基于內(nèi)置編碼信息的單傳感柔性角度域平均方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及基于內(nèi)置編碼信息的單傳感柔 性角度域平均方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)階段機(jī)械設(shè)備故障診斷最為有效途徑之一的振動分析，在一些場合，測振傳感 器由于環(huán)境和工況限制難以安裝。數(shù)控機(jī)床在工作過程中飛濺出大量的金屬碎肩和冷卻 液，會對測振傳感器造成損傷。而對于機(jī)械手、機(jī)器人等設(shè)備，其復(fù)雜的運動姿態(tài)給測振傳 感器的安裝和布線帶來了困難。另外，大型加工中心在服役中要求全封閉的工作環(huán)境，導(dǎo)致 測振傳感器根本無法安裝。因此，在振動信息無法獲得的情況下，構(gòu)建新的診斷信息源已然 成為現(xiàn)階段機(jī)械故障診斷亟需解決的問題。隨著機(jī)械設(shè)備自動化、智能化的發(fā)展趨勢，編碼 器作為內(nèi)置傳感單元在機(jī)械裝備上得到了廣泛配置，用于運動控制的位置反饋，具有測量 精度高，響應(yīng)速度快，測量范圍廣、工作可靠性好、非接觸測量和便于控制的優(yōu)勢。內(nèi)置編碼 信息是將機(jī)械轉(zhuǎn)動測試軸上的角位移、旋轉(zhuǎn)角位置、角速度等物理量轉(zhuǎn)化成的數(shù)字量信號， 將其作為一種新的診斷信息源在機(jī)械設(shè)備的故障診斷和健康監(jiān)測具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] 然而編碼器的原始輸出信號是一種復(fù)雜的多分量耦合信號，它不僅包含早期故障 引起的瞬態(tài)轉(zhuǎn)速沖擊，同時包含由于載荷變化、齒輪時變剛度引起的正常轉(zhuǎn)速波動。并且后 者的幅值往往更加強(qiáng)大，給早期故障特征的提取帶來困難。時域平均技術(shù)是一種傳統(tǒng)的機(jī) 械故障診斷技術(shù)，可以提取信號中感興趣周期分量，提高信噪比，但其只適用于定轉(zhuǎn)速工況 下，而實際上，不少重要裝備在不同的工作要求或條件下其運行轉(zhuǎn)速往往是非平穩(wěn)的。和平 穩(wěn)工況相比，變轉(zhuǎn)速下的機(jī)械設(shè)備振動信號變得尤為復(fù)雜，大大增加了故障特征的提取難 度。2013年，法國學(xué)者LeclSre等提出了角域平均技術(shù)，用于變轉(zhuǎn)速下的內(nèi)燃機(jī)和齒輪故障 診斷。但角域平均方法仍然依賴于鍵相信號的配合，這需要額外安裝傳感器并增加測試成 本和難度，且其平均算法避免不了截斷誤差對信號信噪比的不利影響，實現(xiàn)只采用單個傳 感器進(jìn)行測試同時又能避免截斷誤差干擾的角度域平均方法具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供基于內(nèi)置編碼信息的單傳 感柔性角度域平均方法，實現(xiàn)機(jī)械設(shè)備在平穩(wěn)及變轉(zhuǎn)速工況下均能進(jìn)行故障特征提取和診 斷監(jiān)測。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明方案采取的技術(shù)方案為：
[0006] 基于內(nèi)置編碼信息的單傳感柔性角度域平均方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟一：利用編碼器數(shù)采卡讀取機(jī)械設(shè)備中的內(nèi)置編碼器信號，對信號進(jìn)行高頻 采樣和預(yù)處理，得到測試軸的角位置信號，記為x(t);
[0008] 步驟二：采用多項式擬合法獲取機(jī)械設(shè)備的瞬態(tài)運動信息，將x(t)進(jìn)行多項式擬 合和三階差分得到的Jitter信號記為j(t)及一階差分得到轉(zhuǎn)速信號v(t);
