CN105157972A - 一种基于振动信号的主轴隔圈加工质量动态检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于振动信号的主轴隔圈加工质量动态检测方法，先分别筛选出满足静态检测质量要求的内、外隔圈，挑选出一组满足动平衡要求的隔圈作为标准隔圈组，将其安装在检测主轴中，使检测主轴在额定转速下运转，将采集到的主轴振动信号经小波降噪后进行时域/频域分析，得到时域指标和频域指标；再将检测隔圈组安装在同一检测主轴中，将采集到的主轴振动信号经小波降噪后进行时域/频域分析，得到时域指标和频域指标；计算检测隔圈组与标准隔圈组之间时域指标、频域指标的误差，当所有的时域指标和频域指标误差都不大于给定允差时，即认为检测隔圈组检测合格，反之不合格，本发明能够选配出满足静态、态检测性能的内、外隔圈组。

Description

一种基于振动信号的主轴隔圈加工质量动态检测方法

技术领域

本发明属于机床主轴隔圈加工质量检测领域，具体涉及一种基于振动信号的主轴隔圈加工质量动态检测方法。

背景技术

隔圈是机床主轴系统中的关键零部件之一，内、外隔圈组的合理配合使用能改变预负荷，消除轴承游隙和提高主轴系统的刚度，进而提升主轴的动、静态性能。目前的精密、高速主轴隔圈通常经磨削加工而成，并经微米级检测工具检测其尺寸和形位公差。然而这种在静止状态下的检测方法并不能反应隔圈加工制造误差对主轴动态性能的影响，特别是对于精密、高速主轴而言，这种影响尤为显著。因此，精密、高速主轴领域亟需一种针对隔圈加工质量的动态检测方法，而目前此类方法和研究还未见报道。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于振动信号的主轴隔圈加工质量动态检测方法，能够对精密、高速主轴隔圈的加工质量进行动态检测，以选配出既满足静态检测性能、又满足动态检测性能的内、外隔圈组。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于振动信号的主轴隔圈加工质量动态检测方法，包括以下步骤：

1)对于精密、高速主轴隔圈，先分别筛选出满足静态检测质量要求的内、外隔圈，并利用动平衡机挑选出一组满足动平衡要求的隔圈作为标准隔圈组；

2)将标准隔圈组安装在检测主轴中，使检测主轴在额定转速下运转，将采集到的主轴振动信号经小波降噪后进行时域/频域分析，得到时域指标和频域指标；

3)将检测隔圈组安装在同一检测主轴中，使检测主轴在额定转速下运转，将采集到的主轴振动信号经小波降噪后进行时域/频域分析，得到时域指标和频域指标，主轴振动信号经小波降噪后进行时域/频域分析过程和步骤2)相同；

4)在计算比较器中分别计算检测隔圈组与标准隔圈组之间时域指标、频域指标的误差，所有的时域指标和频域指标误差都不大于给定允差时，即认为检测隔圈组加工质量动态性能检测合格；反之，则认为检测隔圈组不合格。

所述的步骤1)筛选出满足静态检测质量要求的内、外隔圈的具体方法是:使用千分表检测内、外隔圈的尺寸公差和形位公差，凡符合图纸要求的即为满足静态检测质量要求；否则不满足静态检测质量要求。

所述的步骤2)主轴振动信号经小波降噪后进行时域/频域分析过程为：

含噪振动信号可表示为降噪后信号与噪声信号之和，即：

f(t)＝x(t)+n(t)(1)其中，x(t)为降噪后的信号，n(t)噪声信号，

小波降噪过程分为小波变换、阈值处理和信号重构三步，信号f(t)的离散小波变换为：

${\mathrm{Wf}}_{j,m}={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}f\left(t\right){\mathrm{\ψ}}_{j,m}^{*}\left(t\right)dt---\left(2\right)$

式中，Wf_j,m为小波系数，j表示分解层数，m＝0,1,2，…，2^j-1；ψ_j,m为小波函数，“*”表示共轭，

小波变换后，对小波系数进行阈值处理，此处使用阈值函数：

${{\mathrm{Wf}}_{j,m}}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{sgn}\left({\mathrm{Wf}}_{j,m}\right)\left(\right|{\mathrm{Wf}}_{j,m}|-\mathrm{\&lambda;}/\exp (\left(\right|{\mathrm{Wf}}_{j,m}|-\mathrm{\&lambda;})/{\mathrm{Wf}}_{j,m}\left)\right)& \left|{\mathrm{Wf}}_{j,m}\right|\&GreaterEqual;\mathrm{\&lambda;}\\ 0& \left|{\mathrm{Wf}}_{j,m}\right|<\mathrm{\&lambda;}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，λ为阈值，sgn为符号函数，

