CN115574925A - 一种机床主轴振动位移测量方法、装置、介质和电子设备 - Google Patents

一种机床主轴振动位移测量方法、装置、介质和电子设备 Download PDF

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CN115574925A CN202211158320.0A CN202211158320A CN115574925A CN 115574925 A CN115574925 A CN 115574925A CN 202211158320 A CN202211158320 A CN 202211158320A CN 115574925 A CN115574925 A CN 115574925A
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高志强
李幸兰
田长留
程雪利
杨志国
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Abstract

本发明公开了一种机床主轴振动位移测量方法、装置、存储介质和电子设备，方法包括：同步获取位移信号和三路不同向加速度信号；采用预设的信号变换处理法，将所述三路加速度信号转换成三路长时位移信号；获取所述三路长时位移信号相对所述位移信号的补偿位移；将所述位移信号和所述补偿位移进行矢量相加，确定主轴的振动位移。本发明通过获取加速度信号从而获得位移传感器相对主轴的振动位移，最后求取位移传感器检测到的主轴的绝对位移，从而获得主轴的振动位移，提高了主轴位移检测的精度。

Description

一种机床主轴振动位移测量方法、装置、介质和电子设备
技术领域
本发明涉及数控机床检测技术领域，具体涉及一种机床主轴振动位移测量方法、装置、存储介质和电子设备。
背景技术
主轴的振动位移是机床状态监测与故障诊断的重要指标，精确测量主轴振动位移对于机床振动特性分析，切削稳定性分析，加工质量在线监测等具有重要意义。由于铣削过程工况复杂，主轴位移测量一直是该领域的难点。目前，振动位移的测量方法主要有激光测振仪测量法、电涡流式位移传感器测量法和电容式位移传感器测量法。激光测振仪用于机床主轴振动位移测量存在的问题有：(1)主轴高速旋转导致反射面不固定，聚焦困难；(2)切削过程中刀具路径不一定是直线，激光测振仪无法跟踪测量；(3)激光测振仪价格昂贵。电涡流或者电容式位移传感器价格相对低廉，借助安装夹具，理论上也可以实现切削过程中主轴振动位移的跟踪测量。但是，切削过程中，机床整机都处于振动状态，引起固定于机床上的位移传感器夹具也随之振动，最终导致位移测量结果是相对位移，无法精确测量切削过程中的主轴振动位移，影响机床状态监测与故障诊断的准确度与灵敏度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种机床主轴振动位移测量方法、装置、电子设备及存储介质，解决现有技术中测量的机床主轴振动位移时因位移传感器也振动导致机床主轴振动位移测量结果不准确的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种机床主轴振动位移测量方法，包括：
同步获取位移信号和三路加速度信号；
采用预设的信号变换处理法，将所述三路加速度信号转换成三路长时位移信号；
获取所述三路长时位移信号相对所述位移信号的补偿位移；
将所述位移信号和所述补偿位移进行矢量相加，确定主轴的振动位移。
在一些实施例中，所述采用预设的信号变换处理法，将所述三路加速度信号转换成三路长时位移信号，包括：
采用预设的窗函数对所述加速度信号进行截断，获取加速度信号对应的短时加速度数据段；
根据所述短时加速度数据段，采用傅里叶变换，获得短时加速度频谱块；
对所述短时加速度频谱块的首数据进行赋零处理，获得赋零加速度频谱块；
采用预设的二次频域积分法，对所述赋零加速度频谱块进行积分处理，获得短时位移频谱块；
采用离散傅里叶逆变换，对短时位移频谱块进行变换，获得短时时域位移数据段；
根据所述短时时域位移数据段，获得长时位移。
在一些实施例中，所述获得短时时域位移数据段之后，还包括：
对所述短时时域位移数据段进行幅值修正处理，获得修正时域位移数据段；
根据所述修正时域位移数据段，获得长时位移。
在一些实施例中，所述获取所述三路长时位移信号相对所述位移信号的补偿位移，包括：
获取第一长时位移、第二长时位移和第三长时位移；
基于空间向量合成法，根据所述第一长时位移、第二长时位移和第三长时位移，确定第一合位移；
根据所述第一合位移与所述位移信号之间的关联关系，确定补偿位移。
在一些实施例中，所述根据所述第一合位移与所述位移信号之间的关联关系，确定补偿位移，包括：
