CN114424041A - 用于测试齿轮的分析系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种齿轮滚动测试方法，所述方法涉及对包括运动传递误差的、在齿轮组滚动测试仪或齿轮箱测试夹具上获取的齿轮组性能数据的分析和显示，并且包括此数据在时域、频域及其混合中的分析和可视化。本发明还包括：对核心信号处理、分析和信号处理序列的根本改进，其允许以更有洞察力的方式探索所述数据；可视化和报告所述数据和结果的方法；以及人机用户界面范式，其用于以更大灵活性和实用性提供这些功能和特征。

Description

用于测试齿轮的分析系统和方法

技术领域

本发明涉及传感器输出的处理、分析和显示，特别是关于齿轮的测试。

背景技术

本发明主要涉及各种传感器输出的处理、分析和显示，并且具体涉及与齿轮组运动传递误差(MTE)、噪声和振动现象相关的传感器输出，MTE、噪声和振动现象能够由如在美国专利第6,120,355和7,553,115号中示出和描述的那些测试机中的滚动测试齿轮组产生，这些专利的公开内容通过引用并入本文。本发明还可以在用于滚动测试齿轮的功能测试平台上执行，如单齿面测试仪或双齿面测试仪，其中当齿轮对啮合旋转时测量齿轮的轴线之间的相对移动，例如如US 2020/0292305的图1所示，其公开内容通过引用并入本文。

产生能够应用这些方法的输出的传感器包括旋转位置测量装置，如编码器和分解器；振动测量装置，如单轴和多轴加速度计和声学传感器；以及其他运动或位移测量装置，如光学玻璃分划尺、磁尺、光学、激光和超声装置、电容或电感位移传感器。

传感器能够布置成许多配置和布置。旋转传感器通常监测两个主轴，齿轮组的驱动和从动构件安装在主轴中。在受测装置不仅包括单个齿轮对(例如包括齿轮箱或行星组合件)的情况下，附加的旋转编码器能够测量其他旋转元件的运动。

线性、振动、声学和其他传感器能够安装在机器上或机器附近的固定位置，或者安装在机器的线性或旋转移动元件(例如，摇摆头和线性轴)上。例如，位移测量装置能够应用于双齿面齿轮组测试仪，并且该输出也能够由本发明的系统分析。振动传感器能够响应结构传播的振动、空气传播的振动或两者的组合。

一个或多个加速度计也能够安装在旋转主轴上以测量旋转运动，包括加速度、速度和位置。

由于齿轮组的安装构件在由测试机确定的给定速度和负载条件下滚动，根据受测齿轮组的性质和质量特性，会引起振动和其他运动。

发明内容

本发明的目的是使用前述测试机传感器来提供数据和信号，这些数据和信号能够被处理和分析以提供对齿轮组的操作和质量特性，特别是运动误差、噪声和振动特性的了解。

本发明的进一步目的是处理和分析数学上导出的数据和信号，以提供对齿轮组的操作和质量特性的附加了解。例如，这些数据和信号可以获得自传感器数据的计算机模拟或计算产物，如从位置和时间信息分析确定的加速度。

能够参照时间(时间采样)或参照旋转齿轮构件中的一个或多个的旋转运动(旋转采样)来采样和理解包含向本发明的系统的输入的数据或信号。在对与齿轮组运动相关的前述传感器信号的分析中，用旋转采样来表示信号通常具有特殊价值。当本发明采用旋转采样时，保存时间信息以促进必要时在时间与旋转采样之间转变。

本发明涉及对包括运动传递误差的、在齿轮组滚动测试仪或齿轮箱测试夹具上获取的齿轮组性能数据的分析和显示，并且包括该数据在时域、频域及其混合中的分析和可视化。本发明还包括：对核心信号处理、分析和信号处理序列的根本改进，其允许以更有洞察力的方式探索数据；可视化和报告数据和结果的方法；以及人机用户界面范式，其用于以更大灵活性和实用性提供这些功能和特征。

本发明的方法的突出方面在于提取和显示迄今为止隐藏在被视为基本静态的数据记录内的动态行为的能力。其他方面包括将数据和结果跟踪或归因到受测齿轮组构件上的各个齿的能力(齿的“索引”)以及用户与显示器交互以动态地改变分析和可视化两者的参数的能力。除了常规的“契约测试”(根据严格预定义的测试和分析参数对所收集的数据记录进行后处理)之外，这些功能和特征还被以一种新的灵活的“始终开启”范式为齿轮组滚动测试机提供，借此数据收集、处理、分析、异常检测等在任何可能的时候均自主和适时地执行，而无需等待来自人类用户的特定指令或等待启动预定义的循环。在测试和分析的任一种方法中，人类用户还能够以探索和交互的方式调整用于分析和显示的参数。在本发明中，应当理解，术语“用户”和“操作者”是等同的。

本发明的第一实施例涉及一种测试齿轮的方法，其包含提供包含第一齿轮和第二齿轮的齿轮对，其中第一齿轮和第二齿轮可操作以彼此啮合地滚动。第一齿轮与所述第二齿轮一起在齿轮测试机上滚动，其中齿轮测试机配置有一个或多个传感器，这些传感器可操作以提供指示一个或多个齿轮的滚动特性的输出信号。产生至少一个独立信号，其中该独立信号是基于来自传感器中的一个或多个的输出的信号或分析导出的信号中的至少一个。从该至少一个独立信号中选择具有非零持续时间的至少一个帧部分，其中根据以下步骤来处理所选帧部分中的每一个：

基于所选帧部分确定一组模型基函数，

将所选帧部分投影到模型基函数上以产生模型系数，

从模型系数和模型基函数中确定重建模型，

从所选帧部分中减去重建模型以产生残差，

其中该方法还包含以下各项中的至少一个：

(a)显示并分析残差以识别第一齿轮和第二齿轮中的至少一个的质量特性，并基于该质量特性接受或拒绝第一齿轮和第二齿轮中的至少一个，以及，

(b)显示并分析所述模型系数或重建模型以识别所述第一齿轮和所述第二齿轮中的至少一个的质量特性，并基于所述质量特性接受或拒绝所述第一齿轮和所述第二齿轮中的所述至少一个。

在一个优选实施例中，模型基函数是从以下各项中的至少一个来确定：(a)所选帧部分的持续时间，(b)第一齿轮与第二齿轮的齿轮比，(c)由所述第一齿轮与所述第二齿轮的旋转产生的基谐波频率或所述第一齿轮与所述第二齿轮啮合的啮合周期的持续时间，(d)每个基频的一组预定谐波，所述组包括零，以及(e)在所述所选帧部分的持续时间内定义的一组非周期性基函数，所述组包括零。

在另一优选实施例中，当在机器操作期间从传感器获得附加信息时，重建模型和残差被连续地重新评估。

在另一优选实施例中，以一致的间隔同时采样多个独立信号，以促进直接相关和比较。

在又一优选实施例中，以均匀的时间样本收集至少一个独立信号，并且随后将其内插以产生在第一齿轮和第二齿轮中的一个的位置中规律地间隔开的样本序列。

在进一步的实施例中，显示和分析结果被保留在电子存储介质上以供重新调用，其中通过以下各项中的一个或多个来实现多于一个先前记录的显示和比较：

(a)同时邻近呈现，

(b)具有由用户交互引导的进程的顺序呈现，以及

(c)具有自动、动画进程的顺序呈现。

本发明附加地公开了一种值得独立保护的显示残差、重建模型或其组合的显示和方法，该方法包含：

(a)将所选帧部分细分成具有相等持续时间的多个相连信号片段，其中持续时间等于以下各项中的一个或多个：

1.一个或多个完整啮合周期，

2.齿轮组中的任意齿轮的一个或多个完整转数，

(b)将信号片段表示为以下各项中的一个或多个的函数：

1.时间，

2.齿轮组中的齿轮中的一个的位置，

3.频率，借助于傅里叶变换，

(c)将对齐并覆盖在相同独立轴线上的信号片段函数呈现为以下各项中的一个或多个：

1.信号片段函数的迹线，

2.信号片段函数的统计变化的迹线，其由算术平均值和/或方差组成，逐点确定。

本发明还公开了一种值得独立保护的显示残差、重建模型或其组合的显示和方法，该方法包含：

(a)将所选帧部分细分成具有相等持续时间的多个相连信号片段，其中持续时间等于一个或多个完整啮合周期，

(b)为每个信号片段确定每个信号片段的标量度量，其由以下各项中的一个或多个组成：

1.峰间变化，

2.均方根振幅，

3.将信号片段与参照最佳对齐所需的信号片段的时间或旋转移位，其被确定为以下任一个：至少两个片段的平均值或与信号片段具有相同持续时间的重建模型的子集的平均值，

4.与参照的类似性测量，其被确定为以下任一个：至少两个片段的平均值或与信号片段具有相同持续时间的重建模型的子集的平均值，该测量由以下各项中的一个或多个组成：皮尔逊相关系数和/或均方根误差，

