基于机床电机电流信息的分析诊断研究.pdf

2 0 1 1年 1 O月 第 3 9卷 第 1 9期 机床与液压 MACHI NE T0OL ＆ HYDRAUU CS 0c t ． 2 0 1 l Vo 1 ． 3 9 No ． 1 9 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 9 ． 0 3 8 基于机床电机电流信息的分析诊断研究 董加成 ，陈晓光 ，徐光华 ，梁霖 ，刘飞 ，魏福贵 1 ．西安交通大学机械工程学院，陕西西安 7 1 0 0 4 9；2 ．西安交通大学机械制造 系统工程 国家重点实验 室， 陕西西安 7 1 0 0 5 4 ；3 ．西安交大思源精 密工程有限责任公司，陕西西安 7 1 0 0 4 3 ； 4 ． 安阳鑫盛机床股份有限公司，河南安阳4 5 5 0 0 0 摘要针对数控机床传动系统缺乏有效的监测诊断技术支持的问题 ，提出借助驱动电机电流信号的高信噪比、便于测 量、不受系统结构影响的特点，研究基于电机电流信号的机床传动系统故障诊断技术。主要研究传动系统在电机电流信号 中的表现机制和电机 自身的传感器特性以及传动系统的监测诊断应用技术，并开发相应的监测诊断系统。为保障机床运行 得稳定性，促进监测诊断技术的进一步发展具有重要的意义。 关键词数控机床 ；电机电流分析；故障诊断 中图分类号T H1 6 5． 3 ；T N 9 1 1 ． 7 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 91 3 3 4 Re s e a r c h o f Di a g no s i s a nd Ana l y s i s Ba s e d o n M o t o r Cur r e nt S i g na l o f M a c h i n e To o l DONG J i a c h e n g ，C HE N Xi a o g u a n g ，XU G u a n g h u a ，L I A NG L i n ，L I U F e i ，WE I F u g u i 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ，X i ’ a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 4 9 ，C h i n a ； 2． S t a t e Ke y La b o r a t o r y f o r Me c h a n i c a l Ma n u f a c t u rin g S y s t e ms En g i n e e r i n g， Xi ’ a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y，Xi ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 5 4，C h i n a ； 3 ． S i y u a n P r e c i s i o n E n g i n e e rin g C o ． L t d，Xi ’ a n J i a o t o n g Un i v e r s i t y ，Xi ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 4 3，C h i n a； 4 ． A n y a n g X i n s h e n g Ma c h i n e T o o l C o ． ，L t d ，A n y a n g He n a n 4 5 5 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t l a c k i n g e ff e c t i v e t e c h n i c a l s u p p o r t f o r NC ma c h i n e t o o l d ri v e s y s t e m s mo n i t o ri n g a n d d i a g n o s i s ， a n e w t e c h - n o l o g y b a s e d o n mo t o r c u r r e n t s i g n al f o r d riv e s y s t e m s f a u l t d i a gn o s i s o f ma c h i n e t o o l wa s r e s e a r c h e d ． S o me a d v a n t a g e s c h ara c t e ris t i c s o f m o t o r c u r r e n t s i g n al i n f a u l t d i a g n o s i s o f m a c h i n e t o o l ，s u c h a s h i g h s i gna l t o n o i s e r a t i o S N R ，e a s i l y m e a s u r e d a n d u n a f f e c t e d b y s y s t e m s t r u c t u r e w e r e i n t r o d u c e d ． I n a d d i t i o n，t h e d ri v e s y s t e m’ S e x p r e s s i o n me c h a n i s m b a s e d o n mo t o r c u rr e n t s i gn al ， t h e s e n s o r a t t r i b u t e o f mo t o r i t s e l f a n d t h e d ri v e s y s t e m s mo n i t o ri n g＆ d i a gn o s i s t e c h n o l o g y w e r e s t u d i e d ma i n l y ． A f a u l t mo n i t o ri n g a n d d i a gn o s i s s y s t e m o f ma c h i n e t o o l wa s d e v e l o p e d a c c o r d i n g l y ．