當所采集的振動信號具有較高的質(zhì)量,才能更真實的反映主軸的振動情況。其中,接觸式測量方法會對主軸振動造成一定的影響,從而降低測量結(jié)果的準確度,為了減小對機床主軸振動的影響,選擇非接觸式的測量方法為宜。目前可進行非接觸式測量主軸振動信號的傳感器主要有:電渦流式位移傳感器、電容式位移傳感器、激光位移傳感器等。其中電容式傳感器的后續(xù)電路復(fù)雜且成本較高,故不適合對機床主軸振動的測量。激光位移傳感器可精確非接觸測量被測物體的位置、位移等變化,同時激光具有優(yōu)良的直線度特性,但激光產(chǎn)生裝置相對比較復(fù)雜以及體積較大,并且價格昂貴,故也不采用。電渦流位移傳感器利用電渦流效應(yīng),可以非接觸式測量被測體(必須是金屬導體)與探頭端面之間靜態(tài)和動態(tài)的相對位移變化,其測量原理如圖1所示,且具有靈敏度高、抗干擾能力強、低頻特性好、響應(yīng)速度快、工作穩(wěn)定可靠等顯著優(yōu)點,并且具有很寬的使用范圍和線形范圍,在旋轉(zhuǎn)類機械設(shè)備振動信號采集中得到廣泛應(yīng)用,且技術(shù)比較成熟。由畢奧-薩伐爾定律可知,單扎載流圓導線在軸線上的磁感應(yīng)強度為:其中μ0為磁導率;I為電流;r為單匝線圈半徑;x為線圈軸線上距線圈的距離。實際上電渦流位移傳感器的線圈有N匝,采用矩形截面線圈,由電渦流傳感器測量原理圖分析可知。當線圈通過電流I時,可以計算出線圈軸線上P點處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度為:其中:c為線圈厚度;Ra、Rb分別為線圈的內(nèi)徑和外徑。電渦流位移傳感器在高速旋轉(zhuǎn)機械和往復(fù)式運動機械狀態(tài)分析、振動研究、分析測量中,對非接觸的高精度振動、位移信號,能連續(xù)準確地采集到轉(zhuǎn)子振動狀態(tài)的多種參數(shù)。如軸的徑向振動、振幅以及軸向位置。電渦流位移傳感器憑借其長期工作可靠性好、測量范圍寬、靈敏度高、分辨率高等優(yōu)點,在大型旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)的在線監(jiān)測與故障診斷中得到廣泛應(yīng)用。1.2垂直軸線接觸狀態(tài)機床主軸振動監(jiān)測的核心問題之一在于選擇合適的傳感器并正確安裝,以便能獲得機械振動的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)。針對所研究的臺式鉆床主軸振動情況,在不影響機床正常工作的情況下,可以將兩個探頭分別安裝在垂直軸心線每一側(cè)45度,定義機床左側(cè)的探頭為X探頭,定義右側(cè)探頭為Y探頭。如圖2所示,理論上,兩個探頭可以安裝在軸承周圍的任何位置,保證其夾角為90度(±5度誤差),都能夠準確的測量主軸的徑向振動信息。傳感器探頭的安裝位置應(yīng)該盡量靠近軸承,否則由于主軸的撓度,所測量的結(jié)果也將包含附加誤差。傳感器的安裝位置與軸承的最大安裝距離如表1所示,由于鉆床主軸的直徑為52mm,故最大安裝距離D不應(yīng)該超過25mm。1.3系統(tǒng)軟件設(shè)計對機床主軸進行性能監(jiān)測,需要在硬件實驗平臺的基礎(chǔ)之上,基于虛擬儀器開發(fā)相應(yīng)的軟件系統(tǒng),故整個系統(tǒng)應(yīng)包括硬件平臺的搭建以及軟件系統(tǒng)的開發(fā)。其中硬件實驗平臺主要由Z-516型臺式機床,電渦流位移傳感器,信號處理模塊,PCI-6221型數(shù)據(jù)采集卡以及PC機等組成。軟件系統(tǒng)的開發(fā)要求整個系統(tǒng)集實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲以及圖形化界面顯示等為一體,為實時監(jiān)測機床主軸振動情況提供交互式的工作環(huán)境。