(c)为每个片段分配两个索引，第一索引对应于以下任一个：

1.片段持续时间开始之前在片段信号中观察到的第一齿轮或第二齿轮中的一个的完整转数的数量，或

2.片段持续时间开始之前观察到的啮合周期的数量，

以所述第一齿轮或第二齿轮中的一个上的齿数为模；第二索引对应于以下任一个：

3.片段持续时间开始之前在片段信号中观察到的第一齿轮或第二齿轮中的另一个的完整转数的数量，或

4.片段持续时间开始之前观察到的啮合周期的数量，以第一齿轮或第二齿轮中的另一个上的齿数为模，

(d)将映射到一系列灰度级或色彩值的标量度量呈现到二维图像上，其中图像的一个坐标对应于第一索引，并且图像的另一坐标对应于第二索引。

本发明附加地公开了一种值得独立保护的显示和方法，其中显示残差、重建模型或其组合包含：

(a)将所选帧部分细分成具有预定的相等持续时间的多个相连或重叠信号片段，每个信号片段被顺序地索引，

(b)借助于傅里叶变换将信号片段表示为谱函数，

(c)从该谱函数确定以下测量中的一个或多个：

1.幅度，

2.对数幅度，

3.相位，

4.相位漂移，其是作为实际相位与通过两个片段之间的时间或旋转间隔来提前前一谱函数的相位而预测的相位之间的差，

(d)将具有映射到一系列灰度级或色彩值的值的谱测量呈现为二维图像，其中图像的一个坐标对应于片段的索引，并且图像的另一坐标对应于谱函数的频率变量。

本发明还公开了一种值得独立保护的显示包含图表上的残差、重建模型或其组合中的一个或多个的迹线的显示和方法，其中独立轴线表示齿轮组中的第一齿轮或第二齿轮中的一个的时间或位置，并且从属轴线表示所显示量的振幅。

本发明附加地公开了一种值得独立保护的显示模型系数的显示和方法，该方法包含标绘以下各项中的一个或多个：

(a)条形图，其中每个系数一个条，高度与系数的幅度成比例；以及

(b)其上绘制有线段的一个或多个径向图，每个系数一个线段，从坐标原点放射出去，并具有与对应系数的复幅度成比例的长度和与对应系数的复相位成比例的与水平轴线的角度。

本发明附加地公开了一种值得独立保护的测试齿轮的方法，该方法包含提供包含第一齿轮和第二齿轮的齿轮对，其中第一齿轮和第二齿轮可操作以彼此啮合地滚动。第一齿轮与所述第二齿轮一起在齿轮测试机上滚动，其中齿轮测试机配置有一个或多个传感器，这些传感器可操作以提供指示一个或多个齿轮的滚动特性的输出信号。产生至少一个独立信号，其中该独立信号是基于来自传感器中的一个或多个的输出的信号或分析导出的信号中的至少一个。从该至少一个独立信号中选择具有非零持续时间的至少一个帧部分，其中根据以下步骤来处理所选帧部分中的每一个：

基于所选帧部分确定一组模型基函数，

将所选帧部分投影到模型基函数上以产生模型系数，

从模型系数和模型基函数中确定重建模型，

从所选帧部分中减去重建模型以产生残差，

其中该方法还包含以下各项中的至少一个：

(a)显示并分析残差以识别第一齿轮和第二齿轮中的至少一个的质量特性，并基于该质量特性接受或拒绝第一齿轮和第二齿轮中的至少一个，以及，

(b)显示并分析所述模型系数或重建模型以识别所述第一齿轮和所述第二齿轮中的至少一个的质量特性，并基于所述质量特性接受或拒绝所述第一齿轮和所述第二齿轮中的所述至少一个，

其中该方法以始终开启模式进行，其中只要所述一个或多个传感器检测到所述齿轮对之间的协调运动并且能够填充新的数据帧，就重复并连续地执行先前步骤。

在优选实施例中，在始终开启模式下，被滚动的第一和第二齿轮的齿比事先未知，但是始终开启模式基于其接收的实时数据确定齿比。

在进一步的实施例中，用户能够在始终开启模式操作时的任何时间观察包含测量、显示、可视化和结果中的至少一个的信息，其中该信息是可用的，而与任何其他测试模式是否同时活动无关。

在再一实施例中，包含测量、显示、可视化和结果中的至少一个的信息包括以下各项中的至少一个：

(a)与啮合周期相关联的频率的一个或多个谐波的振幅和相位；

(b)在一个啮合周期的持续时间内的平均信号形状；

(c)齿轮跳动谐波振幅；

(d)齿轮跳动的平均信号形状；

(e)齿损伤的存在和位置；

(f)去除小齿轮基的平均信号形状；以及

(g)去除齿轮基的平均信号形状。

在又一实施例中，该方法还包含交互地操纵显示器以更好地检验所显示数据的各方面。

在本发明的另一实施例中，显示能够暂停，使得能够检验当前的一组所显示数据，而不被后续帧替换。

在本发明的进一步实施例中，能够捕获并存储当前的一组数据，用于以后检索或检验和/或用于与当前数据进行比较。

本发明的附加实施例公开了当前数据与所存储的参照数据或主数据之间的差异被检验和可视化。

在本发明的又一实施例中，始终开启模式还包含在不需要单独建立任何测试参数或设置的情况下辨别并定位第一齿轮和第二齿轮中的至少一个上的齿损伤，始终开启模式识别最佳地表示所辨别的损伤的位置的部件旋转或齿索引，始终开启模式通过文本消息和/或图形显示来自动地向用户通知此类损伤。

附图说明

图1示出了绘示对编码器计数和MTE计算的始终开启监测的图表。

图2绘示了对特定信道中的流式MTE数据的初步分析。

图3示出了描绘谐波分解过程的各阶段的组件图。

图4描绘了分解为齿轮、小齿轮和啮合分量基、勒让德多项式基以及残差，以用于后续分析的MTE数据的显示。

图5绘示了示例MTE数据的分解的齿轮、小齿轮和啮合分量基的幅度的显示。

图6示出了MTE数据的离散傅里叶变换视图，其中齿轮、小齿轮和啮合频率的谐波被突出显示，并且与齿轮、小齿轮或啮合谐波无关的频率被弱化显示。

图7示出了啮合周期级的多个MTE数据帧在公共轴线上的覆盖图的显示，其中没有将会补偿各帧之间的低频变化的模型减法。

图8绘示了图7中描绘的相同覆盖图的显示，但是从信号中减去建模的齿轮和小齿轮谐波分量以突出显示可直接归因于构件之间的各个齿接触的MTE变化。覆盖帧的平均值用黑色描绘，并且方差带用虚线包围的阴影灰色区域表示，两者均叠加在各个帧图上。