于是，经阈值处理后，Wf_j,m变为Wf_j,m'，最后对Wf_j,m'进行信号重构：

$x\left(t\right)=\underset{j,m}{\&Sigma;}{{\mathrm{Wf}}_{j,m}}^{\&prime;}{\mathrm{\&psi;}}_{j,m}\left(t\right)---\left(4\right)$

式中，x(t)即为小波降噪后的信号，

信号降噪后再进行时域和频域分析，得到时域指标和频域指标，

时域分析得信号均值、峰值、方根幅值、均方根值、标准差和无量纲参数指标，由于不同的隔圈误差会在振动信号上反映出不同的振动强度和信号波动，此处为了反映信号强度和信号波动量，选取均方根值和标准差作为时域指标，

离散信号的均方根值x_rms和标准差x_std分别表示为：

$x_{rms}=\sqrt{\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{\&lsqb;x\left(n\right)\&rsqb;}^2}{N}}---\left(5\right)$

$x_{std}=\sqrt{\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{\&lsqb;x\left(n\right)-x_m\&rsqb;}^2}{N-1}}---\left(6\right)$

其中，N为信号x(t)长度，n＝0，1，2，…，N-1；x(n)和x(t)具有一一对应关系，t＝nΔt，Δt是采样间隔；x_m为信号均值，由公式(7)得出，

$x_m=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}x\left(n\right)}{N}---\left(7\right)$

频域分析得到振动信号频谱图，离散信号Fourier变化公式为

$\begin{array}{cc}X\left(\frac{k}{N\mathrm{\&Delta;}t}\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}x\left(n\mathrm{\&Delta;}t\right)e^{-j2\mathrm{\&pi;}kn/N}& (n=0,1,2,\mathrm{...},N-1)\end{array}---\left(8\right)$

式中：x(nΔt)是信号的采样值，k是频域离散值的序号，n是时域离散值的序号，

对信号x(t)进行频域分析后，在转频n₀/60Hz处有峰值谱线，设其幅值为W，选取此幅值为频域指标。

本发明的有益效果为：

本发明通过采集主轴振动信号并计算检测隔圈组与标准隔圈组之间时域指标、时域指标的误差，对精密、高速主轴隔圈的加工质量进行动态检测，能够克服传统的静态检测方法不能反映隔圈加工制造误差对主轴动态性能影响的缺点，对精密、高速主轴隔圈加工质量检测具有重要意义，方法简便，检测结果较准确。

附图说明

附图为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作具体描述。

参照附图，一种基于振动信号的主轴隔圈加工质量动态检测方法，包括以下步骤：

1)对于精密、高速主轴隔圈，先分别筛选出满足静态检测质量要求的内、外隔圈，一般使用微米级的千分表进行检测，使用千分表检测内、外隔圈的尺寸公差和形位公差，凡符合图纸要求的即为满足静态检测质量要求；否则不满足静态检测质量要求,并利用动平衡机挑选出一组满足动平衡要求的隔圈作为标准隔圈组；

2)将标准隔圈组安装在检测主轴中，使检测主轴在额定转速下运转，将采集到的主轴振动信号经小波降噪后进行时域/频域分析，得到时域指标和频域指标；

主轴振动信号经小波降噪后进行时域/频域分析过程为：

含噪振动信号可表示为降噪后信号与噪声信号之和，即：

f(t)＝x(t)+n(t)(1)其中，x(t)为降噪后的信号，n(t)噪声信号，

小波降噪过程分为小波变换、阈值处理和信号重构三步，信号f(t)的离散小波变换为：

${\mathrm{Wf}}_{j,m}={\&Integral;}_{-\mathrm{\&infin;}}^{\mathrm{\&infin;}}f\left(t\right){\mathrm{\&psi;}}_{j,m}^{*}\left(t\right)dt---\left(2\right)$

式中，Wf_j,m为小波系数，j表示分解层数，m＝0,1,2，…，2^j-1；ψ_j,m为小波函数，“*”表示共轭，

小波变换后，对小波系数进行阈值处理，此处使用阈值函数：

${{\mathrm{Wf}}_{j,m}}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{sgn}\left({\mathrm{Wf}}_{j,m}\right)\left(\right|{\mathrm{Wf}}_{j,m}|-\mathrm{\&lambda;}/\exp (\left(\right|{\mathrm{Wf}}_{j,m}|-\mathrm{\&lambda;})/{\mathrm{Wf}}_{j,m}\left)\right)& \left|{\mathrm{Wf}}_{j,m}\right|\&GreaterEqual;\mathrm{\&lambda;}\\ 0& \left|{\mathrm{Wf}}_{j,m}\right|<\mathrm{\&lambda;}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，λ为阈值，sgn为符号函数，

