机床振动测试与诊断.docx

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机床振动测试与诊断

机床振动测试与诊断

摘要

现代工业发展过程中，普通机床和数控机床的使用是非常常见的，无论哪种机床在工作过程中都不可避免的会产生机械振动，那么对机床的振动测试和诊断也就逐渐形成一门独立的学科。

机床在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，都会伴随微弱的振动。

机械振动在大多数情况下是有害的，并且还伴随着同频率的噪声，恶化环境，危害健康。

然而，振动并不是完全有害的，我们可以利用机床发出的振动来检测开机状态下机床是否处于安全工作中，以及利用振动可以检测机床能够继续安全工作的时间，何时将可能发生故障等一系列的问题。

因此对机床振动的测试和诊断是必不可少的。

关键词：

机床振动；测试；诊断；频率

Abstract

Inthedevelopmentofmodernindustry,theuseofordinarymachinetoolandnumericalcontrolmachinetoolisverycommon,nomatterwhatkindofmachinetoolintheworkingprocessoftheinevitablewillproducemechanicalvibration,thevibrationtestanddiagnosisofmachinetoolwillgraduallyformanindependentdiscipline.Whenthemachineismoving,duetotheimbalanceoftherotatingparts,loadofinhomogeneous,anisotropicstiffness,loose,badlubrication,supportfactorssuchasclearance,willaccompanyafaintvibration.Mechanicalvibrationisharmfulinmostcases,andalsowiththesamefrequencynoise,deterioratingenvironmentandahealthhazard.

Vibration,however,isnottotallybad,wecanusemachinetoolofvibrationtotestonthemachineinsafetywork,andthevibrationcanbeusedtodetectmachinecancontinuetosecureworktime,whentherewillbeafailureandaseriesofproblems.Sotestinganddiagnosisofvibrationofmachinetoolisindispensable.

Keywords:

Machinetoolvibration;Test;Diagnosis;Thefrequency

1概述

1.1课题背景

我国在工业部门中开展状态监测与故障诊断技术研究的工作起步于1986年，在此之前从国外引进的大型机组，一般都购置了监测系统。

而在自行研制的国产设备上，若选用国外的监测系统，由于价格异常昂贵而难以接受。

80年代中后期以来，我国有关研究院所、高等院校和企业开始自行或合作研究旋转机械状态监测技术，无论在理论研究、测试技术和仪器研制方面，都取得了许多可喜的成就，并开发出相应的旋转机械状态监测系统。

如：

哈尔滨工业大学等单位联合研制的“机组振动微机监测和故障诊断系统”，西安交通大学研制的“大型旋转机械计算机状态监测与故障诊断系统”，东北大学研制的“轧钢机工作状态监测系统”等。

不过在智能诊断仪器、传感器、信号的采集与分析仪器等方面与发达国家相比还有一定的差距[1]。

随着数控机床分进一步的发展，我国工业部门已经普遍的利用数字技术对机械零件进行加工，它是机械加工的必须工具，在我国的机械加工与机械设计中，起着重要的作用。

它主要由机床体和计算机数控系统两大部分组成[1]机床本体是数控机床的主体，由基础件（如床身、底盘）和运动件（如工作台、床鞍、主轴箱等）组成，采用了高性能主轴部件、高效传动部件（如滚珠丝杠、静压导轨、滚动导轨等）。

数控系统是数控机床的核心，其中包括硬件装置和数控软件两大部分，由输入/输出设备、数控装置、伺服单元、驱动装置（或执行机构）、可编程控制器（PLC）及电气控制装置和检测反馈装置组成。

1.2机床振动诊断的发展趋势

1.2.1数控机床的发展历程

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[2]。

也可以说，数控机床是新型自动化的机床，它是具有广泛的通用性和很高自动化程度的全新型机床，是用数字代码形式的信息来控制机床，按给定的动作顺序进行加工的自动化机床。

数控机床最早产生于美国。

1947年，为了精确制作直升飞机叶片的样板，美国的帕森斯（Parosns）公司设想并利用全数字计算机对叶片轮廓的加工路径进行了数据处理，使得加工精度达到0.O38lmm，这就是最早地将数字控制技术运用到机械加工当中。