當機床處于不同的工況時,借助于電渦流位移傳感器獲取機床主軸振動的原始信號,經(jīng)過低通濾波、去噪以及放大等預(yù)處理,將處理后的振動信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡傳遞到PC機,結(jié)合虛擬儀器平臺所開發(fā)的軟件系統(tǒng),對所采集的機床主軸振動情況進行實時監(jiān)測,機床主軸振動監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。通過在機床主軸徑向安裝兩個相互垂直的電渦流位移傳感器,將主軸的實時振動信息提取出來,借助于信號處理模塊(包括信號的濾波、去噪以及放大等預(yù)處理措施)對所采集到的X、Y方向的振動信號去偽存真,經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入通道,傳送到PC機上,利用LabVIEW軟件進行信號分析處理。系統(tǒng)的處理結(jié)果與設(shè)定的預(yù)定閥值進行比較,當主軸的振動量超過閥值時,系統(tǒng)發(fā)出報警信號并停機檢查。2圖形化軟件本身的開發(fā)能力和使用頻率“軟件即是儀器”是NI(NationalInstruments)公司提出的虛擬儀器理念的核心思想。虛擬儀器技術(shù)憑借其高性能的模塊化硬件,結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。同其他技術(shù)相比,虛擬儀器技術(shù)具有性價比高、可擴展性強、開發(fā)時間短以及軟硬件的無縫集成等顯著特點。LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench,實驗室虛擬儀器集成環(huán)境)是NI公司的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品,也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境,又稱為G語言(GraphicsLanguage,圖形化編程語言)。與其他開發(fā)程序相比,LabVIEW能把復(fù)雜的語言編程簡化成用圖標、連線構(gòu)成的流程圖,盡可能的使用開發(fā)人員、科學家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標和概念,可以大大提高工作人員的工作效率從而有效的提高系統(tǒng)的開發(fā)速率。旋轉(zhuǎn)機械主軸振動實時監(jiān)測系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成,其中系統(tǒng)的硬件部分相當于人的身體,而軟件則相當于人的靈魂。當該系統(tǒng)的硬件平臺正確搭建后,軟件系統(tǒng)的開發(fā)則迫在眉睫。針對機床主軸振動實時監(jiān)測系統(tǒng),將圍繞著主軸濾波后的波形圖、軸心軌跡圖、軸心位置圖以及頻譜分析圖等進行主軸狀態(tài)的監(jiān)測。2.1振動信號的濾波X、Y兩個方向的電渦流位移傳感器將所采集到的主軸振動信息經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入至計算機,借助于數(shù)據(jù)采集卡助手(DAQAssistant)實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)與LabVIEW程序框圖的結(jié)合。由于信號采集、處理以及傳輸過程中不可避免的存在一定的干擾,所以應(yīng)對采集的振動信號進行濾波。