CN116257739B - 一种高速电主轴快速可视化诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速电主轴快速可视化诊断方法，属于信号处理技术领域，包括：通过阶次谱对齐不同参数的振动数据，之后根据电主轴轴承特性对阶次谱进行分割，并基于各个阶次谱片段提取结构指标作为顶点坐标，最后在极坐标中完成可视化“渐开折线”的绘制，折线的展开程度反映振动信号的能量水平，顶点位置表征振动信号的结构，通过度量两条渐开折线的相似程度可直观判断电主轴是否存在故障。本发明在保证诊断结果可靠的同时以可视图形的形式降低诊断过程的理解难度，极大提高了高速电主轴诊断过程的便捷性。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理领域，具体涉及一种高速电主轴快速可视化诊断方法。
背景技术
高速切削技术是21世纪最具前景的先进制造技术之一，为适应更高的主轴切削速度，电主轴应运而生。电主轴将驱动电机的转子延伸作为机床主轴，电机的定子通过冷却套固定在主轴头内孔上。在实际工作中，机床控制系统以不同频率驱动后端电机带动前端主轴以相应转速旋转。电主轴系统中不包含机械传动部件，因而具有结构紧凑、传动效率高、响应快、动态精度高等优点，广泛应用于高精度的数控加工机床。
为适应20000rpm以上的超高转速，电主轴普遍采用陶瓷轴承作为支撑，碰撞、疲劳、润滑不良等原因导致的轴承损坏成为电主轴的主要故障形式。数据显示，电主轴一旦发生故障其维修周期将长达1-3个月，且维修后的电主轴寿命显著下降，生产成本将大幅提升，因此加强电主轴温度、振动等物理量的监测对于掌握电主轴的健康状态和预防故障发生必不可少。其中，振动与电主轴机械结构存在较强的机理联系，基于振动开展电主轴轴承的早期故障和异常状态识别是业内的普遍做法，但读懂振动数据中蕴含的深层信息往往涉及复杂的处理过程和专业的数学知识，如时频谱、小波分解、EMD等，机床维保人员很难直观理解，因此无法高效得出结论；此外，电主轴振动数据因转速不同、采样频率不同、数据长度不同而表现出不同特性，振动数据之间的可比性较差。
阶次谱运算的过程中将以插值的方式对齐不同转速、不同采频、不同数据长度的振动数据，使不同参数的振动数据具备可比性，在此基础上进行振动数据结构可视化将极大降低读懂振动信号的难度，有利于电主轴故障的诊断技术的应用和推广。基于此，本申请提出了一种高速电主轴快速可视化诊断方法，旨在解决用于开展高速电主轴的早期故障诊断和异常状态的振动信号，其处理方法存在理论复杂、结论不直观、数据可比性差等问题。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中用于开展高速电主轴的早期故障诊断和异常状态的振动信号，其处理方法存在理论复杂、结论不直观、数据可比性差等问题，提出一种高速电主轴快速可视化诊断方法，保证诊断结果可靠的同时以可视图形的形式降低诊断过程的理解难度，极大提高了高速电主轴诊断过程的便捷性。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种高速电主轴快速可视化诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、收集电主轴振动信号 ，t为离散的时间序列，采样频率为/>；
S2、对电主轴振动信号进行等角度重采样，计算阶次谱，o为阶次序列；
S3、根据电主轴轴承结构特性，将阶次谱分割为n个片段；
S4、以各阶次谱片段为基础计算“渐开折线”顶点，在极坐标系内绘制顶点；
S5、依次连接原点及各顶点构成“渐开折线”，折线的展开程度反映振动能量水平，顶点位置反映振动信号结构，通过对比两条渐开折线的相似程度判断电主轴是否存在故障。
进一步的，阶次谱的计算方式包括如下步骤：
S21、获取转频作为阶次谱/>的分析基频，设置谱阶次上限；
S22、设计巴特沃斯低通滤波器对进行滤波，截止频率/>；
S23、转换至角度域得到/>，其中，/>为与/>序列对应的角度序列，；
