陸聞捷

上海飛機(jī)制造有限公司 上海 201324

1 電主軸原理及其故障特征

1.1 電主軸工作原理

電主軸是將高速電機(jī)與機(jī)械主軸有機(jī)結(jié)合在一起形成的復(fù)合型產(chǎn)品，但其工作原理，特別是電氣原理與普通高速電機(jī)相同，因此一般采用變頻器驅(qū)動(dòng)或矢量控制器驅(qū)動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)和控制方式，對(duì)于無準(zhǔn)停功能要求的電主軸而言，一般采用變頻器驅(qū)動(dòng)的交流異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)。基本原理是基于三相交流電形成的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條形成的轉(zhuǎn)子電流的相互作用[1]。電主軸定子繞組在空間布置上相位互差120°，連接到變頻器輸出的三相電源上，繞組內(nèi)通過三相電流時(shí)在空間內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。如圖1所示，感應(yīng)生成的轉(zhuǎn)子電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)依據(jù)左手定則形成電磁力，進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的作用下，按照旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)與轉(zhuǎn)子過盈連接的電主軸轉(zhuǎn)軸一同旋轉(zhuǎn)。

圖1 電主軸結(jié)構(gòu)圖

1.2 電主軸故障及其特征信號(hào)分析

為了對(duì)電主軸的各類故障進(jìn)行詳細(xì)研究，進(jìn)而確定最能體現(xiàn)電主軸各類故障的特征信號(hào)，為后文故障預(yù)警算法及系統(tǒng)的研制確定輸入信號(hào)，本文根據(jù)電主軸的工作原理，將電主軸分為機(jī)械系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)，具體組成如圖1所示。

機(jī)械系統(tǒng)由前后軸承、中空的轉(zhuǎn)軸、拉刀子系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)及主軸外殼組成，其中拉刀子系統(tǒng)包括拉爪、拉桿、油缸及活塞；主軸外殼包括冷卻水套、殼體及端面法蘭。電氣系統(tǒng)包括定子組件、轉(zhuǎn)子組件、旋轉(zhuǎn)編碼器及其他如接近開關(guān)、定子線圈溫度傳感器等電氣元件，其中定子組件及轉(zhuǎn)子組件均由相應(yīng)的繞組及硅鋼片組成。為了弄清楚電主軸故障而在此將電主軸分為機(jī)械系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)，但實(shí)際上電主軸是一個(gè)結(jié)構(gòu)上緊密聯(lián)系、功能上相互配合、各部件相互影響的復(fù)雜機(jī)電液集成系統(tǒng)。為了方便后續(xù)主軸健康監(jiān)控的分析，在此將 故障問題進(jìn)行了表格化匯總：

表1 各故障部位形式原因及主要特征匯總

2 電主軸數(shù)字健康監(jiān)控及預(yù)警

搞清楚了電主軸的原理，就方便繼續(xù)研究電主軸未來的發(fā)展趨勢(shì)了——數(shù)字健康監(jiān)控及預(yù)警。

2.1 電主軸數(shù)字健康監(jiān)控發(fā)展現(xiàn)狀

設(shè)備的“健康狀態(tài)”概念起源于生物領(lǐng)域，是對(duì)傳統(tǒng)的“正常-故障”這種利用二值函數(shù)描述系統(tǒng)狀態(tài)的完善，將設(shè)備的狀態(tài)分為多個(gè)等級(jí)。20世紀(jì)80-90年代，美國將“健康管理”引入到設(shè)備的維護(hù)與保障領(lǐng)域，隨著對(duì)故障預(yù)測(cè)的能力的引入與發(fā)展，逐步形成了較為完整的故障預(yù)測(cè)與健康管理（prognostics and health management，PHM）技術(shù)。健康評(píng)估作為其中的核心技術(shù)之一也逐漸得發(fā)展和完善。