LabVIEW9.0提供了大量的濾波器,根據(jù)機床主軸的轉(zhuǎn)速為700r/min,即主軸的轉(zhuǎn)動頻率約為11.67Hz,結(jié)合生產(chǎn)線現(xiàn)場的實際情況,對于所采集的原始振動信號選擇低通濾波器進行濾波,截止頻率設(shè)定為8Hz。經(jīng)過濾波后的主軸振動信號利用DAQ助手,對采集的信號進行標定,將標定結(jié)果以波形圖進行實時顯示,同時,振動信號經(jīng)FFT分析后,即可獲取主軸振動的頻譜分析圖。其程序框圖如圖4所示,通過X、Y方向轉(zhuǎn)換按鈕,可以根據(jù)需要,分別顯示X或Y方向的振動波形以及頻譜分析圖。2.2主軸振動的軸線位置將采集到的X、Y方向信號處理后,利用幅值和電平測量模塊,分別提取X、Y兩個方向的振動幅值,將X,Y方向的振動幅值分別輸入到示波器的X軸和Y軸,即獲得主軸振動的軸心軌跡圖。利用幅值和電平測量模塊獲取振動信號的均方根值,主軸軸心的實際位置是軸心偏移軸線的幅值以及偏移角度共同確定的,并且軸心位置隨著轉(zhuǎn)速和載荷的不同而不同。實驗研究主軸直徑為ue78852mm,X、Y兩個方向的電渦流位移傳感器所對應(yīng)的相位角分別為0°、90°方向,將X、Y兩個方向的動態(tài)均方根值分別疊加到X、Y方向,即可獲得主軸的軸心位置圖,其程序框圖如圖5所示。2.3出入量和出入量輸出量LabVIEW的程序是由前面板和程序框圖組成,前面板是系統(tǒng)與用戶交互的接口,用戶可以通過控制輸入量(如改變數(shù)據(jù)采集卡的采樣數(shù)、采樣率以及濾波參數(shù)等),從而界面顯示相應(yīng)的輸出量。利用LabVIEW圖形化語言編寫機床主軸振動監(jiān)測系統(tǒng)的工作界面如圖6所示,包含主軸的振動波形圖、頻譜分析圖以及軸心軌跡圖等,其中,所示主軸軸心軌跡為局部放大圖,僅包含1/4圓弧,原始波形和振動波形見圖6c。2.4靜態(tài)校核實驗為了驗證系統(tǒng)測量結(jié)果的準確性,現(xiàn)開展如下靜態(tài)校驗實驗。如圖7所示,將探頭與前置器連接好(探頭安裝在校驗架上),在前置器輸出端子“UT”及“COM”處接-24V的直流穩(wěn)壓電源,將信號輸出端“OUT”與“COM”端口接到信號處理模塊,將非標準的振動信號轉(zhuǎn)換為行業(yè)標準的4~20mA標準電流輸出。通過螺旋測微計改變探頭與監(jiān)測盤之間的距離,所測得的電流值如表2所示。需要注意的是檢測盤應(yīng)選用與機床主軸相同的材料,也可以采用其他對電渦流傳感器的輸出靈敏度影響較小的材質(zhì)。禁止使用不銹鋼,鑄鐵,銅或鋁等材料做檢測盤,對于檢測盤的表面不可鍍鉻處理。對靜態(tài)校核實驗的結(jié)果分析可知,安裝間隙y(單位:μm)與實測電流x(單位:mA)近似滿足線性關(guān)系式:基于LabVIEW的機床主軸監(jiān)測系統(tǒng)測得Z-516型臺式鉆床主軸以轉(zhuǎn)速n=700r/min空轉(zhuǎn)時,監(jiān)測系統(tǒng)測量主軸振動量為178μm,對應(yīng)的電流I=7.515mA;正常鉆削時,主軸振動量為186μm,對應(yīng)的電流I=7.676mA。由表3分析可知,Z516型臺式機床主軸的振動量理論計算值與實際測量值的偏差≤±2%,在允許偏差范圍之內(nèi),故可以認為該監(jiān)測系統(tǒng)測量結(jié)果是準確的。3機床的監(jiān)測系統(tǒng)其基于LabVIEW9.0軟件平臺成功搭建關(guān)于旋轉(zhuǎn)類機械主軸振動的測試分析系統(tǒng),并將其運用于Z-516型臺式鉆床主軸的振動測量分析中,通過靜態(tài)校核試驗證明該監(jiān)測系統(tǒng)測量結(jié)果的準確性。與其他監(jiān)控系統(tǒng)相比,本系統(tǒng)既可以通過直觀的工作界