WO2004038346A1 - Procede et dispositif de test comportant un capteur de signaux vibratoires - Google Patents

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WO2004038346A1
WO2004038346A1 PCT/EP2003/050739 EP0350739W WO2004038346A1 WO 2004038346 A1 WO2004038346 A1 WO 2004038346A1 EP 0350739 W EP0350739 W EP 0350739W WO 2004038346 A1 WO2004038346 A1 WO 2004038346A1
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signal
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time
characteristic
window
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PCT/EP2003/050739
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Inventor
Bernard Durr
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Bernard Durr
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H1/00—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H3/00—Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid
    • G01H3/04—Frequency
    • G01H3/08—Analysing frequencies present in complex vibrations, e.g. comparing harmonics present

Definitions

  • the present invention relates to a test method and device. It applies, in particular to the testing of mechanical parts comprising a surface of revolution, for example ball bearings, pistons, gears, DC motor manifolds or valves. It allows sorting of parts during production and preventive maintenance of moving mechanical parts and, more generally, the identification and classification of sources of vibration, including acoustics.
  • To test parts having a surface of revolution it is known to put this part in rotation about its axis of revolution, to put on this surface an accelerometer and to analyze the signal leaving the accelerometer, for example in applying a Fourier transformation to it and then a tolerance threshold.
  • This method has drawbacks.
  • the determination of a tolerance threshold is a simple classification process which leads to rejections of good parts or acceptance of defective parts.
  • the discrete Fourier transformation as a descriptor of the observed signal does not make it possible to describe the temporal evolution of the frequency content of the signal in very short time intervals due to the loss of frequency resolution.
  • current systems allow, at best to determine which species of birds are present but not to count the individuals of each species.
  • biometrics current systems require specific components, such as a fingerprint sensor. The present invention aims to remedy these drawbacks. To this end, the present invention aims, according to a first aspect, an analysis device, characterized in that it comprises:
  • a characteristic extraction means which extracts from the time-dependent signal at least one characteristic of a time / frequency distribution
  • the analysis of vibratory signals for example acoustic signals, makes it possible to classify the sources of these signals, rotating parts or birds, for example, very precisely and reliably.
  • the vibrating signal sensor is an acoustic microphone. Thanks to these provisions, the analysis of mechanical parts can be carried out remotely in all the directions of vibration of said parts.
  • the characteristic extraction means is adapted to calculate the instantaneous frequency by digital application of the Hilbert transform.
  • this local variable which is the barycenter of the Wigner-Ville distribution, that is to say of the instantaneous spectrum, makes it possible to evaluate by its distribution the displacement of the spectrum or the evolution of a frequency response in a narrow spectral band. depending on particular excitations.
  • a distribution of this local variable in a determined time window or a characterization of this distribution such as kurtosis or skewness in a short-term window, make it possible to identify particular modes of excitation.
  • the characteristic extraction means is adapted to calculate the envelope of the analytical signal by digital application of the Hilbert transform and its distribution in a determined time window.
  • the characteristic extraction means is adapted to calculate the width of the instantaneous spectrum by numerical application of the Hilbert transform and of the formulation of Cohen and Lee.
  • a distribution of this local variable in a determined time window or a characterization of this distribution such as kurtosis or skewness in a short-term window, make it possible to identify particular modes of excitation, notably transient phenomena which look like shocks producing an effect close to Dirac's impulse, instantly occupying a very broad spectrum.
  • the characteristic extraction means is adapted to calculate the signal energy in a short term window either by summing the squares of each sample of the short term window or by making a Fourier transform of the short-term window and by calculating the sum of the squares of the modules of each frequency divided by the number of samples of the short-term window divided by two.
  • the classification means includes a neural network.
  • the method separates the classes in a multidimensional space eliminating the overlaps specific to traditional thresholding methods.
  • the classification means is adapted to carry out learning of the characteristics of vibratory signals for the different classes which it must discriminate. Thanks to these provisions, the test device is capable of learning the characteristics of the vibrational signals corresponding to classes defined by the operator as a function of other acoustic, physical or other characteristics.
  • the present invention aims, according to a second aspect, an analysis method, characterized in that it comprises: - a step of capturing vibrational signals providing a signal as a function of time;
  • FIG. 1 represents a particular embodiment of the device which is the subject of the present invention
  • FIGS. 2 represents a particular embodiment of the method which is the subject of the present invention, performing the learning function
  • - FIGS. 3 represents a particular embodiment of the method which is the subject of the present invention, carrying out the recognition function
  • - Figure 4 shows two distributions of kurtosis of the signal envelope as calculated during a learning step illustrated in Figure 2, one for a rollover recognized as "good” and the other for a rollover having shocks
  • - Figure 5 shows two distributions of instantaneous frequencies as calculated during a decision step illustrated in Figure 2, one for a bearing recognized as "good” and the other for a bearing having a stationary fault (so-called "non-superfinishing" fault).
  • a number of samples taken from the signal which corresponds to a time interval dimensioned by the operator is called a "learning window"
  • a recognition window is a number of samples, taken from the signal, equal to that of the learning window.
  • the time dimension of the learning window is chosen to be large enough so that recurring events are widely represented. For example, it will take between 0.6 s and 1.5 s for a bearing rotated at 1800 revolutions per minute.
  • short-term window a number of samples taken from a time-dependent signal which corresponds to a sufficiently short time interval with respect to the recurrence of the faults. For example, we will take 5 to 6 milliseconds for bearing shocks which are repeated at a frequency close to 12Hz.
