KR101129466B1 - Method for condition monitoring of rotating machines via wavelet thresholding function and 4th-order moment - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A condition diagnosing method of a rotating machine using a fourth moment and the wavelet thresholding function is provided to detect the initial defect of the rotating machine using a property signal of the condition of the machine. CONSTITUTION: A condition diagnosing method of a rotating machine using a fourth moment and the wavelet thresholding function comprises the following steps: measuring a vibration signal using a sensor on the rotating machine(10); removing signals from the vibration signal irrelevant to the condition of the machine using a property signal extractor; converting the vibration signal into a wavelet coefficient in the time-scale domain(20); calculating a threshold value from the wavelet coefficient(30); selecting the wavelet coefficient for a property signal for each scale using the threshold value and the threshold value function(40); converting the obtained wavelet property coefficient into a property signal for the time domain using a reverse wavelet conversion(50); and testing the condition of the machine using the property signal for the time domain(60).

Description

웨이블렛 스레스홀딩 함수와 4차 모멘트를 이용한 회전기계의 상태 진단 방법 {Method for condition monitoring of rotating machines via wavelet thresholding function and 4th-order moment}Method for condition monitoring of rotating machines via wavelet thresholding function and 4th-order moment}

본 발명은 센서가 측정한 진동신호로부터 웨이블렛 변환(Wavelet transform)과 4차 모멘트(Kurtosis)로부터 구한 스레스홀드(Threshold) 값 및 스레스홀딩(Thresholding) 기법을 이용하여 기계의 상태와 연관된 특성신호를 추출하고, 회전기계의 상태, 특히 초기 결함 유무에 대해 진단하는 신호처리 방법에 관한 것이다.The present invention utilizes a threshold value and a thresholding technique obtained from wavelet transform and fourth-order moment from a vibration signal measured by a sensor, and a characteristic signal associated with a state of a machine. And a signal processing method for diagnosing the state of the rotating machine, especially the presence of an initial defect.

회전기계의 상태를 진단하는 여러 방법들은 센서를 통해 진동신호를 측정하고 이 신호를 분석하게 된다. Many methods for diagnosing the state of a rotating machine measure vibration signals through sensors and analyze these signals.

또한, 회전기계의 상태진단을 위한 최선의 방법 중 하나는 초기단계의 결함을 감지하여 유지 및 보수 계획을 수립하는 것이다. 그러나, 회전기계의 초기결함에 의해 발생하는 진동신호(특성신호 혹은 Fault feature)는 그 강도가 미약하여 주변의 다른 회전기계 등에 의해 발생하는 진동신호(혹은 노이즈 성분)에 의해 쉽게 묻혀버린다. In addition, one of the best ways to diagnose the condition of rotating machinery is to detect early stage defects and develop a maintenance and repair plan. However, the vibration signal (characteristic signal or fault feature) generated by the initial defect of the rotating machine is weak and is easily buried by the vibration signal (or noise component) generated by other rotating machines or the like.

도 1은 종래 방법에 의한 진단방법의 흐름도이다.1 is a flowchart of a diagnosis method according to a conventional method.

진동신호 측정부에서 신호를 측정하는 진동신호측정단계(100), 특성신호추출부에서 상기 신호로부터 특성신호를 추출하는 특성신호추출단계(110), 상태진단부에서 회전기계의 상태를 진단하는 상태진단단계(120)로 이루어진다.Vibration signal measuring step 100 for measuring the signal in the vibration signal measuring unit, characteristic signal extraction step 110 for extracting the characteristic signal from the signal in the characteristic signal extraction unit, a state of diagnosing the state of the rotating machine in the state diagnosis unit The diagnosis step 120 is made.

진동신호 측정단계(100)에서는 회전기계의 표면에 부착한 센서를 통해 시간영역의 진동신호를 측정한다. In the vibration signal measuring step 100, the vibration signal of the time domain is measured through a sensor attached to the surface of the rotating machine.

진동신호 측정단계(100)에서 측정된 시간영역의 진동신호는 수학식 1에 나타낸 바와 같이 기계의 상태와 연관된 특성신호와 기계의 상태와 무관한 신호의 합으로 구성되며, 기계의 초기결함에 의한 특성신호는 노이즈로 인해 쉽게 나타나지 않으므로 이 상태로는 기계의 상태에 대한 진단이 불가하다The vibration signal of the time domain measured in the vibration signal measuring step 100 is composed of a sum of a characteristic signal associated with the state of the machine and a signal independent of the state of the machine, as shown in Equation 1, Since the characteristic signal does not appear easily due to noise, it is impossible to diagnose the state of the machine in this state.

이러한 특성신호를 추출하기 위한 여러 방법 중 하나로 웨이블렛 변환과 스레스홀딩에 의한 특성신호 추출법이 있는데, 이 방법은 수학식 1에 나타낸 바와 같이, 센서가 측정한 진동신호는 기계의 상태, 특히 초기결함과 연관된 특성신호와 기계의 상태와 무관한 노이즈로 구성되어 있다는 가정을 바탕으로 한다. 즉, 진동신호로부터 기계의 상태와 연관된 특성신호만을 추출하여 기계의 결함 유무를 판단하는 것이다.
One of the methods for extracting such characteristic signals is a characteristic signal extraction method by wavelet transform and thresholding. In this method, as shown in Equation 1, the vibration signal measured by the sensor is a state of the machine, in particular, an initial defect. It is based on the assumption that it is composed of a characteristic signal associated with the noise and noise independent of the state of the machine. That is, only the characteristic signal associated with the state of the machine is extracted from the vibration signal to determine whether the machine is defective.

Figure 112010070635444-pat00001
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여기서, x(t) 는 센서가 측정한 진동신호이며, s(t) 는 기계의 상태와 연관된 특성신호, 그리고 n(t) 는 노이즈 등 기계의 상태와 무관한 신호이다.Here, x (t) is a vibration signal measured by the sensor, s (t) is a characteristic signal associated with the state of the machine, and n (t) is a signal independent of the state of the machine, such as noise.