1949年，美国空军为了能在短时间内制造出经常变更设计的火箭零件，委托帕森斯公司并通过该公司与麻省理工学院伺服机构研究所协作，对数控机床进行研究并于1952年研制成功了世界上第一台数控坐标铿铣床，其所用的电子元件是电子管。

1956年，美国又相继研制出了数控转塔钻床。

1958年，美国研制出带刀架或自动换刀装置（ATC）的加工中心。

此时己开始采用晶体管元件和印制电路板。

这种带有ATC的加工中心就是初步的柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystemFMS）。

1965年以后，数控装置开始采用小规模集成电路，使得数控装置体积减小，功耗降低，可靠性提高"这种系统是一种硬件逻辑数控系统（NC）。

1966年，日本的FANUC公司研制出全集成化的数控装置。

1974年，美国研制出了第一台由计算机控制的数控机床（CNC）。

20世纪80年代初，出现了柔性制造单元（FMC），它和FMS被认为是实现计算机集成制造系统CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）的必经阶段和基础。

当前在控制领域，微机数控装置占了绝对的优势，而数控装置随着微机技术和相应软件技术的发展也得到了快速的发展。

数控机床正在不断采用最新电子和计算机技术，朝着高速度化、高精度化、多功能化、高可靠性等方向发展[3]。

1.2.2测试与诊断技术的应用

故障诊断技术是现代化生产发展的产物。

早在60年代末，美国国家宇航局（NASA）就创立美国机械故障预防小组MFPG（MachineryFaultPreventionGroup），英国成立了机械保健中心（UKMechanicalHealthMonitoringCenter）。

由于故障诊断技术所产生的巨大的经济效益而得到了迅速的发展[4]。

但各个工程领域对故障诊断的敏感程度和需求迫切性并不相同。

数控机床机械故障诊断技术是一般机械故障诊断技术在数控机床上的应用和发展，其又不同于一般的设备故障诊断技术，是因数控机床加工生产的需要而出现的，其相伴于数控机床的产生而产生，随着数控机床技术的发展而发展。

而真正意义上的数控机床故障诊断技术应该从20世纪60年代算起，也就是从一般的故障诊断技术的状态监测阶段算起，即己从传统的故障诊断方法过渡到现代故障诊断方法，并向更高更新技术方向发展。

现代的数控机床故障诊断技术是利用诊断仪器和信号数据处理对机床的机械装置的故障原因、部位和故障的严重程度进行定性和定量的分析，具有实时性和高度准确性。

数控机床故障诊断技术主要有油液光谱分析、振动监测、嘈声谱分析、专家系统、温度监测、非破坏性监测等[5]。

数控机床故障诊断技术发展到今天，已经成为一门跨学科的综合信息处理技术，与当代前沿科学的融合是数控机床故障诊断技术的发展方向。

当今故障诊断技术的发展趋势是传感器的精密化、多维化，诊断理论。

诊断模型的多元化，诊断技术的智能化。

1.3机床振动测试诊断国内外发展现状

从目前国内外发展的情况看，振动故障诊断系统可分为固定式的和便携式的两种。

它们都是由PC机和外围设备组成的；外围设备与PC机的通讯方式可分有串口、并口、USB口和PC机内置数据采集卡4种；外围设备的一类是不带有微处理器，一类是带有微处理器，微处理器采用DSP是一种趋势；A/D芯片的转换结果输出方式分有并行输出和串口输出，但对于串行输出A/D芯片而言，对较高的采样速率，只有高速微处理器或者DSP技术得到发展的今天才有可能；从A/D芯片的位数看，有8位、10位、12位、16位和24位，当前，国内外振动故障诊断系统所用的A/D芯片以12位的较多，使用16位的较少，其价格较贵,但使用16位的是一种趋势[6]。