  • the descriptor is, in different embodiments, a distribution of local variables calculated in the time interval defined by the learning window or a distribution of parameters describing the distributions of these local variables for each of the short-term windows contained in l 'interval defined by the learning window. Examples of descriptors are given below:
  • Cohen and Lee - a distribution of parameters describing the distributions of these local variables for each of the short-term windows contained in the interval defined by the learning window, for example: o Kurtosis, the moment of order 4 of the distribution which describes the spreading, and o Skewness, the moment of order 3 of the distribution which describes the symmetry.
  • the descriptor is a distribution of parameters such as Kurtosis and Skewness describing the frequency distributions obtained by calculating the distributions of Wigner-Ville, Cho ⁇ -William, Rihaczeck or the
  • TFCT Short-term Fourier transform
  • classifier or means of classification, means of analysis of a characteristic of the signal in the time-frequency domain.
  • the classifier is, in preferred embodiments, a neural network, in software form or in the form of an electronic component.
  • the classifier implements, in other embodiments, fuzzy logic.
  • time-frequency domain The majority of signals observable in concrete situations are non-stationary. It is the temporal evolution of the frequency content of the signal which makes it possible to identify or classify it.
  • the timbre of a musical instrument for example, can be identified by the evolution of its spectral composition over time. Time-frequency methods explicitly take into account a possible temporal evolution of the frequency content of a signal
  • Any signal of the form x (t) can be represented in an analytical form, ie as a vector whose modulus and speed of rotation can vary over time.
  • an imaginary part iy (t) obtained by the application of the Hilbert transform and we can then define an instantaneous amplitude A (t) which we have called envelope and an instantaneous frequency fi (t).
  • FIG. 1 a part rotated 100 by means (not shown), sensors 110 of vibratory, for example acoustic signals, a microprocessor card 120 comprising a microprocessor 122 and its memory peripherals 124 and inputs / outputs 126, an acquisition card 130 comprising an analog-digital converter 132, a data bus 140 connecting the different cards, a neural network card 150 comprising first a neural network 152 and a second neural network 154.
  • the microprocessor 122 implements software implementing the method object of the present invention and respecting the algorithm illustrated in figure 2.
  • the microprocessor is suitable for implementing the flow chart illustrated in FIG. 2.
  • the neural network 152 is a Cooper network, known under the name of "RCE" (acronym from Restricted Coulomb Energy).
  • RCE Restricted Coulomb Energy
  • FIG. 2 describes a particular embodiment of the method for learning two descriptors, one making it possible to discriminate transient faults of the shock type using a short-term window to cut out the interval defined by the learning window, and l 'other allowing to discriminate stationary faults such as the permanent presence of particular frequencies during the interval defined by the learning window.
  • Each descriptor will be learned by a different neural network.
  • this base consists of recordings of vibratory signals classified as "good", without defects, by the operator.
  • the content of the file is transferred into the RAM 124 of the microprocessor card 120;
  • a filtering step 220 applying a digital filter to the signal from step 210.
  • the cut-off frequencies are chosen, for example, to eliminate the interference (in the low frequencies most often) or else to isolate the spectral band in which the frequency evolution corresponds to a particular signature;
  • iy (t) is the Hilbert transform of x (t) and constitutes the imaginary part of z (t).
  • a step for positioning the learning window 240 The choice of positioning depends on the portion of the recording on which learning will take place; a step 250 for calculating the instantaneous frequency fi (t) and the envelope corresponding to each sample of the learning window.
  • the envelope is obtained by calculating the module A (t) which is the square root of (x (t) 2 + y (t) 2 );
  • Kurtosis characterizes the relative peak shape or flattening of a distribution compared to a normal distribution. A positive kurtosis indicates a relatively sharp distribution, while a negative kurtosis indicates a relatively flattened distribution;
  • a calculation step 270 of the distribution of kurtosis resulting from the calculations of step 260 is chosen as a function of the size of the input vector of the classifier and of the required precision.
  • a distribution of 64 classes corresponds to the size of the input vector of the Cooper network and provides sufficient precision for a learning window of 65,536 samples and a short-term window of 256 samples - a learning step 280 of the distribution resulting from step 270 by the first neural network 152;
  • step 300 of calculating the distribution of the instantaneous frequencies calculated in step 250, the number of classes of this distribution being chosen as a function of the size of the input vector of the classifier and of the required precision; a learning step 310 of the distribution resulting from step 300 by the second neural network 154;
  • a decision step 320 if the learning process must continue with the following recording, it returns to step 210, otherwise step 330 is carried out; and, a step 330 of saving the learning neurons and end of the learning process.
  • FIG. 3 describes a particular embodiment of the method for recognizing the two descriptors learned in the particular learning mode represented by FIG. 2.
  • a step of acquisition 410 of the vibratory signal, by the analog-digital converter 132, with anti-aliasing filtering The signal is stored in an acquisition register and the process waits for this register to be filled before proceeding to the next step 420.
  • the size of the acquisition register is determined as a function of the duration of observation of the signal chosen, the memory capacity required, and the response time required by the control process if necessary;
  • a step 420 for positioning the recognition window at the start of the process the recognition window is positioned at the start of the acquisition register. It has the same limits as the learning window.
  • the recognition window is moved by a number of samples equal to or less than that which it contains, a lower number being chosen if it is desired to overlap the recognition windows;
  • a filtering step 430 applying a digital filter to the signal from step 420.
