利用伺服电机自带编码器信号诊断齿轮箱故障的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用伺服电机自带编码器信号诊断齿轮箱故障的方法，属于故障诊断技术与信号处理分析技术领域；该方法采用高速计数器获取待检测传动系统中伺服电机自带编码器的方波信号；使用差分算法将编码器方波信号转换为瞬时角速度信号；使用同步平滑滤波算法对瞬时角速度信号进行降噪处理；然后通过傅里叶变换得到降噪后的瞬时角速度信号的阶次谱，并与正常角速度信号的阶次谱相减获得残余阶次；若残余阶次中存在与故障相关的阶次，则说明齿轮箱存在故障；本发明专利技术充分考虑实际工况下齿轮箱的运行状况和工程实际需要的基础上提出的，能够准确诊断齿轮箱的故障，提高故障诊断效率，减少额外部件的安装和使用，降低故障诊断的成本。诊断的成本。诊断的成本。

【技术实现步骤摘要】
利用伺服电机自带编码器信号诊断齿轮箱故障的方法


[0001]本专利技术属于故障诊断技术与信号处理分析
，具体涉及一种利用伺服电机自带编码器信号诊断齿轮箱故障的方法。

技术介绍

[0002]机械传动系统的安全运行对工业生产极其重要，一旦生产线上关键位置的齿轮箱发生故障导致生产中断，将给企业造成重大经济损失甚至出现人员伤亡。因此有必要对齿轮箱及时进行故障诊断，保证传动系统安全可靠的运转。然而机械传动系统通常包含组件多、结构紧凑，一般对运行中的齿轮箱进行故障诊断时不能随意停机和拆卸，且运行时工况较为复杂，因此对其进行故障较为困难。另一方面，对齿轮箱故障诊断大都通过分析传感器数据完成，目前对齿轮箱进行故障诊断时，通常使用振动、声音等信号进行分析和处理，完成齿轮箱的故障诊断。然而，获取振动、声音、电流等信号通常需要安装外置传感器，由于传动系统结构紧凑、空间位置限制、传感器价格昂贵等原因，导致出现传感器安装困难或无法安装及成本较高等问题。
[0003]目前齿轮箱故障诊断方法均需要外置安装传感器，由于传动系统中用于控制电机运转的伺服电机自带编码器可以采集到包含传动轴的转动角度信息，使用编码器的方波脉冲信号经过估算算法可以获得顺时角速度信号，其中包含有丰富的转子状态信息。利用这一特点，可以避免上述外置安装传感器存在的弊端。另一方面，由于编码器的光栅盘在制造、装配过程中存在误差以及工业生产过程中引入的瞬时冲击，导致使用编码器信号计算得到的瞬时角速度信号存在虚假冲击分量。再者，由于现有故障诊断方法都需使用傅里叶变换观察谱图的方式，然而复杂信号经过傅里叶变换后的谱图较为复杂，难以直接找到故障谱线，这一难题可以利用电机自带编码器方波信号及通过其计算的瞬时角速度信号严格对应转动角度这一特点解决。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种利用伺服电机自带编码器信号诊断齿轮箱故障的方法，该方法通过采集传动系统中控制伺服电机运动的电机自带编码器的方波信号数据用于齿轮箱故障诊断，本专利技术方法无需外置安装传感器或编码器就能完成齿轮箱的故障诊断；
[0005]本专利技术方法如下：
[0006](1)采用高速计数器获取待检测传动系统中伺服电机自带编码器的方波信号；
[0007]所述编码器为光电编码器或者磁电编码器；方波信号是编码器中A相或者B相的方波信号，记录方式为上升沿或下降沿触发计数；
[0008](2)使用差分算法将步骤(1)中获得的编码器方波信号转换为瞬时角速度信号；
[0009]所述差分算法计算公式为：
[0010]式中k是采样位置序列，k＝1,2,3
…
，v(t
k
)是t
k
时刻的瞬时角速度，是
·
时刻的角位置，Δt是采样时间间隔；
[0011](3)对步骤(2)瞬时角速度信号进行同步平滑滤波降噪处理，获得降噪后的瞬时角速度信号；
[0012]同步平滑滤波降噪处理，采用如下计算公式：
[0013][0014]式中s(iN:d(i+1)N)是第iN点到第d(i+1)N点的输入数据，s((i+1)N:d(i+2)N)是第iN点到第d(i+2)N点的输入数据，y(t)是使用同步平滑降噪后的信号，MED[
·
]是均值平滑操作，i是用来同步平滑的分段信号的序列，i＝1，2，3，
…
，n，其中n是最大分段数，n＝max(length(s(t)))/2N，length(
·
)是计算数据段长度操作，d是同步平滑时编码器线数的倍数，d<n/2，N是编码器线数；
[0015](4)对步骤(3)降噪后的瞬时角速度信号、齿轮箱未发生故障的瞬时角速度信号进行傅里叶变换得到降噪瞬时角速度阶次谱、正常瞬时角速度阶次谱；