图9描绘了齿轮周期级的多个MTE数据帧的显示，这些MTE数据帧叠加在公共轴线上并且其中从每个帧中减去建模小齿轮级和啮合级分量，以仅强调可直接归因于齿轮变化的MTE部分。平均MTE以黑色叠加示出。

图10绘示了小齿轮周期级的许多MTE数据帧的显示，这些MTE数据帧叠加在公共轴线上并且其中从每个帧中减去建模齿轮级分量，以仅强调可归因于小齿轮和各个齿变化的MTE部分。所显示帧上的平均MTE以黑色叠加描绘。

图11示出了通过计算啮合周期级上的位置覆盖图(类似于图8)中的每个帧的离散傅里叶变换而获得的多个谱幅度的显示。在所有MTE帧上作为频率的函数的平均幅度(仅在幅度意义上计算)由叠加在各个谱幅度的灰度级分布上的黑条来描绘。

图12示出了图12中描绘的谱幅度的相同覆盖图，但是水平轴被移位以显示不同的频率范围并且平均幅度在复相意义上评估。

图13绘示了减去齿轮级和小齿轮级分量的MTE数据的谱图的显示。位置和频率内容分别以啮合周期和基本啮合谐波为单位显示，其中灰度级值指示给定位置和频率仓处的谱幅度。

图14绘示了从图13所示的谱图计算出的周期图，以及每个频率的谱幅度的标准偏差和在单个啮合谐波的带宽上计算的总RMS幅度的显示。

图15示出了在MTE数据的连续啮合周期帧上计算的统计测量的显示，统计测量被映射到特定齿轮与小齿轮齿之间的各个接触周期，并且由灰度级或色彩值表示。

图16描绘了用于补充图15的网格栅视图的MTE数据的特定啮合周期帧以及参照曲线的呈现，该参照曲线在一些每啮合统计测量的评估中作为平均每啮合MTE使用。

图17描绘了将输入信号(例如传感器的输出)分离成具有特定持续时间的数据帧，其适用于后续显示和分析。图17还示出了将帧分离成适用于后续显示和分析的片段。

图18绘示了能够在本发明中采用的多个信道的实例。

具体实施方式

本说明书中使用的术语“发明(invention)”、“本发明(the invention)”和“本发明(the present invention)”旨在广泛地指代本说明书的所有主题和下面的任何专利权利要求。含有这些术语的陈述不应被理解为限制本文所述的主题或限制以下任何专利权利要求的含义或范围。此外，本说明书不寻求描述或限制由任何权利要求所涵盖的主题于本申请的任何特定部分、段落、陈述或附图中。应该通过参考整个说明书、所有附图和所附的任何权利要求理解主题。本发明能使用其他构造，并且能以各种方式实践或实施。并且，应理解，本文使用的措辞和术语是出于描述的目的而不应视为限制性的。

本文中使用的“包括”、“具有”和“包含”及其变形意指涵盖其后列出的项目及其等效物以及附加项目。使用字母来标识方法或过程的元素仅用于标识，并不意味着表示元素应该以特定顺序执行。另外，如“第一”、“第二”、“第三”等的术语在本文中用于描述目的，且不旨在指示或暗示重要性或显著性。如本文所用，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”也旨在包括复数形式，除非上下文另外清楚地指示。如本文所用，术语“和/或”包括相关联的所列项中的一个或多个的任意和所有组合，并且可以缩写为“/”。

现在将参照附图来讨论本发明的细节，附图仅以实例的方式绘示本发明。在附图中，相似的特征或组件将由类似的附图标记指代。在适用的情况下，各种实施例能够包括和/或排除不同的方面、特征和/或优点。另外，在适用的情况下，各种实施例能够组合其他实施例的一个或多个方面或特征。对具体实施例的方面、特征和/或优点的描述不应被解释为限制其他实施例或权利要求。

本发明包含分析与两个或更多个齿轮的旋转运动相关的任何扰动。目前，可以考虑旋转运动传递误差(即，输出齿轮的实际运动与理想运动之间的差，作为输入齿轮的实际运动的函数)、常规双齿面测试中的线性位移，以及测试结构的振动加速度。本发明可以在作为测试机的组件的计算机上或在远离测试机的计算机上执行。从本发明的分析中获得的信息可以经由闭环系统直接发送到齿轮加工机器(例如，切割机或研磨机)以用于连续工艺改良。所获得的信息可以被存储以用于后续的研究和分析。应当注意，在本发明中，齿轮组的任一构件能够被识别为“输入”齿轮，并且因此，另一构件将被识别为“输出”齿轮。然而，在实践中，具有较少齿的构件通常被识别为输入齿轮。

本发明的方法连续地监测机器传感器，如上述类型的机器传感器，以确定测试设备中的两个或更多个齿轮何时处于协调运动中。运动可以通过输入或输出齿轮上的旋转编码器之间的非零相关性或通过在由齿轮组配置预测的频率处的振动加速度的预定阈值的交叉来自动指示。

每当检测到协调运动时，就记录数据以用于进一步分析。经由附接到输入和输出主轴的旋转编码器来测量输入和输出齿轮的旋转位置。经由附接到测试设备的一个或多个加速度计来测量振动加速度。所有测量均被时间采样，其中以规律的时间间隔捕获传感器读数。

齿轮组中的输入和输出齿轮的旋转位置与任何附加的时间采样数据一起被内插(例如，通过局部或全局多项式方法)并被重新采样，使得所有测量的样本以一致的时间发生，并且输入齿轮的位置以均匀的间隔前进(在此称为旋转采样)。不规律地间隔开的时间值(其对应于重新采样时间数据的特定时刻)被保留作为附加测量，该附加测量捕获关于输入齿轮的加速度的信息。输入齿轮的给定位置的所有一致测量表示所捕获数据的测量“包”以用于进一步分析。

通过从输出齿轮位置减去由齿轮比预测的理想位置和输入齿轮的一致位置，输出齿轮的旋转位置被转换成运动传递误差测量。

从输入和输出齿轮的旋转采样位置中，通过对观察到的运动进行线性回归来确定齿轮组的有效齿轮比。通过假设齿轮组由两个齿轮组成，并将浮点比转换成有理表达式，有效比被转换成对输入和输出齿轮上的齿数的估计，其中输入齿轮上的齿数是分子，并且输出齿轮上的齿数是分母。

浮点比到有理表达式的转换可以通过基于受测齿轮的应用将分母限制为某个最大整数，或者通过将该比与可能比的预选列表进行比较以寻找最接近的匹配来实现。

来自单个信号的样本集合或者作为来自多个信号的一致样本的“包”的样本集合能够被累积到帧中(参见图17，顶部)。每个数据帧表示输入信号的所有或一部分，该输入信号在所需起始样本处开始并持续预定持续时间。多个帧可以在持续时间内重叠(参见图17，“重叠帧”)，或者它们可以是不相交的；不相交的帧不需要在持续时间内相连。

在常规的齿轮组测试中，收集一个测试记录或定义的一系列记录，随之对每个记录进行不同的分析或DFT变换。因此，这些分析仅给出了关于记录内平均条件的结果和结论，但并未试图评价记录内特性的可变性。

例如，在建立常规测试时，可以选择具有4个齿轮转数的持续时间的记录，从中导出并显示时域和频域结果。在每啮合一次的频率下得到的MTE测量可以指示55微弧度的幅度，但是这基本上是在4个齿轮转数记录长度上测量的该分量的平均值。对数据的更精细的研究可能表明，前两个齿轮转数的幅度为65微弧度，并且后两个齿轮转数的幅度为45微弧度。关于齿轮组的质量特性或常规分析方法未揭示的测试条件，暴露这种幅度可变性可为其提供重要线索。

