一种基于三相瞬时功率的电主轴故障监测诊断方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于三相瞬时功率的电主轴故障监测诊断方法，属于电主轴故障检测【技术领域】，该方法利用三相瞬时功率的信号解调性质和三相对称特性，对电主轴稳定运行时的三相输入电压和三相定子电流信号进行采集，并计算得到三相瞬时功率信号，通过组合滤波器的设计消除电源频率调制和转频倍频对监测诊断结果的影响，根据运行过程中的三相瞬时功率信号的均值和RMS值与标准参考值的比较来确定电主轴是否有故障发生，根据频谱分析中故障特征频率的产生确定故障类型，实现对电主轴故障的监测和诊断。本发明信号采集、处理过程简单，可有效监测电主轴的轴承磨损和转子断条故障，适用于工业现场对电主轴的状态监测和故障诊断。
【专利说明】一种基于三相瞬时功率的电主轴故障监测诊断方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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lOOOOrpm 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) 的 分量，频谱分析时由于转差率s很小，最明显的特征分量l-2Sfi与中心频率很接近。受 频谱分辨率的限制，频谱泄露较大，且在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】
[0004] 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。
[0005] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
[0006] 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：
[0007] 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；
[0008] 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；
[0009] 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；
[0010] 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2ksfl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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 与现有的定子电流分析方法相比，本发明具有以下优点：
[0014] 1.可诊断出轴承早期故障，诊断更可靠
[0015] 对于高速电主轴来说，多采用混合陶瓷球轴承，陶瓷滚动体耐磨损,发生磨损故障 时产生点蚀性的均匀麻点，产生损伤类剥落已是轴承故障后期，轴承故障前期的振动分析 中没有典型的故障特征频率，造成诊断不出轴承故障。本发明采用三相瞬时功率监测诊断 电主轴故障，在电主轴空载运行期间功率信号相对于健康状态标准功率的功率增加值表示 轴承磨损量，可有效监测轴承磨损情况。
[0016] 2.频谱简单，故障特征频率明显
[0017] 由于电源的三相对称特性，三相瞬时功率信号中消除了单相瞬时功率信号中转频 的2倍频及其倍频分量，与定子电流信号相比，三相瞬时功率信号将故障调制信号解调，消 除了故障调制时中心频率频谱泄露和高频噪声对故障频率的影响，信号中只有表示有功功 率的直流分量和解调的故障特征频率分量，频谱简洁，故障特征信号明显，可有效监测转子 断条故障的产生。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1是本发明信号采集的设备安装示意图；
[0019] 图2是基于三相瞬时功率的电主轴故障监测诊断方法流程图；
[0020] 图3是无故障时定子电流信号、单相瞬时功率信号、三相瞬时功率信号的理论频 谱对比：图3(a)为定子电流信号的幅值谱图，图3(b)为单相瞬时功率信号的幅值谱图，图 3(c)为三相瞬时功率信号的幅值谱图；
[0021] 图4是转子断条故障时定子电流信号、单相瞬时功率信号、三相瞬时功率信号的 仿真频谱对比：图4(a)为定子电流信号的幅值谱图，图4(b)为单相瞬时功率信号的幅值谱 图，图4(c)为三相瞬时功率信号的幅值谱图；
[0022] 图5是无故障运行状态下电主轴空载时的三相瞬时功率信号频谱；
[0023] 图6是组合滤波器的幅频响应图；
[0024] 图7是滤波后的无故障运行状态下电主轴空载时的三相瞬时功率信号频谱；
[0025] 图8是运行状态良好的电主轴空载时的二相瞬时功率信号：图8 (a)为滤波后的二 相瞬时功率时域信号，图8(b)为滤波后的三相瞬时功率信号频谱；
[0026] 图9是发生转子断条故障的电主轴空载时的三相瞬时功率信号：图9 (a)为滤波后 的三相瞬时功率时域信号，图9 (b)为滤波后的三相瞬时功率信号频谱。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0028] 参阅图1和图2,本发明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：
[0029] 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。
[0030] 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。
[0031] 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；其中，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； 组合滤波器的选用不仅能够滤除要滤除的分量而且不影响低通滤波器通带内的其它分量， 当有故障特征频率产生时不会滤除故障特征频率而影响故障的监测诊断。
[0032] 具体来说，步骤2)得到的待测电主轴的三相瞬时功率信号并不能直接进行分析 处理。电主轴是由变频器驱动的，变频器的整流滤波环节会在其三相电压输出信号中引入 2倍电源频率及其谐波的调制信号。电源三相不平衡带来的主轴转频2倍频分量及其谐波 和高频噪声也会影响电主轴三相瞬时功率信号的分析，因此要对待测电主轴的三相瞬时功 率信号先进行滤波处理。
[0033] 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2k Sf\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。
[0034] 进一步地，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。
[0035] 参阅图1，图1是本发明基于三相瞬时功率的电主轴故障监测诊断方法中拾取电 主轴三相电压、三相电流信号的测试系统传感器安装图。三相电压信号通过微型电压互感 器提取，互感器选用的是北京耀华德昌公司的TV19E型微型电压互感器，直接焊接在信号 调理模块的调理电路板上；三相电流信号是通过电流钳提取的，电流钳采用的是美国福禄 克（FLUKE)公司的i200s交流电流钳，安装在配电柜的变频器输出端。
[0036] 参阅图2,图2是本发明基于三相瞬时功率的电主轴故障监测诊断方法的监测过 程流程图。流程：启动电机，在稳定运行后开始采集电主轴的三相电压和三相电流信号，并 计算得到电主轴的三相瞬时功率信号，通过组合滤波器滤波消除变频器引入的电源频率调 制和电主轴转频及其谐波的干扰。时域分析，以RMS值的大小确定信号复杂程度，有无故障 产生，RMS值大于阈值则进行频谱分析，从故障特征频率的产生确定相应故障，RMS值正常 则进行均值的判断，均值大于设定阈值表示轴承磨损，均值在正常范围内则表示电主轴无 故障可正常加工。与传统的振动分析和定子电流分析技术相比，本发明提出的基于三相瞬 时功率的电主轴故障监测诊断方法能直接解调故障特征频率，使用方便，且可根据有功功 率的变化确定轴承磨损情况，能更好的监测早期轴承故障情况。
[0037] 参阅图3,图3是本发明中采用的三相瞬时功率信号与定子电流信号、单相瞬时功 率信号在无故障调制分量时的频谱对比。图3(a)为定子电流信号的频谱，图3(b)为单相 瞬时功率信号的频谱，图3(c)为三相瞬时功率信号的频谱。电主轴的结构是三相对称的， 当电主轴正常运行，供电电源为理想对称时，采集的各相电压、各相的电流幅值、频率相等， 相位相差120°，可分别表示为
【权利要求】
1. 一种基于三相瞬时功率的电主轴故障监测诊断方法，其特征在于，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2k sf\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。
2. 根据权利要求1所述的基于三相瞬时功率的电主轴故障监测诊断方法，其特征在 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。
3. 根据权利要求1所述的基于三相瞬时功率的电主轴故障监测诊断方法，其特征在 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。
【文档编号】G01R31/00GK104111391SQ201410335945
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年7月15日
【发明者】侯成刚, 段胜男 申请人:西安交通大学