CN106584207A - 一种滑动结合面磨损在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滑动结合面磨损在线监测方法，装置包括压电传感阵列、电荷放大器、数据采集卡、电脑信息提取装置、信息显示装置。将一组压电传感器布置在滑块表面的不同位置，形成阵列，用于获得发射源的信号并通过电荷放大器把压电式传感器高输出阻抗变换成低阻抗输出，放大信号。接着利用数据采集卡，采集放大后的信号，将模拟电压信号转换成对应的数字量信号发送给电脑信息提取装置计算出声发射源坐标，并通过信息显示装置显示，来判断结合面磨损状态。本发明无需拆卸机械结构设备，根据声发射就可以在线评估结合面磨损；该方法是利用声发射源成像评估结合面磨损，而不是利用磨损的二次表征，可以在结合面精度恶化前就实现预警。

Description

一种滑动结合面磨损在线监测方法

技术领域

本发明涉及一种滑动结合面磨损在线监测方法，属于机床检测技术领域。

背景技术

目前，在制造业中，金属切削需要机床有高刚性、高阻尼特性和高金属除率，滑动导轨一直得到广泛的使用。其接触面积大，承受的冲击能力较强，可作为承载、定位功能，导轨的滑动结合面健康状况影响到整台设备的精度。金属切削机床结构复杂，工作中行程大，滑动结合面暴露在工业现场，环境恶劣，灰尘、切屑及加工过程中的动态载荷都会造成结合面间油膜破坏，形成边界摩擦或干摩擦，出现非正常磨损。针对此类情况，企业只能通过被动的定期维护保养，保证设备结合面精确配合。

油液颗粒法利用结合面磨损过程中产生的金属颗粒在油液中的浓度来评估磨损程度，实现结合面工作中的健康状况监测；颗粒静电法，利用物理摩擦生电物理现象，结合面摩擦过程中产生的颗粒携带电荷，颗粒在流动的油液中通过静电传感器，得到颗粒的静电信号，再通过信号处理方法，提取静电信号特征参数，评估结合面摩擦状况。但是这二种方法需要润滑油处于密封腔体内，通过特定的回路不停循环，显然这二种方法无法应用于暴露在现场的结合面磨损监测。而且机床设备切削金属过程中会产生大量金属颗粒，也严重影响到这二种方法磨损评估结果。振动法是结合面在磨损一定程度后，刚度改变， 结构在周期性的载荷冲击下，产生异常振动。但是往往设备结构复杂，该方法就需要前期的训练数据，才能可靠的评估结合面磨损状况，而且这往往是磨损发生到一定的程度后才产生，不适用于用于设备滑动结合面精度保持。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种滑动结合面磨损在线监测方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种滑动结合面磨损在线监测方法，包括步骤如下：

步骤一：将N个阵元，压电元件构成的阵列粘贴在滑块的上表面，正对上表面的下表面为摩擦面；设上表面为XY平面上，原点O在压电元件组成的阵列中心，Z轴垂直于XY面，并指向摩擦面；通过在线监测装置采集到声发射信号点数为K，则N个压电元件采集到的数据组成矩阵：

其中x_i(j)(i＝1，2…N；j＝1，2…K)，就是指采集到的一个点，其中i对应传感器标号，j代表采集到的信号序列号；

步骤二：计算阵列信号的协方差矩阵为：

其中X^T为矩阵X的转置；用Matlab软件中的函数eig或eigs求得R_x的特征值λ_i(i＝1，2…N)，及其对应的特征矢量设有I个λ_i＜1，则其对应的I个特征矢量(i＝1，2……I)张成的噪声子空间为：

步骤三：计算空间谱函数P(k)具有最大值，空间谱函数P(k)公式如下：

其中 为的共轭，v^H(k)为v(k)共轭转置；

步骤四：如果用单位方向矢量Q表示声发射源信号来向，矢量p_i表示阵元坐标，v表示声发射波速，则第i个阵元接收信号相对于原点的时间延迟为：

其中θ是坐标原点与声源连线与z轴的夹角，Ф为原点与声源连线在XY平面上的投影与X轴正向夹角，a^T是a的转置，

步骤五：通过设置电荷放大器频带，使接收到的信号是窄带，则原点O接收到的信号复数形式为为：传感阵列接收到的每个电压元件信号模型可表示为：

将角频率ω_c＝2πf，代入上式得：

由于声波波速v＝λf，代入上式，所以：

设

则上式为：

令

将公式7代入公式3，通过对声发射方向矢量v(k)中的(θ，φ)逐点扫描，通过对θ在(0～π/2)，φ在(0～2π)内逐点计算，对P(k)谱峰搜索， 得到P(k)的每个点的值，并标注在横坐标是φ，纵坐标是θ的图形上，根据图形上P(k)谱峰的变化，来确定结合面出现磨损；

