专利名称：一种免疫随机共振的机床传动系统电流特征频率提取方法
技术领域：
本发明涉及机床传动特征提取技术领域，具体涉及一种免疫随机共振的机床传动系统电流特征频率提取方法。
背景技术：
国内高档数控机床与国外同类机床的一项很主要差距就是精度保持问题，而导致精度异常及丧失的一个重要因素就是功能部件的运行缺陷。虽然数控系统目前自带的自诊断功能可以检测大部分电气系统故障，但是对机床运行期间引起器质性故障的问题却无能为力，如机床的主轴振动、丝杠磨损等缺陷。因此，如何检测出由于运动系统造成的机床故障就成为制约机床加工精度保持稳定的瓶颈问题。由于数控机床的封闭特性造成了外部传感器安装困难，难以实施。即使勉强安装上，振动信息耦合性较强等因素也制约了机床运动部件的弱特征提取效果。而基于伺服电机电流的无传感器测量成为数控机床运行精度研究的一个重要手段，即由于电机定子和驱动装置的连接，在伺服电机电流信号中包含了机床运动部件的信息，如进给系统中的丝杠、 传动系统中的齿轮等部件的运行状态。但是，在交流伺服电机定子电流信号中，由于伺服电机的谐波分量众多，最终导致电流信号中的运动系统状态特征频率微弱，往往被噪声淹没， 难以识别。为了有效提取出电流信号中的微弱特征分量，随机共振方法从另一个角度提供了弱信号检测的有效手段，即通过添加合适的噪声使非线性系统放大周期输入信号实现弱信号提取。然而在实际应用中，大多数物理信号均不能满足随机共振的条件，因此，为了使大参数信号的双稳态系统达到共振，一般需要对二次采样条件下的结构系统参数进行调节， 而目前国内的现有研究主要针对单参数或双参数进行优化选择，没有考虑到二次采样尺度与结构系统参数的协同效应，即二次采样尺度的变化导致最优的结构系统参数不同。而利用免疫克隆选择的多模态优化算法实现伺服电流信号的二次采样随机共振系统参数优化技术还未见到。
发明内容
为了克服上述现有技术缺点，本发明的目的在于提供一种免疫随机共振的机床传动系统电流特征频率提取方法，解决了对伺服电机电流大参数信号的二次采样随机共振问题，从而达到理想的系统输出，并提取出电流中的特征频率分量。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是—种免疫随机共振的机床传动系统电流特征频率提取方法，包括以下步骤1)利用电流传感器采集传动系统伺服驱动电机的电流信号χ (η)，η为采样点数，η 为大于零的整数；2)计算传动系统中各级输出转轴的回转频率f；和啮合频率fn，其中，fr = fi*Z (1)
fn = fr*m (2)&为传动系统的输入频率即各级输入轴转频，Z为传动比，m为转轴齿数，则传动系统在电流信号中的特征频率分量为f = fm+fn (3)其中，乙为电流主频率；3)采用巴特沃斯滤波型带通滤波器处理采集的电流信号，其中频带选择为
Hz ；4)滤波后的电流信号进行移频，将频带下限移至频率OHz处；5)对移频的电流信号X(Ii)采用多模态免疫克隆选择方法优化二次采样随机共振系统参数，即二次采样尺度R及结构系统参数a和b，其中a、b为朗之万势阱函数
权利要求
1.一种免疫随机共振的机床传动系统电流特征频率提取方法，其特征在于包括以下步骤1)利用电流传感器采集传动系统伺服驱动电机的电流信号Χ(η)，η为采样点数，η为大于零的整数；2)计算传动系统中各级输出转轴的回转频率f；和啮合频率fn，其中， fr = fi*Z (1)fn = fr*m (2)fi为传动系统的输入频率(各级输入轴转频)，Z为传动比，m为转轴齿数，则传动系统在电流信号中的特征频率分量为 f = fm+fn (3) 其中，乙为电流主频率；3)采用巴特沃斯滤波型带通滤波器处理采集的电流信号，其中频带选择为
Hz ；4)滤波后的电流信号进行移频，将频带下限移至频率OHz处；5)对移频的电流信号x(n)采用多模态免疫克隆选择方法优化二次采样随机共振系统参数，即二次采样尺度R及结构系统参数a和b，其中a、b为朗之万势阱函数U(x) = -^ax2 +|虹4的系统参数，二次采样尺度R为信号压缩比率R = fs/fsr, fsr为压缩后的频率值，亲和力函数为= ΣΚ(/-^Δ/)|2 为频率分量f的功率，Pm=-\Np= tk^ — ^Wf—Σ|Λ(/-—/)|2，NP为输出信号的噪声功率，Af为频率分辨Ν=-η/M=-I率，Ap(w)为第ρ个抗体表示参数的随机共振输出信号幅值谱；6)在优化出的参数集合中，选取最大亲和力的参数作为最优二次采样尺度R和结构系统参数a和b ；7)根据最优二次采样尺度R实现输入信号的压缩，压缩采样频率为=fs/R,fs为采样频率，其次，根据结构系统参数输出响应波形，对应频谱中的最大谱峰分量变换后为机床运动系统的特征频率分量，其中变换公式为f = f。+R*fto，f0r为最大谱峰频率。
2.根据权利要求1所述的一种免疫随机共振的机床传动系统电流特征频率提取方法， 其特征在于所述的多模态免疫克隆选择方法的具体过程为·5. 1)抗体采用二进制位串方式编码，位串长度等于三个参数位串的和； 5. 2)随机生成产抗体集合；·5. 3)根据亲和力大小进行克隆增殖得到克隆抗体集；·5. 4)对克隆群体进行高频变异，产生一个成熟抗体群体，其中高频变异与抗体的亲和力成反例，同时还将保留原抗体，来维持抗体性能不退化；·5. 5)在变异的抗体集中，在每个抗体克隆群中选择亲和力最高的抗体组成新抗体群体；·5. 6)在抗体群体中替换的亲和力差抗体，来维持抗体的多样性，返回步骤5. 3进行优化；[5. 7)将抗体群体的最优抗体添加到记忆细胞集中，返回步骤5. 2继续获得新的记忆细胞。
全文摘要
一种免疫随机共振的机床传动系统电流特征频率提取方法，先利用电流传感器采集传动系统伺服驱动电机的电流信号，再计算传动系统中各级输出转轴的回转频率和啮合频率，采用巴特沃斯滤波型带通滤波器处理采集的电流信号，将滤波后的电流信号进行移频，再对移频的电流信号采用多模态免疫克隆选择方法优化二次采样随机共振系统参数，选取最大亲和力的参数作为最优二次采样尺度和结构系统参数，最后根据最优二次采样尺度实现输入信号的压缩，对应频谱中的最大谱峰分量变换后为机床运动系统的特征频率分量，本发明提高了大频率尺度伺服电机电流信号的二次采样随机共振系统优化质量，能够有效提取出传动系统微弱特征频率。
文档编号G01R23/02GK102175915SQ20101059462
公开日2011年9月7日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者刘飞, 张熠卓, 徐光华, 梁霖 申请人:西安交通大学