在健康評(píng)估中對(duì)于健康狀態(tài)的描述，一種是用狀態(tài)分級(jí)的方式將設(shè)備的健康程度分為不同的等級(jí)，如：健康、良好、注意、惡化、失效等；另外一種是側(cè)重于描述系統(tǒng)整體由健康逐漸退化到失效過程趨勢(shì)的反應(yīng)[2]。在基于狀態(tài)分級(jí)的健康評(píng)估中，不同健康程度下的狀態(tài)參數(shù)通常具有相應(yīng)的閾值范圍，可以根據(jù)閾值確定健康狀態(tài)程度。然而在多個(gè)狀態(tài)參數(shù)的判定結(jié)果中可能存在一定沖突，因此常對(duì)不同參數(shù)指標(biāo)賦予相應(yīng)的權(quán)重，再對(duì)各指標(biāo)綜合分析實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的整體健康狀態(tài)評(píng)估。對(duì)健康狀態(tài)趨勢(shì)的評(píng)估中，主要通過一定的算法將采集的原始數(shù)據(jù)逐級(jí)處理計(jì)算出一個(gè)綜合健康指標(biāo)（Health Indicator，HI）來反映健康狀態(tài)的變化。 電主軸種類多樣、退化及故障模式復(fù)雜，很難全面的積累到主軸不同健康狀態(tài)或者不同故障模式下的數(shù)據(jù)；并且對(duì)于電主軸應(yīng)用過程中所面臨的精度退化問題，不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)主軸狀態(tài)參數(shù)所要求的閾值可能不同。因此，可以從電主軸性能或者狀態(tài)退化趨勢(shì)的角度對(duì)電主軸的健康狀態(tài)評(píng)估。此外，由于電主軸的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用單一傳感器對(duì)電主軸監(jiān)測(cè)具有局限性，應(yīng)用多傳感器數(shù)據(jù)融合方法對(duì)電主軸健康評(píng)估也具有重要意義。綜上所述，電主軸健康狀態(tài)評(píng)估技術(shù)的發(fā)展與電主軸狀態(tài)監(jiān)測(cè)、健康指標(biāo)計(jì)算方法以及多傳感器數(shù)據(jù)融合方法的發(fā)展密不可分。

2.2 電主軸健康狀態(tài)評(píng)估流程

時(shí)至今日雖然有很多學(xué)者對(duì)電主軸的動(dòng)力學(xué)模型，有限元模型的構(gòu)建方法進(jìn)行研究，分析了主軸的熱特性，形態(tài)特性等問題。但隨著電主軸的健康退化，其模型為時(shí)變的退化模型，建立電主軸隨時(shí)間變化的物理或者數(shù)學(xué)模型仍然較為困難。因此本文的健康評(píng)估方法選擇基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的方法，分析設(shè)備在運(yùn)行過程中各種狀態(tài)指標(biāo)是否出現(xiàn)異常進(jìn)而判斷設(shè)備整體的運(yùn)行狀態(tài)是否正常。

作為PHM體系中核心內(nèi)容之一，通過健康狀態(tài)評(píng)估可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備退化趨勢(shì)，為維修策略的制定提供依據(jù)，從而避免意外故障發(fā)生。一定程度上促進(jìn)了維修方式由傳統(tǒng)的“事后維修”向更加先進(jìn)的“視情維護(hù)”轉(zhuǎn)變。目前較為典型的 PHM架構(gòu)為 OSA-CBM（Open System Architecture for Condition –Based Maintenance）體系，其綜合了各類 PHM 系統(tǒng)的主要思想，應(yīng)用技術(shù)和方法。

基于此，健康評(píng)估的主要框架，主要過程分為數(shù)據(jù)采集和傳輸、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、健康評(píng)估。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集：通過布置傳感器，采集被監(jiān)測(cè)對(duì)象各種狀態(tài)參數(shù)，將原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌治瞿K、顯示器或者存入數(shù)據(jù)庫中，是健康評(píng)估系統(tǒng)的基礎(chǔ)和前提。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理：對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波降噪等預(yù)處理，并在此基礎(chǔ)上對(duì)信號(hào)進(jìn)行特征提取、特征篩選并將結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫。

2.2.3 狀態(tài)監(jiān)測(cè)：接受篩選后的特征數(shù)據(jù)，通過與失效閾值進(jìn)行比較或進(jìn)行者偏離度等分析方式實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，在出現(xiàn)異常時(shí)可以發(fā)出警報(bào)。

