基于内置编码信息的单传感柔性角度域平均方法技术

基于内置编码信息的单传感柔性角度域平均方法，首先利用编码器读取机械设备中测试轴的角位置信号，采用多项式拟合法获取瞬态运动信息，得到三阶差分Jitter信号和一阶差分转速信号，计算Jitter信号的角度域等间隔采样信号和转速信号的波动量，通过设定转速波动量阈值判断信号是否为平稳信号，对超过阈值范围的为非平稳信号进行角度域重采样,否则作为平稳信号处理，原j(t)信号即作为等角度间隔采样信号，采用基于Chirp-Z变换的柔性角度域平均方法，确定机械设备是否存在的故障，本发明专利技术很大程度上的控制了实验设备数量、简化了数据采集程序、降低了测试费用，益于故障特征提取和诊断监测的自动化，节约时间，效率更高。

【技术实现步骤摘要】
基于内置编码信息的单传感柔性角度域平均方法
本专利技术涉及机械设备故障诊断
，特别涉及基于内置编码信息的单传感柔性角度域平均方法。
技术介绍
现阶段机械设备故障诊断最为有效途径之一的振动分析，在一些场合，测振传感器由于环境和工况限制难以安装。数控机床在工作过程中飞溅出大量的金属碎屑和冷却液，会对测振传感器造成损伤。而对于机械手、机器人等设备，其复杂的运动姿态给测振传感器的安装和布线带来了困难。另外，大型加工中心在服役中要求全封闭的工作环境，导致测振传感器根本无法安装。因此，在振动信息无法获得的情况下，构建新的诊断信息源已然成为现阶段机械故障诊断亟需解决的问题。随着机械设备自动化、智能化的发展趋势，编码器作为内置传感单元在机械装备上得到了广泛配置，用于运动控制的位置反馈，具有测量精度高，响应速度快，测量范围广、工作可靠性好、非接触测量和便于控制的优势。内置编码信息是将机械转动测试轴上的角位移、旋转角位置、角速度等物理量转化成的数字量信号，将其作为一种新的诊断信息源在机械设备的故障诊断和健康监测具有广阔的应用前景。然而编码器的原始输出信号是一种复杂的多分量耦合信号，它不仅包含早期故障引起的瞬态转速冲击，同时包含由于载荷变化、齿轮时变刚度引起的正常转速波动。并且后者的幅值往往更加强大，给早期故障特征的提取带来困难。时域平均技术是一种传统的机械故障诊断技术，可以提取信号中感兴趣周期分量，提高信噪比，但其只适用于定转速工况下，而实际上，不少重要装备在不同的工作要求或条件下其运行转速往往是非平稳的。和平稳工况相比，变转速下的机械设备振动信号变得尤为复杂，大大增加了故障特征的提取难度。2013年，法国学者Leclère等提出了角域平均技术，用于变转速下的内燃机和齿轮故障诊断。但角域平均方法仍然依赖于键相信号的配合，这需要额外安装传感器并增加测试成本和难度，且其平均算法避免不了截断误差对信号信噪比的不利影响，实现只采用单个传感器进行测试同时又能避免截断误差干扰的角度域平均方法具有重要意义。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供基于内置编码信息的单传感柔性角度域平均方法，实现机械设备在平稳及变转速工况下均能进行故障特征提取和诊断监测。为实现上述目的，本专利技术方案采取的技术方案为：基于内置编码信息的单传感柔性角度域平均方法，包括以下步骤：步骤一：利用编码器数采卡读取机械设备中的内置编码器信号，对信号进行高频采样和预处理，得到测试轴的角位置信号，记为x(t)；步骤二：采用多项式拟合法获取机械设备的瞬态运动信息，将x(t)进行多项式拟合和三阶差分得到的Jitter信号记为j(t)及一阶差分得到转速信号v(t)；步骤三：计算Jitter信号j(t)的角度域等间隔采样序列y(n)，先计算转速信号v(t)的转速波动量，转速波动量定义为转速信号的标准差除以平均转速，通过设定阈值为0.5％判断是否为平稳信号，超过阈值范围的信号为非平稳信号，需要对Jitter信号j(t)的进行角度域重采样,否则作为平稳信号处理，原j(t)信号即作为等角度间隔采样信号；步骤四：采用基于Chirp-Z(Chirp-ZTransform，CZT)变换的柔性角度域平均方法，CZT通过在频谱中设置梳状滤波器，将感兴趣阶次进行保留而避免截断误差，获取期望输出阶次的频率采样值由如下公式得到：式中，y(n)为角度域等间隔采样序列，N为序列的长度，A为起始采样点的极坐标值，W为采样点之间的频率间隔，k为对应阶次，然后将各频域采样值按照离散傅里叶的形式排列成矢量数组，进一步通过离散傅里叶反变换即精确获取期望阶次的角度域平均结果，从而确定设备是否存在的故障。本专利技术相比于现有技术，具有以下有益效果：a)本专利技术可以通过编码器高精度测得的角位置信号得到反映机械健康状况的扭振信号，即Jitter信号，Jitter是一种可以用于机械早期故障检测的有效信号，并且能真实反映了系统的运动和动力学特征。b)编码器自身即是一种高精度的键相装置，在非平稳工况下可以对Jitter信号进行角度域重采样，消除转速变化的影响，适用于大转速波动工况。c)本专利技术在传统时域平均方法的基础上，创造性提出基于Chirp-Z变换的柔性角度域平均方法，CZT通过在频谱中设置梳状滤波器，可以高效准确地将感兴趣阶次进行保留而避免截断误差，提高信噪比。d)本专利技术只利用机械设备内置单编码器信息，能精确提取设备工作情况下的故障信息，很大程度上的控制了实验设备数量、简化了数据采集程序、降低了测试费用，有利于实现故障特征提取和诊断监测的自动化，节约时间，效率更高。