  • the cutoff frequencies are the same as those chosen for the learning illustrated in FIG. 2;
  • step 460 for calculating the Kurtosis of the envelope for each short-term window contained in the learning window; - a calculation step 470 of the distribution of Kurtosis resulting from the calculations of step
  • a decision step 520 if the recognition window has not reached the end of the acquisition register, the recognition method resumes at step 520; otherwise, it proceeds to step 530; and
  • the first neural network recognizes or not the learned category. For example, in the case where we have learned "good bearings", if the network does not recognize this category it is because transient phenomena of shock type disturb the signal present in the recognition window. If when the window is moved the shocks persist, it is possible to diagnose shocks of the outer ring or inner ring for the bearing in question. If these shocks are not present for each recognition window, we can diagnose ball shocks. The method saves this information in step 530.
  • the second neural network recognizes or not the learned category. For example in the case where we would have learned "good bearings” if the network does not recognize this category it is because stationary phenomena (so-called “non-superfinishing" defect) disturb the signal present in the recognition window. Generally these faults persist when the recognition window is moved, the diagnosis is then well confirmed. The method saves this information in step 530.
  • FIG. 4 represents two distributions 600 and 610 of the kurtosis of the signal envelope as calculated at l step 270 of FIG. 2, one, distribution 600, for a bearing recognized as "good” and the other, distribution 610, for a bearing having shocks.
  • the distribution 600 extends over a small width, to the left of the graph and has a marked peak while the distribution 610 extends a greater width, more to the right of the graph and has a smaller peak. All or part of these characteristics are used by the first neural network 152 according to the method illustrated in FIGS. 2 and 3 to identify the quality of the ball bearings.
  • FIG. 5 represents two distributions 650 and 660 of the instantaneous frequencies as calculated in step 300 of FIG. 2, one, distribution 650, for a bearing recognized as "good” and the other, distribution 660, for a bearing presenting a stationary defect (so-called “non-superfinishing" defect).
  • the distribution 650 has a peak and an average located more to the right than the distribution 660.
  • the classifier used for this example application is formed of two Cooper networks with three layers of neurons, the dimension of each input vector is 64 bytes.
  • the learning window was set at 65536 samples.
  • the short-term window was fixed at 256 samples.
  • For each training we presented to the first Cooper network a vector of 64 values representing the distribution of the kurtosis of the signal envelope calculated for the 256 short-term windows contained in the training window and to the second Cooper network a vector of 64 values representing the distribution of the instantaneous frequencies of all the samples in the learning window. Since the learning base consists of five recordings, each lasting 10 seconds, of bearings recognized as "good" by a specialist, we therefore learned two descriptors per rotation.
  • the device and the method which are the subject of the present invention do not apply only to tests with rotation of a part but to any analytical signal resulting from excitations, shocks or resonances locally affecting the signal and its distribution which represents, in a synthetic way, the response to all of these excitations with optimal temporal resolution, because, for each sample of the digitized signal, a value of the local variables, instantaneous frequency, envelope and instantaneous bandwidth is obtained.
  • the distribution of these local variables operates a significant data compression compared to the sampled signal according to the number of classes specified to calculate the histogram and allows a classification time fast enough to be compatible with the needs of industrial production.
  • the present invention makes it possible to produce apparatus which can either be installed in an industrial control bench or miniaturized for carrying out tests in preventive maintenance.
  • To the neural network which operates an unambiguous discrimination, it provides a relevant and invariant descriptor (compared to the amplitude of the vibratory signal received) and makes it possible to advantageously replace the methods currently used, including by human analysis.

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Abstract

Le dispositif de test comporte: un capteur de signaux vibratoires (110) fournissant un signal en fonction du temps ; un moyen d'extraction de caractéristiques (120, 122) qui extrait du signal fonction du temps au moins une caractéristique d'une distribution temps/fréquences ; et un moyen de classification (150, 152) des signaux vibratoires en fonction de chaque caractéristique extraite. Dans des modes de réalisation, le capteur de signaux vibratoires est un microphone acoustique, le moyen d'extraction de caractéristiques calcule une distribution de la fréquence instantanée par application numérique de la transformée de Hilbert et/ou l'enveloppe du signal analytique par application numérique de la transformée de Hilbert, et/ou le moyen de classification comporte un réseau de neurones.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE TEST COMPORTANT UN CAPTEUR DE SIGNAUX VIBRATOIRES
La présente invention concerne un procédé et un dispositif de test. Elle s'applique, en particuliers aux tests de pièces mécaniques comportant une surface de révolution, par exemple des roulements à billes, des pistons, des engrenages, des collecteurs de moteurs à courant continu ou des soupapes. Elle permet le tri de pièces en cours de production et la maintenance préventive de pièces mécaniques en mouvement et, plus généralement l'identification et la classification de sources de vibrations, y compris acoustiques. Pour tester des pièces possédant une surface de révolution, il est connu de mettre cette pièce en rotation autour de son axe de révolution, de mettre en appui sur cette surface un accéléromètre et d'analyser le signal sortant de l'accéléromètre, par exemple en lui appliquant une transformation de Fourier puis un seuil de tolérance. Cette méthode présente des inconvénients. La détermination d'un seuil de tolérance est un procédé de classification simple qui amène à des rejets de bonnes pièces ou des acceptations de pièces défectueuses. D'autre part, la transformation de Fourier discrète en tant que descripteur du signal observé ne permet pas de décrire l'évolution temporelle du contenu fréquentiel du signal dans des intervalles de temps très courts du fait de la perte de la résolution fréquentielle. Dans d'autres domaines, par exemple le dénombrement d'une population d'oiseaux en fonctions de leurs chants, les systèmes actuels permettent, au mieux de déterminer quelles espèces d'oiseaux sont présentes mais pas de compter les individus de chaque espèce. Enfin, dans le domaine de la biométrie, les systèmes actuels nécessitent des composants particuliers, comme capteur d'empreintes. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. A cet effet, la présente invention vise, selon un premier aspect, un dispositif d'analyse, caractérisé en ce qu'il comporte :
- un capteur de signaux vibratoires fournissant un signal en fonction du temps ;
- un moyen d'extraction de caractéristiques qui extrait du signal fonction du temps au moins une caractéristique d'une distribution temps/fréquences ; et
- un moyen de classification des signaux vibratoires en fonction de chaque caractéristique extraite.