获取所述第一合位移与所述位移信号之间的夹角；
基于所述第一合位移，根据所述夹角对所述补偿位移的影响，确定补偿位移。
在一些实施例中，所述获取所述三路长时位移信号相对所述位移信号的补偿位移，还包括：
分别获取所述位移信号与第一长时位移、第二长时位移和第三长时位移之间的第一夹角、第二夹角和第三夹角；
根据所述第一夹角、第二夹角和第三夹角对所述补偿位移的影响程度，确定所述补偿位移。
在一些实施例中，所述将所述位移信号和所述补偿位移进行矢量相加之前，还包括：
将所述位移信号和所述补偿位移进行时间对齐。
第二方面，本发明还提供了一种机床主轴振动位移测量装置，包括：
采集模块，用于同步获取位移信号和三路加速度信号；
信号变换模块，用于采用预设的信号变换处理法，将所述三路加速度信号转换成三路长时位移信号；
补偿位移确定模块，用于获取所述三路长时位移信号相对所述位移信号的补偿位移；
振动位移确定模块，用于将所述位移信号和所述补偿位移进行矢量相加，确定主轴的振动位移。
第三方面，本发明还提供了一种电子设备，包括：处理器和存储器；
所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；
所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如上所述的机床主轴振动位移测量方法中的步骤。
第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上所述的机床主轴振动位移测量方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明提供的机床主轴振动位移测量方法、装置、电子设备及存储介质，通过获取一个位移信号以及三个不同方向的加速度信号，随后对加速度信号进行变换处理，将加速度信号转换为三路长时位移信号，并求得长时位移相对位移信号的补偿位移，即求得位移信号与主轴之间的相对位移，最后将补偿位移和位移信号进行矢量相加，确定主轴的振动位移；本发明通过获取加速度信号从而获得位移传感器相对主轴的振动位移，最后求取位移传感器检测到的主轴的绝对位移，从而获得主轴的振动位移，提高了机床主轴振动位移检测的精度。
附图说明
图1是本发明提供的机床主轴振动位移测量方法一实施例中，传感器安装示意图；
图2是本发明提供的机床主轴振动位移测量方法一实施例的流程图；
图3是本发明提供的机床主轴振动位移测量方法中，步骤S202一实施例的流程图；
图4是本发明提供的机床主轴振动位移测量方法中，窗函数重叠移位原理一实施例的示意图；
图5是本发明提供的机床主轴振动位移测量方法中，步骤S203一实施例的流程图；
图6是本发明提供的机床主轴振动位移测量方法中，步骤S503一实施例的流程图；
图7是本发明提供的机床主轴振动位移测量方法中，步骤S203另一实施例的流程图；
图8是本发明提供的机床主轴振动位移测量方法中，位移补偿测量原理一实施例的示意图；
图9是本发明提供的机床主轴振动位移测量装置的一实施例的示意图；
图10是本发明提供的电子设备一实施例的运行环境示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
主轴的振动位移是机床状态监测与故障诊断的重要指标，精确测量主轴振动位移对于机床振动特性分析，切削稳定性分析，加工质量在线监测等具有重要意义。目前通常采用位移传感器监测主轴的振动位移，但是振动位移自身会随着主轴的振动产生相对主轴的相对位移，因此，传统的采用位移传感器测量主轴的振动位移，会产生一定的误差。
本发明所涉及的机床主轴振动位移测量方法和装置，可用于大型机械设备，比如车床和生产线设备；请参阅图1，在采用本发明所涉及的方法进行机床主轴机床主轴振动位移测量时，首先通过传感器夹具将位移传感器安装于主轴上，然后将一个三向加速度传感器安装于位移传感器上，或者将三个单向的加速度传感器分为X、Y、Z三个方向安装于位移传感器上，最后可将磁性电表固定于机床工作台或者主轴箱。
需要说明的是，位移传感器用来测量主轴振动产生的位移量，加速度传感器用来测量位移传感器受到振动时相对主轴产生的相对位移，最后通过位移量和相对位移之间的关系，即可求得机床主轴振动的实际位移。
图2是本发明实施例提供的机床主轴振动位移测量方法的流程图，请参阅图2，机床主轴振动位移测量方法包括：
S201、同步获取位移信号和三路不同向加速度信号；
S202、采用预设的信号变换处理法，将所述三路加速度信号转换成三路长时位移信号；
S203、获取所述三路长时位移信号相对所述位移信号的补偿位移；
S204、将所述位移信号和所述补偿位移进行矢量相加，确定主轴的振动位移。