另一方面，在本发明的测试方法中，可以在特定测试记录内定义多个较短的帧。对每个帧内的一个或多个信号的分析提供了关于齿轮组的更加局部化的动态行为的信息。因为允许帧重叠并且持续时间是任意的，所以除了由本发明的方法促进的动态分析之外，还可以定义具有等于整个测试记录的持续时间的帧以复制当前的常规测试结果。

可以选择帧的长度以对应于与齿轮组的运动相关的各种有趣现象。此外，帧的集合能够被累积到表征相关帧序列的“信道”中(参见图18)。图18绘示了关于示例5:19比齿轮对的能够用于本发明的多个信道的实例。所示的轨道信道由长度为一个完整轨道(5个齿轮转数)的帧组成。所示的齿轮信道由长度为一个完整齿轮转数的一系列帧组成。示出了三种类型的小齿轮信道：A型由长度为一个完整的小齿轮转数的一系列相连帧组成；B型由长度为4个小齿轮转数的一系列相连帧组成；并且C型由长度为4个小齿轮转数的一系列重叠帧组成。最后，所示的啮合信道由长度为一个啮合周期的一系列相连帧组成。

例如，信道可以被定义为一个或多个帧的集合，每个帧具有等于以下各项中任何一个的整数的持续时间：

·一个啮合周期，该啮合周期是指齿轮组中任意两个齿轮之间的单对齿预期将对构件的相对运动保持主要影响的持续时间；通过将任意齿轮的完整旋转周期除以其齿数，能够数学上获得理想的啮合周期持续时间。

·齿轮组中的任意齿轮的一个转数，或者

·通常称为“追逐齿”的“轨道”，其是啮合周期的数量的最小公倍数，啮合周期包含齿轮组中任意两个互连齿轮中的每一个的单个转数。

如图18的实例所示，信道或帧持续时间可取决于包含每个构件的单个转数的啮合周期(齿)的数量。如果用户没有指定齿轮比，则使用自动确定的估计来识别假设为两齿轮组时的持续时间。如果用户指定了齿轮比，可能在一个齿轮组中涉及多于两个齿轮，则从用户指定的值中导出信道持续时间。

在每个信道和帧内，一个或多个所收集的测量的核心模型可以被导出为一个或多个截断傅里叶级数的和，每个均为正交基，并且在此被称为“分量基”。每个系列的基频是相对于输入齿轮的一个转数表达的齿轮组中一个齿轮的旋转频率。附加地，一个分量基具有对应于单个啮合周期的基频的基频，其同样相对于输入齿轮的一个转数来表达。在含有多于两个齿轮的齿轮组中，可以存在多于一个基本啮合周期，在这种情况下，可以为每个啮合周期分配一个分量基。

如果做出此类规范，则根据由用户指定的齿轮比和齿数来确定每个分量基的基频。否则，根据从假设为两齿轮组时所确定的齿轮比中自动估计的齿数来确定频率。

每个分量基的截断可以诸如通过算法来自动确定，或者通过用户选择来手动确定。

在每个帧内，基本周期比帧的持续时间更长的任何分量基或者被完全从模型中排除，或者被改变，使得在模型中仅表示周期比帧持续时间更短的那些分量。任何帧的模型均可以通过对任何长期的、排除的分量的估计来补充,这些分量是在具有足够长持续时间的帧的交替信道中确定的。

傅里叶模型可以增加一个或多个附加基，附加基表示受测齿轮组外部的周期性现象，在此将其统称为“外部基”，或者增加正交基函数，在此将其称为“非周期性基”，其表示每个帧的持续时间内的非周期性现象。本发明的优选实施方案使用截断的一系列勒让德多项式作为非周期性基，以在比最大谐波周期更长的级别上为行为建模。

可以通过快速傅里叶方法，如常见的快速傅里叶变换(FFT)来同时确定模型的所有傅里叶基的系数。这是寻找此类信号的频域谐波含量的常规选择，并且所公开的系统能够提供这种解决方法。但是，每当存在非周期性信号内容时，应用这些公知并且高效的快速傅里叶方法均能够导致识别谐波内容时出错。因此，本发明的系统还包括能够减少或消除此类错误的替代方法。

由系统提供的一种此类替代方法通过最小二乘优化来同时确定模型的所有基(包括非周期性或外部基)的系数，其中将任意权重分配给不同的基以相对于一个基强调另一个基，并解决由不同基的潜在非正交性而导致的模糊性。该方法对与困扰常规快速傅里叶分析的非周期性内容(例如，当要分析的帧含有一个或多个齿轮的非整数转数时)相关联的“谱泄漏”误差较不敏感。

由系统提供的另一种替代方法通过以预定但任意的顺序将减去任何先前确定的模型的数据依次投影到每个基上来迭代地确定模型的系数。重复迭代过程，直到任何基的系数与在先前迭代中确定的系数偏离不超过预定量。该方法能够通过采用例如公知的FFT来实现，其中谱泄漏从模型中迭代地去除。注意，在完全未知信号的一般情况中，与FFT泄漏相关联的误差是固有的，并且不能通过任何方式消除。但是在事先确信存在某些频率(例如，给定的齿轮和小齿轮谐波)的情况下，能够用这些已知周期来“播种”迭代投影技术，并且所采用的迭代投影方法具有很大的益处。

在为一个或多个测量在每个帧内确定核心模型之后，通过从测量中减去模型来计算该帧和测量的残差。残差表示不可由模型解释的测量部分，并且为进一步分析不规律的齿轮组行为提供基础。

在记录协调运动的数据时，在每个信道上执行预定的推测分析，包括但不限于：

·信道中每个帧内傅里叶和其他基系数的瞬时值；

·每个信道的持续时间内的瞬时峰值、均方根和平均振幅；

·每个傅里叶基系数的瞬时“扩展”，其是作为对应频率中的功率与以该频率为中心的谱带中的总功率的比例，该谱带的宽度足够窄，使得它不会侵占围绕相同傅里叶基内的附近分量的类似谱带。

除了瞬时值之外，还计算并报告每个信道的帧中的计算值的统计变化。

本发明的实施例包含测量范式，其包括“始终开启”方面和“契约”方面。契约功能是多年来已知的常规方法，并且包括由用户根据各种设置和参数提前配置和定义的测试。它定义了测试条件、分析和要在整个测试中产生的报告。这是目前认为具有先进测量能力的齿轮测试机操作的方式。换句话说，除了通过建立测试的配方(或“概要”)而事先特别请求和配置的信息之外，几乎没有信息呈现给用户。如果机器展出的位置、运动、速度、负载或定时与监察系统的预期(或“契约”)不匹配，则通常会产生警告或警报结果，并且中止测试。

相反，始终开启操作模式允许测量系统一直收集、分析和公布数据。因此，每当向测量系统供电并且软件可操作时，它就收集并分析任何可用的数据，并且试图导出和显示关于它的目前状况和正在测试的齿轮组(如果有的话)的尽可能多的有用信息。在本发明中，始终开启功能和契约功能不是相互排斥的，并且能够同时运用。可以访问在连续监测期间记录的数据以用于后续的契约测试，而不需要齿轮组的附加运动。

始终开启系统从连续监测可用传感器开始。然后，它实时地并且以有用的格式处理和显示所得到的测量和数据，以供用户使用。始终开启系统试图尽可能变得独立和稳健，以便智能地导出描述其当前状况的参数、设置和值的集合，并报告差异，而不是被它们禁用或混淆。

例如，如果具有11:38齿比的齿轮组(例如小锥齿轮和环形齿轮)被安装在机器中并在机器中滚动，但软件系统被设置为预期9:38，则常规的测量系统将不会处理任何信息或检测任何差异，直到契约测试已经开始。那时，由于不符合预期的比，它很可能将报告故障和/或产生不正确的测量结果。