Grâce à ces dispositions, l'analyse des signaux vibratoires, par exemple acoustiques, permet de classer les sources de ces signaux, pièces en rotation ou oiseaux, par exemple, de manière très précise et fiable. Selon des caractéristiques particulières, le capteur de signaux vibratoires est un microphone acoustique. Grâce à ces dispositions, l'analyse de pièces mécaniques peut être effectuée à distance selon toutes les directions de vibration des dites pièces.
Selon des caractéristiques particulières, le moyen d'extraction de caractéristiques est adapté à calculer la fréquence instantanée par application numérique de la transformée de Hilbert.
Grâce à ces dispositions, on obtient une caractéristique du signal qui présente une résolution temporelle optimale car à chaque échantillon du signal numérisé correspond une valeur de fréquence instantanée. Cette caractéristique particulière dans le domaine fréquentiel n'est pas affectée par le niveau global du signal, soit la distance du microphone à la source par exemple. Enfin cette variable locale qui est le barycentre de la distribution de Wigner-Ville, c'est à dire du spectre instantané, permet d'évaluer par sa distribution le déplacement du spectre ou l'évolution d'une réponse fréquentielle dans une bande spectrale étroite en fonction d'excitations particulières. Une distribution de cette variable locale dans une fenêtre temporelle déterminée ou une caractérisation de cette distribution telle que kurtosis ou skewness dans une fenêtre court terme, permettent d'identifier des modes d'excitation particuliers.
Selon des caractéristiques particulières, le moyen d'extraction de caractéristiques est adapté à calculer l'enveloppe du signal analytique par application numérique de la transformée de Hilbert et sa distribution dans une fenêtre temporelle déterminée.
Grâce à ces dispositions, une distribution de cette variable locale dans une fenêtre temporelle déterminée ou une caractérisation de cette distribution telle que kurtosis ou skewness dans une fenêtre court terme, permettent d'identifier des modes d'excitation particuliers notamment des phénomènes transitoires qui s'apparentent à des chocs. Selon des caractéristiques particulières, le moyen d'extraction de caractéristiques est adapté à calculer la largeur du spectre instantané par application numérique de la transformée de Hilbert et de la formulation de Cohen et Lee.
Grâce à ces dispositions, une distribution de cette variable locale dans une fenêtre temporelle déterminée ou une caractérisation de cette distribution telle que kurtosis ou skewness dans une fenêtre court terme, permettent d'identifier des modes d'excitation particuliers notamment des phénomènes transitoires qui s'apparentent àdes chocs produisant un effet proche de l'impulsion de Dirac occupant instantanément un spectre très large.
Selon des caractéristiques particulières, le moyen d'extraction de caractéristiques est adapté à calculer l'énergie du signal dans une fenêtre court terme soit en faisant la somme des carrés de chaque échantillon de la fenêtre court terme soit en faisant une transformée de Fourier de la fenêtre court terme et en calculant la somme des carrés des modules de chaque fréquence divisée par le nombre d'échantillons de la fenêtre court terme divisé par deux.
Grâce à ces dispositions, l'évolution de l'énergie de chaque fenêtre court terme dans le temps permet d'identifier des modes d'excitation particuliers notamment les phénomènes transitoires qui s'apparentent à des chocs.
Selon des caractéristiques particulières, le moyen de classification comporte un réseau de neurones.
Grâce à ces dispositions, le procédé sépare les classes dans un espace multidimensionnel éliminant les recouvrements propres aux méthodes traditionnelles de seuillage.
Selon des caractéristiques particulières, le moyen de classification est adapté à effectuer un apprentissage de caractéristiques de signaux vibratoires pour les différentes classes qu'il doit discriminer. Grâce à ces dispositions, le dispositif de test est capable d'apprendre les caractéristiques des signaux vibratoires correspondant à des classes définies par l'opérateur en fonction d'autres caractéristiques acoustiques, physiques ou autres
La présente invention vise, selon un deuxième aspect, un procédé d'analyse, caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape de capture de signaux vibratoires fournissant un signal en fonction du temps ;
- une étape d'extraction de caractéristiques au cours de laquelle on extrait du signal fonction du temps au moins une caractéristique d'une distribution temps/fréquences ; et
- une étape de classification des signaux vibratoires au cours de laquelle on classe les signaux vibratoires en fonction de chaque caractéristique extraite. Les avantages, buts et caractéristiques particulières de ce procédé étant identiques à ceux du dispositif tel que succinctement exposé ci-dessus, ils ne sont pas détaillés ici.