上面是系统硬件的发展。

随着计算机操作系统和相关开发工具的的发展和更新，振动故障诊断系统的软件也得到了快速的发展。

微机上的软件早期是在DOS环境下开发和运行的，后来变为在Windows3.X环境下开发和运行，目前，则是在Windows95/98,Windows2000环境下开发和运行[6]。

1.4课题意义

本课题所开发出来的数控机床机械振动故障诊断系统是在我校和淮北矿业集团公司合作开发的“煤矿大型机电设备测试、故障诊断和预知维修技术”的基础上进一步开展和移植于数控机床的仪器系统。

数控机床作为现代制造业的一个象征，其特有的结构和高精度的要求，注定与其相应的故障诊断技术比一般的机电设备的故障诊断技术更复杂、更精密，对时实性和准确性的要求也更高、因此，只能借鉴前者的技术，而不能照搬[7]。

以数据采集和信号处理技术为核心的振动故障诊断技术既是一门集现代电子技术、传感器技术和计算机技术的交叉学科，同时又是整个数控机床故障诊断系统的一门基础技术。

本课题所设计的是一种基于DSP的数控机床振动故障诊断系统，该系统由上位机PC机和以ADSP-2181为核心的下位机组成，可用于对数控机床的机械振动部件和回转部件进行故障诊断。

上位机的软件是Wnidow9s8环境下，用VC.6O进行开发的，具有良好的人机交互界面。

下位机的软件是用高效的DSP汇编语言开发的，该系统的基本工作流程是:

先由振动传感器把诊断对象原始信号转换成电压模拟信号,再用模数转换器TLC16706对模拟信号进行模数转换，然后以数字信号处理功能强大的DSP作为硬件基础，用当前流行的ZFFT算法对数字信号进行处理,最后信号功率频谱图在PC机上显示并根据该图特征判断诊断对象的运行状态[8]。

由于DSP特有的硬件结构和高效的编程语言使得DSP的运算速度非常快,具有很强的数字信号处理能力，并且上位机与下位机具有较快的通讯速度，可使本系统达到实时性要求和在线诊断的目的，这就大大地减少了数控机床运行的事故，减少过剩维修，使机床处于良好的工作状态，保证零件加工质量，从而极大地提高了企业的经济效益和社会效益。

2数控机床振动测试故障诊断系统整体框架

目前,机械设备振动故障诊断技术在数字信号处理和计算机技术的推动下，在各个领域的工程中得到了广泛的应用。

但是，由于数控机床本身的结构特点和对加工生产要求与一般设备的不同。

因此，要使该技术在数控机床上成功运用，就必须结合数控机床的具体要求对该技术进行改进[9]。

2.1方案选择

现在用得比较多的振动故障诊断系统分三种。

一种是计算机直接进行数据采集控制的故障诊断系统（如图2-1所示），一种是计算机内插数据采集卡的故障诊断系统（如图2-2所示），另一种是由上位机和下位机组成的便携式故障诊断系统（如图2-3所示）[10]。

图2-1计算机直接控制故障诊断系统原理图

图2-2计算机内置数据采集卡故障诊断系统原理图

图2-3便捷式故障诊断系统原理图

2.2方案比较

对于第一种方案，即计算机直接控制数据采集的故障诊断系统，因为计算机的存储容量很大，所以这种系统不受存储容量的限制，且比较稳定。

但由于需要PC机对数据采集的线程置最高优先级，且数据采集时间较长，还要进行大量的数据运算，降低了PC机进行多任务处理的能力[11]。

对于第二种方案，即计算机内置数据采集卡（从PCI插槽插入）的故障诊断系统，因为它可以把PC机和数据采集卡的优点很好地结合起来，弥补了第一方案的缺点，所以目前厂商用这种系统也比较多，但这种系统不适合野外作业，或者移动性很强的作业方式，只固定于某台数控机床。