수학식 1 의 좌변은 센서가 측정한 신호로 알고 있는 정보이며, 우변은 알지 못하는 정보이다.The left side of Equation 1 is information known as a signal measured by the sensor, and the right side is information unknown.

특성신호 추출에 사용되는 유니버셜 스레스홀드 (Universal threshold) 는 “Donoho, D. (1995) “De-noising by soft-thresholding”, IEEE Transactions on Information Theory, 41(3) pp.613-627”(참고문헌 1)에서 정의한 다음의 수학식 2 와 같다.
Universal thresholds used for feature signal extraction are described in “Donoho, D. (1995)“ De-noising by soft-thresholding ”, IEEE Transactions on Information Theory, 41 (3) pp.613-627” ( Equation 2 defined in Ref. 1) is as follows.

Figure 112010070635444-pat00002
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여기서, Tuniv는 Universal threshold,

Figure 112010070635444-pat00003
은 노이즈 신호 n(t) 의 표준편차, N 은 사용된 진동신호의 데이터 길이를 나타낸다.
Where T univ is the Universal threshold,
Figure 112010070635444-pat00003
Is the standard deviation of the noise signal n (t), and N is the data length of the vibration signal used.

스레스홀딩 함수는 하드 스레스홀딩(Hard thresholding)과 소프트 스레스홀딩(Soft thresholding)이 대표적으로 사용되는데, 수학식 3 및 수학식 4 와 같고, 이를 도 2 에 나타냈다 [참고문헌 1].
As the thresholding function, hard thresholding and soft thresholding are typically used, which are the same as Equation 3 and Equation 4, which are shown in FIG. 2 [Ref. 1].

Figure 112010070635444-pat00004
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상기 스레스홀딩 함수는 도 2에 나타낸 바와 같이 스레스홀드 값 주변에서 극단적인 변화가 일어난다. 이러한 변화는 하드 스레스홀딩을 적용하여 특성신호를 추출할 때 스레르홀드 주변에서 노이즈 성분이 특성신호로 오판정되거나 특성신호가 노이즈로 오판정되는 문제점을 발생시킨다. 또한, 소프트 스레스홀딩의 경우는 출력값의 급격한 감소로 추출한 신호의 분석에 어려움을 유발할 수 있다.
As shown in Fig. 2, the thresholding function causes an extreme change around the threshold value. Such a change causes a problem that noise components are incorrectly judged as characteristic signals or characteristic signals are judged as noise around the threshold when extracting the characteristic signals by applying hard thresholding. In addition, soft thresholding may cause difficulty in analyzing the extracted signal due to a sharp decrease in the output value.

특성신호 추출단계(120)에서는 시간영역의 진동신호를 웨이블렛 변환을 통해 시간-스케일 영역의 웨이블렛 계수(Wavelet coefficients)

Figure 112010070635444-pat00006
로 변환하고, 여러 스케일에서 기계의 상태와 연관된 특성신호를 추출한다. 웨이블렛 변환은 CWT (Continuous Wavelet Transform), DWT (Discrete Wavelet Transform) 등과 Morlet wavelet, Meyer wavelet 등의 웨이블렛을 모 웨이블렛 (Mother wavelet)로 사용할 수 있다.
In the characteristic signal extraction step 120, wavelet coefficients of the time-scale domain are subjected to wavelet transform of the vibration signal of the time domain.
Figure 112010070635444-pat00006
And extract characteristic signals associated with the state of the machine at different scales. The wavelet transform may use a wavelet such as a continuous wavelet transform (CWT), a discrete wavelet transform (DWT), a morlet wavelet, a meyer wavelet, etc. as a mother wavelet.

위와 같은 종래의 기술은 스레스홀드를 계산하는 과정 및 스레스홀딩 함수를 정의하는 과정에서 다음과 같은 단점을 갖고 있다. The prior art as described above has the following disadvantages in the process of calculating the threshold and in the process of defining the threshold function.

유니버셜 스레스홀드(Universal threshold)는 노이즈의 표준 편차로부터 계산되는 값인데, 노이즈 성분에 대한 정보를 갖고 있지 않기 때문에 노이즈의 표준편차를 추정하는 과정에서 큰 오차를 포함하게 된다. 이로 인해 특성신호를 추출하는 단계에서 많은 오차를 포함하게 되며, 추출한 특성신호를 이용해 회전기계를 진단할 때 진단의 신뢰성을 떨어뜨릴 수 있다. 따라서, 특성신호를 추출하는 단계에서 신뢰도를 높이기 위해 스레스홀드 값의 계산 과정에 존재하는 불확실성(예를 들면, 노이즈의 표준편차를 추정하는 과정에서 발생하는 오차)을 줄이는 것이 필요하다.
The universal threshold is a value calculated from the standard deviation of the noise. Since there is no information on the noise component, the universal threshold includes a large error in estimating the standard deviation of the noise. As a result, a large amount of errors are included in the step of extracting the characteristic signal, and the reliability of the diagnosis may be degraded when the rotating machine is diagnosed using the extracted characteristic signal. Therefore, it is necessary to reduce the uncertainty (for example, an error generated in estimating the standard deviation of noise) existing in the calculation of the threshold value in order to increase the reliability in the step of extracting the characteristic signal.

특성신호와 노이즈를 구분하는 스레스홀드 값을 정확하게 계산하는 것은 어려우므로, 스레스홀드 값 주변에서 스레스홀딩 함수가 극단적으로 변하게 되면 다음과 같은 문제점이 발생한다. Since it is difficult to accurately calculate the threshold value that distinguishes between the characteristic signal and the noise, the following problem occurs when the threshold function is changed extremely around the threshold value.