D'autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite, dans un but explicatif et nullement limitatif en regard des dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 représente un mode particulier de réalisation du dispositif objet de la présente invention,
- la figures 2 représente un mode particulier de réalisation du procédé objet de la présente invention, réalisant la fonction d'apprentissage, - la figures 3 représente un mode particulier de réalisation du procédé objet de la présente invention, réalisant la fonction de reconnaissance, - la figure 4 représente deux distributions des kurtosis de l'enveloppe du signal telles que calculées au cours d'une étape d'apprentissage illustrée en figure 2, l'une pour un roulement reconnu comme « bon » et l'autre pour un roulement présentant des chocs, et - la figure 5 représente deux distributions des fréquences instantanées telles que calculées au cours d'une étape de décision illustrée en figure 2, l'une pour un roulement reconnu comme « bon » et l'autre pour un roulement présentant un défaut stationnaire (défaut dit de "non-superfinition").
Avant d'exposer les figures en détails, on donne ci-dessous des explications d'ordre général concernant le domaine de l'invention et des éléments de modes de réalisation préférentiels.
Dans la description des modes de réalisation illustrés par les figures, on appelle "fenêtre d'apprentissage" un nombre d'échantillons prélevé dans le signal et qui correspond à un intervalle de temps dimensionné par l'opérateur, et "fenêtre de reconnaissance" un nombre d'échantillons, prélevé dans le signal, égal à celui de la fenêtre d'apprentissage. La dimension temporelle de la fenêtre d'apprentissage est choisie suffisamment grande pour que les événements récurrents y soient largement représentés. Par exemple on prendra entre 0,6 s et 1 ,5 s pour un roulement mis en rotation à 1800 tours par minute. Dans la description des modes de réalisation illustrés par les figures, on appelle
"fenêtre court terme" un nombre d'échantillons prélevé dans un signal fonction du temps et qui correspond à un intervalle de temps suffisamment court par rapport à la récurrence des défauts. Par exemple on prendra 5 à 6 millisecondes pour des chocs roulements qui se répètent à une fréquence voisine de 12Hz. Dans toute la description, on appelle "descripteur" une caractéristique du signal dans le domaine temps-fréquence. Le descripteur est, dans différents modes de réalisation, une distribution de variables locales calculées dans l'intervalle de temps défini par la fenêtre d'apprentissage ou une distribution de paramètres décrivant les distributions de ces variables locales pour chacune des fenêtres court terme contenues dans l'intervalle défini par la fenêtre d'apprentissage. On donne ci-dessous des exemples de descripteur :
- distribution de la fréquence instantanée ,
- distribution des valeurs de l'enveloppe,
- distribution des valeurs de la largeur de bande spectrale instantanée (en anglais "Instantaneous Bandwidth" Bi(t)= A'(t)/A(t), décrit par les auteurs
Cohen et Lee), - une distribution de paramètres décrivant les distributions de ces variables locales pour chacune des fenêtres court terme contenues dans l'intervalle défini par la fenêtre d'apprentissage, par exemple : o Kurtosis, le moment d'ordre 4 de la distribution qui décrit l'étalement, et o Skewness, le moment d'ordre 3 de la distribution qui décrit la symétrie.
Dans d'autres modes de réalisation le descripteur est une distribution de paramètres tels que Kurtosis et Skewness décrivant les distributions de fréquences obtenues par le calcul des distributions de Wigner-Ville, Choï-William, Rihaczeck ou de la
Transformée de Fourier à Court Terme (TFCT). Un descripteur est fourni par un moyen d'extraction de caractéristiques, dans l'exemple ci-dessous, un microprocesseur. Dans toute la description, on appelle
"classificateur" ou moyen de classification, un moyen d'analyse d'une caractéristique du signal dans le domaine temps-fréquence. Le classificateur est, dans des modes de réalisation préférentiels, un réseau de neurones, sous forme logicielle ou sous forme d'un composant électronique. Le classificateur met en oeuvre, dans d'autres modes de réalisation, la logique floue.
On définit ici les termes suivants :
- "domaine temps-fréquence" : La majorité des signaux observables dans des situations concrètes sont non-stationnaires. C'est l 'évolution temporelle du contenu fréquentiel du signal qui permet de l'identifier ou de le classifier. Le timbre d'un instrument musical par exemple est identifiable par l'évolution de sa composition spectrale dans le temps. Les méthodes temps-fréquence prennent explicitement en compte une possible évolution temporelle du contenu fréquentiel d'un signal
- "signal analytique" : La notion de signal analytique a été introduite par Ville (J. Ville, W., "Théorie et Applications de la Notion de Signal Analytique", Câbles et
Transmission, Vol. 2a, pp. 61-74, 1948 ) Tout signal de la forme x(t) peut être représenté sous une forme analytique c'est à dire comme un vecteur dont le module et la vitesse de rotation peuvent varier au cours du temps. Au signal réel x(t) on associe une partie imaginaire iy(t) obtenue par l'application de la transformée de Hilbert et l'on peut alors définir une amplitude instantanée A(t) que nous avons nommée enveloppe et une fréquence instantanée fi(t).
