一种基于三相瞬时功率的电主轴故障监测诊断方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术信号采集、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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于三相瞬时功率的电主轴故障监测诊断方法
本专利技术属于电主轴故障检测
，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。
技术介绍
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。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10000rpm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fb＝(1±2ks)f1的分量，频谱分析时由于转差率s很小，最明显的特征分量1-2sf1与中心频率f1很接近。受频谱分辨率的限制，f1频谱泄露较大，且在f1和高频噪声的影响下，故障特征分量被淹没而不易检测。
技术实现思路
本专利技术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。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：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：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2ksf1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。本专利技术进一步改进在于，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。本专利技术进一步改进在于，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。与现有的定子电流分析方法相比，本专利技术具有以下优点：1.可诊断出轴承早期故障，诊断更可靠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。本专利技术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。2.频谱简单，故障特征频率明显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。附图说明图1是本专利技术信号采集的设备安装示意图；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；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；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；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；图6是组合滤波器的幅频响应图；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；图8是运行状态良好的电主轴空载时的三相瞬时功率信号：图8(a)为滤波后的三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；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。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明。参阅图1和图2，本专利技术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：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；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倍电源频本文档来自技高网...

【技术保护点】
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2ksf1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。

【技术特征摘要】
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；其中，三相瞬时功率信号为三个单相瞬时功率之和，且采集的各相电压、各相的电流幅值、频率相等，相位相差120°；由于三相对称特性，单相瞬时功率信号中的2倍转频分量抵消，信号中只有表示有功功率的直流分量，表达方式如下：式中：P3——电主轴的三相瞬时功率/W；PA——电主轴A相的瞬时功率/W；PB——电主轴B相的瞬时功率/W；PC——电主轴C相的瞬时功率/W；Um——电主轴三相电压的有效值/V；Im——电主轴三相电流的有效值/V；——电主轴三相电流的初始相位/rad；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；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯成刚，段胜男，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61