스레스홀드 값 주변에서 노이즈 성분이 특성신호로 오판정되거나, 특성신호가 노이즈로 오판정될 수 있다. 이는 추출한 특성신호의 신뢰도를 떨어뜨리며, 결과적으로 회전기계의 초기결함을 진단하는데 어려움을 유발할 수 있다. The noise component may be misjudged as the characteristic signal around the threshold value, or the characteristic signal may be misjudged as noise. This decreases the reliability of the extracted characteristic signal, and as a result, may cause difficulty in diagnosing the initial defect of the rotating machine.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 센서를 통해 측정한 진동신호로부터 기계의 상태와 관련한 특성신호 혹은 결함성분(Fault feature)을 추출하여 기계구성품, 예를 들면, 기어, 베어링 등의 초기 결함을 조기에 진단하는 것을 목적으로 한다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and extracts a characteristic signal or fault feature related to the state of the machine from a vibration signal measured through a sensor to produce a machine component, such as a gear or a bearing. The aim is to diagnose early defects early.

또한, 본 발명은 특성신호를 추출하는데 사용되는 인자, 예를 들어 스레스홀드 값이 측정된 진동신호로부터 자동으로 결정되도록 하고, 스레스홀드 값 주변에서 완만하게 변화하는 스레스홀딩 함수를 정의하여 다양한 특성을 가진 진동신호에 대응이 쉬운 특성신호 추출방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
In addition, the present invention is to determine the parameters used to extract the characteristic signal, for example, the threshold value is automatically determined from the measured vibration signal, by defining a threshold function that changes gently around the threshold value An object of the present invention is to provide a characteristic signal extraction method that is easy to cope with a vibration signal having various characteristics.

또한, 본 발명은 기계구성품의 사양에 대한 사전정보가 없어도 기계구성품의 초기결함을 진단할 수 있는 방법을 제공하여, 다양한 분야의 기계구성품의 상태진단에 적용이 용이하도록 하는 것을 목적으로 한다. In addition, an object of the present invention is to provide a method for diagnosing an initial defect of a mechanical component even without prior information on the specifications of the mechanical component, so that the present invention can be easily applied to the diagnosis of the mechanical components of various fields.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위하여 진동신호측정부에서 회전기계에서 센서로 진동신호를 측정하는 진동신호측정단계; 특성신호추출부에서 1) 센서가 측정한 진동신호로부터 기계의 상태와 무관한 신호를 제거하고, 기계의 상태와 연관된 특성신호만을 추출하기 위해 시간영역의 진동신호를 시간-스케일 영역의 웨이블렛 계수로 변환하는 웨이블렛 변환단계와 2) 상기 변환된 웨이블렛 계수로부터 스레스홀드 값을 계산하는 스레스홀드 값 계산단계와 3) 상기 계산된 스레스홀드 값과 스레스홀딩 함수를 적용하여 각 웨이블렛 스케일별로 특성신호에 해당하는 웨이블렛 계수만을 선별하는 특성계수 추출단계와 4) 추출한 시간-스케일 영역의 웨이블렛 특성 계수로부터 역웨이블렛 변환을 통해 시간영역의 특성신호로 변환하는 역웨이블렛 변환단계;와 상태진단부에서 시간영역의 상기 특성신호로부터 기계의 상태를 진단하는 단계;로 이루어지는 웨이블렛 스레스홀딩 함수와 4차 모멘트를 이용한 회전기계의 상태 진단 방법의 수단을 채택한다.The present invention provides a vibration signal measuring step of measuring a vibration signal from the rotating machine to the sensor in the vibration signal measuring unit to solve the above problems; In the characteristic signal extraction unit, 1) the vibration signal in the time domain is transformed into the wavelet coefficient in the time-scale domain in order to remove the signal unrelated to the state of the machine from the vibration signal measured by the sensor and to extract only the characteristic signal related to the state of the machine. 2) a threshold value calculation step of calculating a threshold value from the transformed wavelet coefficients; and 3) a characteristic for each wavelet scale by applying the calculated threshold value and a thresholding function. A characteristic coefficient extraction step of selecting only wavelet coefficients corresponding to the signal; and 4) an inverse wavelet transformation step of converting the extracted wavelet characteristic coefficients in the time-scale domain into a characteristic signal in the time domain through inverse wavelet transformation; Diagnosing the state of the machine from the characteristic signal of the region; And it employs a method of condition monitoring of rotating machinery using the method quaternary moment.

또한, 본 발명은 상기 기계의 상태를 진단하는 단계는 추출한 상기 특성신호로부터 4차 모멘트를 계산하여 회전기계에 초기결함이 존재하는지 판단하는 단계와 결함이 존재하면 경보를 발생하게 되는 단계를 포함하는 웨이블렛 스레스홀딩 함수와 4차 모멘트를 이용한 회전기계의 상태 진단 방법의 수단을 채택한다.In addition, the present invention may include diagnosing a state of the machine, including calculating a fourth moment from the extracted characteristic signal to determine whether an initial defect exists in a rotating machine, and generating an alarm if a defect exists. It adopts the means of state diagnosis method of rotating machine using wavelet thresholding function and 4th moment.

또한, 본 발명은 상기 초기결함이 존재하는지 판단하는 단계는 4차 모멘트가 3을 초과하게 되면 결함이 존재하는 것으로 판단하는 단계인 웨이블렛 스레스홀딩 함수와 4차 모멘트를 이용한 회전기계의 상태 진단 방법의 수단을 채택한다.In addition, the present invention is a method for diagnosing the state of the rotating machine using the wavelet thresholding function and the fourth moment, the step of determining whether the initial defect is present if the fourth moment exceeds 3 Adopt the means of

본 발명에 따르면 진동신호로부터 기계의 상태와 관련된 결함성분(Fault feature)만을 추출하여 기계구성품의 상태감시에 사용하기 때문에 주변 노이즈에 민감한 초기결함에 대한 조기진단이 가능하며, 이를 통해 설비의 유지보수 계획을 수립할 때 보다 여유로운 대처를 가능하게 한다.According to the present invention, since only the fault feature related to the state of the machine is extracted from the vibration signal and used to monitor the state of the machine component, it is possible to diagnose the initial fault sensitive to ambient noise, thereby maintaining the equipment. It allows for a more relaxed response when planning.

