隨著市場經(jīng)濟地快速發(fā)展和全球經(jīng)濟一體化程度地不斷加深，市場對于裝備制造 業(yè)產(chǎn)品提出了性能更好、能耗更少、人機界面更高等一系列要求，作為裝備制造業(yè)的“工 作母機”一精工機床，其精度、功能、可靠性水平直接決定了產(chǎn)品的市場競爭力水平[1]。 長期以來，我國一直是精工機床制造大國[2]、消費大國，卻不是制造強國[3]。國內(nèi)精工 機床市場，尤其中高端市場長期被國外品牌所占領(lǐng)[4][5]，其中主要原因就是國產(chǎn)精工機 床產(chǎn)品的可靠性水平差[6][7]。
機床動態(tài)特性的試驗研究包括[13][2°][21]:動態(tài)測試、模態(tài)分析、確定薄弱環(huán)節(jié) 以及切削試驗等，根據(jù)需要采取相應措施用以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)動態(tài)特性優(yōu)化，是理論分 析和動態(tài)試驗密切結(jié)合的過程。機床動態(tài)特性中起主要作用的是少數(shù)低階模態(tài)， 只要能精確地測試和識別出這些模態(tài)的參數(shù)，就可較精確地反映機床結(jié)構(gòu)的動態(tài) 特性。試驗模態(tài)分析技術(shù)通過對結(jié)構(gòu)進行動態(tài)試驗，識別結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，建立 模態(tài)模型，用圖形顯示結(jié)構(gòu)振動形態(tài)，根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際使用情況，找出薄弱的環(huán) 節(jié)，為結(jié)構(gòu)動力修改提供可靠的信息。其分析結(jié)果主要依賴于實際的測試數(shù)據(jù)和 分析手段選擇的合理性。
隨著測試儀器、計算機技術(shù)、軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，動態(tài)試驗中，功能強大 的以計算機為主體的試驗分析系統(tǒng)逐步取代了依賴于專用信號分析儀的傳統(tǒng)的試 驗分析系統(tǒng)，且功能更強大、靈活。為以計算機為主體結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性試驗分析 系統(tǒng)硬件，如圖3.2所示，主要有以下三個分系統(tǒng)組成
本文通過搭建加工中心盤式刀庫可靠性試驗臺預警系統(tǒng)，實現(xiàn)對盤式刀庫的狀態(tài) 監(jiān)測以及狀態(tài)信號的記錄，在此基礎(chǔ)上進行比較分析，選擇適當?shù)臓顟B(tài)信號建立關(guān)系 模型并求取故障預警閾值，最終實現(xiàn)故障預警。
本課題研究的目的在于對盤式刀庫換刀系統(tǒng)進行狀態(tài)監(jiān)測與故障預警，收集狀態(tài)信號，包括正常運行時的狀態(tài)信號與臨界故障時的狀態(tài)信號，在所收集的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上 進行趨勢分析并進行故障預警，提高盤式刀庫換刀系統(tǒng)的可靠性水平。因此，故障預 警系統(tǒng)應具備以下功能：
本章首先對盤式刀庫換刀系統(tǒng)可靠性試驗臺的結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)和換刀流程進行了 分析；其次，介紹了試驗臺預警系統(tǒng)所要實現(xiàn)的目標，然后以所要完成的目標為導引， 對所需的硬件設(shè)備和軟件做了簡要概述。在此基礎(chǔ)上，對預警系統(tǒng)的總體方案進行了 設(shè)計，選擇PLC為下位機、選擇數(shù)據(jù)采集卡PCI對振動信號和溫度信號進行監(jiān)測。
理論與試驗相結(jié)合的方法把機械結(jié)構(gòu)有限元理論模態(tài)分析的正過程和試驗模 態(tài)分析的逆過程有機地結(jié)合起來，并根據(jù)實際需要交替反復應用，從而實現(xiàn)了機 械結(jié)構(gòu)的動力修改至動態(tài)優(yōu)化設(shè)計的全過程，以求得系統(tǒng)最優(yōu)的數(shù)學模型及其最 優(yōu)的動態(tài)特性模態(tài)分析，稱為理論——試驗模態(tài)分析。該方法進一步擴大了前兩 種方法工程應用的范圍并顯著提高其工程應用的效果，己成為目前的發(fā)展方向。
本論文以1060型立式加工中心進行研究，該加工中心為立式床身式結(jié)構(gòu)，進給軸為X、Y、Z三座標控制， ******快移速度達20m/min(Z軸：15m/min);主軸為伺服電機動力驅(qū)動，功率為 7.5/11Kw，最高轉(zhuǎn)速達8000rpm;采用臺灣進口上銀雙螺母預壓C3級滾珠絲杠和 重載精密滾動直線導軌，絲杠兩端采用預拉伸機構(gòu)，大大消除了熱變形對機床精 度的影響，機床定位精度達±0.0〇5mm，重復定位精度達±0.003mm;采用進口臺 灣刀庫，容量16-24把可選，換刀準確可靠，最快換刀時間小于2.5秒；機床數(shù) 控操作系統(tǒng)可以客戶自選，機床能夠?qū)崿F(xiàn)對各種盤類、板類、殼體、凸輪、模具 等復雜零件一次裝夾，完成鉆、銑、鏜、擴、鉸、攻絲等多種工序加工，適合于 多品種、中小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)，對復雜、高精度零件的加工更能顯示其優(yōu)越性； 機床如配置第四、五軸，可實現(xiàn)對復雜回轉(zhuǎn)類零件的高效、高精自動化加工。機 床適合航空航天、軍工國防、汽車摩托車、工程機械、制冷石化、機車車輛等行 業(yè)的中小型零件的高效、高精自動化加工。
模態(tài)分析理論是一門融振動理論、信號分析、數(shù)據(jù)處理、數(shù)理統(tǒng)計及自動控 制理論于一體的綜合，并結(jié)合自身內(nèi)容的發(fā)展，形成的一套獨特的理論。模態(tài)分 析實質(zhì)上是一種坐標變換[22][23]t24][25]。其目的在于把原物理坐標系統(tǒng)中描述的相應 向量轉(zhuǎn)換到“模態(tài)坐標系統(tǒng)”中來描述。在物理坐標系統(tǒng)中，彈性力和阻尼力往 往和兩座標的相對位移與相對速度有關(guān)，即對應的矩陣為非對角陣，對于有成千 上萬自由度的系統(tǒng)，解非對角陣（或耦合方程）既費時又會產(chǎn)生很大誤差。向量 并不一定正交，而模態(tài)坐標中的正交向量能更好地反映結(jié)構(gòu)特性。模態(tài)試驗就是 通過對結(jié)構(gòu)或部件的試驗數(shù)據(jù)的處理和分析尋求其“模態(tài)參數(shù)”的。主要應用有：
這是試驗模態(tài)的關(guān)鍵一步，所測量得到的數(shù)據(jù)的準確性和可靠性直接影響到 模態(tài)試驗的結(jié)果。在某一激振力的作用下被測系統(tǒng)一旦被激振起來，就可以通過 測試儀器測量得到激振力或響應的時域信號，通過數(shù)學手段將其轉(zhuǎn)化為頻域信號， 就可以得到系統(tǒng)頻響函數(shù)的平均估計，在某些情況下不要求計算頻響函數(shù)，只需 要時間歷程就可以了。
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