姚玲峰 宋 超 肖世德

(1.成都紡織高等專科學校 機械工程學院，四川 成都 611731；2.西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

滾珠絲杠副是一種應用較為廣泛的傳動機構，它能夠將旋轉運動轉換為直線移動，在CNC機械、精密工具機、高速化機械等方面有較為廣泛的應用[1]。

作為設備傳動系統(tǒng)的重要組成部分，滾珠絲杠副的健康狀態(tài)決定著生產(chǎn)是否能夠正常進行。因此對滾珠絲杠副的狀態(tài)監(jiān)測成為技術人員考慮的問題。通常在滾珠絲杠副的前后端支座或絲杠螺母上安裝加速度傳感器，通過采集滾珠絲杠副的振動信號進行分析，以判斷滾珠絲杠副的健康狀態(tài)。

EMD(Empirical Mode Decomposition)分解方法是一種處理非平穩(wěn)非線性信號的有效方法，通過分解可將采集到的原始信號分解成若干具有原始信號局部特征的本征模態(tài)函數(shù)，即IMF(Intrinsic Mode Functions)，每一個IMF所具有的頻率成分與原始信號相關，且隨原始信號的變化而變化[2]。對分解后的信號進行快速傅里葉變換，即FFT(Fast Fourier Transform)，可以得到滾珠絲杠副的功率譜和特征頻率，通過特征頻率可以判斷滾珠絲杠副的健康狀況。

1 EMD和FFT方法介紹

1.1 EMD基本算法

通過如圖1所示的流程圖可以對原始信號進行EMD分解[3-8]。

圖1 EMD分解流程圖

經(jīng)EMD分解后，原始信號可用下式表示：

(1)

式中：x(t)為原始信號；ci為本征模態(tài)函數(shù)，即IMF分量；rn為余項。

1.2 FFT基本原理

本次采集到的數(shù)據(jù)為離散數(shù)據(jù)，則離散傅里葉變換公式為：

(2)

式中X(j)為頻域函數(shù)，x(k)為時域函數(shù)，N為計算點數(shù)，j=0,1,…,N-1；k=0,1,…,N-1 。

2 信號分析

本試驗采用某品牌4020型滾珠絲杠副，其結構參數(shù)見表1：

表1 試驗用滾珠絲杠副結構參數(shù)

表2列出了振動信號采集的試驗參數(shù)。

表2 振動信號采集的試驗參數(shù)

在本試驗中，共采集12000個試驗數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)整理后取其中10000個有效數(shù)據(jù)進行EMD變換，得到如圖2所示各IMF分量：

圖2 實測振動信號x(t)及其EMD分解結果

為了進一步分析各IMF分量對應的頻譜，將經(jīng)EMD分解后的各分量瞬時幅值譜進行FFT變換，取前5項IMF分量的頻譜圖，如圖3所示。

圖3 采用FFT變換得到的實測振動信號前5項IMF分量的頻譜圖

Fig.3 Spectrogram of the first 5 IMF components of the measured vibration signal obtained by FFT transformation

從圖中看出，每一個分量對應一個頻段，在頻譜圖中，頻率集中在175 Hz左右，且在此頻率周圍并沒有其他干擾頻率出現(xiàn)，說明此頻率為滾珠絲杠副的特征頻率。其它分量的頻譜圖中所包含的都為一簇頻率，說明這些頻率段由滾珠絲杠副試驗過程中噪聲引起。

3 結論

為了監(jiān)測滾珠絲杠副的健康狀況，對采集到的滾珠絲杠副振動信號做EMD分解，得到包含原始信號固有特征的若干IMF分量，對選定的IMF分量做FFT得到對應的頻譜圖，從頻譜圖中可以得出滾珠絲杠副的特征頻率，以及若干低頻噪聲。根據(jù)分析可知，利用EMD和FFT對分析非平穩(wěn)、非線性的滾珠絲杠副離散振動信號是有效的。