另一方面，容错的始终开启系统将在可能的最早时刻辨别出两个主轴均在转动，此外它们紧随给定的运动比(并且因此它将推断出齿轮组正在滚动)，并且辨别出运动比为例如3.455，并且11:38是最可能对应的实际齿比。它将立即开始分析和公布与此类齿轮组相关联的典型单齿面测试(SFT)和结构传播噪声(SBN)数据，包括啮合谐波振幅、跳动分量以及更多。通过立即公布检测到的比，机器控制器能够在更早的时间将测量系统数据与其自己的预期参数进行比较，并权宜地向用户发起消息。

在始终开启操作期间，按照使用图1的MTE信号的实例描绘的过程连续地监测编码器输出。对于每个定义的信道，该方法观察该信道的帧的编码器流。如下面将要描述的，编码器位置最初在时间上被规律地采样，但是经常需要在规律的旋转位置处进行测量。因此，在接收到每个帧之后，可以通过局部内插对其重新采样，以保持齿轮组构件中的一个的角位置中的规律间隔。然后将所得到的编码器数据用于通过线性回归确定当前齿轮比的估计。如果未检测到协调运动，则放弃数据，并且该方法等待编码器信息的下一帧。否则，从帧中计算MTE。如果齿轮比与预期不同或者看起来已经从上一帧改变，则将新检测到的比提供给后续的分析模块或其他感兴趣的观察者。对MTE进行低通滤波和下采样，以减轻编码器硬件中的量化噪声，并且所得到的信号可用于后续处理。

附加信号可以与MTE同时收集，作为附接到机器的其他传感器的输出的函数。对于每个信道，这些信号将被分组为一帧的持续时间，该帧与表示MTE的帧一致。

在新的帧变得可用时，每个信道均会增加它们；在预定信道持续时间之前收集的帧被丢弃。

在始终开启分析的优选实现方案中，仅由与单个齿轮啮合的单个小齿轮组成的齿轮组将由帧持续时间为一定数量的啮合周期的啮合信道、帧持续时间为一定数量的小齿轮转数的小齿轮信道、帧持续时间为一定数量的齿轮转数的齿轮信道，以及帧持续时间对应于齿轮和小齿轮的一个或多个完整轨道的轨道信道组成。

每个信道均等待新的帧、新发现的齿轮比或者谐波分解的配置参数的变化(如下所述)以执行自动分析，如图2的MTE分析的实例所描绘。当接收到齿轮比变化的通知时，丢弃所有当前保留的MTE数据，因为附加来自两个不同齿轮比的MTE数据不会产生有用的分析。当信道接收到新的MTE数据时，将该数据附加到信道记录，并且丢弃潜在的“过期”数据(落在信道的配置持续时间之外的数据)。当前保留的MTE帧被传递到分解模块，该分解模块产生实际MTE中可预测分量的模型，并且该模型被公布给进一步的分析或可视化组件。每当自动过程或用户请求改变了信道的分解设置，就重新计算该分解。尽管未在图中描绘，但是在每个信道内可能发生附加的自动分析。

图3绘示了基分解过程。齿轮比、一组所需谐波分量(“谐波计数”)以及任选的最大多项式阶数被用作基模块的输入，该基模块确定信号的一组基函数(“线性系统”)。分解模块包含一种算法，该算法从作为输入的线性系统和输入信号产生表示模型的一系列基系数。将线性系统和对应的模型系数作为输入提供给扩展模块，该扩展模块产生信号的扩展模型(“MTE模型”)。差分模块从输入信号中减去信号模型以产生残差。

始终开启系统一直检查其他问题，如齿损伤(如缺口和毛边)、齿间距误差、部件在心轴中滑动或徐变的迹象、轻载部件的间歇浮动或急响或其他异常状况。当创建关于此类现象的数据和结论时，它将这些结果公布到用户界面(UI)和其他系统组件，以便能够采取适当的动作。通过在没有明确的特定契约来检查这些状况的情况下完成这一切，简化了监测，较早地识别了现象，不管特定契约测试的状态如何，用户均能够更多地了解当前状况，并且系统以更智能和自主的方式运转。

始终开启用户界面还允许交互和探索。用户能够浏览屏幕和显示器，访问测量方面的更详细的视图，并且改变数据收集和分析的实时参数和设置，以便理解和量化齿轮组行为的各方面。为了支持此类延伸探索，能够将控制测试的参数(包括运动、速度和负载)的测试仪的机侧置于“保持”状态，以促进利用始终开启分析和UI能力来更密切地检验数据。保持状态可以涉及暂停或忽略新信号和数据的流动，而齿轮组的运动以其先前状态继续或完全停止。保持状态还可以采用以恒定速度滚动齿轮组而获得的稳定的新信息流，以允许操作者无限期地查看与理想齿轮组行为的实时偏差。

始终开启模式还提供在数据库、文件系统或易失性计算机存储器中捕获预定义持续时间内的当前数据。用户可以选择无限期地保留捕获和分析结果的特定间隔，或者将契约测试追溯地应用于所保留的测量数据。

在生产模式中，设置定义的契约测试由机器控制器根据其预定义的循环序列和定时、所收集的数据以及所显示的结果来自动启动，而不会干扰可能同时活动的任何始终开启功能。

在处理数据，例如从旋转SFT测量导出的运动传递误差数据时，可以结合若干方法。齿轮组分析通常使用“旋转”采样，其中齿轮和小齿轮编码器信号在小齿轮编码器的旋转变化中被均匀采样(即，小齿轮编码器的任意两个连续样本之间的差是恒定的)。所得到的分析固有地将周期性现象与受测齿轮或小齿轮的旋转中的特定点相关联。因为采样硬件在采样时通常使用规律的时间间隔，并且齿轮可能以非恒定速度旋转，所以必须对编码器信号进行内插以将规律的时间采样转换成规律的旋转采样。采样硬件的带宽通常比分析齿轮组所需的带宽高得多。优选地以最高支持频率执行采样，以实现两个主要益处。第一，负责将时间采样转换成旋转采样的内插的误差较小。第二，在数据获取软件中应用低通滤波器并对过采样信号进行下采样减少了数字化信号中存在的量化噪声。

当将时间采样的编码器信号转换成旋转采样时，以与每个样本相关联的时间戳的形式保留时间采样固有的定时信息。这些时间戳提供了关于齿轮组的速度和加速度的信息，该信息可用于替代分析或转换回时间采样信号。以最高可能速率进行采样确保了这些时间戳以及所得到的估算速度和加速度具有最小误差。

与当前的测量系统相比，本发明保持了齿索引系统，该齿索引系统允许将运动传递误差的具体时间特征和特定齿轮与小齿轮齿之间的接触周期相关联。默认情况下，齿轮组测试的任何记录(当齿轮和小齿轮被卡在滚动测试仪中并开始以协调运动滚动时开始)将为1的齿轮齿索引和为1的小齿轮齿索引分配给在相应的齿轮组构件上接触的第一齿。齿轮和小齿轮索引均随着运动继续经过每个后续的齿接触理论周期而增加，其中每当增加的索引将超过每个构件上的齿数时，该构件的索引回绕为1。齿接触理论周期表示齿接触的简化视图，其中在任何给定时间将单对接触齿(当前索引的齿)指定为活动。齿接触理论周期能够被理解为齿轮构件的一个旋转周期除以其齿数。实际上，由于齿轮设计和负载下的齿变形，在给定时间，对于给定齿轮对，多于一对啮合齿可能处于有意义的接触。本发明的系统的齿索引系统优选地假设了该理论周期，但是可以想象，如果提供关于该行为的足够信息，它也能够支持指定多个(重叠)齿对。

