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        數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)無傳感器信息特征提取技術(shù)的研究

        2014-06-06 06:03:52韓軍常瑞麗
        機床與液壓 2014年16期
        關(guān)鍵詞:本征數(shù)控機床故障診斷

        韓軍,常瑞麗

        (1.內(nèi)蒙古科技大學機械工程學院,內(nèi)蒙古包頭 014010;2.內(nèi)蒙古科技大學信息工程學院,內(nèi)蒙古包頭 014010)

        在生產(chǎn)過程中,設備的早期故障診斷對提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。但早期故障診斷要比常規(guī)故障診斷要求高、難度大。因此,研究數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)早期故障診斷的理論與技術(shù)是工程實際的迫切需求,也是數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。作者深入研究數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)內(nèi)置的電動機編碼器、光柵尺、霍爾電流傳感器等測試元件所提供的信息 (即無傳感器信息),結(jié)合無傳感器信息的特性,采用硬件調(diào)制技術(shù)診斷早期微弱故障,對數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)進行性能評估。

        1 硬件調(diào)制技術(shù)的工作原理

        設S(t)=Acos2πf0t+n(t)是一個早期微弱故障,其中f0是故障特征頻率,n(t)是強噪聲。在噪聲信號的干擾下,很難進行故障溯源。

        圖1是數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)簡化控制模型,其中Xc(s)是指令位置,X(s)是位置環(huán)響應,F(xiàn)d(s)是干擾力,則三者的關(guān)系模型為

        圖1 伺服進給系統(tǒng)控制模型

        式 (1)表明,當位置環(huán)比例系數(shù)Kp增大時,自然頻率 ωp增大,阻尼因數(shù)ξp降低。當Kp增大到一定值時,將導致系統(tǒng)振蕩,并且振動頻率隨著自然頻率ωp的增大而增大。如圖2所示,設H(t)=Bcos2πfht是高頻振動信號,其中fh是控制系統(tǒng)振動頻率且fh?f0。H(t)作為載波信號,伺服進給系統(tǒng)為載波源。則測量到的早期微弱故障信號為

        圖2 硬件調(diào)制技術(shù)

        其中:G(t)是一個調(diào)制信號。通過Hilbert去包絡法,可快速進行故障診斷。測試完成后,恢復參數(shù),保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。這種通過合理修改控制參數(shù)、引起系統(tǒng)振蕩、強化傳動部件早期微弱故障信號、快速故障溯源的方法稱之為硬件調(diào)制技術(shù)。這種方法對于緩變的早期微弱故障診斷非常有效。

        圖3是硬件調(diào)制技術(shù)在某數(shù)控機床旋轉(zhuǎn)軸C性能評估方面的應用。

        圖3 數(shù)控機床旋轉(zhuǎn)軸C在比例系數(shù)不同時的瞬時誤差

        圖3表明,當位置環(huán)比例系數(shù)Kp=7.0/s,瞬時誤差波動很小,較難進行當前狀態(tài)評估;而當Kp=10.0/s時,系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩,瞬時誤差變化明顯,傳動部件早期微弱故障被強化,可快速故障溯源。

        2 無傳感器信息的經(jīng)驗模式分解

        在數(shù)控機床伺服進給軸運行過程中,摩擦、磨損、點蝕、間隙、破裂等故障都會導致系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。因此,振蕩原因可能是單一的、復合的、機械的或電氣的,甚至是機電共同作用的結(jié)果。所以,測量的無傳感器信號可能是非線性和非平穩(wěn)的,難于采用傳統(tǒng)的時頻域分析方法進行故障診斷。而采用具有局域性的基本量和基本函數(shù),如瞬時頻率分析法會比較直觀。1998年,美籍華人科學家Norden E HUANG等在對瞬時頻率的概念進行深入研究之后,創(chuàng)造性提出了本征模式函數(shù) (Instrinsic Mode Function,IMF)的思想以及將任意信號分解為本征模式函數(shù)的新方法——經(jīng)驗模式分解 (Empirical Mode Decomposition,EMD),為瞬時頻率賦予了合理的物理意義,建立了新的時頻分析方法體系,并在機械設備故障診斷領(lǐng)域得到了廣泛應用。

        (1)瞬時頻率

        對任意一個信號x(t),其Hilbert變換為

        其中:K是柯西準則系數(shù)。

        可構(gòu)造x(t)的解析信號

        則瞬時頻率

        值得說明的是對一個任意信號簡單通過Hilbert變換求解瞬時頻率,可能會出現(xiàn)無法解釋、缺乏實際意義的頻率成分。因此,首先把信號分解成若干個具有單模式的本征模式函數(shù)IMF,再進行Hilbert變換,將信號轉(zhuǎn)換為解析信號,這就是Hilbert-Huang變換的基本出發(fā)點。

        (2)本征模式函數(shù)

        假定原始信號是一個由非線性系統(tǒng)產(chǎn)生的非平穩(wěn)的、疊加在慢振蕩上的振蕩信號,經(jīng)驗模式分解(EMD)可將這個原始信號分解為若干個調(diào)幅或調(diào)頻的本征模式函數(shù) (IMF)。本征模式函數(shù)反映信號在時域中的局部特征,一個本征模式函數(shù)的定義是:

        ①信號極值點的數(shù)目與過零點的數(shù)目必須相等或最多相差1;

        ②由局部最大值和最小值所形成的包絡均值等于0。

        根據(jù)上述定義,一個本征模式函數(shù)只包含一個單模式振動,沒有其他的騎行波。例如,調(diào)幅或調(diào)制信號就是單模式信號。但是,本征模式函數(shù)不要求一定是窄帶信號,它可以是幅值調(diào)制或頻率調(diào)制,也可以是穩(wěn)態(tài)的。總之,本征模式函數(shù)很容易進行Hilbert變換,從而求出有明確意義的瞬時頻率。