而对于第三种方案，即由上位机（笔记本电脑）和下位机组成的便携式故障诊断系统，则克服了前两种方案的缺点。

这种系统不仅满足多任务处理和实时性要求，而且可移动性强，其缺点就是下位机的电路比较复杂。

2.3方案确定

便携式故障诊断系统突出的优点是：

（l）下位机的硬件扩展更容易。

下位机留有扩展口，可以根据实际需要对下位机电路进行扩展。

（2）软件的灵活性更高。

整个软件分为上、下位机和机间通讯模块三大部分，各部分均可独立工作，稍作修改即可自成系统只要通信协议不变，上位机或下位机软件的改变，彼此不会相互影响,更新换代较容易。

（3）软件升级更容易。

由于这三部分的软件是相对独立的，彼此不相互影响，在进行软件升级时，只需要对某一模块进行升级即可。

此前，在“煤矿大型机电设备振动测试、故障诊断和预知维修技术”项目中研制的大型机电设备便携式振动检测系统在实际应用中就体现了它的这些优点。

综合上面的分析，本系统采用便携式振动故障系统结构方式。

2.4上位机与下位机连接方案确定

从目前使用的便携式系统来看，上位机与下位机的连接可分串口连接、USB口连接和并行接口连接三种。

虽然这三种连接都是上位机与下位机的连接，但由于连接电路复杂程度不同，数据传输速度不同和成本高低不同，决定了它们的不同的应用场合。

串口连接属即插即用型，上位机与下位机的连接电路简单，但数据传输速度慢，只能用于要求速度慢的场合，对于速度要求高的实时性振动故障诊断系统来说,串口连接难以满足要求。

USB口连接属即插即用型,数据传输速度最快，但电路最复杂，硬件成本和软件成本也很高,系统开发周期长。

并口连接非即插即用型，有八位数据位，易于保证所需要的精度的优势；在EPP模式下数据传输速度上最高达1.75MbPs，比串口快，而慢于USB口。

电路较USB口简单，软硬件成本也较低，最主要的是并口连接的数据传输速度已经满足系统实时性要求[12-15]。

本着满足系统功能要求的前提下系统简单和成本低的原则，本系统选择上位机与下位机的连接为并口连接。

2.5数控机床机械振动分析与检测方法

2.5.1数控机床机械故障情况分析

数控机床不正常工作的原因是多方面的，有可能是因为数控系统发生故障。

液压系统发生故障、电气部分发生故障或者机械部分产生故障。

数控机床的机械故障主要集中在转动机械部分。

机械零件与电子控制系统或液压系统不同，刚开始有疲劳磨损或缺陷时，故障特征没有明显地表现出来，很难发现，但会影响产品加工的质量；而当有严重故障时，则后果很严重，可能危及设备和操作人员的人身安全。

在数控机床加工中，影响产品加工质量的除了数控系统外，机床机械零部件本身的质量也是一个不能忽视的因素，主轴、丝杠、轴承等零件的质量和安装精度都对加工精度产生直接的影响。

当在运行加工过程中，这些零件存在一些小缺陷时，由于不易被发现而继续生产，那么加工出来的产品质量势必达不到要求。

因此，本故障诊断系统选择数控机床的机械回转件作为诊断和研究对象[16-19]。

2.5.2故障诊断方法的确定

在机械诊断技术的研究与应用中，面对一个诊断对象首先应该考虑的问题是如何获得故障信息。

实际诊断工作中，通常无法对所关心的部位直接进行观察和测量，而只能在条件允许的其它部位上拾取某些与故障相关的间接信号。

这些信号往往是故障激励和其它激励的混合响应，其中除了与故障相关的成分外其余均被视为噪声。

由于受到传递过程和噪声的影响，一般情况下对信号进行直接观察很难得到全面的故障特征，而且，通常的信号或特征并不是描述故障的直接物理量，它们与故障之间还存在着复杂的映射关系，需要借助一定的分析过程和识别方法才能得到故障的类型和程度。