于是，经阈值处理后，Wf_j,m变为Wf_j,m'，最后对Wf_j,m'进行信号重构：

$x\left(t\right)=\underset{j,m}{\&Sigma;}{{\mathrm{Wf}}_{j,m}}^{\&prime;}{\mathrm{\&psi;}}_{j,m}\left(t\right)---\left(4\right)$

式中，x(t)即为小波降噪后的信号，

信号降噪后再进行时域和频域分析，得到时域指标和频域指标，

时域分析得信号均值、峰值、方根幅值、均方根值、标准差和无量纲参数指标，由于不同的隔圈误差会在振动信号上反映出不同的振动强度和信号波动，此处为了反映信号强度和信号波动量，选取均方根值和标准差作为时域指标，

离散信号的均方根值x_rms和标准差x_std分别表示为：

$x_{rms}=\sqrt{\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{\&lsqb;x\left(n\right)\&rsqb;}^2}{N}}---\left(5\right)$

$x_{std}=\sqrt{\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{\&lsqb;x\left(n\right)-x_m\&rsqb;}^2}{N-1}}---\left(6\right)$

其中，N为信号x(t)长度，n＝0，1，2，…，N-1；x(n)和x(t)具有一一对应关系，t＝nΔt，Δt是采样间隔；x_m为信号均值，由公式(7)得出，

$x_m=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}x\left(n\right)}{N}---\left(7\right)$

频域分析得到振动信号频谱图，离散信号Fourier变化公式为

$\begin{array}{cc}X\left(\frac{k}{N\mathrm{\&Delta;}t}\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}x\left(n\mathrm{\&Delta;}t\right)e^{-j2\mathrm{\&pi;}kn/N}& (n=0,1,2,\mathrm{...},N-1)\end{array}---\left(8\right)$

式中：x(nΔt)是信号的采样值，k是频域离散值的序号，n是时域离散值的序号，

对信号x(t)进行频域分析后，在转频n₀/60Hz处有峰值谱线，设其幅值为W，选取此幅值为频域指标；

3)将检测隔圈组安装在同一检测主轴中，使检测主轴在额定转速下运转，将采集到的主轴振动信号经小波降噪后进行时域/频域分析，分别得到时域指标均方根值x′_rms、标准差x′_std和频谱在转频n₀/60Hz处谱线的幅值W'，主轴振动信号经小波降噪后进行时域/频域分析过程和步骤2)相同；

4)在计算比较器中分别计算检测隔圈组与标准隔圈组之间时域指标、频域指标的误差，根据主轴设计性能的要求，对均方根值、标准差和频谱在转频n₀/60Hz处谱线的幅值分别设定允差δ1、δ2和δ3，当所有的时域指标和频域指标误差都不大于给定允差时，即认为检测隔圈组加工质量动态性能检测合格；反之，则认为检测隔圈组不合格，

隔圈组加工质量动态性能检测合格的判断条件可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&delta;}}_{rms}=\frac{|x_{rms}^{\&prime;}-x_{rms}|}{x_{rms}}\&le;{\mathrm{\&delta;}}_1\\ {\mathrm{\&delta;}}_{std}=\frac{|x_{std}^{\&prime;}-x_{std}|}{x_{std}}\&le;{\mathrm{\&delta;}}_2\\ {\mathrm{\&delta;}}_w=\frac{|W^{\&prime;}-W|}{W}\&le;{\mathrm{\&delta;}}_3\end{array}\right..---\left(9\right)$

Claims (3)

1.一种基于振动信号的主轴隔圈加工质量动态检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对于精密、高速主轴隔圈，先分别筛选出满足静态检测质量要求的内、外隔圈，并利用动平衡机挑选出一组满足动平衡要求的隔圈作为标准隔圈组；

2)将标准隔圈组安装在检测主轴中，使检测主轴在额定转速下运转，将采集到的主轴振动信号经小波降噪后进行时域/频域分析，得到时域指标和频域指标；

3)将检测隔圈组安装在同一检测主轴中，使检测主轴在额定转速下运转，将采集到的主轴振动信号经小波降噪后进行时域/频域分析，得到时域指标和频域指标，主轴振动信号经小波降噪后进行时域/频域分析过程和步骤2)相同；

