基于交流電動(dòng)機(jī)電流和mikemd的伺服旋轉(zhuǎn)軸故障診斷方法

基于交流電動(dòng)機(jī)電流和mikemd的伺服旋轉(zhuǎn)軸故障診斷方法

該標(biāo)準(zhǔn)通過互聯(lián)電機(jī)、聯(lián)軸節(jié)和減速結(jié)構(gòu)，廣泛用于制造設(shè)備、雷達(dá)、坦克、機(jī)器人、高端數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域。如果服務(wù)轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將受到很大影響。因此,研究伺服旋轉(zhuǎn)軸的故障診斷技術(shù)具有重要的科學(xué)理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。但伺服旋轉(zhuǎn)軸的故障診斷一直是研究的難點(diǎn),關(guān)鍵問題在于:(1)盡管人們通常采用加速度傳感器、位移傳感器、激光測(cè)振儀等裝置獲取伺服旋轉(zhuǎn)軸的狀態(tài)信息用于故障定位,并取得積極效果,但這些裝置較難深入伺服旋轉(zhuǎn)軸的內(nèi)部,信噪比差,安裝不方便且成本較高,無(wú)法適應(yīng)伺服旋轉(zhuǎn)軸在線監(jiān)測(cè)和故障診斷的要求為此,本文提出一種基于電流和EEMD方法的伺服旋轉(zhuǎn)軸故障診斷策略,即采用交流伺服電動(dòng)機(jī)電流等信息,以EEMD方法為支撐,達(dá)到伺服旋轉(zhuǎn)軸故障診斷的目的。關(guān)于電動(dòng)機(jī)電流的研究應(yīng)用方面,已有學(xué)者關(guān)注于數(shù)控機(jī)床的刀具破磨損監(jiān)測(cè)、切削力預(yù)測(cè)以及進(jìn)給系統(tǒng)摩擦特性分析等方面的研究本文首先在研究伺服旋轉(zhuǎn)軸控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,建立電動(dòng)機(jī)電流信息與故障的關(guān)聯(lián)模型;通過頻響分析理論證明了電流用于伺服旋轉(zhuǎn)軸故障診斷的可行性。其次,針對(duì)不同的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),提出了不同的電動(dòng)機(jī)電流獲取策略,并基于位置、速度、采樣時(shí)間之間的無(wú)縫集成特征,提出了電動(dòng)機(jī)電流的位置和時(shí)間表達(dá)方法;最后,建立了典型的伺服旋轉(zhuǎn)軸典型機(jī)械傳動(dòng)部件的動(dòng)力學(xué)模型,并基于電流信息的非線性和非平穩(wěn)特征,深入分析了基于EEMD對(duì)伺服旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行故障診斷的原理。試驗(yàn)分析表明電動(dòng)機(jī)電流信息和EE-MD方法用于伺服旋轉(zhuǎn)軸機(jī)械傳動(dòng)部件故障診斷的可行性和有效性,從而為其在線監(jiān)測(cè)和故障快速溯源,提供技術(shù)支撐。1關(guān)于交流供電機(jī)的電流信息測(cè)試原理1.1雙軸伺服電機(jī)動(dòng)力學(xué)模型典型伺服旋轉(zhuǎn)軸控制系統(tǒng)如圖1所示,通常由電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)等3部分組成,位置環(huán)主要包括半閉環(huán)和全閉環(huán)控制。其中:i對(duì)圖1的包含有放大器、伺服電動(dòng)機(jī)和伺服旋轉(zhuǎn)軸位置環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化,得出下面3個(gè)方程(1)AC伺服驅(qū)動(dòng)電流方程(2)伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)平衡方程(3)工作臺(tái)的動(dòng)力學(xué)平衡方程其中:誤差e=K式(1)~(3)表明交流伺服電動(dòng)機(jī)電流i由圖1進(jìn)一步可知,交流伺服電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T滿足下式:在恒速空載條件下,Jθ式(5)表明:在恒速空載測(cè)試時(shí),摩擦轉(zhuǎn)矩τ1.2交流伺服電機(jī)電流的頻響特性對(duì)式(1)~(3)進(jìn)行拉普拉斯變換并聯(lián)立方程,可分別得到在全閉環(huán)與半閉環(huán)位置控制下的干擾轉(zhuǎn)矩D與交流伺服電動(dòng)機(jī)電流i全閉環(huán)控制下的干擾轉(zhuǎn)矩D與交流伺服電動(dòng)機(jī)電流i式中:a=K半閉環(huán)控制下的干擾轉(zhuǎn)矩D與交流伺服電動(dòng)機(jī)電流i若式(6)~(7)中的各參數(shù)圖2表明:在頻段(0~610Hz),交流伺服電動(dòng)機(jī)電流對(duì)故障干擾轉(zhuǎn)矩有很好的頻響特性;并且無(wú)論在位置全閉環(huán)還是半閉環(huán)控制下測(cè)試,D-i1.3電流信息采集法伺服旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開放式和商用系統(tǒng)。