數(shù)控機(jī)床高速電主軸狀態(tài)信號(hào)處理

李茂勝，高 榮

(1.淮安市廣播電視大學(xué)，江蘇淮安 223005;2.淮陰工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇淮安 223003)

隨著機(jī)床技術(shù)、高速切削技術(shù)的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用的需要，人們對(duì)機(jī)床電主軸的性能也提出了越來越高的要求，由于數(shù)控機(jī)床工作環(huán)境的復(fù)雜性，零件切削參數(shù)的影響以及外界的強(qiáng)電磁干擾，電主軸運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)常常被噪聲信號(hào)所淹沒，這就要求我們必須從噪聲中把信號(hào)的特征點(diǎn)提取出來，以便數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制。

1 電主軸及其狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 電主軸簡(jiǎn)介

電主軸是最近幾年在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的新技術(shù)，它與直線電機(jī)技術(shù)、高速刀具技術(shù)一起，將會(huì)把高速加工推向一個(gè)新時(shí)代。電主軸是一套組件，它包括電主軸本身及其附件:電主軸、高頻變頻裝置、油霧潤(rùn)滑器、冷卻裝置、內(nèi)置編碼器、換刀裝置。電主軸的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要特征是將電動(dòng)機(jī)內(nèi)置于主軸內(nèi)部直接驅(qū)動(dòng)主軸，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)、主軸一體化的功能。

與傳統(tǒng)機(jī)床主軸相比，電主軸具有如下特點(diǎn):

(1)主軸由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，省去了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)械效率高、噪聲低、振動(dòng)小和精度高等特點(diǎn);

(2)采用交流變頻調(diào)速和矢量控制，輸出功率大，調(diào)整范圍寬，功率轉(zhuǎn)矩特性好;

(3)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，可實(shí)現(xiàn)很高的速度和加速度及定角度的快速準(zhǔn)停;

(4)電主軸更容易實(shí)現(xiàn)高速化，其動(dòng)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性更好;

(5)由于沒有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的外力作用，主軸運(yùn)行更平穩(wěn)，使主軸軸承壽命得到延長(zhǎng)。

圖1 電主軸機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 電主軸狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文所開發(fā)的電主軸狀態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)，用來檢測(cè)電主軸的速度、加速度、溫升等狀態(tài)信號(hào)，對(duì)電主軸功能進(jìn)行測(cè)試，以滿足電主軸重要的性能指標(biāo)要求。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的總體組成如圖2所示。

圖2 電主軸信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)硬件體系

電主軸系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床重要組成部分，所采用的主控裝置為研華公司的嵌入式PC104工控機(jī)，它滿足了對(duì)測(cè)試系統(tǒng)空間約束、接口配置、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)運(yùn)行以及可靠性等要求，為滿足測(cè)試過程實(shí)時(shí)性，保證測(cè)試結(jié)果正確性，必須選擇良好的實(shí)時(shí)性系統(tǒng)，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)可靠的測(cè)試軟件。

2 電主軸狀態(tài)信號(hào)監(jiān)測(cè)處理方法的選擇

小波變換在數(shù)學(xué)領(lǐng)域本身的許多學(xué)科、信號(hào)分析、圖像處理、量子力學(xué)、電子對(duì)抗、計(jì)算機(jī)識(shí)別、數(shù)據(jù)壓縮、CT成像、地震勘探數(shù)據(jù)處理、邊緣檢測(cè)、音樂與語(yǔ)音人工合成、機(jī)械故障診斷、大氣與海洋波的分析、分形力學(xué)、流體湍流以及天體力學(xué)等方面都已取得了具有科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值的重要成果。除了微分方程的求解之外，原則上能用Fourier分析的地方均可用小波分析，甚至能獲得更好的結(jié)果。資料表明，小波變換能夠有效地提取電主軸狀態(tài)信號(hào)(如加速度信號(hào))的特征，并能預(yù)測(cè)出電主軸狀態(tài)信號(hào)的發(fā)展趨勢(shì)，所以本文依據(jù)小波檢測(cè)理論對(duì)電主軸狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行處理。

3 小波基本理論

對(duì)于任意連續(xù)的函數(shù)f(t)∈L2(R)的連續(xù)小波變換為

其重構(gòu)公式(逆變換)為

在實(shí)際應(yīng)用中，常用的是二進(jìn)制小波變換，在上面式(1)中所定義的連續(xù)小波變換中，對(duì)尺度因子a和平移因子b進(jìn)行離散采樣:a=2j，b=k2j(j，k∈Z)。此時(shí)，連續(xù)小波變換就變成二進(jìn)制離散小波變換，變換公式為:

4 電主軸狀態(tài)信號(hào)的小波去噪

4.1 Mallat算法

設(shè){ψk，n}k，n∈Z是 L2中的正交小波基，則對(duì)于任意的f∈L2，f(x)有如下展開:

把C0分解為d1，d2，…，dN的分解過程稱為有限正交小波分解，對(duì)于信號(hào)處理來說，這一分解形式特別有用。

4.2 電主軸狀態(tài)信號(hào)的小波分解和重構(gòu)

我們對(duì)電主軸狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行Mallat二維塔式快速小波變換，分解過程如圖3所示。

圖3 二維小波分解示意圖

重構(gòu)過程如圖4所示，(H1(n)，G1(n)分別為低通和高通濾波器)。重構(gòu)時(shí)使用一組h和g合成濾波器對(duì)小波分解的結(jié)果濾波，再進(jìn)行上二采樣(相鄰兩點(diǎn)間補(bǔ)零)來生成重構(gòu)信號(hào)。多級(jí)小波分解通過級(jí)聯(lián)的方式進(jìn)行，每一級(jí)的小波變換都是在前一級(jí)分解產(chǎn)生的低頻分量上的繼續(xù)，重構(gòu)是分解的逆運(yùn)算。低頻分量上的信息比較豐富，能量集中;高頻分量上的信息分量多為零，細(xì)節(jié)信息豐富，能量較少。

圖4 二維小波重構(gòu)示意圖

4.3 仿真結(jié)果

由上述小波分解和重構(gòu)算法可以對(duì)任意非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行處理，我們以加速度信號(hào)作為處理的對(duì)象，由于噪聲信號(hào)干擾嚴(yán)重，無法找出加速度信號(hào)的特征點(diǎn)，也看不出信號(hào)的發(fā)展趨勢(shì)，從而對(duì)電主軸振動(dòng)情況無法進(jìn)行正確的判斷。圖5是加速度信號(hào)的小波去噪對(duì)比圖，不難看出，小波重構(gòu)信號(hào)(即去噪信號(hào))明顯地消除了噪聲，相對(duì)準(zhǔn)確地再現(xiàn)出原始信號(hào)，也就是說，重構(gòu)的信號(hào)可以很好地去掉噪聲的影響，又保證了主要的特征信息不被丟失。

圖5 加速度信號(hào)小波去噪前后對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

電主軸加速度信號(hào)處理的仿真結(jié)果表明，小波變換能夠有效地提取電主軸加速度信號(hào)的特征，并能預(yù)測(cè)出電主軸加速度信號(hào)的發(fā)展趨勢(shì)。通過實(shí)例看出，小波理論在信號(hào)去噪處理方面具有很大的應(yīng)用潛力。通過對(duì)電主軸狀態(tài)信號(hào)監(jiān)測(cè)，解決電主軸在設(shè)計(jì)和運(yùn)行中的技術(shù)難題，準(zhǔn)確提取包括振動(dòng)信號(hào)等重要參數(shù)，為數(shù)控系統(tǒng)對(duì)主軸控制和決策提供強(qiáng)有力的保證。

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