一种非侵入式车床皮带传动系统故障诊断方法

本发明涉及一种车床皮带传动系统故障诊断方法，特别涉及一种非侵入式车床皮带传动系统故障诊断方法。

背景技术：

1、数控机床高速运转的出现凸显了其部件系统对整体性能的影响。机床主轴电机驱动系统由交流电机、传动部件和主轴组成。皮带轮系统因其传动效率高、成本低，广泛用于车床传动系统中。然而，随着主轴系统向高速运行方向发展，皮带轮系统的健康状况，直接影响系统的传动效率与加工精度。过去的研究表明，来自驱动系统的干扰可占刀具一工件总振动的20％-30％。因此，皮带断裂、皮带轮严重磨损或过度打滑造成加工质量下降，甚至造成系统损害，造成直接经济损失。

2、带传动主轴驱动系统早期的故障检测与诊断技术能够实现在线监测系统性能退化和故障动态演化，从而保证系统长期、健康、高效运行，为机床的智能运维提供核心关键的技术支持。电机电流信号分析(mcsa)技术被认为是一种实现早期故障诊断的有效途径。它直接将电机作为系统的传感节点，解调和分析电流信号从而揭示系统内机电故障特征，可提供关于机械故障性质和严重程度的详细信息。与基于振动、位移、声发射等传感技术的故障诊断方法相比，mcsa技术具有清晰表征系统物理特征和全局监测的优势，还避免了传感器外置安装困难、信号一致性差、空间距离受限和成本较高等问题。

3、基于电机电流信号分析(mcsa)是诊断感应电动机常见故障(如断轴故障、短路绕组故障、轴承故障、气隙偏心故障)的最常用和最受欢迎的方法。目前，该方法已经扩展应用到齿轮、压缩机等机械设备的故障诊断。然而，mcsa的主要缺点是其对机器滑差、速度和负载的依赖。当滑差较小时，电流谱含有非常接近基频的横向分量，使其难以识别。此外，当感应电动机由逆变器供电时，电流谱变得非常富有谐波，故障分量可能与其他谐波混淆，使得它们的提取变得困难。因此，在mcsa的基础上，需要进一步探索新的信号处理方法，以克服其在特定条件下的限制，提高故障诊断的精度和可靠性。

4、过去十年来，许多研究人员提出了各种信号处理技术，以克服电机电流分析的困难。其中，mcda技术可以提取故障引起的调制电流，并在时间和频域上直接评估这些故障电流，是一种可用于故障检测的替代技术。在电机传动系统中，故障可以在定子电流中产生幅值和/或相位调制，具体取决于故障性质。解调技术teager-kaiser能量算子、同步解调、希尔伯特变换和峰值检测包络。

5、然而，在将mcda应用于整个机床主轴传动系统早期故障诊断时，采集的信号呈现调制边带不对称、同频干扰和多频重叠等问题，这些问题给精确解调电流信号带来了挑战。电机电流的动态响应是多维输入的结果，不仅受到传动系统部件的健康状况影响，还受到电机自身性能、机械加工和装配精度等多种因素的影响。同时，系统扭矩反馈给电机时，控制系统闭环控制、扭矩传播特性作用、逆变器供电产生的谐波干扰和信号测量噪声等因素都会削弱和干扰故障特征的直接呈现。另外机床的传动系统所包含柔性部件(主动带轮-皮带-从动带轮)，在刚柔耦合特性作用下，电流幅值相位复合调制加剧，精确解调电流更加困难。