S24、对进行等角度重采样获得/>，即进行样条插值运算，为等间隔的角度序列；
S25、对进行快速傅里叶变换得到阶次谱/>。
进一步的，所述的根据电主轴轴承结构特性，将阶次谱分割为n个片段包括：
以下式为界限将阶次谱分割为4个片段，其中Z为电主轴轴承滚子数：
；
其中，Z为电主轴轴承滚子数，N为谱阶次上限，、/>、/>、/>、/>为分割界限。
进一步的，步骤S4中，按照下式在极坐标系内绘制顶点：
；
其中，为极径，/>为极角，/>表示第/>个分片的阶次谱。
进一步的，还包括步骤S6、定量描述两渐开折线的相似程度，定义如下相似性度量：
；
式中，表示各顶点的相似性权重；/>、/>表示两条不同渐开折线；当时，认为/>与/>相似程度较高，/>越接近1两者越相似。
进一步的，步骤S24中，对进行等角度重采样即进行样条插值运算，插值点为，L为插值序列长度。
进一步的，步骤S25中，阶次谱的阶次序列表示为。
综上所述，本发明具有以下优点：
本发明所述方法首先通过阶次谱对齐不同参数的振动数据，之后根据电主轴轴承特性对阶次谱进行分割，并基于各个阶次谱片段提取结构指标作为顶点坐标，最后在极坐标中完成可视化“渐开折线”的绘制。该折线的展开程度反映振动信号的能量水平，顶点位置表征振动信号的结构，通过度量两条渐开折线的相似程度可直观判断电主轴是否存在故障。本方法在保证诊断结果可靠的同时以可视图形的形式降低诊断过程的理解难度，极大的提高了高速电主轴诊断过程的便捷性。
附图说明
图1为本发明一种高速电主轴快速可视化诊断方法的流程图；
图2为电主轴振动信号的时域波形（a）及其频谱（b）；
图3为电主轴振动信号的阶次谱及分割界限；
图4为电主轴振动信号的可视化渐开折线图：、/>、/>。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种高速电主轴快速可视化诊断方法，按照如下步骤实施：
步骤 S1、收集电主轴振动信号，采样频率为/>。
步骤S2、对电主轴振动信号进行等角度重采样，计算阶次谱；
本实施例中，阶次谱的计算方式包括如下步骤：
步骤S21、获取转频作为阶次谱/>的分析基频，设置谱阶次上限；
步骤S22、设计巴特沃斯低通滤波器对进行滤波，截止频率；
步骤S23、转换至角度域得到/>，其中，/>为与/>序列对应的角度序列，；
步骤S24、对进行等角度重采样获得/>，即进行样条插值运算，为等间隔的角度序列；
本实施例中，对进行等角度重采样即进行样条插值运算，插值点为，L为插值序列长度；
步骤S25、对进行快速傅里叶变换得到阶次谱/>。
本实施例中，阶次谱的阶次序列表示为。
步骤S3、根据电主轴轴承结构特性，将阶次谱分割为n个片段；
本实施例中，根据电主轴轴承结构特性，以下式为界限将阶次谱分割为4个片段，其中Z为电主轴轴承滚子数：
； (1)
其中，Z为电主轴轴承滚子数，N为谱阶次上限，、/>、/>、/>、/>为分割界限。
步骤S4、以各阶次谱片段为基础计算“渐开折线”顶点，在极坐标系内绘制顶点；
；(2)
其中，为极径，/>为极角，/>表示第/>个分片的阶次谱。
S5、依次连接原点及各顶点构成“渐开折线”，折线的展开程度反映振动能量水平，顶点位置反映振动信号结构，通过对比两条渐开折线的相似程度判断电主轴是否存在故障。
实施例2
本实施例提供了一种高速电主轴快速可视化诊断方法，在实施例1的基础上，进一步的，还包括步骤S6、为定量描述两渐开折线的相似程度，定义如下相似性度量：
(3)；
式中，表示各顶点的相似性权重；/>、/>表示两条不同渐开折线；当时，认为/>与/>相似程度较高，/>越接近1两者越相似。
实施例3
本实施例提供了一种高速电主轴快速可视化诊断方法，采用加速度振动传感器测量某卧式加工中心电主轴振动，传感器固定于电主轴外壳上前端轴承位置，测量方向为电主轴径向，电主轴转速为15000rpm，即250Hz，采样频率为25600Hz，其振动信号如图2(a)所示，其频谱如图2(b)所示。由图中可以看出，电主轴整体振动平稳且能量水平较低，总体工作正常。
根据一种高速电主轴快速可视化诊断方法的实施步骤，设置阶次分析基频为电主轴转频，即，设置谱阶次上限/>，设计5阶巴特沃斯滤波器对振动信号进行滤波，/>。