[0009] 步驟三：計算Jitter信號j(t)的角度域等間隔采樣序列y(n)，先計算轉(zhuǎn)速信號 v(t)的轉(zhuǎn)速波動量，轉(zhuǎn)速波動量定義為轉(zhuǎn)速信號的標(biāo)準(zhǔn)差除以平均轉(zhuǎn)速，通過設(shè)定閾值為 〇. 5%判斷是否為平穩(wěn)信號，超過閾值范圍的信號為非平穩(wěn)信號，需要對Jitter信號j(t) 的進(jìn)行角度域重采樣，否則作為平穩(wěn)信號處理，原j(t)信號即作為等角度間隔采樣信號；
[0010] 步驟四：采用基于Chirp-Z(Chirp-ZTransform，CZT)變換的柔性角度域平均方 法，CZT通過在頻譜中設(shè)置梳狀濾波器，將感興趣階次進(jìn)行保留而避免截斷誤差，獲取期望 輸出階次的頻率采樣值由如下公式得到：
[0011]
【主權(quán)項】
1.基于內(nèi)置編碼信息的單傳感柔性角度域平均方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一：利用編碼器數(shù)采卡讀取機(jī)械設(shè)備中的內(nèi)置編碼器信號，對信號進(jìn)行高頻采樣 和預(yù)處理，得到測試軸的角位置信號，記為X(t); 步驟二：采用多項式擬合法獲取機(jī)械設(shè)備的瞬態(tài)運動信息，將X(t)進(jìn)行多項式擬合和 三階差分得到的Jitter信號記為j(t)及一階差分得到轉(zhuǎn)速信號v(t); 步驟三：計算Jitter信號j (t)的角度域等間隔采樣序列y(n)，先計算轉(zhuǎn)速信號V (t) 的轉(zhuǎn)速波動量，轉(zhuǎn)速波動量定義為轉(zhuǎn)速信號的標(biāo)準(zhǔn)差除以平均轉(zhuǎn)速，通過設(shè)定閾值為〇. 5% 判斷是否為平穩(wěn)信號，超過閾值范圍的信號為非平穩(wěn)信號，需要對Jitter信號j (t)的進(jìn)行 角度域重采樣，否則作為平穩(wěn)信號處理，原j(t)信號即作為等角度間隔采樣信號； 步驟四：采用基于Chirp-Z變換的柔性角度域平均方法，CZT通過在頻譜中設(shè)置梳狀濾 波器，將感興趣階次進(jìn)行保留而避免截斷誤差，獲取期望輸出階次的頻率采樣值由如下公 式得到：
式中，y(n)為角度域等間隔采樣序列，N為序列的長度，A為起始采樣點的極坐標(biāo)值，W 為采樣點之間的頻率間隔，k為對應(yīng)階次， 然后將各頻域采樣值按照離散傅里葉的形式排列成矢量數(shù)組，進(jìn)一步通過離散傅里葉 反變換即可精確獲取期望階次的角度域平均結(jié)果，從而確定機(jī)械設(shè)備是否存在的故障。
【專利摘要】基于內(nèi)置編碼信息的單傳感柔性角度域平均方法，首先利用編碼器讀取機(jī)械設(shè)備中測試軸的角位置信號，采用多項式擬合法獲取瞬態(tài)運動信息，得到三階差分Jitter信號和一階差分轉(zhuǎn)速信號，計算Jitter信號的角度域等間隔采樣信號和轉(zhuǎn)速信號的波動量，通過設(shè)定轉(zhuǎn)速波動量閾值判斷信號是否為平穩(wěn)信號，對超過閾值范圍的為非平穩(wěn)信號進(jìn)行角度域重采樣,否則作為平穩(wěn)信號處理，原j(t)信號即作為等角度間隔采樣信號，采用基于Chirp-Z變換的柔性角度域平均方法，確定機(jī)械設(shè)備是否存在的故障，本發(fā)明很大程度上的控制了實驗設(shè)備數(shù)量、簡化了數(shù)據(jù)采集程序、降低了測試費用，益于故障特征提取和診斷監(jiān)測的自動化，節(jié)約時間，效率更高。
【IPC分類】G01M13-02
【公開號】CN104819841
【申請?zhí)枴緾N201510223663
【發(fā)明人】林京, 趙明, 苗永浩, 雷亞國, 王琇峰
【申請人】西安交通大學(xué)
【公開日】2015年8月5日
【申請日】2015年5月5日