또한, 본 발명에 따르면 기계사양 등 사전정보가 불필요하며 센서를 통해 측정한 진동신호만을 사용하기 때문에 기계의 상태진단에 향상된 신뢰성을 제공할 수 있어, 다양한 진동특성을 보이는 여러 설비에 대해서도 적용성을 크게 향상시킬 수 있다.In addition, according to the present invention, since advance information such as machine specification is unnecessary and only the vibration signal measured by the sensor is used, it is possible to provide improved reliability in diagnosing the state of the machine. It can greatly improve.

또한, 본 발명은 스레스홀드 주변에서 스레스홀딩 함수의 변화율을 조정하여 종래의 하드/소프트 스레스홀딩 함수의 단점인 오판정 문제를 보완할 수 있다.In addition, the present invention can compensate for the misjudgment problem, which is a disadvantage of the conventional hard / soft thresholding function, by adjusting the change rate of the thresholding function around the threshold.

또한, 본 발명은 스레스홀드 주변에서 스레스홀딩 함수의 변화율을 조정하기 위해 4차 모멘트 (Kurtosis)를 사용하여, 데이터의 특성에 따라 변화율이 자동 조정될 수 있다. In addition, the present invention uses the fourth order (Kurtosis) to adjust the rate of change of the thresholding function around the threshold, the rate of change can be automatically adjusted according to the characteristics of the data.

또한, 본 발명은 스레스홀딩 함수의 파라미터를 결정하는 과정에서 사용자의 입력을 요구하지 않으므로, 사용자가 개입하는 과정에서 발생할 수 있는 오차를 차단할 수 있다.In addition, since the present invention does not require user input in determining a parameter of the thresholding function, an error that may occur in the process of the user's intervention may be blocked.

도 1은 종래 웨이블렛 스레스홀딩에 의한 회전기계의 상태 진단 기법의 개략도이다.도 2는 종래에 사용되는 하드 스레스홀딩과 소프트 스레스홀딩 함수이다.
도 3은 본 발명의 웨이블렛 스레스홀딩과 4차 모멘트를 이용한 회전기계의 상태 진단 기법”의 처리 절차를 보여주는 흐름도이다.
도 4는 본 발명에서 제시하는 스레스홀딩 함수이다
도 5는 추출한 특성신호를 이용해 회전기계의 상태를 진단하는 흐름도이다.
도 6은 결함상태와 정상상태의 진동신호에 적용한 예(시뮬레이션)이다.
도 7은 본 발명의 방법을 실현하는 장치의 일실시예이다.
1 is a schematic diagram of a state diagnosis technique of a rotating machine using a conventional wavelet threshold. FIG. 2 is a hard threshold and soft threshold function used in the related art.
3 is a flow chart showing the processing procedure of the state diagnosis technique of the rotating machine using wavelet thresholding and the fourth moment of the present invention.
4 is a thresholding function proposed in the present invention.
5 is a flowchart for diagnosing the state of the rotating machine using the extracted characteristic signal.
6 is an example (simulation) applied to vibration signals in a defect state and a steady state.
7 is an embodiment of an apparatus for realizing the method of the present invention.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 3은 본 발명의 진단방법의 흐름도를, 도 4는 본 발명에서 제시하는 스레스홀딩 함수를, 도 5는 본 발명에서 제시하는 상태진단을 위한 흐름도를, 도 6은 본 발명의 적용예를 나타낸다.
3 is a flow chart of the diagnostic method of the present invention, Figure 4 is a thresholding function proposed in the present invention, Figure 5 is a flow chart for the state diagnosis presented in the present invention, Figure 6 is an application example of the present invention Indicates.

본 발명은 The present invention

1) 진동신호측정부에서 회전기계로부터 센서로 진동신호를 측정하는 진동신호측정단계(10); 1) a vibration signal measuring step (10) of measuring the vibration signal from the rotating machine to the sensor in the vibration signal measuring unit;

2) 특성신호추출부에서2) At the characteristic signal extraction unit

센서가 측정한 시간영역의 진동신호를 시간-스케일 영역의 웨이블렛 계수로 변환해 주는 웨이블렛 변환단계(20); A wavelet transform step 20 of converting the vibration signal of the time domain measured by the sensor into a wavelet coefficient of the time-scale domain;

변환된 상기 시간-스케일 영역의 웨이블렛 계수로부터 스레스홀드 값을 계산하는 스레스홀드 값 계산단계(30); A threshold value calculation step (30) of calculating a threshold value from the transformed wavelet coefficients of the time-scale region;

계산된 상기 스레스홀드 값과 스레스홀딩 함수를 적용하여 상기 시간-스케일 영역의 웨이블렛 계수로부터 웨이블렛 특성계수를 추출하는 특성계수 추출단계(40);A feature coefficient extraction step (40) of extracting a wavelet characteristic coefficient from the wavelet coefficients of the time-scale region by applying the calculated threshold value and a thresholding function;

추출된 상기 웨이블렛 특성계수로부터 시간영역의 특성신호로 변환해 주는 역웨이블렛 변환단계(50); An inverse wavelet transforming step (50) for converting the extracted wavelet characteristic coefficients into characteristic signals in a time domain;

3) 상태진단부에서 시간영역의 상기 특성신호로부터 기계의 상태를 진단하는 단계(60)로 구성된다.
And 3) a step (60) of diagnosing the state of the machine from the characteristic signal in the time domain at the state diagnosis section.

각 단계를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
Each step will be described in detail as follows.

진동신호 측정단계(10)Vibration signal measuring step (10)

상기 진동신호 측정단계(10)의 진동신호 측정부는, 회전기계의 외부에 부착된 센서, 예를 들면 가속도계 등의 센서 및 센서가 측정한 진동신호를 수신하는 데이터 수집장치로 구성되며, 진동신호를 측정하고 수집한다.
The vibration signal measuring unit of the vibration signal measuring step 10 includes a sensor attached to the outside of the rotating machine, for example, an accelerometer and a data collection device for receiving the vibration signal measured by the sensor. Measure and collect.

웨이블렛 변환 단계(20)Wavelet Transform Step (20)

상기 웨이블렛 변환 단계(20)는, CWT (Continuous Wavelet Transform), DWT (Discrete Wavelet Transform) 또는 이와 유사한 변환방법을 적용하여 시간영역에서 측정한 진동신호를 시간-스케일 영역으로 변환한다.
The wavelet transform step 20 converts a vibration signal measured in the time domain into a time-scale domain by applying a continuous wavelet transform (CWT), a discrete wavelet transform (DWT), or a similar transform method.