将振动信号转换至角度域进行样条插值，相邻插值点间隔为。对插值结果进行FFT变换获得该信号的阶次谱如图3。由图可以看出，阶次谱与频谱具有很高的结构一致性，阶次谱谱线数量有所降低。电主轴轴承滚子数为25，因此分割界限如图3所示为：，/>，/>，/>，/>。计算顶点坐标如表1（渐开折线），连接原点及各个顶点形成该振动信号的渐开折线如图4（渐开折线/>）。
为验证本发明方法对电主轴健康状态的指示能力，选取不同时间测得的另外两组振动数据绘制渐开折线和/>如图4所示，顶点坐标如表1所示。图中可直观感受到/>和较为相似，/>的量级明显放大，其结构与/>表现出较大差异。根据式（3）定量计算相似度有/>，/>，/>，渐开折线/>和/>相似程度更高。而事实证明，采集/>振动信号时间早于/>，采集/>振动信号时，电主轴工作正常，采集/>振动信号时，电主轴轴承出现严重的外圈磨损故障。
表1 渐开折线、/>和/>各顶点坐标
值得注意的是，三个振动信号的采样频率相同但数据长度不尽相同，、/>和/>的振动信号长度分别为500000、320000和340000，本发明方法经由阶次谱将序列长度统一为312500，使不同长度的振动信号具有了可比性。此外，即使不同采样频率、不同工作转频的振动信号仍然可以根据本发明方法生成渐开折线并进行比较，亦即可视化诊断，但当采频、转频差异过大时，振动信号本身结构差异增大，需要对相关标准作出调整才能得出可靠的诊断结论。
需要说明的是，本方法适用于基于平稳振动信号的高速电主轴诊断过程，通过获取瞬时转速构建阶次谱可将本发明方法拓展于非平稳振动信号，此外调整分割界限、修改相似性度量亦可对本方法进行应用拓展。但这些拓展并未脱离本发明的构思，也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种高速电主轴快速可视化诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、收集电主轴振动信号，t为离散的时间序列，采样频率为/>；
S2、对电主轴振动信号进行等角度重采样，计算阶次谱，o为阶次序列；
S3、根据电主轴轴承结构特性，将阶次谱分割为n个片段；
S4、以各阶次谱片段为基础计算“渐开折线”顶点，并在极坐标系内绘制各个顶点；
S5、依次连接原点及各顶点构成“渐开折线”，折线的展开程度反映振动能量水平，顶点位置反映振动信号结构，通过对比两条渐开折线的相似程度判断电主轴是否存在故障；
步骤S6、定量描述两渐开折线的相似程度，定义如下相似性度量：
；
式中，表示各顶点的相似性权重；/>；/>、/>表示两条不同渐开折线；当/>时，认为/>与/>相似程度较高，/>越接近1两者越相似；
阶次谱的计算方式包括如下步骤：
S21、获取转频作为阶次谱/>的分析基频，设置谱阶次上限；
S22、设计巴特沃斯低通滤波器对进行滤波，截止频率/>；
S23、转换至角度域得到/>，其中/>为与/>序列对应的角度序列，；
S24、对进行等角度重采样获得/>，即进行样条插值运算，/>为等间隔的角度序列；
S25、对进行快速傅里叶变换得到阶次谱/>；
所述的根据电主轴轴承结构特性，将阶次谱分割为n个片段包括：
以下式为界限将阶次谱分割为4个片段：
；
其中，Z为电主轴轴承滚子数，N为谱阶次上限，、/>、/>、/>、/>为分割界限；
步骤S4中，按照下式在极坐标系内绘制顶点：
；
其中，为极径，/>为极角，/>表示第/>个分片的阶次谱。
2.根据权利要求1所述的一种高速电主轴快速可视化诊断方法，其特征在于，
步骤S24中，对进行等角度重采样即进行样条插值运算，插值点为，L为插值序列长度。
3.根据权利要求2所述的一种高速电主轴快速可视化诊断方法，其特征在于，步骤S25中，阶次谱的阶次序列表示为：
。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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