En figure 1 sont représentés une pièce mise en rotation 100 par des moyens (non représentés), des capteurs 110 de signaux vibratoires, par exemple acoustiques, une carte à microprocesseur 120 comportant un microprocesseur 122 et ses périphériques mémoire 124 et entrées/sorties 126, une carte d'acquisition 130 comportant un convertisseur analogique-numérique 132, un bus de données 140 reliant les différentes cartes, une carte 150 à réseau de neurones comportant premier un réseau de neurones 152 et un deuxième réseau de neurones 154. Le microprocesseur 122 met en oeuvre un logiciel mettant en oeuvre le procédé objet de la présente invention et respectant l'algorithme illustré en figure 2. Le microprocesseur est adapté à mettre en oeuvre l'organigramme illustré en figure 2. Dans le prototype mis au point par l'inventeur, le réseau de neurones 152 est un réseau de Cooper, connu sous le nom de "RCE" (acronyme de Restricted Coulomb Energy). Cependant, d'autres réseaux de neurones, y compris logiciels, peuvent être mis en oeuvre et le moyen de classification peut ne pas mettre en oeuvre de réseau de neurones. La figure 2 décrit un mode particulier de réalisation du procédé d'apprentissage de deux descripteurs, l'un permettant de discriminer les défauts transitoires du type chocs utilisant une fenêtre court terme pour découper l'intervalle défini par la fenêtre d'apprentissage, et l'autre permettant de discriminer des défauts stationnaires comme la présence en permanence de fréquences particulières durant l'intervalle défini par la fenêtre d'apprentissage. Chaque descripteur sera appris par un réseau de neurones différent.
On observe en figure 2 :
- une étape 210 d'acquisition du signal vibratoire, par le convertisseur analogique- numérique 132, avec filtrage anti-repliement, ou de lecture d'un enregistrement numérique de signaux vibratoires dans une base de données d'apprentissage.
Dans un mode particulier, cette base est constituée d'enregistrements de signaux vibratoires classés comme "bons", sans défauts, par l'opérateur. Le contenu du fichier est transféré dans la mémoire vive 124 de la carte à micro-processeur 120 ;
- une étape de filtrage 220 appliquant un filtre numérique au signal issu de l'étape 210. Les fréquences de coupures sont choisies, par exemple, pour éliminer les interférences (dans les basses fréquences le plus souvent) ou bien pour isoler la bande spectrale dans laquelle l'évolution fréquentielle correspond à une signature particulière ;
- une étape de calcul du signal analytique 230 pour tout le signal enregistré : pour un signal x(t), x étant un nombre réel, le signal analytique correspondant est de la forme z(t) = x(t) + iy(t), formule dans laquelle iy(t) est la transformée de Hilbert de x(t) et constitue la partie imaginaire de z(t). On obtient y(t) en déphasant le signal x(t) de pi/2 (signal en quadrature) ;
- une étape de positionnement de la fenêtre d'apprentissage 240. Le choix du positionnement dépend de la portion de l'enregistrement sur laquelle on va procéder à l'apprentissage ; - une étape de calcul 250 de la fréquence instantanée fi(t) et de l'enveloppe correspondant à chaque échantillon de la fenêtre d'apprentissage. On peut calculer la fréquence instantanée en appliquant fi(t) = 1/2pi [x(t)y'(t)- x'Myfty^+y2)] ; on Peut également calculer la fréquence instantanée fi(t) à partir des dérivées premières et secondes de x(t) et y(t) soit fi(t) = 1/2pi [x'(t)y"(t)- x"(t)y'(t)/(x'2+y'2)]. L'enveloppe s'obtient par le calcul du module A(t) qui est la racine carrée de (x(t)2+y(t)2) ;
- une étape de calcul 260 du kurtosis de l'enveloppe pour chaque fenêtre court terme contenue dans la fenêtre d'apprentissage. Soit, pour une fenêtre d'apprentissage de 65536 échantillons et une fenêtre court terme de 256 échantillons on calcule 65536/256 = 256 kurtosis. Le kurtosis est calculé en utilisant la formule :
Figure imgf000009_0001
Le kurtosis caractérise la forme de pic ou l'aplatissement relatifs d'une distribution comparée à une distribution normale. Un kurtosis positif indique une distribution relativement pointue, tandis qu'un kurtosis négatif signale une distribution relativement aplatie ;
- une étape de calcul 270 de la distribution des kurtosis issus des calculs de l'étape 260. Le nombre de classes de cette distribution est choisi en fonction de la taille du vecteur d'entrée du classifieur et de la précision requise. Dans l'exemple illustré aux figures 4 et 5, une distribution de 64 classes correspond à la taille du vecteur d'entrée du réseau de Cooper et apporte une précision suffisante pour une fenêtre d'apprentissage de 65536 échantillons et une fenêtre court terme de 256 échantillons - une étape d'apprentissage 280 de la distribution issue de l'étape 270 par le premier réseau de neurones 152 ;
- une étape de calcul 300 de la distribution des fréquences instantanées calculées à l'étape 250, le nombre de classes de cette distribution étant choisi en fonction de la taille du vecteur d'entrée du classifieur et de la précision requise ; - une étape d'apprentissage 310 de la distribution issue de l'étape 300 par le deuxième réseau de neurones 154 ;
- une étape de décision 320 : si le procédé d'apprentissage doit se poursuivre avec l'enregistrement suivant, il retourne à l'étape 210, sinon l'étape 330 est effectuée ; et, - une étape 330 de sauvegarde des neurones d'apprentissage et fin du procédé d'apprentissage.
