一种基于内置编码器的机床伺服轴性能退化评估系统的制作方法

本发明属于机械系统健康监测、故障诊断、性能评估的机械信号处理技术领域，尤其是涉及一种基于内置编码器的机床伺服轴性能退化评估系统。

背景技术：

精密机床设备伺服轴零部件(如电机、减速器、轴承、滚珠丝杠等)的性能及装配通常都是完好的。然而，在设备的服役过程中，受关键零部件的早期缺陷发展影响，设备的运行精度和性能会逐步衰退，进而影响加工质量甚至导致故障停车等事故。开展状态评估是对设备实施健康管理和维护的前提，也是确保设备可靠、高效高精度运行的有效手段。然而，相对于常用设备，精密数控机床等加工装备的结构非常复杂，退化故障也具有多样性。因此设备的振动信息也更加复杂，表征伺服轴运动部件微弱退化的特征信息通常被复杂的结构振动和环境噪声信息淹没，使得现有的以振动和噪声为基础的性能退化评估方法很难直接应用。此外，对于一些精密设备，受苛刻的工作环境限制(如冷却液喷洒、有限的机体空间、封闭工作环境等)，很难额外安装传感单元。在这一背景之下，迫切需要一种更加有效的测试评估技术以提高机床伺服轴性能评估的准确性。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于内置编码器的机床伺服轴性能退化评估系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于内置编码器的机床伺服轴性能退化评估系统，包括：

工况设定模块，用于控制设定被评估伺服轴的工作速度恒定；

采集模块，与所述内置编码器连接，用于获取所述内置编码器输出的角位置增量信息；

性能退化特征指标获取模块，用于对所述角位置增量信息进行转换处理，并获得被评估伺服轴的性能退化特征指标。

进一步地，所述采集模块包括一张计数板卡。

进一步地，所述性能退化特征指标获取模块包括：

趋势量去除单元，用于对所述角位置增量信息进行趋势量去除，得到离散角位置信息波动量序列：

式中，v0为电机内置编码器的转速，n为离散序列的点数，v0n为趋势量，为角位置增量信息，为离散角位置信息波动量序列；

傅里叶变换单元，用于对所述离散角位置信息波动量序列进行傅里叶变换处理，获得对应的瞬时角加速度离散序列为：

式中，a(n)为瞬时角加速度离散序列，n为离散角位置序列的长度，k为离散频率，c(k)为权重傅里叶系数；

小波变换单元，用于对所述瞬时角加速度离散序列进行连续小波变换，获得对应的时频域表达形式：

式中，ψ(t)为母小波函数，x(t)为待分析信号，s为尺度因子，f为等效傅里叶频率，t为时间因子，*表示取共轭；

指标计算单元，用于计算基于连续小波变换的性能退化特征指标：

式中，wtif为性能退化特征指标，b＝[fmin，fmax]为选择的积分频带。

进一步地，所述傅里叶变换单元的具体过程为：

1)利用快速傅里叶变换计算离散角位置序列的傅里叶系数

2)将获得的所述傅里叶系数乘以权重系数-(2πfsn/n)²，得到权重傅里叶系数：

3)对所述权重傅里叶系数进行快速傅里叶逆变换，得到所述瞬时角加速度离散序列。

进一步地，所述小波变换单元中的母小波函数为：

式中，σ为衰减因子，f为morlet母小波的频率。

进一步地，所述性能退化特征指标的值越大，则伺服轴性能退化越严重。

与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：

本发明采用机床电机上用于运动反馈控制的编码器信息作为伺服轴性能评估的信息源，不仅能够降低测试成本，提高早期故障检测的灵敏度，还能摆脱精密设备传感器安装困难的局限性。另外，本发明方法直接运用内置信息做评估，无测试成本。

附图说明

图1为实施例中测试的机床x-轴结构图；

图2为x-轴电机编码器角位置增量信息示意图，(2a)第一次测试，(2b)第二次测试；

图3为角位置信息波动量示意图，(3a)第一次测试，(3b)第二次测试；

图4为角位置信息波动频谱示意图，(4a)第一次测试，(4b)第二次测试；

图5为iaa示意图，(5a)第一次测试，(5b)第二次测试；

图6为iaa频谱示意图，(6a)第一次测试，(6b)第二次测试；

图7为wtif示意图，(7a)第一次测试，(7b)第二次测试；

图8为本发明评估的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明实现一种基于内置编码器的机床伺服轴性能退化评估系统，包括工况设定模块、采集模块和性能退化特征指标获取模块，其中，工况设定模块用于控制设定被评估伺服轴的工作速度恒定；采集模块与所述内置编码器连接，用于获取所述内置编码器输出的角位置增量信息；性能退化特征指标获取模块用于对所述角位置增量信息进行转换处理，并获得被评估伺服轴的性能退化特征指标。。所述采集模块包括一张计数板卡(如海德汉ik220计数板卡)。