在本实施例中，首先将位移传感器安装于主轴上，然后将加速度传感器安装于位移传感器上，通过获取一个位移信号以及三个不同方向的加速度信号，随后对加速度信号进行变换处理，将加速度信号转换为三路长时位移信号，并求得长时位移相对位移信号的补偿位移，即求得位移信号与主轴之间的相对位移，最后将补偿位移和位移信号进行矢量相加，确定主轴的振动位移；本发明通过获取加速度信号从而获得位移传感器相对主轴的振动位移，最后求取位移传感器检测到的主轴的绝对位移，从而获得主轴的振动位移，提高了机床主轴振动位移检测的精度。
需要说明的是，三路不同向的加速度信号通过三只单向加速度传感器组成一个三向加速度传感器，也可通过一个三向加速度传感器采集而得。
进一步的，使用数据采集仪采集机床加工过程中位移传感器输出的位移信号A和加速度传感器的输出的加速度信号B(三通道)；采集仪必须具有各通道同步采集功能，保证各传感器信号采集的时间同步性能。各通道采样频率建议10kHz以上，A/D转换精度建议24位。
在一些实施例中，请参阅图3，所述采用预设的信号变换处理法，将所述三路加速度信号转换成三路长时位移信号，包括：
S301、采用预设的窗函数对所述加速度信号进行截断，获取加速度信号对应的短时加速度数据段；
S302、根据所述短时加速度数据段，采用预设的傅里叶变换，获得短时加速度频谱块；
S303、对所述短时加速度频谱块的首数据进行赋零处理，获得赋零加速度频谱块；
S304、采用预设的二次频域积分法，对所述赋零加速度频谱块进行积分处理，获得短时位移频谱块；
S305、采用预设的离散傅里叶逆变换，对短时位移频谱块进行变换，获得短时时域位移数据段；
S306、根据所述短时时域位移数据段，获得长时位移。
在本实施例中，对加速度信号进行变换处理，把加速度量转换成位移量，采用的信号变换处理方法可以是时域变换，也可以是时域变换，于本实施例中，采用频域积分法，核心是把频域积分方法与短时傅里叶分析相结合，以适应主轴振动信号时变特征，同时克服积分趋势项。
具体的，首先使用窗函数对长时加速度信号x[n]进行重叠移动截断，生成一系列短时加速度数据段x[r,k]，r为数据段号，k为数据段中数据点序号。窗函数重叠移位思路如图4所示，x[n]是加速度数据序列，w[m]为长度为m的窗函数，R为每次窗函数移动长度，M-R是数据段重叠长度，优选的，重叠长度为窗函数长度的一半，即M/2；为保证信号的理想重构，优选支持理想重构的窗函数进行数据截断，比如Hanning窗、Bartlett窗。随后，对短时加速度数据段x[r,k]进行离散傅里叶变换，生成短时加速度频谱块A[r,k]；傅里叶变换数据长度可以根据信号平稳性选择，于本实施例中，傅里叶变换数据长度选择2048点。随后，消除直流分量，把每个加速度频谱段的首数据赋零，即A[r,0]＝0；并且对各短时加速度频谱块A[r,k]进行二次频域积分处理，即加速度频谱值除以对应频率的平方，生成短时位移频谱块D[r,k]；D[r,k]＝-A[r,k]/ωk 2，其中，
Figure BDA0003859837260000081
Fs为采样频率，NFFT是傅里叶变换数据长度，k是数据点序号。随后对二次频域积分处理后的数据段进行离散傅里叶逆变换，生成短时时域位移数据段d[r,k]。最后对短时时域位移数据段进行重叠叠加，生成长时位移d[n]。
在一些实施例中，所述获得短时时域位移数据段之后，还包括：
对所述短时时域位移数据段进行幅值修正处理，获得修正时域位移数据段；
根据所述修正时域位移数据段，获得长时位移。
在本实施例中，d[r,k]由于受到窗函数的影响，数字不准确，需要消除窗函数的影响，进行幅值修正，修正后的位移数据段d'[r,k]＝α·d[r,k]，α是窗函数幅修正系数，Hanning窗修正系数为2，Bartlett窗幅值修正系数为1.998。
在一些实施例中，请参阅图5，所述获取所述三路长时位移信号相对所述位移信号的补偿位移，包括：
S501、获取第一长时位移、第二长时位移和第三长时位移；
S502、基于空间向量合成法，根据所述第一长时位移、第二长时位移和第三长时位移，确定第一合位移；
S503、根据所述第一合位移与所述位移信号之间的关联关系，确定补偿位移。
在本实施例中，分别获取三路加速度信号所对应的第一长时位移、第二长时位移和第三长时位移，并通过向量合成法求取第一长时位移DX、第二长时位移DY和第三长时位移DZ的第一合位移DH，其中，第一合位移
Figure BDA0003859837260000082
具体的，第一合位移DH即位移传感器由于基座振动引起的空间位移，随后根据第一合位移与位移传感器采集到的主轴振动位移信号之间的关联关系，确定补偿位移。
在一些实施例中，请参阅图6，所述根据所述第一合位移与所述位移信号之间的关联关系，确定补偿位移，包括：
