电主轴振动加速度信号特征提取

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1、第18卷2期应用基础与工程科学学报Vol.18,No.22010年4月JOURNALOFBASICSCIENCEANDENGINEERINGApril2010文章编号:100520930(2010)0220337206中图分类号:TP391.72文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.100520930.2010.02.0018电主轴振动加速度信号特征提取1,23高荣,蒋克荣(1.淮阴工学院机械系,江苏淮安223003;2.清华大学精密仪器与机械学系,北京100084;3.中科院合肥智能机械研究所,安徽合肥230031)摘要:针对电主轴振动

2、加速度信号存在噪声问题,本文研究了利用小波理论进行电主轴振动加速度状态信号的监测处理方法.介绍了电主轴的基本概念和简单结构;分析认为小波理论非常适合电主轴振动加速度状态信号的处理,它是非常重要的理论基础;阐述了小波基本理论以及Mallat算法;最后针对电主轴加速度信号,利用小波理论分析了信号与噪声呈现的不同特性,进行小波逆变换重构信号,解决了加速度信号去噪和恢复,这样可以准确提取电主轴的振动运行状态信息,为科学研究和数控系统的决策和控制提供了很好的依据.关键词:电主轴;小波变换;振动;去噪电主轴最早是用在磨床上,后来才发展到加工中心.强大的精密机械工业

3、不断提出要求,使电主轴的功率和品质都不断得到提高.随着机床技术、高速切削技术的发展和实际应用的需要,人们对机床电主轴的性能也提出了越来越高的要求,电主轴向高速大功率、高精度、高刚度、精确定向(准停)和超高速方向发展,为了使电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好的优点,避免振动、污染和噪声,以使它在超高速切削机床上得到广泛应用,就必须对转速、振动和温升等电主轴信号进行采集和处理,达到良好的控制性能.但由于数控机床工作环境的复杂性,零件切削参数的影响以及外界的强电磁干扰,电主轴运行状态信号常常被噪声信号所淹没,这就要求我们必须从噪声中把信号的特征点

4、提取出来,以便数控系统进行控制.国外瑞士GF阿奇夏米尔集团生产的MIKRONHSM系列高速铣削加工中心可配置聪明加工系统,其功能之一就是加工过程电主轴振动监控,以便用户观察铣削过程是否正常,系统可以将振动数据记录下来以便进一步分析,当振动超过给定值时,系统报警并自动停机,还可以根据振动数据计算电主轴的使用寿命.国内相关研究比较滞后,和国外差距还很大,所以开展电主轴振动信号处理相关研究具有非常[1]重要的意义.1电主轴简介电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技收稿日期:2008206212;修订日期:2010202205基

5、金项目:国家863项目(2005AA420240);江苏省自然科学基础研究项目(BK2009662)作者简介:高荣(1970—),男,博士后,副教授.Tel:13511557851;E2mail:ggrr7012@163.com338应用基础与工程科学学报Vol.18术,它与直线电机技术、高速刀具技术一起,将会把高速加工推向一个新时代.电主轴是一套组件,它包括电主轴本身及其附件:电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置.图1为电主轴的结构简图,其主要特征是将电动机内置于主轴内部直[2]接驱动主轴,实现电动机、主轴一体化的功能.与

6、传统机床主轴相比,电主轴具有如下特点:(1)主轴由内装式电动机直接驱动,省去了中间传动环节,具有结构紧凑、机械效率高、噪声低、振动小和精度高等特点;(2)采用交流变频调速和矢量控制,输出功率大,调整范围宽,功率转矩特性好;(3)机械结构简单,转动惯量小,可实现很高的速度和加速度及定角度的快速准停;(4)电主轴更容易实现高速化,其动态图1电主轴机构简图精度和动态稳定性更好;Fig.1Sketchmapofmotorspindle(5)由于没有中间传动环节的外力作用,主轴运行更平稳,使主轴轴承寿命得到延长.2电主轴振动状态信号监测处理方法的选择小波分析是当

7、前数学中一个迅速发展的新领域,它与Fourier变换、窗口Fourier变换(Gabor变换)相比,相同点是都能实现时间和频率的局域变换,因而能有效地从信号中提取信息,而小波分析有一灵活可变的时间—频率窗,使在高“中心频率”时自动变窄,克服了Fourier变换对于检测高频信号和研究低频信号不很有效的缺点,提高了运算精度,通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析,并能解决Fourier变换不能解决的难题,准确地再现出原始信号及其奇异点的位置,从而小波变换被誉为“数学显微[324]镜”,它是调和分析发展史上里程碑式的重大进展.小波变换在数学领

8、域本身的许多学科、信号分析、图像处理、量子力学、电子对抗、计算机识别、数据压缩、CT成像;地震