滚动测试仪的控制界面可以通过两种方式来增加对齿编号的了解。第一，界面可以呈现“指示符”选项，该选项将允许操作者选择齿轮和小齿轮齿的所需索引，并使滚动测试仪将所需齿独立地放置在预定定向上。第二，界面可以呈现“教学”选项，以使得能够辨别所需索引序列。操作者可以手动地定位齿轮和小齿轮，以将指定的起始齿(每个起始齿具有为1的索引)对齐在预定的定向上，并且通过教学界面引导软件记录构件定向作为参照。直到部件稍后被解除卡位为止，在教学操作之后提供用于分析或可视化的所有数据记录将包括附加标签以指示所标记的参照位置。这些参照位置标签可以用作参照，其允许操作者发现在整个测试中的任意点处接触了哪些特定齿。

所执行的许多分析可以与允许以新颖方式探索滚动测试仪数据的专用可视化相结合。然而，分析和可视化的结合是一种方便，而非必需。在齿轮组测试领域中，可以单独考虑分析步骤和可视化中的每一个。基础分析能够应用于始终开启或契约数据，而无需呈现可视化。这些分析的结果能够与阈值进行比较，或者通过一些手段(例如，统计地)来减少这些分析的结果，以促进更简单地报告或提供关于受测齿轮组的自动成败型决策。

设想了至少五种类型的可视化：

·模型分解，

·DFT(离散傅里叶变换)幅度，

·覆盖图，

·谱图，以及

·网格栅(mesh grid)。

五种类型的可视化优选地均由核心模型和残差链接，其为所有可视化提供基础。

在如图4和5所示的模型分解可视化中，对于每个所选测量，分解视图在公共轴线上(其中输入齿轮位置表示自变量并且测量表示因变量)分别示出了每个分量、外部和非周期性基的扩展，以作为由所确定的模型系数加权的基中的函数的线性组合。每个测量的残差与每个基扩展一起示出。

用户界面控件允许操作者切换每个基扩展或残差的可见性。

控件允许操作者选择优选的显示比例，作为在一个或多个模型中表示的任何分量或外部基的基本周期，其导致输入齿轮位置被缩放，使得显示轴线上的一个单位表示所选基本周期。

用户界面元素(“工具提示”)允许操作者将光标定位在图表上，以发现每个所显示分量的特定振幅以及光标附近输入齿轮的位置。图8中示出了工具提示的实例，其中应当理解，所示数据仅与该特定图形显示上的该特定线和位置相关。

在单独的轴上，类似于图5中描绘的条形图或线图示出了一些或所有模型系数的幅度，模型系数通过测量和基分组，并且被标记以允许发现特定的系数振幅。

工具提示允许操作者将光标定位在幅度图上，以发现特定系数的特定数值，以及用于识别所查询的特定分量的足够信息。

分解分析将运动传递误差的周期性分量表示为每齿轮、每小齿轮或每啮合谐波的倍数，以及任选的非周期性多项式趋势。谐波分析在当前的齿轮组测试系统中是常见的。然而，通过采用前述分解方法，本发明的方法执行的分解改进了常规分析，前述分解方法降低了谱泄漏的影响并解释了当前系统中未表示的非周期性行为。

对于齿轮组中的每个齿轮，由分解确定的低阶谐波分量作为理想化或建模的齿轮响应被显示给用户，并且从运动传递误差中减去一些数量的这些分量(由用户明确选择或由程序自动选择)，以产生表示与齿轮组的旋转无关的噪声源以及更高频率的每啮合谐波含量的残差。残差可以是进一步分析和可视化的基础。

在如图6所示的DFT幅度可视化中，条形图或线图示出了当前一个或多个模型的残差的离散傅里叶变换(DFT)的幅度，作为输入齿轮的旋转频率的函数。

控件允许操作者选择优选的显示比例，作为在一个或多个模型中表示的任何分量或外部基的基频，其导致输入齿轮的旋转频率以所选频率为单位表达。

控件允许操作者启用“虚拟轨道”，其导致当前数据记录被零填充到等于齿轮组中任意两个互连齿轮的下一较大整数轨道的持续时间，使得在DFT中计算的旋转频率与两个构件的基本旋转频率以及啮合频率一致。

当幅度被显示为条形图时，每个DFT频率仓的条优选地根据它们与每个分量或外部基的基频倍数的对应性(或与任何此类基的缺乏对应性)被单独着色、加阴影、标记或以其他方式区分，以允许容易地视觉识别周期性现象与可归因于齿轮组的各个构件的频率之间的相关性。

工具提示允许操作者将光标定位在DFT图上，以发现特定DFT频率仓中的幅度和中心旋转频率。

在如图7、8、9和10所示的位置覆盖图可视化中，控件允许操作者选择优选的显示比例，作为在一个或多个模型中表示的任何分量或外部基的基本周期，其导致当前一个或多个模型的残差被细分成由以下任一个组成的“片段”：

·持续时间等于所选基本周期的不相交、相连的间隔，或

·持续时间等于所选基本周期的重叠间隔加上附加重叠间隔，其中连续片段通过由软件自动选择或由操作者手动选择的重叠间隔来重叠。

每个所选测量的线图在公共轴线上示出了该测量的所有细分的残差片段(其中每个片段优选地通过颜色或样式差异化)，作为输入齿轮的旋转位置相对于其在该片段起始处的位置的函数，以允许审视不可归因于所确定的模型的数据片段之间的可变性。

工具提示允许操作者将光标定位在一条或多条线上以识别特定间隔(在该特定间隔上定义了片段)，作为输入齿轮的旋转位置的函数。

控件允许操作者针对每个所选测量切换所有所显示片段上的平均残差的可见性。在图7、8、9和10中，平均残差以黑色叠加描绘在各个片段上。

控件允许操作者针对每个所选测量切换如图8所描绘的线或带的可见性，线或带指示在所有所显示片段上由用户控件所选的逐点标准偏差或其倍数。

在图11和12的谱覆盖图可视化中，通过计算每个片段的离散傅里叶变换，将如上所述为位置覆盖图视图细分的各个段片转换成谱幅度。每个片段的DFT的幅度均并置在单组轴上，其借助于条形图或线图将特定DFT频率仓与各个数据片段的对应幅度相关联。

对每个谱覆盖片段的持续时间的选择可以自动进行(例如通过将持续时间附标到为位置覆盖图显示所选择的持续时间上)，或者通过特定的用户选择。

工具提示允许操作者将光标定位在一条或多条线上，以识别定义片段的特定间隔，以及对应于光标位置的频率和幅度的详细信息。

控件允许操作者针对每个所选测量切换被计算为谱幅度的平均值的平均幅度或DFT系数的复(相位)平均值的幅度以及每个DFT仓中的其他统计测量(例如，谱幅度的第一、第二和第三四分位数点)的可见性。

控件允许操作者针对每个所选测量切换盒须图的可见性，这些图呈现关于各片段DFT幅度之间的统计变化的视觉信息。盒的下界和上界分别描绘每个DFT频率仓中的幅度分布的第一和第三四分位数；中心线描绘中值。须在盒的上方和下方延伸可由用户控件配置的四分位数间距(第三与第一四分位数之间的差)的倍数，以描绘一系列“典型”幅度。如图12所描绘，可以为盒须图范围内的那些值隐藏单独幅度指示符，以提供清晰性。

在“覆盖图”分析中，残差被分成持续时间等于构件中的一个的单个转数或任意两个齿之间的接触周期的片段。所得到的片段覆盖在相同的轴线上，以允许在整个测试中比较多个相关间隔之间的相对特征。重叠窗口的概要统计(包括平均响应、每样本标准偏差、值的范围和RMS水平)提供了可用于比较多个齿轮组和用于识别各个齿轮组的特定区域中的异常行为的结果表征。覆盖图分析的可视化提供了识别各个片段和概要统计的方法。