步骤六：通过已知Z轴方向上的高度为H，可将P(k)的每个点的值，标注在横坐标是Hcosφ/tanθ，纵坐标是Hsinφ/tanθ的，描述摩擦区域在结合面上的二维坐标。

作为优选方案，所述N个阵元滑块的上表面呈圆形排列。

有益效果：本发明提供的一种滑动结合面磨损在线监测方法，无需拆卸设备，根据声发射就可以在线评估结合面磨损；该方法是利用声发射源成像评估结合面磨损，而不是利用磨损的二次表征，可以在结合面精度恶化前就实现预警。

附图说明

图1为滑动结合面磨损在线监测装置的结构示意图；

图2为阵列传感器布置及空间声发射示意图；

图3为实施例1示意图；

图4为磨损前摩擦区域声发射成像；

图5为磨损后摩擦区域声发射成像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种滑动结合面磨损在线监测装置，包括：压电传感阵列、电荷放大器、数据采集卡、电脑信息提取装置、信息显示装置。将一组压电传感器布置在滑块表面的不同位置，形成阵列，用于获得发射源的信号并通过电荷放大器把压电式传感器高输出阻抗变 换成低阻抗输出，放大信号。接着利用数据采集卡，采集放大后的信号，将模拟电压信号转换成对应的数字量信号发送给电脑信息提取装置计算出声发射源坐标，并通过信息显示装置显示，来判断结合面磨损状态。

已知监测的滑块长、宽、高，在得到各个声发射源在其几何空间的方向角后，也就知道摩擦区域在结合面的坐标位置。

DOA(Direction of Arrival)估计原理及实现过程介绍如下：

设N个阵元(压电元件)构成的阵列粘贴在滑块的上表面，正对上表面的下表面为结合面。设上表面为XY平面上，原点O在压电元件组成的阵列中心，如图2所示，空间坐标系XYZ，其中布置压电元件的表面为XY平面，Z轴垂直于XY面，并指向结合面。

通过在线监测装置采集到声发射信号点数为K，则N个压电元件采集到的数据组成矩阵

其中x_i(j)(i＝1，2…N；j＝1，2…K),就是指采集到的一个点，其中i对应传感器标号，j代表采集到的信号序列号。

得到阵列信号的协方差矩阵为：

其中X^T为矩阵X的转置。

用Matlab软件中的函数eig或eigs求得R_x的特征值λ_i(i＝1，2…N)，及其对应的特征矢量

采集到的声发射信号中存在噪声，但噪声是随机，是无序的，因此在Rx的特征值λ_i中，声发射源对应的特征值要远大于噪声对应的特征值。这里取λ_i＜1时，认为是噪声对应的特征值。设有I个λ_i＜1，则其对应的I个特征矢量张成的噪声子空间为：

由于传感阵列接收的信号位于信号子空间，而信号子空间与噪声子空间正交，所以通过把接收信号方向矢量向噪声子空间投影，其值理论上为零，也就是空间谱函数P(k)具有最大值，空间谱函数P(k)公式如下：

其中 为的共轭，v^H(k)为v(k)共轭转置。

如果用单位方向矢量Q表示声发射源信号来向，矢量p_i表示阵元坐标，v表示声发射波速，则第i个阵元接收信号相对于原点的时间延迟为：

其中θ是坐标原点与声源连线与z轴的夹角，Ф为原点与声源连线在XY平面上的投影与X轴正向夹角，a^T是a的转置，

通过设置电荷放大器频带，使接收到的信号是窄带，则原点O接收到的信号复数形式为为：由于信号是窄带的，可以忽略包络线X₀(t)的延时，就可以得到各个压电元件接收到的信号复数形式为：传感阵列接收到的每个电压元件信号模型可表示为：