        (3)EMD算法

        由于實際測量的無傳感器信號的多樣性與復雜性,原始數(shù)據(jù)通常包含多個本征模式函數(shù),分解后形成本征模式函數(shù)集合與一個殘余項,這一過程稱為平滑過程。

        對于任意一個無傳感器信號x(t),其平滑步驟如下:

        ①尋找信號的局部最大值,采用三次樣條插補構(gòu)成上包絡U(t);

        ②尋找信號的局部最小值,采用三次樣條插補構(gòu)成下包絡L(t);

        ④如果h1(t)不滿足本征模式函數(shù)的兩個屬性,則看作一個新的待分解信號,重復步驟①—④。根據(jù)下式判斷是否對IMF停止分解

        其中:hn(k)和hn-1(k)代表兩個連續(xù)的平滑迭代;SD值通常取0.2~0.3。

        ⑤在找到一個IMFc1(t)之后,將原始信號x(t)減去c1(t),殘余項r1(t)看作一個新的待分解信號,并返回步驟①進行平滑迭代計算;

        ⑥當步驟⑤中的殘余項是一個單調(diào)函數(shù)時,平滑計算將完成,殘余項r(t)反映信號趨勢。

        如式 (8)所示,原始信號x(t)可表示成N個本征模式函數(shù)與一個殘余項之和的形式。

        圖4所示的是仿真信號x(t)=sin2πt+0.5sin6πt的經(jīng)驗模式分解??煽闯?仿真信號x(t)被分解為2個本征模式函數(shù)c1(t)和c2(t),其中c1(t)表示頻率為1 Hz的低頻成份,c2(t)表示頻率為3 Hz的高頻成份。由圖可知,采用EMD方法實現(xiàn)了測試信號的自適應分解。

        圖4 x(t)=sin2πt+0.5sin6πt的 EMD 分解

        (4)模式混疊

        HUANG提出的經(jīng)驗模式分解已經(jīng)證明是一種自適應的時頻信號分析方法,用于不同噪聲的非線性非平穩(wěn)過程中提取信號。但這種方法會出現(xiàn)模式混疊現(xiàn)象,表現(xiàn)為以下兩種情況:

        ①一個單獨的IMF中含有全異尺度;

        ②相同尺度出現(xiàn)在不同的IMF中。

        模式混疊是由信號中斷引起的。中斷是一種不定形式的擾動,混淆時頻分布,破壞IMF的物理意義。如圖5所示,信號x(t)=sin2πt的中間3個峰值頂端被頻率較高的另一個信號n(t)=0.05sin50πt占據(jù),構(gòu)成一組含有中斷信號的數(shù)據(jù)。對其進行EMD分解后,c1(t)中出現(xiàn)模式混疊現(xiàn)象,兩種頻率的信號相互干擾,應有的尺度沒有被分解出來。

        (5)集合經(jīng)驗模式分解 (EEMD)

        為了降低模式混疊現(xiàn)象的發(fā)生,WU和 HUANG提出了一種噪聲輔助處理方法,集合經(jīng)驗模式分解法EEMD,把白噪聲加入待分解信號,利用白噪聲頻率的均勻分布,使不同尺度的信號自動映射到合適的參考尺度上。EEMD的算法步驟如下:

        圖5 基于EMD的中斷信號經(jīng)驗模式分解

        ①初始化集合的數(shù)目;

        ②給出所加白噪聲的幅值,并令i=1;

        ③在原始信號x(t)中加給定幅值的白噪聲ni(t)

        其中:ni(t)為第i組所加的白噪聲序列,xi(t)是第i組待分解加噪聲的信號。

        ④基于EMD方法,把xi(t)分解成N個本征模式函數(shù) IMFcj,i(i=1,2,…,N),其中cj,i表示第i組待分解加噪聲信號的第j個本征模式函數(shù)IMF。

        ⑤如果i<M,就返回步驟 (3)繼續(xù)運算并置i=i+1;重復步驟 (3)和 (4),并且保證每次所加的噪聲序列不同。

        ⑥計算M次IMF的平均值作為某一層最終本征模式函數(shù)

        ⑦同理可獲取其他各層的本征模式函數(shù)ˉcj(j=1,2,…,N)。

        圖6所示,通過EEMD方法把圖5信號分解為c1(t)和c2(t),集合數(shù)目設定為50,所加白噪聲的幅值為待分析信號幅值的0.21倍,清晰分解出了所需要的尺度信息。因此,EEMD方法可以降低模式混疊現(xiàn)象的發(fā)生。

        圖6 基于EEMD的中斷信號經(jīng)驗模式分解

        3 結(jié)論

        無傳感器信息具有非線性和非平穩(wěn)特征,通過EMD和EEMD方法對數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)機械傳動部件進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。EMD和EEMD方法在時域中分解信號,容易理解與應用。而且,分解過程中的殘余項是信號的緩變量,具有信號趨勢特征。最終殘余項與低頻本征模式函數(shù)可通過相加進行重構(gòu),表征不同尺度下的信號趨勢,可用于機械傳動部件狀態(tài)趨勢分析。同時,本征模式函數(shù)具有多尺度特征,可用于無傳感器信息的濾波和多尺度誤差分析。因此,通過EMD和EEMD方法,可實現(xiàn)無傳感器信息的濾波、故障特征提取、狀態(tài)趨勢分析以及多尺度誤差分解,為數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)快速性能評估奠定了基礎。

        [1]李佳特.數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)的性能評估與改進[J].制造技術(shù)與機床,2004(10):112-115.

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        [3]何正嘉.機械設備非平穩(wěn)信號的故障診斷原理及應用[M].北京:高等教育出版社,2001.

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