S601、获取所述第一合位移与所述位移信号之间的夹角；
S602、基于所述第一合位移，根据所述夹角对所述补偿位移的影响，确定补偿位移。
在本实施中，第一合位移DH与位移信号DA之间存在夹角，大小为θ，则根据向量合成原理，计算出补偿位移DB，DB＝DH·cosθ。
需要说明的是，补偿位移即为主轴振动产生的实际位移。
在一些实施例中，请参阅图7，所述获取所述三路长时位移信号相对所述位移信号的补偿位移，还包括：
S701、分别获取所述位移信号与第一长时位移、第二长时位移和第三长时位移之间的第一夹角、第二夹角和第三夹角；
S702、根据所述第一夹角、第二夹角和第三夹角对所述补偿位移的影响程度，确定所述补偿位移。
在本实施例中，当第一合位移DH与位移信号DA之间存在夹角不便于获取时，则通过本实施例提供的方法，求解补偿位移；具体为，由于安装误差导致位移传感器测量方向与加速度传感器三路信号X、Y、Z方向分别存在α、β、γ夹角。按空间向量合成方法得到补偿位移DB，DB＝DX·cosα+DY·cosβ+DZ·cosγ。
在一些实施例中，所述将所述位移信号和所述补偿位移进行矢量相加之前，还包括：
将所述位移信号和所述补偿位移进行时间对齐。
在本实施例中，请参阅图8，首先把直接测量位移信号DA和计算出来的补偿位移信号DB进行时间对齐，然后把位移信号DA和位移信号DB矢量相加，得到补偿后的位移信号D，
Figure BDA0003859837260000101
即主轴振动位移的精确值。在一些实施例中，若从采样开始后ts时刻开始进行信号相加，数据点起始值
Figure BDA0003859837260000102
其中，
Figure BDA0003859837260000103
Fs是采样频率。则信号相加计算表达式为：位移信号A＝[1,2,0,-1,-2]，C＝[-0.25,-0.12,0.05,0.11,0.18]，位移信号D＝[0.75,1.88,0.05,-0.89,-1.82]。
基于上述机床主轴振动位移测量方法，本发明实施例还相应的提供一种机床主轴振动位移测量装置900，请参阅图9，该机床主轴振动位移测量装置900包括采集模块910、信号变换模块920、补偿位移确定模块930和振动位移确定模块840。
采集模块910，用于同步获取位移信号和三路加速度信号；
信号变换模块920，用于采用预设的信号变换处理法，将所述三路加速度信号转换成三路长时位移信号；
补偿位移确定模块930，用于获取所述三路长时位移信号相对所述位移信号的补偿位移；
振动位移确定模块940，用于将所述位移信号和所述补偿位移进行矢量相加，确定主轴的振动位移。
在本实施例中，通过获取一个位移信号以及三个不同方向的加速度信号，随后对加速度信号进行变换处理，将加速度信号转换为三路长时位移信号，并求得长时位移相对位移信号的补偿位移，即求得位移信号与主轴之间的相对位移，最后将补偿位移和位移信号进行矢量相加，确定主轴的振动位移；本发明通过获取加速度信号从而获得位移传感器相对主轴的振动位移，最后求取位移传感器检测到的主轴的绝对位移，从而获得主轴的振动位移，提高了主轴位移检测的精度。
如图10所示，基于上述机床主轴振动位移测量方法，本发明还相应提供了一种电子设备，该电子设备可以是移动终端、桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及服务器等计算设备。该电子设备包括处理器1010、存储器1020及显示器1030。图10仅示出了电子设备的部分组件，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。
存储器1020在一些实施例中可以是该电子设备的内部存储单元，例如电子设备的硬盘或内存。存储器1020在另一些实施例中也可以是电子设备的外部存储设备，例如电子设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(SecureDigital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，存储器1020还可以既包括电子设备的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器1020用于存储安装于电子设备的应用软件及各类数据，例如安装电子设备的程序代码等。存储器1020还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。在一实施例中，存储器1020上存储有机床主轴振动位移测量程序1040，该机床主轴振动位移测量程序1040可被处理器1010所执行，从而实现本申请各实施例的机床主轴振动位移测量方法。