信息在传递与变换过程中只会减少不会增加，所以原始信号所包含的故障信息量的多少对诊断具有决定性的作用，即信号质量是整个诊断工作的基础[20]。

从数控机床的主轴回转件的转速范围来看，应归类为中低速机械。

就目前而言，在各种诊断手段中，比较适合于数控机床在线、不拆卸、不停机状态下对振动和回转机械部件进行故障诊断的是振动监测诊断法。

这可以从下面几种诊断方法的比较分析中得出。

1.以光谱分析和铁谱分析为代表的油液分析技术，虽具有信息集成度高的显著特点（所谓信息集成度高是指对某一机械设备进行故障诊断时，只要是油液所经过的部位，其磨损故障一般都可通过对该处的油液进行取样分析诊断出来。

但其不足之处在于只对磨损类故障有效、诊断周期长，而且一般还只能在实验室进行，诊断结果受操作人员的影响大。

故而这种技术达不到实时性要求[21]。

2.温度检测诊断法则由于温度变化较慢，检测出来的信号滞后于机械部分发生的变化，也达不到实时性要求。

3.噪声检测诊断法和压力检测诊断法则由于主体信号源不易区分，需要高昂的硬件和软件，成本高。

虽然还有其他技术，但振动诊断技术具有雄厚的理论基础,最主要的是振动问题是回转机械运行中的最主要问题，振动信号不但包含了丰富的机械运行状态信息，且信号易于拾取，便于在不影响机器运行的情况下实行在线监测和诊断。

因而振动诊断法是回转机械最主要的故障诊断方法。

2.6系统功能分析与元器件选择

由上面的分析可知，本系统的基本功能可分成以下几个模块（如图2-4所示）:

信号预处理模块、数据采集模块、数据处理模块、机间通讯模块、故障信号及其频谱图显示模块、频谱图保存和浏览模块。

这些功能模块都要有相应的硬件和软件来支持。

2.6.1信号预处理模块

在对由原始信号经传感器转换成的模拟电信号进行数据采集之前，应先对模拟信号进行预滤波处理，虑掉部分高频噪声信号。

该功能模块由电阻和电容组成的低通模拟滤波器实现。

2.6.2数据采集模块

数据采集模块分模数转换和数据读取两部分。

因为数字系统不能对模拟信号进行处理，所以必须把模拟信号转换成数字信号。

为了确保模数转换和数据采集的顺利进行，在此功能中还应该有信号保持功能。

还有一个关键的功能就是需要传感器把振动加速度信号转换成模拟电压信号。

图2-4系统功能模块图

在此模块中，除了相关的连接电路外，主要硬件采用北京通磁伟业传感技术有限公司的型号为ZD-24的振动传感器和LNIEAR公司的模数转换芯片TLC1606。

主要考虑到：

1.ZD-24振动传感器属加速度传感器，其价格适中，性能参数符合使用要求，其工作电压为DC12V，使用温度范围为-25e-+75e,振动测量频率范围为0.3~3KHz；

2.TLC1606性能好，是一片具有采样保持功能的1种16位的芯片，其ADC分辨率高，具达25OKHz的采样速率，从它们的工作参数来看，它们都能满足系统数据采集的需要。