La figure 3 décrit un mode particulier de réalisation du procédé de reconnaissance des deux descripteurs appris dans le mode particulier d'apprentissage représenté par la figure 2.
On observe en figure 3 :
- une étape d'acquisition 410 du signal vibratoire, par le convertisseur analogique- numérique 132, avec filtrage anti-repliement. Le signal est stocké dans un registre d'acquisition et le procédé attend que ce registre soit rempli avant de passer à l'étape suivante 420. La dimension du registre d'acquisition est déterminée en fonction de la durée d'observation du signal choisie, de la capacité mémoire nécessaire, et du temps de réponse exigé par le processus de contrôle le cas échéant ;
- une étape de positionnement 420 de la fenêtre de reconnaissance : au commencement du processus la fenêtre de reconnaissance est positionnée au début du registre d'acquisition. Elle a les mêmes bornes que la fenêtre d'apprentissage. A chaque retour à l'étape 420, la fenêtre de reconnaissance est déplacée d'un nombre d'échantillons égal ou inférieur à celui qu'elle contient, un nombre inférieur étant choisi si on souhaite un recouvrement des fenêtres de reconnaissance ;
- une étape de filtrage 430 appliquant un filtre numérique au signal issu de l'étape 420. Les fréquences de coupures sont les mêmes que celles choisies pour l'apprentissage illustré en figure 2 ;
- une étape de calcul du signal analytique 440 correspondant à chaque échantillon de la fenêtre d'apprentissage ;
- une étape de calcul 450 de la fréquence instantanée et de l'enveloppe correspondant à chaque échantillon de la fenêtre d'apprentissage ;
- une étape de calcul 460 du Kurtosis de l'enveloppe pour chaque fenêtre court terme contenue dans la fenêtre d'apprentissage ; - une étape de calcul 470 de la distribution des Kurtosis issus des calculs de l'étape
460. Le nombre de classes de cette distribution est le même que celui fixé pour l'apprentissage illustré en figure 2 ;
- une étape de classification 480 de la distribution issue de l'étape 470, par le premier réseau de neurones 152 ; - une étape de calcul 500 de la distribution des fréquences instantanées calculées à l'étape 450, le nombre de classes de cette distribution étant le même que celui fixé pour l'apprentissage illustré en figure 2 ;
- une étape de classification 510 de la distribution issue de l'étape 500, par le deuxième réseau de neurones 154 ;
- une étape de décision 520 : si la fenêtre de reconnaissance n'a pas atteint la fin du registre d'acquisition, le procédé de reconnaissance reprend à l'étape 520 ; sinon, il passe à l'étape 530 ; et
- une étape 530 de sauvegarde des réponses d'au moins un réseau de neurone et de fin du procédé de reconnaissance.
A l'étape de classification 480, le premier réseau de neurones reconnaît ou non la catégorie apprise. Par exemple, dans le cas où on aurait appris des « bons roulements », si le réseau ne reconnaît pas cette catégorie c'est parce que des phénomènes transitoires de type chocs perturbent le signal présent dans la fenêtre de reconnaissance. Si lorsqu'on déplace cette fenêtre les chocs persistent on peut diagnostiquer des chocs bague extérieure ou bague intérieure pour le roulement considéré. Si ces chocs ne sont pas présents pour chaque fenêtre de reconnaissance on peut diagnostiquer des chocs billes. Le procédé sauvegarde ces informations à l'étape 530.
A l'étape de classification 510, le second réseau de neurones reconnaît ou non la catégorie apprise. Par exemple dans le cas où on aurait appris des « bons roulements » si le réseau ne reconnaît pas cette catégorie c'est parce que des phénomènes stationnâmes (défaut dit de "non-superfinition") perturbent le signal présent dans la fenêtre de reconnaissance. Généralement ces défauts persistent lorsqu'on déplace la fenêtre de reconnaissance, le diagnostic est alors bien confirmé. Le procédé sauvegarde ces informations à l'étape 530.
On donne ci-dessous, en regard des figures 4 et 5 , un exemple d'application de la présente invention à l'identification de défauts de roulements à billes. Dans cette application, on applique une charge, c'est à dire une force, à la couronne externe d'un roulement à billes, qui est fixe, et on met en rotation la couronne interne à 1800 tours par minute. Le capteur 110 utilisé dans cet exemple est un accelérometre fixé sur la bague extérieure et l'acquisition se fait à la fréquence de 44100 Hz. La figure 4 représente deux distributions 600 et 610 des kurtosis de l'enveloppe du signal telles que calculées à l'étape 270 de la figure 2, l'une, distribution 600, pour un roulement reconnu comme « bon » et l'autre, distribution 610, pour un roulement présentant des chocs. On observe que la distribution 600 s'étend sur une faible largeur, à gauche du graphe et présente un pic marqué alors que la distribution 610 s'étend une plus grande largeur, plus à droite du graphe et présente un pic moins important. Tout ou partie de ces caractéristiques sont exploitées par le premier réseau de neurones 152 selon le procédé illustré en figures 2 et 3 pour identifier la qualité des roulements à billes.
La figure 5 représente deux distributions 650 et 660 des fréquences instantanées telles que calculées à l'étape 300 de la figure 2, l'une, distribution 650, pour un roulement reconnu comme « bon » et l'autre, distribution 660, pour un roulement présentant un défaut stationnaire (défaut dit de "non-superfinition").
