[发明专利]一种基于三相瞬时功率的电主轴故障监测诊断方法

说明书

技术领域

本发明属于电主轴故障检测技术领域，具体涉及一种基于三相瞬时功率的电主轴故障监测诊断方法。

背景技术

电主轴是一种将主轴电动机和机床主轴“合二为一”的传动结构形式，机床主轴由内装式电动机直接驱动，不但具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点，还具有转速快、功率大，简化机床设计，易于实现主轴定位等优点，是高速主轴单元中的一种理想结构。随着现代工业的迅猛发展，电主轴的应用得到广泛推广，其自身也朝着高速化、高精度和精确准停等方向发展，同时需要注意到电主轴在目前的电机驱动系统的主轴故障中占40％以上。从电主轴故障的产生发展到能导致设备损坏的故障是一个过程，是否能够及早发现故障，从而对电主轴进行检修维护是延长机床使用寿命，提高加工精度的重要保证。电主轴最常见的故障是轴承磨损和转子断条故障，传统的故障监测诊断方法多采用振动信号分析轴承故障，采用定子电流信号分析转子断条故障，通过频谱分析中特征频率分量的出现确定相应故障的产生。

对于电主轴的故障监测诊断，由于电主轴的结构特点和高转速的运行特点，使用振动法和定子电流法时存在如下缺点：1)电主轴一般采用混合陶瓷球轴承，轴承磨损较为均匀，一般在滚动体和滚道上产生点蚀性的均匀麻点，轴承还未产生剥落破损已使精密加工不满足质量要求，振动分析时并没有形成明显的故障特征频率分量。2)电主轴早期故障表现出的区别于电机正常状态的故障特征通常是很微弱的，并且变频器驱动使得电主轴输入电压信号中存在着大量的电源频率调制和谐波成分，会在电流频谱中产生很多附加的干扰频率，受干扰噪声的影响，频谱中故障特征不明显。3)电主轴转速较高，一般在10000rpm及以上，高转速使得信号频率较大，定子电流分析时不仅对采样要求较高，且故障信息更易受高频噪声的干扰。转子断条故障产生会在定子电流信号中特征频率为f_b＝(1±2ks)f₁的分量，频谱分析时由于转差率s很小，最明显的特征分量1-2sf₁与中心频率f₁很接近。受频谱分辨率的限制，f₁频谱泄露较大，且在f₁和高频噪声的影响下，故障特征分量被淹没而不易检测。

发明内容

本发明的目的在于克服现有定子电流分析的不足，提供了一种基于三相瞬时功率的电主轴故障监测诊断方法，该方法在线实时监测电主轴运行特征参数，及时识别电主轴运行状态，通过与标准运行参数的比较，可有效发现故障并及时报警。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于三相瞬时功率的电主轴故障监测诊断方法，包括以下步骤：

1)采集健康电主轴在空载运行状态下的三相电压、三相电流信号，并计算得到健康电主轴的三相瞬时功率信号，设定该状态下的三相瞬时功率信号作为标准，建立健康状态下的电主轴运行数据库；

2)启动机床，稳定运行后采集待测电主轴在空载状态下的三相电压、三相电流信号，并通过计算得到待测电主轴的三相瞬时功率信号；

3)通过组合滤波器对待测电主轴的三相瞬时功率信号进行滤波处理，消除2倍电源频率调制信号及转频倍频的干扰；

4)对滤波处理后的待测电主轴的三相瞬时功率信号进行时域分析，如果滤波处理后的三相瞬时功率信号的RMS值小于其设定波动阈值，则将滤波处理后的三相瞬时功率信号的均值与有功功率阈值相比，如果其均值小于有功功率阈值，则判定待测电主轴处于健康状态，反之，判定待测电主轴的轴承磨损；如果滤波处理后的三相瞬时功率信号的RMS值大于其设定波动阈值，则对滤波处理后的三相瞬时功率信号进行频谱分析，如果有故障特征频率2ksf1产生，则判定待测电主轴的转子断条，反之，判定待测电主轴处于健康状态。

本发明进一步改进在于，步骤1)和步骤2)中，三个微型电压互感器的一端分别连接在调理电路板上，其另一端连接在配电柜的接线盒上，三个电流钳安装在配电柜中变频器的输出电线上；首先通过微型电压互感器和电流钳分别提取电主轴三相电压、三相电流，其次通过信号调理模块的放大滤波预处理，然后以包含6路24位输入数据通道的数据采集卡采集信号，并通过以太网口在线实时将数据上传至上位机进行分析处理。

本发明进一步改进在于，步骤3)中，组合滤波器为椭圆低通滤波器和多个陷波器，通过椭圆低通滤波器滤除待测电主轴三相瞬时功率信号的高频噪声，通过多个陷波器串联滤除待测电主轴三相瞬时功率信号的2倍电源频率调制分量和转频的2倍频及其谐波分量。