스레스홀드 값 계산단계(30)Threshold value calculation step (30)

상기 변환된 웨이블렛 계수로부터 스레스홀드 값을 계산하는 스레스홀드 값 계산단계(30)는, 불확실성(Uncertainty)을 최소화하기 위해 측정한 진동신호에서 변환된 웨이블렛 계수로부터 신호의 통계학적인 특성을 활용하여 스레스홀드 값을 계산한다.The threshold value calculating step 30 of calculating a threshold value from the transformed wavelet coefficients utilizes statistical characteristics of the signal from the wavelet coefficients converted from the measured vibration signal in order to minimize uncertainty. Calculate the threshold value.

신호의 통계학적 특성을 활용한다는 것은 다음 수학식 5에 나타낸 바와 같이 스레스홀드 값을 결정하는 과정에서 웨이블렛 계수의 통계학적 값인 4차 모멘트 (Kurtosis)를 사용한다는 것을 의미한다. 이 과정에서는 어떠한 추측이 배제되고 웨이블렛 계수로부터 계산되는 4차 모멘트를 사용함으로써 종래 수학식 2에서 발생 가능한 오차, 즉 노이즈의 표준편차를 추측하는 과정을 제거하는 것이 본 발명의 특징중의 하나이다.
Utilizing the statistical characteristics of the signal means that the fourth order moment (Kurtosis), which is a statistical value of the wavelet coefficient, is used in determining the threshold value, as shown in Equation 5 below. In this process, it is one of the features of the present invention to eliminate the process of estimating the standard deviation of the error, that is, the noise, which can occur in Equation 2 by using a fourth order moment calculated from wavelet coefficients.

웨이블렛 변환을 통해 구한 시간-스케일 영역의 웨이블렛 계수 (Wavelet Coefficients)

Figure 112010070635444-pat00007
로부터 스레스홀드 값을 구한다. 스레스홀드 값은 수학식 5 에 정의한 바와 같이 구한다.
Wavelet Coefficients from Time-Scale Domains Obtained by Wavelet Transform
Figure 112010070635444-pat00007
The threshold value is obtained from. The threshold value is obtained as defined in equation (5).

Figure 112010070635444-pat00008
Figure 112010070635444-pat00008

여기서,

Figure 112010070635444-pat00009
는 스케일
Figure 112010070635444-pat00010
에서의 스레스홀드 값이며,
Figure 112010070635444-pat00011
는 스케일
Figure 112010070635444-pat00012
에서의 웨이블렛 계수,
Figure 112010070635444-pat00013
는 웨이블렛 계수
Figure 112010070635444-pat00014
로 부터 구한 4차 모멘트이다.
here,
Figure 112010070635444-pat00009
Scale
Figure 112010070635444-pat00010
The threshold value at
Figure 112010070635444-pat00011
Scale
Figure 112010070635444-pat00012
Wavelet coefficient at,
Figure 112010070635444-pat00013
The wavelet coefficient
Figure 112010070635444-pat00014
This is the fourth order moment from.

4차 모멘트를 이용해 스레스홀드 값을 정의하는 것은 다음과 같은 이유 때문이다. 일반적으로 회전기계의 초기결함과 연관된 특성신호는 극히 짧은 시간 동안 충격이 가해졌다 사라지는 임펄스 (Transient impulse)가 주기적으로 나타나는 경향을 보인다. 초기결함에 의해 발생하는 임펄스는 강도가 매우 약하며 노이즈에 의해 쉽게 왜곡되므로, 센서가 측정한 시간영역의 진동신호에서 임펄스를 관찰하기 어려운 것이 일반적이다. 이러한 임펄스는 4차 모멘트(Kurtosis)에 잘 반영되는데, 기계의 초기결함과 연관된 특성신호 (transient impulsiveness)는 높은 값의 4차 모멘트를 보이게 된다. 정상상태에서 운전중인 기계의 경우 약 3.0의 4차 모멘트 값을 보이고, 기계에 결함이 발생하게 되면 진동신호에 임펄스가 나타나며 3.0보다 큰 4차 모멘트 값을 보이게 된다. 따라서, 이러한 4차 모멘트의 특성을 이용해 스레스홀드 값을 정의하게 되면, 종래의 수학식 2에 나타낸 바와 같이 유니버셜 스레스홀드를 계산할 때 사용되는 노이즈 신호의 표준편차를 추정하는 과정에서 발생하는 오차를 제거할 수 있다.
The threshold value is defined using the fourth order moment for the following reasons. In general, characteristic signals associated with the initial failure of rotating machines tend to have periodic impulses that have been shocked and disappeared for a very short time. Since the impulse generated by the initial defect is very weak and easily distorted by noise, it is generally difficult to observe the impulse in the vibration signal of the time domain measured by the sensor. This impulse is well reflected in the fourth order (Kurtosis), the transient impulsiveness associated with the initial failure of the machine will show a high fourth order moment. In the case of the machine operating in the normal state, the fourth moment value of about 3.0 is shown, and if a defect occurs in the machine, the impulse appears in the vibration signal and the fourth moment value is larger than 3.0. Therefore, when the threshold value is defined using the characteristics of the fourth order moment, an error generated in estimating the standard deviation of the noise signal used when calculating the universal threshold, as shown in Equation 2, is described. Can be removed.

특성계수 추출단계(40)Characteristic coefficient extraction step (40)

상기 웨이블렛 특성계수를 추출하는 특성계수 추출단계(40)에서는 스레스홀딩 함수는, 다양한 진동신호의 특성에 대응하기 위해 측정한 진동신호(웨이블렛 계수)의 통계학적 특성을 반영하여, 스레스홀드 값 주변에서 완만한 변화가 나타나도록 정의한다.
In the characteristic coefficient extraction step 40 of extracting the wavelet characteristic coefficient, the threshold function reflects the statistical characteristics of the vibration signal (wavelet coefficient) measured to correspond to the characteristics of the various vibration signals, and the threshold value. Define to show a gentle change around.