该芯片可充分发挥DSP各方面的性能。

振动传感器负责把诊断对象的振动幅频信号转换为电压模拟信号，而模数转换器则负责把模拟电信号转换为数字信号。

软件部分则负责定时发送模数转换命令和数据采集中断处理。

2.6.3数据处理模块

在此模块中，主要是对采集得到的数据进行处理运算，包括用窗函数对序列数据进行预处理、去平均值和用FTF算法对信号进行处理运算。

在此模块中，系统硬件主要是AD公司的数字信号处理器ADSP-2181KS芯片。

选用该型芯片，主要是因为这主要考虑到该型芯片为传统的芯片，资料较多，比较熟悉，价格较便宜，性能也很好。

该芯片内有累加器、乘法器、算术/逻辑单元、桶形移位器等，采用流水线工作，运行速度可达40MPIS。

虽然片内没有专门的FFT算法硬件结构，但由于有专门的倒序硬件结构，辅以其高效的汇编指令，其对数据处理的速度完全可以达到系统的实时性的要求。

在软件部分，分有ADSP-2181芯片内的初始化程序和主要部分FFT程序"程序用DSP汇编语言编写。

2.6.4机间通讯模块

此模块的作用是把上位机的控制命令传到下位机和把下位机的数据传输到上位机中。

在此模块中，硬件是PC机并口与ADSP-2181的DIMA口的连接电路；软件主要是负责PC机对下位机的访问和读取数据。

这部分在PC机EPP并行端口模式下进行，包括上下机之间的通信协议。

2.6.5故障信号及其频谱图显示模块

此模块功能包括机械零件振动信号波形图显示及其功率频谱图显示。

在此模块中，系统硬件显然是PC主机及其显示器（或笔记本电脑）；在软件部分，由于采用FFT变换对信号进行处理以后，数据分为实部和虚部两部分，在显示功率频谱图前必须计算频谱幅值，因此，在这部分软件中分有两个子程序，分别负责求信号幅度和功率频谱图显示。

这部分程序是在Windows98环境下采用VC6.0编写；数据读取，求信号幅度、功率频谱图显示采用多线程来实现。

2.6.6频谱图保存和浏览模块

频谱图采用“bmp”格式保存。

只要电脑上安装相应的浏览软件，就可以浏览这种格式的频谱图；打开此系统上位机的执行程序,也可以浏览这种格式的频谱图。

此外，PC机的电源为22OV的交流电源，下位机的电源为+5V的稳压直流电源，振动传感器的电源为+12V的稳压直流电源。

3振动测试系统硬件的设计

3.1数控机床故障的分类

数控机床故障可分为软件故障、硬件故障和干扰故障三种。

软件故障是指由程序编制错误、机床操作失误、参数设定不正确等引起的故障。

软件故障可通过认真消化、理解随机资料、掌握正确的操作方法和编程方法，就可避免和消除。

硬件故障是指由CNC电子元器件、润滑系统、换刀系统、限位系统、机床本体等硬件因素造成的故障。

干扰故障则表现为内部干扰和外部干扰，主要指由于系统工艺、线路设计、电源、地源配置不当等以及工作环境的恶劣变化而产生的。

随着电子技术和计算机的发展，特别是软件技术发展越来越成熟，软件故障和干扰故障在数控机床所有故障中出现比例有所减小，而硬件故障特别是机床本体产生的故障仍然没有得到合理的解决。

机床传动系统的各个部件在运行过程中产生的故障，主要是以下几个方面的原因：

机床的基础件在运行过程中出现了松动，从而导致机床产生故障使其在工作过程中达不到工作要求精度；传动系统中的运动件，如电机、变速箱、主轴箱等在长期的超负荷运行、外界干扰以及自身因素的影响下，出现各种类型的故障[22]。

3.2硬件系统的设计

根据数控机床产生的振动分类，本系统采用ENTEK公司生产的工业采集模块XM120、XM121、XM500，传感器测选取E2103电涡流传感器、9200加速度传感器，通过这些有机组成一个系统，具有测试机床产生的各种振动以及网络传输的功能。

XM－120振动监测模块是一种双信道通用监测表，用于监测旋转机械的轴振、机壳振动或轴承座振动。

XM-120可以接收来自电涡流传感器，内置压电回路的加速度传感器或其它电压输出的传感器如速度传感器或压力传感器的信号输入。

此外，模块还可以接收一路转速信号输入用于转速测量和节比分析。

模块采用24位A/D转换器，具有极高精度，是检测机械故障的理想工具。

XM-121是一个双通道低频振动监测模块，它的基本功能和XM-120模块完全相同，差别是可以测量低转速机器的振动，最低可以测量12cm/