對(duì)于開放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),通過二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)電流信息的獲取;對(duì)于諸如Fanuc、Siemens等商用控制系統(tǒng),由于系統(tǒng)多采用數(shù)字總線技術(shù)進(jìn)行信號(hào)傳輸,詳細(xì)信息并不公開,從而電流信息獲取較為困難。為此,提出兩種應(yīng)對(duì)策略。(1)霍爾電流傳感器采集法對(duì)于難以直接獲取電流的伺服旋轉(zhuǎn)軸,采用3只霍爾電流傳感器采集信息。當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸恒速進(jìn)給時(shí),則電流有效值為:式中:i此時(shí),iI(2)電流監(jiān)測(cè)接口采集法為了便于進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,一些伺服放大器提供實(shí)時(shí)電動(dòng)機(jī)電流監(jiān)測(cè)接口,例如安川、三菱、松下等交流伺服電動(dòng)機(jī)。圖3所示的是SiemensSI-MODRIVE611analog伺服電動(dòng)機(jī)中的電流監(jiān)測(cè)接口。通過這個(gè)接口,可以快速獲取電流信息。式中:I1.4交流伺服電動(dòng)機(jī)電流信息表達(dá)方法在伺服旋轉(zhuǎn)軸勻速測(cè)試時(shí),由于測(cè)試位置為測(cè)試時(shí)間與測(cè)試速度之積,則電流信息可采用時(shí)間函數(shù)和位置函數(shù)兩種表示方式:式中:t為采樣時(shí)間,P為當(dāng)前位置。式(11)表示了電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩M或電流隨時(shí)間變化的趨勢(shì),主要用于分析故障的演變規(guī)律和基于時(shí)域、頻域以及時(shí)頻域等方法的故障診斷;而式(12)表征電流隨位置變化的狀態(tài),可快速定位故障點(diǎn)位置。2eemd方法的一般過程將交流伺服電動(dòng)機(jī)電流信息與EEMD方法相結(jié)合,以實(shí)現(xiàn)伺服旋轉(zhuǎn)軸故障診斷與狀態(tài)趨勢(shì)分析。對(duì)于任意一臺(tái)交流伺服電動(dòng)機(jī)電流信息x(t),其EEMD算法步驟(1)初始化集合的數(shù)目;(2)給出所加白噪聲的幅值,并令j=1;(3)在原始信號(hào)x(t)中加給定幅值的白噪聲n式中:n(4)基于EMD方法,把x(5)如果j<L,就返回步驟(3)繼續(xù)進(jìn)行運(yùn)算并置j=j+1;重復(fù)步驟(3)和(4),并且要保證每次所加的噪聲序列不同。(6)計(jì)算N次IMF的平均值,其被看作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)在EEMD應(yīng)用中,應(yīng)注意兩個(gè)問題:(1)集合的數(shù)目若N為集合的數(shù)目,a式(15)表明,集合的數(shù)目N越大,誤差e(2)所加噪聲的幅值到目前為止,鮮有文獻(xiàn)報(bào)道在EEMD方法中所加噪聲幅值的選擇。一般認(rèn)為,噪聲幅值為待分析信號(hào)的方差的0.2~0.3倍。EEMD分解過程表明:①由于分解過程是在時(shí)域中進(jìn)行的,沒有頻域轉(zhuǎn)換,且在不需要人為的干與條件下自適應(yīng)地處理非平穩(wěn)信號(hào),因此,對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行分解可用于機(jī)械傳動(dòng)部件故障診斷。②EEMD分解過程中的殘余項(xiàng)是信號(hào)的緩變量,具有信號(hào)的趨勢(shì)特征,并且殘余項(xiàng)能夠重構(gòu)表征不同尺度下的信號(hào)趨勢(shì)。因此,對(duì)電動(dòng)機(jī)電流信號(hào)進(jìn)行分解和重構(gòu)殘余量可用于伺服旋轉(zhuǎn)軸機(jī)械傳動(dòng)部件狀態(tài)趨勢(shì)分析。