여기서, 완만한 변화가 나타나도록 정의한다는 것은 다음과 같다.Here, it is defined to show a gentle change as follows.

도 4에 나타낸 바와 같이 웨이블렛 계수로부터 계산한 4차 모멘트 값에 따라 스레스홀딩 함수가 다름을 알 수 있다. 이는 동일한 입력값에 대해 스레스홀딩 함수의 출력값이 다르다는 것으로서, 예를 들어 K=2.0 과 K=6.0 의 경우를 설명한다.As shown in FIG. 4, it can be seen that the thresholding function differs according to the fourth-order moment value calculated from the wavelet coefficients. This means that the output value of the thresholding function is different for the same input value. For example, K = 2.0 and K = 6.0 will be described.

그림 4에서 가로축은 입력, 세로축은 스레스홀딩 함수의 출력값이다.In Figure 4, the horizontal axis is the input and the vertical axis is the output of the thresholding function.

K=2.0의 경우의 출력값이 K=6.0인 경우의 출력값보다 더 작게 된다. 여기서, 스레스홀드 값(사각형 마커)보다 작은 입력값에 대해서는 영(zero)의 출력값을 가진다. 서로 다른 K값에 대하여 스레스홀드 값보다 작은 입력값과 큰 입력값에 대한 스레스홀딩 함수의 출력값을 비교하게 되면, K=6.0인 경우 스레스홀드를 전후로 하여 출력값의 변화가 K=2.0인 경우보다 크다. The output value when K = 2.0 is smaller than the output value when K = 6.0. Here, the input value smaller than the threshold value (square marker) has a zero output value. When the output value of the threshold function for the larger input value and the input value smaller than the threshold value are compared with respect to different K values, when the value of K = 6.0, the change in the output value is set to K = 2.0 before and after the threshold. Greater than the case.

이러한 변화는 수학식 6에 정의한 것처럼 계산된 K 값에 따라 자동으로 조정이 되도록 한다. This change is automatically adjusted according to the calculated K value as defined in Equation 6.

이러한 과정을 통하여 앞에서 언급한 오판정을 줄여줄 수 있다.
Through this process, the aforementioned misjudgment can be reduced.

특성계수 추출단계(40)는 4차 모멘트를 이용해 정의한 스레스홀드 값과 다음 수학식 6과 도 4에 나타낸 스레스홀딩 함수에 의해 이루어진다.
The feature coefficient extraction step 40 is performed by the threshold value defined using the fourth order moment and the threshold function shown in Equation 6 and FIG.

Figure 112010070635444-pat00015
Figure 112010070635444-pat00015

위 수학식 6에 정의된 함수에서 지수는

Figure 112010070635444-pat00016
Figure 112010070635444-pat00017
를 사용했는데, 이는 센서가 측정한 진동신호의 특성을 반영하여, 기계의 상태와 무관한 신호를 제거하고 기계의 상태와 연관된 특성신호를 추출하는데 보다 효율을 높이기 위해서이다. In the function defined in Equation 6 above, the exponent
Figure 112010070635444-pat00016
Wow
Figure 112010070635444-pat00017
This is to reflect the characteristics of the vibration signal measured by the sensor, in order to remove the signal unrelated to the state of the machine and to increase the efficiency of extracting the characteristic signal associated with the state of the machine.

이는 도 4에 나타낸 바와 같이 진동신호의 특성이 반영되는 4차 모멘트에 따라 스레스홀드 값 주변에서 스레스홀딩 함수의 변화율이 자동으로 조정되도록 하여 하드 또는 소프트 스레스홀딩 함수에서 발생할 수 있는 오판정의 가능성을 감소시킬 수 있다. As shown in FIG. 4, this allows the rate of change of the thresholding function to be automatically adjusted around the threshold value according to the fourth-order moment in which the characteristics of the vibration signal are reflected. It can reduce the likelihood.

특성신호인 임펄스와 노이즈의 구분이 뚜렷한 경우, 즉, 4차 모멘트 값이 큰 경우는 스레스홀드 값 주변에서 급격한 변화가 나타나도록 설정하여 임펄스와 노이즈를 쉽게 구분하도록 한다. 즉, 4차 모멘트가 클수록, 스레스홀드 값 에서 기울기가 증가한다. 반대로 임펄스와 노이즈의 구분이 불분명한 경우, 즉, 4차 모멘트 값이 작은 경우는 스레스홀드 값 주변에서 완만한 변화 (또는 큰 감쇠)가 나타나도록 설정하여 노이즈의 영향을 제거할 수 있도록 한다.
When the distinction between the impulse and the noise, which is the characteristic signal, is clear, that is, when the fourth-order moment value is large, a sudden change is displayed around the threshold value so that the impulse and noise can be easily distinguished. In other words, as the fourth moment is larger, the slope increases in the threshold value. On the contrary, when the distinction between impulse and noise is unclear, that is, when the fourth-order moment value is small, a gentle change (or large attenuation) appears around the threshold value to remove the influence of the noise.

수학식 6을 통해 얻은 결과는 기계의 상태와 연관된 특성신호(초기결함이 반영된 특성신호)에 상응하는 웨이블렛 계수들로 역웨이블렛 변환을 통해 시간영역에 해당하는 특성신호의 근사치 s'(t) 를 구할 수 있다. 여기서, 정확한 특성신호 s(t) 는 알 수 없으므로, 기계의 결함에 의한 특성신호 s(t) 의 근사치 s'(t) 로 표시한다.
The result obtained by Equation 6 is obtained by approximating the s' (t) of the characteristic signal corresponding to the time domain through the inverse wavelet transform with wavelet coefficients corresponding to the characteristic signal (the characteristic signal reflecting the initial defect) associated with the state of the machine. You can get it. Here, since the exact characteristic signal s (t) is unknown, it is represented by the approximation value s' (t) of the characteristic signal s (t) due to the defect of the machine.