将角频率ω_c＝2πf，代入上式得：

由于声波波速v＝λf，代入上式。所以

设

则上式为：

令

将公式7代入公式3，通过对声发射方向矢量v(k)中的(θ，φ)逐点扫描，通过对θ在(0～π/2)，φ在(0～2π)内逐点计算，对P(k)谱峰搜索，得到P(k)的每个点的值，就可以求得局部最大值，其最大值对应声发射信号的方向角(θ，φ)，再利用滑块的几何参数换算得到声发射源坐标。

利用采集装置与DOA阵列信号处理，得到结合面摩擦声发射区域P(k)谱峰图，通过P(k)谱峰图的变化评估结合面健康状况。

实施例1：

如图3所示，其中直角坐标系XYZ,O是坐标原点，上表面粘贴的压电元件Pi(i＝1，2，3... ...N)，共N个压电元件，压电元件呈圆形排列，原点设置在圆心位置，下表面为摩擦面，上表面与下表面之间的距离为H。Q1表示下表面摩擦区域声发射源，Q2是Q1在上表面的投影，OQ1与Z轴夹角为θ，OQ2与X轴夹角为φ。

由上面公式(1)-(5)，可得到摩擦区域声发射源坐标计算过程如下：

声发射源Q1，其中未知量为OQ1与Z轴夹角为θ，OQ2与X轴夹 角为φ。则声发射源Q1单位方向矢量为：

压电元件在坐标系中的坐标是已知量，为：

N为粘贴的压电元件的数量 (9)

由公式(6)可定义波数矢量为：

其中λ为声波波长 (10)

可得发声源的方向矢量为：

由采集系统采集到信号x_i(t)是已知量，组成信号矩阵X：

i＝1，2，3... ...N,N为粘贴的压电元件的数量 (12)

则阵列信号X的协方差矩阵为：

X^T为X的转置，S为声发射信号点数 (13)

求得R的N个特征值λ_i及其对应得特征矢量可以用Matlab中得函数eig或eigs求得。设特征值λ_i≤1，则有I个特征矢量其张 成空间为：则：

由公式(11)、(14)代入公式(15)：

v^H(k)为v(k)共轭转置 (15)

θ在(0～π/2)，φ在(0～2π)内搜索，得到P(θ，φ)对应的谱值，其局部极大值对应结合面摩擦声发射的方向角(θ，φ)；如图4、图5所示，图中横坐标是φ，纵坐标是θ，图中亮暗是P(θ,φ)对应不同θ、φ得到谱值。图4是磨损前结合面P(θ,φ)谱值，图5是磨损后结合面P(θ,φ)谱值，可以看出结合面由于变形，对应区域的P(θ,φ)谱值出现了变化。最后，通过已知Z轴方向上的高度为H，则OQ₂＝H/tanθ，根据直角形三角函数，可得到谱值P(θ,φ)在结合面上的二维分布图(Hcosφ/tanθ，Hsinφ/tanθ，P(θ,φ))，可实现摩擦区域在结合面上的位置描述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种滑动结合面磨损在线监测方法，其特征在于：包括步骤如下：

步骤一：将N个阵元，压电元件构成的阵列粘贴在滑块的上表面，正对上表面的下表面为摩擦面；设上表面为XY平面上，原点O在压电元件组成的阵列中心，Z轴垂直于XY面，并指向摩擦面；通过在线监测装置采集到声发射信号点数为K，则N个压电元件采集到的数据组成矩阵：

$X=\left[\begin{array}{cccc}{x}_1\left(1\right)& x_1\left(2\right)& \mathrm{...}& x_1\left(K\right)\\ x_2\left(1\right)& x_2\left(2\right)& \mathrm{...}& x_2\left(K\right)\\ .& & & .\\ .& \mathrm{...}& \mathrm{...}& .\\ .& & & .\\ x_N\left(1\right)& x_N\left(2\right)& \mathrm{...}& x_N\left(K\right)\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中x_i(j)(i＝1,2…N；j＝1,2…K),就是指采集到的一个点，其中i对应传感器标号，j代表采集到的信号序列号；

步骤二：计算阵列信号的协方差矩阵为：

$R_x=\frac{1}{K}{\mathrm{XX}}^T---\left(2\right)$

其中X^T为矩阵X的转置；用Matlab软件中的函数eig或eigs求得R_x的特征值λ_i(i＝1，2…N)，及其对应的特征矢量设有I个λ_i＜1，则其对应的I个特征矢量(i＝1，2……I)张成的噪声子空间为：