处理器1010在一些实施例中可以是一中央处理器(Central Processing Unit,CPU)，微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器1020中存储的程序代码或处理数据，例如执行机床主轴振动位移测量方法等。
显示器1030在一些实施例中可以是LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)触摸器等。显示器1030用于显示在所述机床主轴振动位移测量设备的信息以及用于显示可视化的用户界面。电子设备的部件1010-1030通过系统总线相互通信。
当然，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关硬件(如处理器，控制器等)来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程。其中所述的存储介质可为存储器、磁碟、光盘等。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种机床主轴振动位移测量方法，其特征在于，包括：
同步获取位移信号和三路不同向加速度信号；
采用预设的信号变换处理法，将所述三路加速度信号转换成三路长时位移信号；
获取所述三路长时位移信号相对所述位移信号的补偿位移；
将所述位移信号和所述补偿位移进行矢量相加，确定主轴的振动位移。
2.根据权利要求1所述的机床主轴振动位移测量方法，其特征在于，所述采用预设的信号变换处理法，将所述三路加速度信号转换成三路长时位移信号，包括：
采用预设的窗函数对所述加速度信号进行截断，获取加速度信号对应的短时加速度数据段；
根据所述短时加速度数据段，采用傅里叶变换获得短时加速度频谱块；
对所述短时加速度频谱块的首数据进行赋零处理，获得赋零加速度频谱块；
采用预设的二次频域积分法，对所述赋零加速度频谱块进行积分处理，获得短时位移频谱块；
采用离散傅里叶逆变换，对短时位移频谱块进行变换，获得短时时域位移数据段；
根据所述短时时域位移数据段，获得长时位移。
3.根据权利要求2所述的机床主轴振动位移测量方法，其特征在于，所述获得短时时域位移数据段之后，还包括：
对所述短时时域位移数据段进行幅值修正处理，获得修正时域位移数据段；
根据所述修正时域位移数据段，获得长时位移。
4.根据权利要求1所述的机床主轴振动位移测量方法，其特征在于，所述获取所述三路长时位移信号相对所述位移信号的补偿位移，包括：
获取第一长时位移、第二长时位移和第三长时位移；
基于空间向量合成法，根据所述第一长时位移、第二长时位移和第三长时位移，确定第一合位移；
根据所述第一合位移与所述位移信号之间的关联关系，确定补偿位移。
5.根据权利要求4所述的机床主轴振动位移测量方法，其特征在于，所述根据所述第一合位移与所述位移信号之间的关联关系，确定补偿位移，包括：
获取所述第一合位移与所述位移信号之间的夹角；
基于所述第一合位移，根据所述夹角对所述补偿位移的影响，确定补偿位移。
6.根据权利要求4所述的机床主轴振动位移测量方法，其特征在于，所述获取所述三路长时位移信号相对所述位移信号的补偿位移，还包括：
分别获取所述位移信号与第一长时位移、第二长时位移和第三长时位移之间的第一夹角、第二夹角和第三夹角；
根据所述第一夹角、第二夹角和第三夹角对所述补偿位移的影响程度，确定所述补偿位移。
7.根据权利要求1所述的机床主轴振动位移测量方法，其特征在于，所述将所述位移信号和所述补偿位移进行矢量相加之前，还包括：
将所述位移信号和所述补偿位移进行时间对齐。
8.一种机床主轴振动位移测量装置，其特征在于，包括：
采集模块，用于同步获取位移信号和三路加速度信号；
信号变换模块，用于采用预设的信号变换处理法，将所述三路加速度信号转换成三路长时位移信号；
补偿位移确定模块，用于获取所述三路长时位移信号相对所述位移信号的补偿位移；
振动位移确定模块，用于将所述位移信号和所述补偿位移进行矢量相加，确定主轴的振动位移。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器和存储器；
所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；
所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如上述所述的机床主轴振动位移测量方法中的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上述所述的机床主轴振动位移测量方法中的步骤。
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