역 웨이블렛 변환단계(50)Inverse wavelet transform step (50)

상기 역 웨이블렛 변환단계(50)는 추출한 시간-스케일 영역의 웨이블렛 특성 계수를 시간영역의 기계 상태와 연관된 특성신호로 변환하는 단계이다.
The inverse wavelet transform step 50 converts the extracted wavelet characteristic coefficients of the time-scale domain into characteristic signals associated with the machine state of the time domain.

진단단계(60)Diagnostic step (60)

그 후 상태진단부에서 기계의 상태를 진단하는 단계로 넘어간다.
After that, the status diagnosis unit proceeds to the diagnosis of the state of the machine.

진단단계(60)는 도 5의 흐름도에서 설명한다.
The diagnostic step 60 is described in the flowchart of FIG.

추출한 시간영역 특성신호의 근사치 s'(t) 는 기계의 상태를 진단하기 위해 도 5와 같은 과정을 따른다. 추출한 특성신호에 주기적으로 반복되는 임펄스 성분이 존재하면, 측정대상의 회전기계에 결함이 발생했음을 나타낸다. The approximate value s' (t) of the extracted time-domain characteristic signal follows the process as shown in FIG. 5 to diagnose the state of the machine. If an impulse component that is periodically repeated exists in the extracted characteristic signal, it indicates that a defect has occurred in the rotating machine to be measured.

이러한 결함유무는 추출한 특성신호 s'(t) 로부터 4차 모멘트(Kurtosis, K)를 구하고 이 값에 따라 진단할 수 있다.
Such defects can be diagnosed according to this value by obtaining the fourth order moment (Kurtosis, K) from the extracted characteristic signal s' (t).

관심대상의 신호

Figure 112010070635444-pat00018
의 4차 모멘트 (Kurtosis)는 다음 수학식 7 과 같이 구할 수 있다.Signal of interest
Figure 112010070635444-pat00018
The fourth moment of (Kurtosis) can be obtained as shown in Equation 7.

Figure 112010070635444-pat00019
Figure 112010070635444-pat00019

Figure 112010070635444-pat00020
Figure 112010070635444-pat00020

Figure 112010070635444-pat00021
Figure 112010070635444-pat00021

Figure 112010070635444-pat00022

Figure 112010070635444-pat00022

기어나 베어링과 같은 회전기계의 구성품에 초기결함이 발생하게 되면, 주기적으로 반복되는 임펄스(Impulse)가 진동신호에 나타나게 된다. 이러한 임펄스는 통계적 특성값인 4차 모멘트에 반영되어 나타난다. When an initial defect occurs in a component of a rotating machine such as a gear or a bearing, an impulse that is periodically repeated appears in the vibration signal. This impulse is reflected in the fourth order moment, a statistical characteristic value.

본 발명에서는 추출한 특성신호로부터 계산한 4차 모멘트가 3.0보다 큰 값을 갖게 되면, 기계에 결함이 존재하는 것으로 판단하며, 추출한 특성신호로부터 구한 4차 모멘트가 3.0 이하이면, 특성신호에 임펄스 성분이 존재하지 않으며 이러한 임펄스를 생성하게 되는 초기결함이 존재하지 않는 것으로 판단한다. In the present invention, when the fourth moment calculated from the extracted characteristic signal has a value greater than 3.0, it is determined that a defect exists in the machine. When the fourth moment obtained from the extracted characteristic signal is 3.0 or less, an impulse component is added to the characteristic signal. It does not exist, and it is determined that there is no initial defect that generates such an impulse.

따라서, 추출신호로부터 구한 4차 모멘트(K)의 값에 따라 다음과 같이 진단한다.Therefore, the diagnosis is made as follows according to the value of the fourth order moment K obtained from the extracted signal.

1) K > 3.0 인 경우, 기계에 초기결함이 존재.1) If K> 3.0, there is an initial defect on the machine.

2) K ≤ 3.0 인 경우, 기계는 정상상태.
2) If K ≤ 3.0, the machine is in normal condition.

4차 모멘트를 통해 기계의 상태에 대한 진단 결과에 따라 초기결함이 존재하면 경보를 발생하여 결함이 존재하는 기계구성품에 대한 정비 및 점검이 진행될 수 있도록 한다.
According to the result of diagnosis of the state of the machine through the 4th moment, if an initial fault exists, an alarm is triggered so that the maintenance and inspection of the machine component in which the fault exists can proceed.

도 7에는 본 발명의 방법을 실현하는 장치의 일 실시예를 나타낸다.Figure 7 shows one embodiment of an apparatus for realizing the method of the present invention.

진동신호측정부는 다수의 진동센서를 포함하는 센서부로 이루어지고, 특성신호추출부와 상태진단부로서, 신호를 필터링하고 샘플링하는 센서인터페이스, 아날로그필터, 데이터샘플러, 그리고, 디지털 필터가 구비되고, 신호처리부에서 신호를 계산, 처리한 후 화면표시부에서 결과를 화면에 표시하거나 추출신호로부터 구한 4차 모멘트의 값이 이상이 있는 경우에는 경보발생부에서 경보가 울리게 된다.
The vibration signal measuring unit includes a sensor unit including a plurality of vibration sensors, and as a characteristic signal extracting unit and a state diagnosis unit, a sensor interface for filtering and sampling a signal, an analog filter, a data sampler, and a digital filter is provided. After calculating and processing the signal in the processing unit, if the result is displayed on the screen in the display unit or if the value of the fourth moment obtained from the extracted signal is abnormal, an alarm will sound in the alarm generating unit.

실시예Example

본 발명의 성능을 검증하기 위해 1) 정상상태와 2) 결함상태의 진동신호를 생성하여 결함과 관련한 특성신호를 추출하였다. 사용된 신호는 시뮬레이션을 통해 진동특성이 반영되도록 생성하였다. In order to verify the performance of the present invention, vibration signals in 1) steady state and 2) defective state were generated to extract characteristic signals related to defects. The used signal was generated to reflect vibration characteristics through simulation.

