随着市场经济地快速发展和全球经济一体化程度地不断加深，市场对于装备制造 业产品提出了性能更好、能耗更少、人机界面更高等一系列要求，作为装备制造业的“工 作母机”一精工机床，其精度、功能、可靠性水平直接决定了产品的市场竞争力水平[1]。 长期以来，我国一直是精工机床制造大国[2]、消费大国，却不是制造强国[3]。国内精工 机床市场，尤其中高端市场长期被国外品牌所占领[4][5]，其中主要原因就是国产精工机 床产品的可靠性水平差[6][7]。
机床动态特性的试验研究包括[13][2°][21]:动态测试、模态分析、确定薄弱环节 以及切削试验等，根据需要采取相应措施用以实现结构动态特性优化，是理论分 析和动态试验密切结合的过程。机床动态特性中起主要作用的是少数低阶模态， 只要能精确地测试和识别出这些模态的参数，就可较精确地反映机床结构的动态 特性。试验模态分析技术通过对结构进行动态试验，识别结构的模态参数，建立 模态模型，用图形显示结构振动形态，根据结构的实际使用情况，找出薄弱的环 节，为结构动力修改提供可靠的信息。其分析结果主要依赖于实际的测试数据和 分析手段选择的合理性。
随着测试仪器、计算机技术、软件技术的飞速发展，动态试验中，功能强大 的以计算机为主体的试验分析系统逐步取代了依赖于专用信号分析仪的传统的试 验分析系统，且功能更强大、灵活。为以计算机为主体结构的模态特性试验分析 系统硬件，如图3.2所示，主要有以下三个分系统组成
本文通过搭建加工中心盘式刀库可靠性试验台预警系统，实现对盘式刀库的状态 监测以及状态信号的记录，在此基础上进行比较分析，选择适当的状态信号建立关系 模型并求取故障预警阈值，最终实现故障预警。
本课题研究的目的在于对盘式刀库换刀系统进行状态监测与故障预警，收集状态信号，包括正常运行时的状态信号与临界故障时的状态信号，在所收集的数据基础上 进行趋势分析并进行故障预警，提高盘式刀库换刀系统的可靠性水平。因此，故障预 警系统应具备以下功能：
本章首先对盘式刀库换刀系统可靠性试验台的结构、性能参数和换刀流程进行了 分析；其次，介绍了试验台预警系统所要实现的目标，然后以所要完成的目标为导引， 对所需的硬件设备和软件做了简要概述。在此基础上，对预警系统的总体方案进行了 设计，选择PLC为下位机、选择数据采集卡PCI对振动信号和温度信号进行监测。
理论与试验相结合的方法把机械结构有限元理论模态分析的正过程和试验模 态分析的逆过程有机地结合起来，并根据实际需要交替反复应用，从而实现了机 械结构的动力修改至动态优化设计的全过程，以求得系统最优的数学模型及其最 优的动态特性模态分析，称为理论——试验模态分析。该方法进一步扩大了前两 种方法工程应用的范围并显著提高其工程应用的效果，己成为目前的发展方向。
本论文以1060型立式加工中心进行研究，该加工中心为立式床身式结构，进给轴为X、Y、Z三座标控制， ******快移速度达20m/min(Z轴：15m/min);主轴为伺服电机动力驱动，功率为 7.5/11Kw，最高转速达8000rpm;采用台湾进口上银双螺母预压C3级滚珠丝杠和 重载精密滚动直线导轨，丝杠两端采用预拉伸机构，大大消除了热变形对机床精 度的影响，机床定位精度达±0.0〇5mm，重复定位精度达±0.003mm;采用进口台 湾刀库，容量16-24把可选，换刀准确可靠，最快换刀时间小于2.5秒；机床数 控操作系统可以客户自选，机床能够实现对各种盘类、板类、壳体、凸轮、模具 等复杂零件一次装夹，完成钻、铣、镗、扩、铰、攻丝等多种工序加工，适合于 多品种、中小批量产品的生产，对复杂、高精度零件的加工更能显示其优越性； 机床如配置第四、五轴，可实现对复杂回转类零件的高效、高精自动化加工。机 床适合航空航天、军工国防、汽车摩托车、工程机械、制冷石化、机车车辆等行 业的中小型零件的高效、高精自动化加工。
模态分析理论是一门融振动理论、信号分析、数据处理、数理统计及自动控 制理论于一体的综合，并结合自身内容的发展，形成的一套独特的理论。模态分 析实质上是一种坐标变换[22][23]t24][25]。其目的在于把原物理坐标系统中描述的相应 向量转换到“模态坐标系统”中来描述。在物理坐标系统中，弹性力和阻尼力往 往和两座标的相对位移与相对速度有关，即对应的矩阵为非对角阵，对于有成千 上万自由度的系统，解非对角阵（或耦合方程）既费时又会产生很大误差。向量 并不一定正交，而模态坐标中的正交向量能更好地反映结构特性。模态试验就是 通过对结构或部件的试验数据的处理和分析寻求其“模态参数”的。主要应用有：
这是试验模态的关键一步，所测量得到的数据的准确性和可靠性直接影响到 模态试验的结果。在某一激振力的作用下被测系统一旦被激振起来，就可以通过 测试仪器测量得到激振力或响应的时域信号，通过数学手段将其转化为频域信号， 就可以得到系统频响函数的平均估计，在某些情况下不要求计算频响函数，只需 要时间历程就可以了。