3伺服旋轉(zhuǎn)軸故障診斷原理減速器是伺服旋轉(zhuǎn)軸最重要的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。下面以蝸輪蝸桿為結(jié)構(gòu)的減速器動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ),分析基于電動(dòng)機(jī)電流和EEMD的伺服旋轉(zhuǎn)軸故障診斷原理。3.1蝸桿自激振動(dòng)自激振動(dòng)原理由于蝸輪蝸桿的輪齒具有一定彈性,若以其一對(duì)輪齒為研究對(duì)象,則該對(duì)輪齒可被看作一個(gè)彈簧-阻尼振動(dòng)系統(tǒng)。其振動(dòng)方程為:式中:μ=T由式(16)可知,蝸桿副的振動(dòng)為自激振動(dòng)。該式的左端代表蝸桿副本身的振動(dòng)特征,右端為激振函數(shù)。由激振函數(shù)看出,輪齒的振動(dòng)源于3部分:1常規(guī)振動(dòng)k但是,當(dāng)存在點(diǎn)蝕或膠合故障時(shí),齒面摩擦因數(shù)μ將急速增大,電動(dòng)機(jī)電流也迅速增大,使系統(tǒng)產(chǎn)生特征頻率為嚙合頻率的振動(dòng),并在局部聚集著大量的能量。由于電動(dòng)機(jī)電流等能夠較好地反映伺服旋轉(zhuǎn)軸受力的變化,因此可基于其進(jìn)行頻譜分析,通過觀察電流的演變趨勢(shì),判斷故障源。3.2粗評(píng)估旋轉(zhuǎn)軸測(cè)試條件故障診斷步驟如下:(1)采用EEMD方法對(duì)轉(zhuǎn)矩/電流信息進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?獲取N個(gè)本征模式函數(shù)IMFs;(2)求解本征模式函數(shù)的瞬時(shí)頻率,并與蝸輪和蝸桿的故障特征頻率進(jìn)行對(duì)比,初步確定故障來源;(3)重構(gòu)IMFs,使重構(gòu)后的曲線能夠表征整個(gè)信號(hào)的演變趨勢(shì);(4)根據(jù)測(cè)試速度以及采樣時(shí)間,粗評(píng)估旋轉(zhuǎn)軸的測(cè)試行程;(5)結(jié)合步驟(3)~(4),做出位置-電動(dòng)機(jī)電流極坐標(biāo)圓周圖譜,以便進(jìn)一步確定故障源。4b軸測(cè)量與分析如圖4a和4b所示,以某五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸B為試驗(yàn)對(duì)象,電動(dòng)機(jī)基于伺服放大器SIMODRIVE611半閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制。該機(jī)床B軸的傳動(dòng)鏈主要由蝸輪蝸桿減速器構(gòu)成,總減速比為125∶1。B軸試驗(yàn)時(shí),通過圖4c電流監(jiān)測(cè)接口獲取電動(dòng)機(jī)電流;圖4d中PolyTecOFV5000激光測(cè)振儀同時(shí)獲取B軸的振動(dòng)信息進(jìn)行對(duì)比分析。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為Databook2001。B軸測(cè)試行程為-90°~90°,測(cè)試速度為180°/min,電流與振動(dòng)信息的采樣頻率為100Hz。根據(jù)測(cè)試速度,計(jì)算軸Ⅰ和軸Ⅱ的工作頻率,分別為1.04Hz和0.008Hz。由圖5a所示,B軸電流在-3~0A之間波動(dòng),并夾雜著大量的噪聲;且在0~21s段,電流變大,它表明B軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可能存在故障。如圖5b所示,采用激光測(cè)振儀獲取的振動(dòng)信息很難發(fā)現(xiàn)B軸異常狀態(tài)特征。這表明電流比外加傳感器獲取的信息對(duì)旋轉(zhuǎn)軸故障更具有敏感性。下面采用EEMD方法來識(shí)別B軸的故障。如圖6所示,基于EEMD方法將測(cè)得的交流伺服電動(dòng)電流信息自適應(yīng)分解為11個(gè)IMFsC為進(jìn)一步確定故障類型以及故障位置,將本征模式函數(shù)IMFC5數(shù)學(xué)模型評(píng)估(1)采用交流伺服電動(dòng)機(jī)電流進(jìn)行故障診斷,成本低,易于在線獲取狀態(tài)信息,并且自身數(shù)據(jù)參與控制,對(duì)機(jī)械傳動(dòng)部件的故障很敏感,因此采用交流伺服電動(dòng)機(jī)電流信息進(jìn)行伺服旋轉(zhuǎn)軸性能評(píng)估具有先天的優(yōu)勢(shì)。(2)交流伺服電動(dòng)機(jī)電流信息與故障的關(guān)聯(lián)模型以及頻響特性分析都表明:無(wú)論位置全閉環(huán)控制還是位置半閉環(huán)控制,交流伺服電動(dòng)