[发明专利]一种基于数控机床主轴电流信号的阶次分析方法

说明书

本发明公开了一种基于数控机床主轴电流信号的阶次分析方法，包括对采集到的数控机床主轴电流信号进行计算获得主轴转速；将和电流信号同步采集的振动信号和计算得到的转速信号通过改进的二代卡尔曼滤波阶次跟踪提取每一阶阶次分量；最后画出阶次‑时间‑幅值三维阶次谱图和阶次‑转速‑幅值三维阶次谱图；本发明针对现有的有转速计转速计算方法，对于不便于安装的场合和设备，提出了一种可以通过数控机床主轴电流信号计算转速然后做三维阶次谱图。该方法不需要获取转速脉冲信号，而且计算结果优于瞬时频率估计获取转速的方法；在三维阶次谱图中可以直观的看到故障特征阶次和特征阶次幅值随时间及转速的变化情况。

技术领域

本发明属于异常状态监测与故障诊断领域，特别涉及一种基于数控机床主轴电流信号的阶次分析方法。

背景技术

阶次分析技术是旋转机械振动信号分析和故障诊断的一项重要技术。当前主要采用等角度重采样加FFT方法进行阶次跟踪，但这种方法只能得到阶次谱图和跟踪阶次谱图，不能得到阶次的时域提取。转速计算方法是进行阶次跟踪提取的前提，转速计算方法包括有转速计的转速计算和无转速计的转速计算。对于转速脉冲信号的测量，一种是接触式测量，最为常见的接触式测量是采用光电脉冲编码器来进行测量计算，另外一种是非接触式测量，该方法通过传感器将转速信号转化成一连串的脉冲信号供微处理器进行采集和处理。对于没有转速脉冲信号而只有转子振动信号的情况，根据瞬时频率与瞬时转速之间的对应关系可以得到一阶转频对应的转速。重庆大学傅炜娜《基于Vold-Kalman跟踪滤波的旋转机械阶比分析方法研究》论文研究了无转速计的瞬时频率估计方法、有转速计的转速脉冲计算转速方法和阶次分量时域提取。

对于数控机床主轴转速获取，一是可以通过机床通信接口读取转速，此方法不能得到瞬时转速，转速分辨率较低；二是通过转速计获取转速脉冲计算得到转速，但对于所测试对象结构不便或者空间不够安装转速计以及没有转速计的情况不适用；三是通过瞬时频率估计的方法获取转速，估计结果精度不如转速脉冲计算；本发明中通过安装霍尔电流传感器采集主轴电流信号，通过主轴电流信号计算转速。

此方法不需要安装转速计，不受所测对象结构限制；计算精度要优于瞬时频率估计计算转速。

对于传统的阶次谱图和阶次跟踪谱图不能得到阶次分量的时变特性，本发明中基于改进的二代卡尔曼滤波阶次跟踪得到的三维阶次谱图可以直观的看出故障特征阶次及其时变特性。另外可以将交叉耦合阶次分离解耦后成功提取出来。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于数控机床主轴电流信号的阶次分析方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于数控机床主轴电流信号的阶次分析方法，包括以下步骤：

S1，同步采集数控机床主轴电流和主轴振动的连续时域信号；

S2，使用MATLAB对步骤S1得到的主轴电流信号进行分段傅里叶级数拟合得到电流平滑时域信号；

S3，对步骤S2得到的时域信号计算得到转速曲线；

S4，对步骤S1和S3得到的振动和转速时域信号利用改进的二代卡尔曼滤波阶次跟踪方法重构每一阶次时域信号；

S5，根据步骤3得到的阶次频率成分，进而得到主轴阶次-时间-幅值的三维阶次谱图和阶次-转速-幅值的三维阶次谱图。

步骤S1包括有：

在数控机床主轴上安装三向加速度传感器和霍尔电流传感器；

通过所述传感器采集振动和电流的连续时域信号。

步骤S2包括有：

将采集到的电流信号每2倍电机极对数个周期分为一组；