도 6a는 노이즈를 배제한 결함에 의한 특성신호(임펄스)를 나타내며, 도 6b는 결함이 있는 회전기계로부터 센서를 통해 측정한 진동신호를 나타낸다. FIG. 6A shows a characteristic signal (impulse) due to a defect excluding noise, and FIG. 6B shows a vibration signal measured through a sensor from a defective rotating machine.

일반적으로 초기결함이 있는 회전기계의 진동신호는 주변의 다른 회전기계 및 그 구성품에 의해 발생하는 진동으로 결함과 관련된 임펄스가 주변의 노이즈에 묻혀 도 6b와 같이 나타나게 된다. In general, the vibration signal of a rotary machine having an initial defect is a vibration generated by another rotating machine and its components, and the impulse associated with the defect is buried in the surrounding noise, as shown in FIG. 6B.

도 6d는 정상상태의 진동신호로 도 6b에 나타낸 결함이 있는 진동신호와 비교할 때, 그 특성을 쉽게 구분하기 어렵다. FIG. 6D is a vibration signal in a steady state, and when compared with the defective vibration signal shown in FIG. 6B, its characteristics are difficult to distinguish easily.

본 발명에 의한 특성신호 추출법을 적용하여 추출한 특성신호를 도 6c와 도 6e에 나타냈다. 결함이 있는 경우, 추출한 특성신호는 주기적으로 반복되는 임펄스가 뚜렷하게 나타난다(도 6c). 따라서, 결함이 존재하는 것으로 판단할 수 있다. 6C and 6E show the characteristic signals extracted by applying the characteristic signal extraction method according to the present invention. In the case of a defect, the extracted characteristic signal clearly shows an impulse periodically repeated (Fig. 6C). Therefore, it can be judged that a defect exists.

정상상태일 경우 추출한 특성신호는 도 6e에 나타낸 바와 같이 주기적으로 반복되는 임펄스를 관찰할 수 없다. 그러므로, 측정대상인 회전기계는 결함이 존재하지 않는 정상상태로 판단할 수 있다.
In the steady state, the extracted characteristic signal cannot observe the repeated impulse as shown in FIG. 6E. Therefore, the rotating machine to be measured can be determined to be in a steady state without a defect.

10 : 진동신호 측정단계 20 : 웨이블렛 변환단계
30 : 스레스홀드 값 계산단계 40 : 특성계수 추출단계
50 : 역 웨이블렛 변환단계 60 : 진단단계
10: vibration signal measurement step 20: wavelet conversion step
30: threshold value calculation step 40: feature coefficient extraction step
50: inverse wavelet transform step 60: diagnostic step

Claims (3)

진동신호측정부에서
회전기계에서 센서로 진동신호를 측정하는 진동신호측정단계(10);
특성신호추출부에서
1) 센서가 측정한 진동신호로부터 기계의 상태와 무관한 신호를 제거하고, 기계의 상태와 연관된 특성신호만을 추출하기 위해 시간영역의 진동신호를 시간-스케일 영역의 웨이블렛 계수로 변환하는 웨이블렛 변환단계(20);와
2) 상기 변환된 웨이블렛 계수로부터 스레스홀드 값을 계산하는 스레스홀드 값 계산단계(30);와
3) 상기 계산된 스레스홀드 값과 스레스홀딩 함수를 적용하여 각 스케일별로 특성신호에 해당하는 웨이블렛 계수만을 선별하는 특성계수 추출단계(40);와
4) 추출한 시간-스케일 영역의 웨이블렛 특성 계수로부터 역웨이블렛 변환을 통해 시간영역의 특성신호로 변환하는 역웨이블렛 변환단계(50); 와
상태진단부에서
시간영역의 상기 특성신호로부터 기계의 상태를 진단하는 단계(60);로
이루어지는 웨이블렛 스레스홀딩 함수와 4차 모멘트를 이용한 회전기계의 상태 진단 방법.
In the vibration signal measuring unit
Vibration signal measuring step of measuring a vibration signal with a sensor in a rotating machine (10);
From the characteristic signal extraction unit
1) A wavelet transform step of removing a signal unrelated to the state of the machine from the vibration signal measured by the sensor, and converting the vibration signal in the time domain into the wavelet coefficient in the time-scale domain to extract only the characteristic signal associated with the state of the machine. 20; and
2) a threshold value calculation step 30 of calculating a threshold value from the transformed wavelet coefficients; and
3) a characteristic coefficient extraction step 40 of selecting only wavelet coefficients corresponding to the characteristic signals for each scale by applying the calculated threshold value and threshold function; and
4) an inverse wavelet transform step 50 of converting the extracted wavelet characteristic coefficients of the time-scale region into a characteristic signal of the time domain through inverse wavelet transformation; Wow
At the status diagnosis part
Diagnosing a state of the machine from the characteristic signal in the time domain (60);
A method for diagnosing a state of a rotating machine using wavelet thresholding functions and fourth moments.
제 1 항에 있어서,
상기 기계의 상태를 진단하는 단계(60)는 추출한 상기 특성신호로부터 4차 모멘트(Kurtosis)를 계산하여 회전기계에 초기결함이 존재하는지 판단하는 단계와
결함이 존재하면 경보를 발생하게 되는 단계를 포함하는
웨이블렛 스레스홀딩 함수와 4차 모멘트를 이용한 회전기계의 상태 진단 방법.
The method of claim 1,
Diagnosing the state of the machine (60) is to determine whether there is an initial defect in the rotating machine by calculating the fourth moment (Kurtosis) from the extracted characteristic signal and
Alarming if a fault exists.
A method for diagnosing the state of rotating machinery using wavelet thresholding function and fourth order moment.
제 2 항에 있어서,
상기 초기결함이 존재하는지 판단하는 단계는 4차 모멘트가 3을 초과하게 되면 결함이 존재하는 것으로 판단하는 단계인
웨이블렛 스레스홀딩 함수와 4차 모멘트를 이용한 회전기계의 상태 진단 방법.
The method of claim 2,
The step of determining whether the initial defect is present is a step of determining that the defect exists when the fourth moment exceeds 3
A method for diagnosing the state of rotating machinery using wavelet thresholding function and fourth order moment.
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