附图说明图1为实施例试验台结构示意图。图2为实施例行星轮齿根裂纹故障。图3为本专利技术方法流程图。图4为实例中截取的行星齿轮箱起停车单编码器信息。图5为实例中对编码器信息进行三阶差分得到的Jitter信号。图6为实施例对编码器信息进行一阶差分得到的速度信息。图7为实施例行星齿轮箱平稳运行过程中，行星轮采用本专利技术方法的结果。图8为实施例行星齿轮箱起停车过程中，行星轮采用本专利技术方法的结果。图9为实施例行星齿轮箱平稳运行过程中，行星轮采用传统时域平均的结果。图10为实施例行星齿轮箱起停车过程中，行星轮采用传统时域平均的结果。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做详细描述。以下将以某行星齿轮箱行星轮故障检测试验台为例进行说明，该试验台由驱动电机、联轴器、编码器、磁粉制动器、轴承以及行星齿轮箱等组成，如图1所示，其中行星齿轮箱内由内齿圈1、太阳轮2、以及三个均布的行星轮3组成，行星架与输出轴相连，两个编码器安装在行星齿轮箱输入轴和输出轴处，整个装置由电机驱动，将扭矩从输入轴沿行星齿轮箱传递到输出端的磁粉制动器，磁粉制动器完成加载过程。具体参数如下：1)驱动电机额定功率：1.2kW，额定转速：40Hz；2)行星齿轮箱传动比：5.1:1，内齿圈1齿数：82，模数：1，行星轮3齿数：31，模数：1，太阳轮2齿数：20，模数：1；3)行星轮故障类型为齿根裂纹，如图2所示；4)磁粉制动器额定功率下的扭矩0.06N*m。利用单编码器信号对行星齿轮箱中行星轮故障进行诊断，应用本专利技术对实验数据进行分析并和传统时域平均方法进行对比。如图3所示，基于内置编码信息的单传感柔性角度域平均方法，包括以下步骤：步骤一：利用编码器数采卡读取机械设备中的内置编码器信号，对信号进行高频采样和预处理，得到测试轴的角位置信号，为获得完整的起停车数据，在使用数据时需要去掉起始噪声部分，截取整段信号中6-10s共4s的数据，如图4所示，记为x1；步骤二：采用多项式拟合法获取机械设备的瞬态运动信息，将x1进行多项式拟合和三阶差分得到的Jitter信号记为j(t)及一阶差分得到转速信号v1，分别如图5和图6所示；步骤三：计算Jitter信号j(t)的角度域等间隔采样序列y(n)，先计算转速信号v1的转速波动量，转速波动量定义为转速信号的标准差除以平均转速，通过设定阈值为0.5％判断是否为平稳信号，超过阈值范围的信号为非平稳信号，本实例中为行星齿轮箱起停车信号，根据图6所示的转速信号计算转速信号的标准差为108.8883，平均速度为253.1542，进而计算得到转速波动量为43.01％，大于0本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于内置编码信息的单传感柔性角度域平均方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：利用编码器数采卡读取机械设备中的内置编码器信号，对信号进行高频采样和预处理，得到测试轴的角位置信号，记为x(t)；步骤二：采用多项式拟合法获取机械设备的瞬态运动信息，将x(t)进行多项式拟合和三阶差分得到的Jitter信号记为j(t)及一阶差分得到转速信号v(t)；步骤三：计算Jitter信号j(t)的角度域等间隔采样序列y(n)，先计算转速信号v(t)的转速波动量，转速波动量定义为转速信号的标准差除以平均转速，通过设定阈值为0.5％判断是否为平稳信号，超过阈值范围的信号为非平稳信号，需要对Jitter信号j(t)的进行角度域重采样,否则作为平稳信号处理，原j(t)信号即作为等角度间隔采样信号；步骤四：采用基于Chirp‑Z变换的柔性角度域平均方法，CZT通过在频谱中设置梳状滤波器，将感兴趣阶次进行保留而避免截断误差，获取期望输出阶次的频率采样值由如下公式得到：CTZ(y(n))=Σn=0N-1y(n)·(AW-k)-n]]>式中，y(n)为角度域等间隔采样序列，N为序列的长度，A为起始采样点的极坐标值，W为采样点之间的频率间隔，k为对应阶次，然后将各频域采样值按照离散傅里叶的形式排列成矢量数组，进一步通过离散傅里叶反变换即可精确获取期望阶次的角度域平均结果，从而确定机械设备是否存在的故障。...

【技术特征摘要】
1.基于内置编码信息的单传感柔性角度域平均方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：利用编码器数采卡读取机械设备中的内置编码器信号，对信号进行高频采样和预处理，得到测试轴的角位置信号，记为x(t)；步骤二：采用多项式拟合法获取机械设备的瞬态运动信息，将x(t)进行多项式拟合和三阶差分得到的Jitter信号记为j(t)，由多项式拟合和一阶差分得到转速信号v(t)；步骤三：计算Jitter信号j(t)的角度域等间隔采样序列y(n)，先计算转速信号v(t)的转速波动量，转速波动量定义为转速信号的标准差除以平均转速，通过设定阈值为0.5％判断是否为平稳信号，超过阈值范围的信号为非平稳信号，需要对Jitter信号j(t)的进行角度...

【专利技术属性】
技术研发人员：林京，赵明，苗永浩，雷亚国，王琇峰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61