4)在计算比较器中分别计算检测隔圈组与标准隔圈组之间时域指标、频域指标的误差，根据主轴设计性能的要求，当所有的时域指标和频域指标误差都不大于给定允差时，即认为检测隔圈组加工质量动态性能检测合格；反之，则认为检测隔圈组不合格。

2.根据权利要求1所述的一种基于振动信号的主轴隔圈加工质量动态检测方法，其特征在于，所述的步骤1)筛选出满足静态检测质量要求的内、外隔圈的具体方法是：使用千分表检测内、外隔圈的尺寸公差和形位公差，凡符合图纸要求的即为满足静态检测质量要求；否则不满足静态检测质量要求。

3.根据权利要求1所述的一种基于振动信号的主轴隔圈加工质量动态检测方法，其特征在于，所述的步骤2)主轴振动信号经小波降噪后进行时域/频域分析过程为：

含噪振动信号可表示为降噪后信号与噪声信号之和，即：

f(t)＝x(t)+n(t)(1)其中，x(t)为降噪后的信号，n(t)噪声信号，

小波降噪过程分为小波变换、阈值处理和信号重构三步，信号f(t)的离散小波变换为：

${\mathrm{Wf}}_{j,m}={\&Integral;}_{-\mathrm{\&infin;}}^{\mathrm{\&infin;}}f\left(t\right){\mathrm{\&psi;}}_{j,m}^{*}\left(t\right)dt---\left(2\right)$

式中，Wf_j,m为小波系数，j表示分解层数，m＝0,1,2，…，2^j-1；ψ_j,m为小波函数，“*”表示共轭，

小波变换后，对小波系数进行阈值处理，此处使用阈值函数：

${{\mathrm{Wf}}_{j,m}}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{sgn}\left({\mathrm{Wf}}_{j,m}\right)\left(\right|{\mathrm{Wf}}_{j,m}|-\mathrm{\&lambda;}/\exp (\left(\right|{\mathrm{Wf}}_{j,m}|-\mathrm{\&lambda;})/{\mathrm{Wf}}_{j,m}\left)\right)& \left|{\mathrm{Wf}}_{j,m}\right|\&GreaterEqual;\mathrm{\&lambda;}\\ 0& \left|{\mathrm{Wf}}_{j,m}\right|<\mathrm{\&lambda;}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，λ为阈值，sgn为符号函数，

于是，经阈值处理后，Wf_j,m变为Wf_j,m'，最后对Wf_j,m'进行信号重构：

$x\left(t\right)=\underset{j,m}{\&Sigma;}{{\mathrm{Wf}}_{j,m}}^{\&prime;}{\mathrm{\&psi;}}_{j,m}\left(t\right)---\left(4\right)$

式中，x(t)即为小波降噪后的信号，

信号降噪后再进行时域和频域分析，得到时域指标和频域指标，

时域分析得信号均值、峰值、方根幅值、均方根值、标准差和无量纲参数指标，由于不同的隔圈误差会在振动信号上反映出不同的振动强度和信号波动，此处为了反映信号强度和信号波动量，选取均方根值和标准差作为时域指标，

离散信号的均方根值x_rms和标准差x_std分别表示为：

$x_{rms}=\sqrt{\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{\&lsqb;x\left(n\right)\&rsqb;}^2}{N}}---\left(5\right)$

$x_{std}=\sqrt{\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{\&lsqb;x\left(n\right)-x_m\&rsqb;}^2}{N-1}}---\left(6\right)$

其中，N为信号x(t)长度，n＝0，1，2，…，N-1；x(n)和x(t)具有一一对应关系，t＝nΔt，Δt是采样间隔；x_m为信号均值，由公式(7)得出，

$x_m=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}x\left(n\right)}{N}---\left(7\right)$

频域分析得到振动信号频谱图，离散信号Fourier变化公式为

$\begin{array}{cc}X\left(\frac{k}{N\mathrm{\&Delta;}t}\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}x\left(n\mathrm{\&Delta;}t\right)e^{-j2\mathrm{\&pi;}kn/N}& (n=0,1,2,\mathrm{...},N-1)\end{array}---\left(8\right)$

式中：x(nΔt)是信号的采样值，k是频域离散值的序号，n是时域离散值的序号，

对信号x(t)进行频域分析后，在转频n₀/60Hz处有峰值谱线，设其幅值为W，选取此幅值为频域指标。