在图13的谱图可视化中，每个所选测量的图像(作为二维彩色或灰度级映射或者二维或三维瀑布图)示出了该测量的当前确定的残差的短时傅里叶变换(STFT)的幅度。

控件允许操作者选择显示比例，作为在模型中表示的任何分量或外部基的基频，其导致输入齿轮的旋转频率和位置分别以所选频率和周期为单位进行缩放。

控件允许操作者选择STFT的滑动位置窗口的持续时间，作为窗口函数的绝对宽度或全宽度半最大值测量。

连续STFT位置窗口之间的偏移可以通过手动选择或通过自动确定来确定，使得窗口持续时间、重叠和函数在预定容限内满足确保STFT可逆所需的恒定重叠相加条件。

作为手动选择STFT位置窗口的持续时间的替代方案，可以自动选择持续时间连同偏移以提供预定纵横比的位置和谱分辨率。

控件允许操作者启用频率和位置重新分配，其将STFT图像变换成二维或三维散点图，其中STFT的各个幅度移位到从STFT中的相位信息导出的不规律位置。

条形图或线图示出了从当前所显示的STFT计算出的周期图(图14)，作为STFT中所有位置片段上的频率响应的平均值和标准偏差。

控件允许用户选择谱级，作为在模型中表示的任何分量或外部基的基频，使得频率大于周期图的谱分辨率(其将用于定义宽度等于所选频率级的相连但不相交的频带)，以所选级的频率的整数倍为中心；在每个频带上，周期图的均方根振幅被计算并显示为与周期图相同的轴线上的条形图或阶梯线。

对残差执行短时谱分析，以突出显示啮合谐波的长期变化。基于可由用户或由软件基于测试持续时间和用户所需的谱带宽选择的所选时间级，将加伯变换(具有高斯时间窗口的短时傅里叶变换)应用于残差，并将其显示为谱幅度沿列变化并且时间切片沿行变化的二维谱图图像。基于所选高斯窗口来选择短时傅里叶变换中的连续列之间的时间间隔，以避免时间信息的丢失和冗余。

周期图(在谱图中所有列上计算的平均谱幅度)示出整个测试的典型谱响应，以及在等于单个齿轮或小齿轮转数或单个啮合接触周期的带上计算的RMS幅度。各个谱幅度与更宽邻域中的RMS水平的比较提供了对感兴趣谐波附近的功率集中度的测量。短时谱分析还为更详细的调查提供了基础。例如，可以从谱图计算出每个啮合谐波附近的时变平均频率以量化相位漂移，其将人为地降低由传统测试所报告的谱振幅。

在如图15所示的网格栅可视化中，每个所选测量的图像(作为二维彩色或灰度级映射)示出了统计变化，其中通过将每个啮合周期的统计量映射到齿轮组中两个互连齿轮中的每一个上的一个特定齿索引的交互，跨啮合持续时间通过用户交互来选择感兴趣的统计量。

将一个或多个测量的当前模型的残差细分成持续时间等于单个啮合周期的不相交、相连的片段。

为每个残差定义参照信号，其是作为所有片段的逐点平均值，或者作为仅模型的啮合周期分量基的扩展。

工具提示允许操作者将光标定位在网格上的单独啮合周期上，以发现相关联的片段索引、片段周期所映射到的两个互连构件的齿索引，以及所选统计量的数值。

单独的图像(各自作为由单个行或列组成的二维图像，或作为条形图或线图)分别示出了所选统计量的值以作为齿轮组中每个互连构件的齿索引的函数，其中统计量在与平均显示相关联的构件的齿所接触的共轭构件的所有齿上被平均。

控件允许操作者从网格栅视图中选择任意的一组啮合周期用于进一步检验。

详细视图(图16)可以与网格栅视图一起呈现，网格栅视图允许来自所选啮合周期的一个或多个测量被显示为输入齿轮位置相对于每个片段的起点的函数。

在与所选啮合周期的测量相同的轴线上，详细视图显示针对这些测量导出的参照信号。

在“网格栅”分析中，残差被分成持续时间总是等于两个齿之间的单个接触周期的片段。每个片段被映射到在其持续时间内接触的特定齿轮和小齿轮齿。参照信号被计算为所有每齿信号的平均值或从分解确定的可配置数量的啮合谐波的理想重建。计算每个啮合间隔的概要统计量：

·峰间振幅；

·间隔误差，其是作为最大化了所选参照信号与误差之间的互相关性的信号延迟；

·残差与所选参照之间的RMS(均方根)误差；

·所选参照与残差之间的皮尔逊相关系数；或

·参照与误差之间的波形类似性的多个测量中的一个。

网格栅可视化允许在二维网格上显示所选概要统计量，该二维网格在一个维度上通过齿轮齿数来索引，并且在另一维度上通过小齿轮齿数来索引。当齿轮或小齿轮齿索引保持恒定时，附加的行和列分别提供所选统计量的平均值。可以选择网格栅中的一个或多个间隔来填充详细视图，该详细视图示出了对应实际残差，其与当前所选参照波形覆盖在相同轴线上。

每个可视化提供调整被显示的一个或多个核心模型的机制。数据可由任何先前确定的分析信道或由先前或实时收集的预定长度的测量记录组成的“契约”信道提供。

用户界面控件允许操作者选择完整数据记录的任意相连子集(“范围”)，在该子集上专门计算模型。

控件允许操作者通过应用低通滤波器和抽取或局部或全局多项式内插来对所选数据记录进行下采样以加速处理。

控件允许操作者在模型中使用的每个分量、外部或非周期性基中独立选择所需函数数量。

如果在数据记录中可获得除运动传递误差之外的测量，则控件允许操作者选择优选测量(或多个测量)以用于可视化。

从所选范围和下采样速率，使用每个系列内的指示数量的基函数来为每个所选测量导出核心模型和残差信号。

操作者可以将多个可视化分组为链接的“会话”，或者可以将每个可视化视为其自己的独立会话。

网络通信信道使得能够在单个会话的多个视图之间进行协调，借此操作者设置和由操作者识别的信号部分用于更密切的监察。当操作者在一个可视化中调整设置或突出显示所显示信号的部分时，在相同会话内的所有其他可视化中应用对应设置并突出显示选择。

虽然已经参照优选实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于其细节。在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，本发明旨在包括对于本领域技术人员显而易见的修改。

Claims (20)

1.一种测试齿轮的方法，所述方法包含：

提供包含第一齿轮和第二齿轮的齿轮对，所述第一齿轮和所述第二齿轮可操作以彼此啮合地滚动，

在齿轮测试机上一起滚动所述第一齿轮与所述第二齿轮，所述齿轮测试机配置有一个或多个传感器，所述一个或多个传感器可操作以提供指示一个或多个齿轮的滚动特性的输出信号，

产生至少一个独立信号，所述独立信号是基于来自所述一个或多个传感器的输出的信号或分析导出的信号中的至少一个，

从所述至少一个独立信号中选择具有非零持续时间的至少一个帧部分，其中根据以下步骤来处理所选至少一个帧部分中的每一个：

基于所选帧部分确定一组模型基函数，

将所述所选帧部分投影到所述模型基函数上以产生模型系数，

从所述模型系数和所述模型基函数中确定重建模型，

从所述所选帧部分中减去所述重建模型以产生残差，

其中所述方法还包含以下各项中的至少一个：

(a)显示并分析所述残差以识别所述第一齿轮和所述第二齿轮中的至少一个的质量特性，

基于所述质量特性接受或拒绝所述第一齿轮和所述第二齿轮中的所述至少一个，

以及

(b)显示并分析所述模型系数或重建模型以识别所述第一齿轮和所述第二齿轮中的至少一个的质量特性，

基于所述质量特性接受或拒绝所述第一齿轮和所述第二齿轮中的所述至少一个。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模型基函数是从以下各项中的至少一个来确定：