On observe que la distribution 650 présente un pic et une moyenne situés plus à droite que la distribution 660. Ces caractéristiques sont exploitées par le deuxième réseau de neurones 154 illustré en figure 1 selon le procédé illustré en figures 2 et 3 pour identifier la qualité des roulements à billes.
Le classifieur utilisé pour cet exemple d'application est formé de deux réseaux de Cooper à trois couches de neurones, dont la dimension de chaque vecteur d'entrée est de 64 octets. La fenêtre d'apprentissage a été fixée à 65536 échantillons. La fenêtre court terme a été fixée à 256 échantillons. Pour chaque apprentissage, on a présenté au premier réseau de Cooper un vecteur de 64 valeurs représentant la distribution du kurtosis de l'enveloppe du signal calculée pour les 256 fenêtres court-terme contenues dans la fenêtre d'apprentissage et au deuxième réseau de Cooper un vecteur de 64 valeurs représentant la distribution des fréquences instantanées de tous les échantillons de la fenêtre d'apprentissage. La base d'apprentissage étant constituée de cinq enregistrements, de durée de 10 secondes, de roulements reconnus comme « bons » par un spécialiste, on a donc appris deux descripteurs par roulement. Lors de la phase de reconnaissance, chaque réseau de Cooper compare le vecteur Ve qui lui est présenté aux vecteurs appris Va, en calculant la distance d telle que d = somme des valeurs absolues de (Ve-Va).
Lorsque cette distance est inférieure à une valeur (champ d'influence) fixée lors de l'apprentissage, il reconnaît l'appartenance du vecteur Ve à la catégorie apprise représentée par Va. Nous avons présenté 53 enregistrements de roulements considérés comme « bons » roulements qui ont été reconnus comme bons par les deux réseaux de Cooper. Nous avons ensuite présenté 21 enregistrements de roulements présentant des défauts de type stationnaire qui ont été rejetés à 100% par le deuxième réseau (histogramme de la fréquence instantanée) et 50 roulements présentant des défauts de type transitoires (chocs) qui ont été rejetés à 100% par le premier réseau (distribution du kurtosis de l'enveloppe). On observe que le dispositif et le procédé objets de la présente invention ne s'appliquent pas uniquement aux tests avec mise en rotation d'une pièce mais à tout signal analytique résultant d'excitations, de chocs ou résonances affectant localement le signal et sa distribution qui représente, de façon synthétique, la réponse à l'ensemble de ces excitations avec une résolution temporelle optimale, parce que, pour chaque échantillon du signal numérisé, on obtient une valeur des variables locales, fréquence instantanée, enveloppe et largeur de bande instantanée. La distribution de ces variables locales opère une compression de données importante par rapport au signal échantillonné selon le nombre de classes spécifiées pour calculer l'histogramme et permet un temps de classement suffisamment rapide pour être compatible avec les besoins de la production industrielle. La présente invention permet de réaliser un appareillage pouvant être soit implanté dans un banc de contrôle industriel soit miniaturisé pour effectuer des tests en maintenance préventive. Au réseau de neurones qui opère une discrimination sans ambiguïté, elle apporte un descripteur pertinent et invariant (par rapport à l'amplitude du signal vibratoire reçu) et permet de remplacer avantageusement les méthodes actuellement utilisées, y compris par analyse humaine.

Claims

REVENDICATIONS :
1 - Dispositif de test, caractérisé en ce qu'il comporte :
- au moins un capteur de signaux vibratoires (110) fournissant un signal en fonction du temps ;
- un moyen d'extraction de caractéristiques (120, 122) qui extrait du signal fonction du temps au moins une caractéristique d'une distribution temps/fréquences ; et
- un moyen de classification (150, 152) des signaux vibratoires en fonction de chaque caractéristique extraite. 2 - Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'au moins un capteur de signaux vibratoires (110) est un microphone acoustique.
3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen d'extraction de caractéristiques (120, 122) est adapté à calculer la fréquence instantanée par application numérique de la transformée de Hilbert. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le moyen d'extraction de caractéristiques (120, 122) est adapté à calculer l'enveloppe du signal analytique par application numérique de la transformée de Hilbert et sa distribution dans une fenêtre temporelle déterminée.
5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen d'extraction de caractéristiques (120, 122) est adapté à calculer la largeur du spectre instantané par application numérique de la transformée de Hilbert et de la formulation de Cohen et Lee.
6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le moyen de classification (150, 152) est adapté à effectuer un apprentissage de caractéristiques de signaux vibratoires pour les différentes classes qu'il doit discriminer.
7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le moyen de classification (150, 152) comporte au moins un réseau de neurones (152, 154). 8 - Procédé de test, caractérisé en ce qu'il comporte :
- une étape d'acquisition de signaux vibratoires (410 - 430) fournissant un signal en fonction du temps ;
- une étape d'extraction de caractéristiques (440 - 470) qui extrait du signal fonction du temps au moins une caractéristique d'une distribution temps/fréquences ; et - une étape de classification (480) des signaux vibratoires en fonction de chaque caractéristique extraite. 9 - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que, au cours de l'étape d'extraction (440 - 470) de caractéristiques, on calcule une distribution de la fréquence instantanée (450) par application numérique de la transformée de Hilbert.
10 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que au cours de l'étape d'extraction (440 - 470) de caractéristiques, on calcule l'enveloppe (450) du signal analytique par application numérique de la transformée de Hilbert et sa distribution dans une fenêtre temporelle déterminée.
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