[0016](5)用降噪瞬时角速度阶次谱与正常瞬时角速度阶次谱计算残余阶次；
[0017]残余阶次的计算公式为：
[0018]O
r
(j)＝|O
t
(j)|
‑
|O
h
(j)|
[0019]式中j是阶次序列，j＝1/N，2/N，3/N，
…
，|
·
|为绝对值操作运算，O
r
(j)是残余阶次j阶处的幅值，O
t
(j)是降噪瞬时角速度阶次谱j阶处的幅值，O
h
(j)是正常瞬时角速度阶次谱j阶处的幅值；
[0020](6)对步骤(5)残余阶次进行分析，若残余阶次中存在与齿轮箱故障相关的阶次，则说明齿轮箱存在故障，反之则无。
[0021]所述与故障相关的阶次通过齿轮箱的结构参数计算得到。
[0022]本专利技术的有益效果是：
[0023]本专利技术方法适用于使用伺服电机的传动系统中齿轮箱的故障诊断，使用伺服电机自带编码器信号可以避免机械结构安装外置传感器或编码器的空间限制，能够准确诊断齿轮箱的故障，提高诊断效率，减少机电系统额外部件的安装，降低运维成本。
附图说明
[0024]图1为本专利技术中实施例1中所使用的传动系统；
[0025]图2为本专利技术中通过高速计数器采集编码器A相的方波信号；
[0026]图3为本专利技术中传动系统正常时采集到的伺服电机自带编码器的方波信号；
[0027]图4为本专利技术中使用差分算法转换的瞬时角速度信号；
[0028]图5为本专利技术中传动系统正常时使用差分算法转换的瞬时角速度信号；
[0029]图6为本专利技术中经过同步平滑滤波降噪后的瞬时角速度信号时域波形图；
[0030]图7为本专利技术中传动系统正常时经过同步平滑滤波降噪处理后的瞬时角速度信号时域波波形；
[0031]图8为本专利技术中降噪瞬时角速度阶次谱；
[0032]图9为本专利技术中正常瞬时角速度阶次谱；
[0033]图10为本专利技术中的故障信号阶次谱的残余阶次；
[0034]图11为本专利技术中的正常信号阶次谱的残余阶次。
具体实施方式
[0035]下面结合本专利技术实施例中的附图，对本文专利技术实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本文专利技术保护的范围，因此本专利技术不受下面公开的具体实施例的限制。
[0036]实施例1：
[0037]1、如图1所示，在控制伺服电机运动的自带光电编码器处引出线路并与高速计数器连接，通过高速计数器采集编码器A相的方波信号，记录方式为上升沿触发计数，见图2；采用电机自带编码器避免了额外安装外置安装传感器导致的空间干涉的问题，减小外置安装传感器对传动系统正常运转的干扰，并减少系统运维的成本；
[0038]同时利用高速计数器采集在传动系统正常时刻的伺服电机自带本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用伺服电机自带编码器信号诊断齿轮箱故障的方法，其特征在于，步骤如下:(1)采用高速计数器获取待检测传动系统中伺服电机自带编码器的方波信号；(2)使用差分算法将步骤(1)中获得的编码器方波信号转换为瞬时角速度信号；(3)对步骤(2)瞬时角速度信号进行同步平滑滤波降噪处理，获得降噪后的瞬时角速度信号；(4)对步骤(3)降噪后的瞬时角速度信号、齿轮箱未发生故障时的瞬时角速度信号进行傅里叶变换得到降噪瞬时角速度阶次谱、正常瞬时角速度阶次谱；(5)用降噪瞬时角速度阶次谱与正常瞬时角速度阶次谱计算残余阶次；(6)对步骤(5)残余阶次进行分析，若残余阶次中存在与齿轮箱故障相关的阶次，则说明齿轮箱存在故障，反之则无。2.根据权利要求1所述的利用伺服电机自带编码器信号诊断齿轮箱故障的方法，其特征在于：编码器为光电编码器或者磁电编码器。3.根据权利要求1所述的利用伺服电机自带编码器信号诊断齿轮箱故障的方法，其特征在于：方波信号是编码器中A相或者B相的方波信号，记录方式为上升沿或下降沿触发计数。4.根据权利要求1所述的利用伺服电机自带编码器信号诊断齿轮箱故障的方法，其特征在于：步骤(3)中同步平滑滤波降噪处理，采用如下计算公式：式中：s(iN:d(i+1)N)是第iN点到第d(i+1)N点的输入数据，s((i+1)N:d(i+2)N)是第iN点到第d(i+2)N点的输入数据，y(t)是使用同步平滑降噪后的信号，ME...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭瑜，樊家伟，尹兴超，陈鑫，邹翔，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：