2.2.4 健康評(píng)估：將來自狀態(tài)監(jiān)測(cè)部分的特征以及其他健康評(píng)估模塊的結(jié)果相結(jié)合進(jìn)行綜合的狀態(tài)評(píng)估，計(jì)算對(duì)健康狀態(tài)的偏離程度或判定參數(shù)是否有退化狀態(tài)來判斷故障發(fā)生的可能性。

2.2.5 接口模塊：主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫連接，系統(tǒng)不同模塊間的數(shù)據(jù)交換等功能。并能夠顯示故障診斷、健康評(píng)估等數(shù)據(jù)結(jié)果。

由于電主軸的整體壽命相對(duì)較長(zhǎng)，無論是在真實(shí)加工狀態(tài)或者在可靠性試驗(yàn)過程中，電主軸處于健康狀態(tài)時(shí)較多，故主軸健康狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取較為容易。并且主軸的故障模式多樣，很難全面的獲取主軸不同故障的狀態(tài)數(shù)據(jù)[3]。此外，如果對(duì)于電主軸的故障閾值進(jìn)行確定，應(yīng)該利用多個(gè)相同產(chǎn)品的數(shù)據(jù)作為對(duì)比，才更具有參考意義，而在實(shí)際應(yīng)用中較難獲取幾個(gè)相同產(chǎn)品的故障閾值數(shù)據(jù)。因而，對(duì)于沒有可參考產(chǎn)品或者正在進(jìn)行數(shù)據(jù)積累過程中的電主軸，可以選擇基于健康狀態(tài)和歷史積累的數(shù)據(jù)進(jìn)行健康評(píng)估。即利用當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)與歷史健康數(shù)據(jù)作對(duì)比，通過計(jì)算數(shù)據(jù)間的差異變化來表示健康狀態(tài)的變化，進(jìn)而識(shí)別健康退化趨勢(shì)，并能夠估計(jì)當(dāng)前的退化速度。

綜上所述，電主軸健康評(píng)估指標(biāo)計(jì)算的主要流程包括數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、特征提取、特征篩選、基于健康及歷史數(shù)據(jù)的識(shí)別模型訓(xùn)練和當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)的識(shí)別等。

3 結(jié)束語

文章深入地闡述了電主軸的各項(xiàng)性能及應(yīng)當(dāng)監(jiān)控并發(fā)掘的參數(shù)，電主軸作為數(shù)控加工中心的核心，缺少了它，設(shè)備就完全無法生產(chǎn)，故如何做好電主軸的健康狀態(tài)評(píng)估，也就能夠?yàn)殡娭鬏S的預(yù)防性維修制定相應(yīng)規(guī)范及策略，同時(shí)實(shí)現(xiàn)加工故障率與生產(chǎn)成本的降低。通過電主軸加工時(shí)的自適應(yīng)控制數(shù)據(jù)與外部傳感器相結(jié)合的方式進(jìn)行相關(guān)電主軸健康評(píng)估，以此來實(shí)現(xiàn)主軸的自感知是電主軸智能化的途徑之一。

結(jié)合西門子ACM實(shí)現(xiàn)電主軸工況變化的時(shí)時(shí)跟蹤，在機(jī)床運(yùn)行各時(shí)段采集數(shù)據(jù)分析。然而通過機(jī)器學(xué)習(xí)不同工況對(duì)電主軸的健康退化影響大小，將提高健康趨勢(shì)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

希望電主軸生產(chǎn)企業(yè)建立并完善健康管理監(jiān)控系統(tǒng)，如建立相應(yīng)數(shù)字化知識(shí)庫、各種模型庫，積累不同型號(hào)主軸全壽命周期數(shù)據(jù)以及不同故障狀態(tài)的數(shù)據(jù)，有助于更精確地實(shí)現(xiàn)電主軸故障預(yù)測(cè)；進(jìn)一步應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、健康管理以及數(shù)據(jù)庫遠(yuǎn)程訪問等。

進(jìn)一步研究電主軸維修策略，依據(jù)電主軸不同的健康狀態(tài)，研究維修、維護(hù)決策的制定方法，搭建完整的故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)。希望電主軸維修成本不再昂貴耗時(shí)，我們將通過主軸健康監(jiān)控及預(yù)警技術(shù)大幅提升機(jī)床加工效率及完好率。