6、双谱也是一种有效的诊断旋转机械故障的方法，可用于有效表征振动、声音和电信号，具有出色的高斯去噪、非线性系统识别、内部相位排列的边缘增强等特点。与功率谱分析相比，双谱分析更适合检测二次相位耦合。然而传统的双谱未考虑电流边带调制特性，忽略调制边带特征对故障的映射。经评估，当电流信号主要由幅值调制am或相位调制pm效果组成时，可以实现信号解调。然而，当两种调制共存于同一频率时，双谱会低估边带幅值，从而影响诊断的效果。因此，若能研发一种边带平方调制双光谱算法，用于有效地分析am和pm的共存情况，就能很好的实现非侵入式车床皮带传动系统故障诊断。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种能有效分析幅值调制am和相位调制pm共存条件下的非侵入式车床皮带传动系统故障诊断方法。

2、本发明所采用的技术方案是：本发明包括以下步骤：

3、s1.采集车床的驱动电机的电流信号并定义为x(t)；

4、s2.将采集的x(t)平均划分为n个数据集；

5、s3.依次对n个数据集的第i段电流信号进行离散傅里叶变换得到x(f)；

6、s4.计算第i段x(f)的边带平方调制双光谱估计值；

7、s5.对n个数据集的所有结果求数学平均期望值；

8、s6.在对应最大频率处，提取主轴驱动系统旋转频率边带幅值和相位；

9、s7.根据边带幅值和相位的特征评估车床皮带传动系统的健康状态。

10、进一步的，所述步骤s1中采用电流钳与驱动电机的相连接，并设置有数据采集仪和信号分析处理计算机，所述电流钳、所述数据采集仪和所述信号分析处理计算机依次电性连接。

11、进一步的，所述步骤s3中

12、

13、另外调制信号下边带和调制信号上边带的经离散傅里叶变换变换后的结果分别为：xl＝x(fe+fx)和xu＝x(fe-fx)，其中fe表示载波频率分量，fx为调制边带分量；若信号中存在相位调制和幅值调制可知：

14、

15、其中，xam是相位调制am离散傅里叶变换信号，xpm是幅值调制pm离散傅里叶变换信号。

16、进一步的，所述步骤s4中，若相位调制am和幅值调制pm存在于同一频率，定义了一个边带平方调制双光谱：

17、

18、通过用幅值调制am和相位调制pm来表示边带平方调制双光谱，方程可以改写为：

19、

20、其中φb表示边带平方调制双光谱相位，相位φb的相位定义如下：

21、φb(fx，fe)＝φ(fe+fx)+φ(fe-fx)-φ(fe)-φ(fe)

22、进一步的，对于纯粹的幅值调制am信号，边带平方调制双光谱的相位为零；对于纯粹的相位调制pm信号，边带平方调制双光谱的相位为±π；这适用于长时间序列中的任何一段；当信号同时包含幅值调制am信号和相位调制pm信号效应时，这种效应这在机械故障中很典型，带平方调制双光谱的相位将在[0，±π]范围内；调制信号的相位不变特性使得不同信号段之间的相位一致；由于随机相位混合效应，双光谱呈现出趋近于零的趋势；通过使用集合平均法，可以在抑制随机噪声和相位变化的非调制成分的同时，通过稳定峰值来改善调制幅度；提取边带平方调制双光谱相位和幅值可为系统监控提供更全面的诊断信息。

23、在本实施例中，fx调制编带分量包括有fr电机旋转频率、fs主轴旋转频率和fb皮带通过频率，并通过边带平方调制双光的幅值和相位的特征评估，随着皮带的张紧，fb的幅值下降，当fb幅值较大时，代表皮带松动；fr相位出现增量，机械加工条件不变，代表系统的动态偏心故障；fs动态分量减小，代表加工愈加稳定。

24、本发明的有益效果是：1、边带平方调制双光谱通过使用集合平均法，可以在抑制随机噪声和相位变化的非调制成分的同时，通过稳定峰值来改善调制幅度。提取边带平方调制双光谱相位和幅值可为系统监控提供更全面的诊断信息；2、采用电机电流信号解调技术分析皮带松动故障，具有非侵入式的特点；3、边带平方调制双光谱的相位和幅值结果能为皮带驱动的电机传动系统做全面健康诊断和加工质量监控。