如图8所示，本实施例利用上述评估系统进行评估的步骤包括：

步骤一：通过数控模块设定某型号车铣复合加工中心伺服轴(x-轴)，使其在空载状态下，恒工况运行在550mm/min的速度之下，其中x-轴的结构如图1所示。

步骤二：运用海德汉ik220计数板卡测试伺服轴(x-轴)电机内置编码器输出的角位置增量信息，其中采样频率为1000hz。本实验在加工中心服役过程中进行，一共完成了两次测试，两次测试时间间隔约为6个月。图2为两次测试获得的x-轴电机编码器的角位置增量信息。如图可知，两次测试到的信息都为两条直线，几乎不能反映任何与设备性能退化相关的信息。所获得的位置增量信息为离散数字信号，记为

步骤三：对所获得的角位置增量信息进行去趋势量，得到角位置信息波动量。记角位置增量信息的趋势量为v0n，则离散角位置信息波动量序列为：

式中，v0为电机内置编码器的转速；n为离散序列的点数。

得到两次测试的角位置信息波动量如图3所示，图4为其频谱信息。由图3与图4可知，两次测试的角位置信息存在明显的周期波动，且其波动频率等于滚珠丝杠滚珠的通过频率。但是，从图中很难进一步发现与设备性能退化相关的信息。此外，第二次测试的波动幅值反而下降了，因此如果仅仅以波动信息的幅值指标，则十分容易发生误判。

步骤四：利用快速傅里叶变换(fft)计算离散角位置序列的傅里叶系数

式中，n为离散角位置序列的长度；

k为离散频率。

步骤五：将步骤四获得的傅里叶系数乘以权重系数-(2πfsn/n)²，得到权重傅里叶系数

式中，fs为采样频率。

步骤六：对权重傅里叶系数进行快速傅里叶逆变换(ifft)，得到瞬时角加速度(instantaneousangularacceleration，iaa)离散序列为：

式中，n表示离散角位置序列的长度。

图5为运用两次测试的角位置波动信息计算所得的iaa信息，图6为其频谱图。相对于角位置波动信息，iaa更能反映系统x-轴的运动信息。由图5可知，对比两次测试，在丝杠的后半时间行程，第二次测试的iaa幅值显著增大。此外，如图6所示，两次测试的频谱中，减速器各级齿轮的啮合频率及各轴转频清晰显示。随服役时间的增加，因磨损等影响所导致的性能退化主要表现在300hz-500hz之间。

步骤七：选择用于连续小波变换的母小波函数。在对iaa信号中的性能退化特征信息进行检测时，母小波采用公式(5)所示的morlet小波：

其中：σ---衰减因子；

f---morlet母小波的频率。

本方法采用morlet小波，跟设备故障相似，更加有利于故障的提取。

步骤八：采用公式(6)对iaa信号作连续小波变换(continuewavelettransform，cwt)，获得信号的时频域表达形式：

其中：ψ(t)---所选择的母小波；

x(t)---待分析信号；

s---尺度因子；

f---为等效傅里叶频率；

t---时间因子；

*---表示取共轭；

t′---时移动因子。

步骤九：当设备发生性能退化时，会产生新的特征频率，通过选择不同的积分频带计算该指标，能够有效识别退化。本方法采用公式(7)计算基于连续小波变换的性能退化特征指标(wavelettransformintegratedfeature，wtif)如下

其中，wψ(s，t)为信号的连续小波变换，b＝[fmin，fmax]为选择的积分频带。

在本实施例中选择300-500hz为积分频带。图7为两次测试iaa的wtif指标，由图(7a)可知，在x轴传动系统处于相对健康的状态下，其iaa信号的wtif指标在整个运行区间都处在相对较低的水平。但是，随着服役时间的增加，x轴的磨损日趋严重。如图(7b)第二次测试可见，其wtif指标在第40-88秒以及100-117秒都显著增加，到近65秒和110秒左右幅值达到局部峰值。试验说明，本专利提出的方法能够较好的反映设备的性能退化。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。