步骤三：计算空间谱函数P(k)具有最大值，空间谱函数P(k)公式如下：

$P\left(k\right)=\frac{1}{v\left(k\right)\Πv^H\left(k\right)}---\left(3\right)$

其中 为的共轭，v^H(k)为v(k)共轭转置；

步骤四：如果用单位方向矢量Q表示声发射源信号来向，矢量p_i表示阵元坐标，v表示声发射波速，则第i个阵元接收信号相对于原点的时间延迟为：

${\mathrm{\τ}}_i=\frac{a^T{p}_i}{v}---\left(4\right)$

其中θ是坐标原点与声源连线与z轴的夹角，Ф为原点与声源连线在XY平面上的投影与X轴正向夹角，a^T是a的转置，

步骤五：通过设置电荷放大器频带，使接收到的信号是窄带，则原点O接收到的信号复数形式为：传感阵列接收到的每个电压元件信号模型可表示为：

$X\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{X}_1\left(t\right)\\ ...\\ X_N\left(t\right)\end{array}\right]=X_0\left(t\right)e^{{\mathrm{j\ω}}_{c}t}\left[\begin{array}{c}{e}^{-{\mathrm{j\ω}}_c{\mathrm{\τ}}_1}\\ ...\\ e^{-{\mathrm{j\ω}}_c{\mathrm{\τ}}_N}\end{array}\right]---\left(5\right)$

将角频率ω_c＝2πf，代入上式得：

$X_0\left(t\right)e^{{\mathrm{j\ω}}_{c}t}\left[\begin{array}{c}{e}^{-{\mathrm{j\ω}}_c{\mathrm{\τ}}_1}\\ ...\\ e^{-{\mathrm{j\ω}}_c{\mathrm{\τ}}_N}\end{array}\right]=X_0\left(t\right)e^{{\mathrm{j\ω}}_{c}t}\left[\begin{array}{c}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}f}{v}{a}^T{p}_1}\\ ...\\ e^{-j\frac{2\mathrm{\π}f}{v}{a}^T{p}_N}\end{array}\right]$

由于声波波速v＝λf，代入上式，所以：

$X_0\left(t\right)e^{{\mathrm{j\ω}}_{c}t}\left[\begin{array}{c}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}f}{v}{a}^T{p}_1}\\ ...\\ e^{-j\frac{2\mathrm{\π}f}{v}{a}^T{p}_N}\end{array}\right]=X_0\left(t\right)e^{{\mathrm{j\ω}}_{c}t}\left[\begin{array}{c}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{a}^T{p}_1}\\ ...\\ e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{a}^T{p}_N}\end{array}\right]$

设

则上式为：

$X\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{X}_1\left(t\right)\\ ...\\ X_N\left(t\right)\end{array}\right]=X_0\left(t\right)e^{{\mathrm{j\ω}}_{c}t}\left[\begin{array}{c}{e}^{-{\mathrm{j\ω}}_c{\mathrm{\τ}}_1}\\ ...\\ e^{-{\mathrm{j\ω}}_c{\mathrm{\τ}}_N}\end{array}\right]=X_0\left(t\right)e^{{\mathrm{j\ω}}_{c}t}\left[\begin{array}{c}{e}^{-{\mathrm{jkp}}_1}\\ ...\\ e^{-{\mathrm{jkp}}_N}\end{array}\right]---\left(6\right)$

令

将公式7代入公式3，通过对声发射方向矢量v(k)中的(θ，φ)逐点扫描，通过对θ在(0～π/2)，φ在(0～2π)内逐点计算，对P(k)谱峰搜索，得到P(k)的每个点的值，并标注在横坐标是φ，纵坐标是θ的图形上，根据图形上P(k)谱峰的变化，来确定结合面出现磨损；

步骤六：通过已知Z轴方向上的高度为H，可将P(k)的每个点的值，标注在横坐标是Hcosφ/tanθ，纵坐标是Hsinφ/tanθ的，描述摩擦区域在结合面上的二维坐标。

2.根据权利要求1所述的一种滑动结合面磨损在线监测方法，其特征在于：所述N个阵元滑块的上表面呈圆形排列。