(a)所述所选帧部分的持续时间，

(b)所述第一齿轮与所述第二齿轮的齿轮比，

(c)由所述第一齿轮与所述第二齿轮的旋转产生的基谐波频率或所述第一齿轮与所述第二齿轮啮合的啮合周期的持续时间，

(d)每个基频的一组预定谐波，所述组包括零，以及

(e)在所述所选帧部分的所述持续时间内定义的一组非周期性基函数，所述组包括零。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当在机器操作期间从所述传感器获得附加信息时，所述重建模型和所述残差被连续地重新评估。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以一致的间隔同时采样多个所述独立信号，以促进直接相关和比较。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以均匀的时间样本收集所述至少一个独立信号，并且随后将它们内插以产生在所述第一齿轮和所述第二齿轮中的一个的位置中规律地间隔开的样本序列。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，显示残差、重建模型或其组合包含：

(a)将所述所选帧部分细分成具有相等持续时间的多个相连信号片段，其中所述持续时间等于以下各项中的一个或多个：

1.一个或多个完整啮合周期，

2.齿轮组中的任意齿轮的一个或多个完整转数，

(b)将所述信号片段表示为以下各项中的一个或多个的函数：

1.时间，

2.所述齿轮组中的所述齿轮中的一个的位置，

3.频率，借助于傅里叶变换，

(c)将对齐并覆盖在相同独立轴线上的信号片段函数呈现为以下各项中的一个或多个：

1.所述信号片段函数的迹线，

2.所述信号片段函数的统计变化的迹线，其由算术平均值和/或方差组成，逐点确定。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，显示残差、重建模型或两者的组合包含：

(a)将所述所选帧部分细分成具有相等持续时间的多个相连信号片段，其中所述持续时间等于一个或多个完整啮合周期，

(b)为每个信号片段确定每个信号片段的标量度量，其由以下各项中的一个或多个组成：

1.峰间变化，

2.均方根振幅，

3.将所述信号片段与参照最佳对齐所需的所述信号片段的时间或旋转移位，其被确定为以下任一个：至少两个片段的平均值或与所述信号片段具有相同持续时间的所述重建模型的子集的平均值，

4.与参照的类似性测量，其被确定为以下任一个：至少两个片段的所述平均值或与所述信号片段具有所述相同持续时间的所述重建模型的子集的所述平均值，所述测量由以下各项中的一个或多个组成：皮尔逊相关系数和/或均方根误差，

(c)为每个片段分配两个索引，第一索引对应于以下任一个：

1.片段持续时间开始之前在片段信号中观察到的所述第一齿轮或所述第二齿轮中的一个的完整转数的数量，或

2.所述片段持续时间开始之前观察到的啮合周期的数量，以所述第一齿轮或所述第二齿轮中的所述一个上的齿数为模；第二索引对应于以下任一个：

3.所述片段持续时间开始之前在所述片段信号中观察到的所述第一齿轮或所述第二齿轮中的另一个的完整转数的数量，或

4.所述片段持续时间开始之前观察到的啮合周期的所述数量，以所述第一齿轮或所述第二齿轮中的另一个上的齿数为模，

(d)将映射到一系列灰度级或色彩值的所述标量度量呈现到二维图像上，其中所述图像的一个坐标对应于所述第一索引，并且所述图像的另一坐标对应于所述第二索引。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，显示残差、重建模型或其组合包含：

(a)将所述所选帧部分细分成具有预定的相等持续时间的多个相连或重叠信号片段，每个信号片段被顺序地索引，

(b)借助于傅里叶变换将所述信号片段表示为谱函数，

(c)从所述谱函数确定以下测量中的一个或多个：

1.幅度，

2.对数幅度，

3.相位，

4.相位漂移，其是作为实际相位与通过两个片段之间的时间或旋转间隔来提前前一谱函数的相位而预测的相位之间的差，

(d)将具有映射到一系列灰度级或色彩值的值的谱测量呈现为二维图像，其中所述图像的一个坐标对应于所述片段的所述索引，并且所述图像的另一坐标对应于所述谱函数的频率变量。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，显示包含：

图表上的所述残差、重建模型或其组合中的一个或多个的迹线，其中独立轴线表示齿轮组中的所述第一齿轮或所述第二齿轮中的一个的时间或位置，并且从属轴线表示所显示量的振幅。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，显示模型系数包含：

标绘以下各项中的一个或多个：

(a)条形图，其中每个系数一个条，高度与所述系数的幅度成比例；

(b)其上绘制有线段的一个或多个径向图，每个系数一个线段，从坐标原点放射出去，并具有与对应系数的复幅度成比例的长度和与所述对应系数的复相位成比例的与水平轴线的角度。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，显示和分析结果被保留在电子存储介质上以供重新调用，其中通过以下各项中的一个或多个来实现多于一个先前记录的显示和比较：

(a)同时邻近呈现，

(b)具有由用户交互引导的进程的顺序呈现，

(c)具有自动、动画进程的顺序呈现。

12.一种测试齿轮的方法，所述方法包含：

提供包含第一齿轮和第二齿轮的齿轮对，所述第一齿轮和所述第二齿轮可操作以彼此啮合地滚动，

在齿轮测试机上一起滚动所述第一齿轮与所述第二齿轮，所述齿轮测试机配置有一个或多个传感器，所述一个或多个传感器可操作以提供指示一个或多个齿轮的滚动特性的输出信号，

产生至少一个独立信号，所述独立信号是基于来自所述一个或多个传感器的输出的信号或分析导出的信号中的至少一个，

从所述至少一个独立信号中选择具有非零持续时间的至少一个帧部分，其中根据以下步骤来处理所选至少一个帧部分中的每一个：

基于所选帧部分确定一组模型基函数，

将所述所选帧部分投影到所述模型基函数上以产生模型系数，

从所述模型系数和所述模型基函数中确定重建模型，

从所述所选帧部分中减去所述重建模型以产生残差，

其中所述方法还包含以下各项中的至少一个：

显示并分析所述残差以识别所述第一齿轮和所述第二齿轮中的至少一个的质量特性，

基于所述质量特性接受或拒绝所述第一齿轮和所述第二齿轮中的所述至少一个，

以及

显示并分析所述模型系数或重建模型以识别所述第一齿轮和所述第二齿轮中的至少一个的质量特性，

基于所述质量特性接受或拒绝所述第一齿轮和所述第二齿轮中的所述至少一个，

所述方法以始终开启模式进行，其中只要所述一个或多个传感器检测到所述齿轮对之间的协调运动并且能够填充新的数据帧，就重复并连续地执行先前步骤。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述始终开启模式下，被滚动的所述第一齿轮和所述第二齿轮的齿比事先未知，但是所述始终开启模式基于其接收的实时数据确定所述齿比。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，用户能够在所述始终开启模式操作时的任何时间观察包含测量、显示、可视化和结果中的至少一个的信息，所述信息是可用的，而与任何其他测试模式是否同时活动无关。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，包含测量、显示、可视化和结果中的至少一个的所述信息包括以下各项中的至少一个：

(a)与啮合周期相关联的频率的一个或多个谐波的振幅和相位；

(b)在一个啮合周期的持续时间内的平均信号形状；

(c)齿轮跳动谐波振幅；

(d)齿轮跳动的平均信号形状；

(e)齿损伤的存在和位置；

(f)去除小齿轮基的平均信号形状；以及

(g)去除齿轮基的平均信号形状。

16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，其还包含交互地操纵显示器以更好地检验所显示数据的各方面。

17.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，显示能够暂停，使得能够检验当前的一组所显示数据，而不被后续帧替换。

18.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，能够捕获并存储当前的一组数据，用于以后检索或检验和/或用于与当前数据进行比较。

19.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，能够检验和可视化当前数据与所存储的参照数据或主数据之间的差异。

20.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述始终开启模式还包含在不需要单独建立任何测试参数或设置的情况下辨别并定位所述第一齿轮和所述第二齿轮中的至少一个上的齿损伤，所述始终开启模式识别最佳地表示所辨别的损伤的位置的部件旋转或齿索引，所述始终开启模式通过文本消息和/或图形显示来自动地向用户通知此类损伤。

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