T h e s e r e s e arc h e s a r e v e r y s i gni fi c a n t for s t a b l e r u n n i n g o f t h e NC ma c h i n e t ool a n d p r o mo t i n g f u r t h e r d e v e l o p me n t o f mo n i t o rin g a n d d i a gn o s i s t e c h n o l o gy ． Ke y wo r d s NC ma c h i n e t o o l ； Mo t o r c u rre n t a n aly s i s ； F a u l t d i a gn o s i s 伴随着工业技术的高速发展和现代制造业对机床 智能化、高速化的要求，机床性能的优劣将越来越直 接关系到制造行业技术水平的发展。目前 ，数控机床 已逐步成 为生产制造链 中的关键 环节 ，在航 空航 天、 国防装备 、运载工具、动力设备等制造领域具有重要 的作用。 数控机床的故障预警和诊断技术是目前 国外内研 究的薄弱环节，也是最关键的研究内容。虽然，一些 数控系统已具有一定的智能 自诊断能力，但这些诊断 功能往往都局限于对电气系统及控制系统进行故障诊 断，对于机床在运行期间由于加工环境和结构产生的 机械类故障导致加工精度丧失的问题却无能为力，如 机床的结构振动、局部温度变化 、进给速度变化等。 同时，由于数控机床故障诊断应用中外置传感器安装 困难 ，并且振动信息耦合性较强等因素使机床故障诊 断应用受到一定 的限制。然而，与其他测试方法相 比，电流法具有信息获取方便、信息集成度高、测试 系统简单等特点 ，可以有效地弥补现有其他检测技术 存在的缺陷，提升机床运行状态的监测与故障诊断能 力 。 针对数控机床缺乏有效的监测诊断技术支持的问 题 ，作者将研究基于电机电流信号的机床传动系统故 障诊断技术。着重研究传动系统运行状态在电机电流 信号中的表现机制和电机 自身的传感器特性，并在此 基础上 ，采用现代信号处理的新技术，研究机床传动 系统 的监 测诊 断应用技术 。针对现场应用测试 ，开发 收稿 日期 2 0 1 0一1 0 0 8 基金项目国家科技重大专项支持项 目 2 0 0 9 Z X 0 4 0 0 1 ． 0 6 3 作者简介董加成 1 9 8 6 一 ，男，硕士研究生，主要研究方向为机械故障诊断。E ma i l 2 0 0 6一d j c 1 6 3 ． c o m。 1 3 4 机床与液压 第 3 9卷 了相应的监测诊断系统，以实现对机床传动系统运行 状态监测与故障的精确诊断。数控机床的故障预警和 诊断技术 的研究 ，对促进监测诊断技术 的进一步发展 具有重要 的意义 。 1 电机电流信号分析 电机 电流法 Mo t o r C u r r e n t S i g n a l A n a l y s i s ，M C S A 最早是用来对电机本体故障进行诊断的⋯，它 把定子绕组和转子看作是具有磁电耦合的电路 ，当电 机转子出现故障时会使磁电耦合电路中的磁通量发生 变化 ，从而引起定子电流的变化，通过对电流信号的 分析就能够对电机转子的故障进行诊断。目前，国内 外有众多 的研究成果 ，如王风 昌利 用电流信 号实 现了偏心、断条、相问短路、断路等故障；黄群古等 将梯形小波 良好的时域和频域局部化特点用于电机鼠 笼断条及转子的故障诊断；刘振兴基于 H i l b e r t 模量 频谱分析实现了异步电动机转子故障的在线监测与诊 断；J e e - H o o n J u n g 等采样先进的信号处理技术在 M C ． S A分析中实现定转子、对中、偏心和轴承等多种故 障的诊断；J ． F ． M a r t i n s 等利用 a l f a b e t a 定子电流提出 了一种基于神经 网络 的三相异步电机 的自动诊断方 法 。 由此推广 ，对于由电机拖动的传动系统来说，传 动系统运行状态显然会对电机转子的运行产生影响， 即导致定转子间电磁耦合的变化，从而将运行状态信 息反映在定子 电流信号中。同时电流信号具有非接 触、直接性测量的特点，因此，电流信号分析能够为 解决机床故障诊断提供一种可能的方法。 2 电机电流法在数控机床监测诊断中的应用研究 2 ． 1 交流电机拖动 系统电流信号表现机制分析 对于交流电机及其驱动的齿轮传动系统，可以简 化为两个质量 一弹簧系统组成的模型 ，如图 1 所 刁 2 一 图 1 轴系简化模型 图中，．， ． 为交流电机转子 的转动惯量 ，它通过 联轴节与转动惯量为 ， 2 的齿轮传 动链 的输人轴 相 连，此处齿轮传动链为整个机械负载 ；T e 是气隙扭 矩；T 是轴 的耦 合扭矩 ；T L 、T f 代 表负载 或输 入扭矩及摩擦或阻力引起的机械阻尼。假定 ， 2 ≥ ，并且忽略摩擦 ，则可推导 出系统的线性动态特 性 方程 0 l 20 l一0 2 d d w [ ∞ T ． 1 2 o 越 ／ J T L T d ， ] 1 2 [ 。 1 ， s 2 ] B to 1 2 ／ J 1 一 J 1 K O l 2 ／ J l J 2 式 中 K为轴的刚度 ；0 和 表示各 自转子 的位移 ； 0 。 和 分别是两转子之 间的相对位移 和角速度 ； 和 越是扰动扭矩；B代表电机的阻尼，因为电 机的定子和转子绕组是有磁性的，因而是耦合的，并 且气隙扭转取决于转子的速度 ；T ． o 是相对于此位置 平均转子速度的气隙扭矩 ，耦合转矩被用来表示扭转 振动的水平 ，简而言之 T e ． 。 ， K to 由此可知，交流电机的气隙扭矩和轴的扭矩有着 必然的关系，其中气隙扭矩 综合 了电磁和机械现 象 ，是一个非常重要 的物理量 ，它是 由于磁场 和电机 内部的线圈电流的相互作用而产生的。因此 ，研究定 子的磁通量就显得非常重要。由上述的推导可知与 交流电机相连的负载的变化能够反映在交流电机的气 隙扭矩中，而气隙扭矩的波动又能够通过定子磁通引 起定子电流的变化 ，因此通过检测定子电流的变化 ， 就可 以监测 电机驱动齿轮传动 系统 的故 障。 2 ． 2 机床传动 系统驱动电机电流信号 中的调制规律 对于三级啮合齿轮传动系统 ，电流信号的特征频 率为输入轴回转频 ，中间轴回转频率， 2 ，输 出轴回 转频率． 以及各齿轮对的啮合频率。感应电动机中 的气隙扭矩由恒定 或平均转矩和一些由频率为 ， ， ，相位 。 ， ， 的扭转振动产生的振荡 扭矩组成 ，公式表示如下 TT o T l C O S 2 “ r rf l t 1 T 2 C O S 2 rf 2 t 币 2 r 3 c o s 2 r f 3 t 2 由交流驱动电机模型得出，电机的 A相、B相和 C相 电流表达式 Is A ， M s i n 2 r f e t I s T c o s 2 r f J ， 。 一 in 2 一 c 。 s 2 一 3 ， I sc M s in 2 “af ot 。 s 2 结果表明，虽然 ， 和 不能直接被测量，但可 得到其所表示的A相、B相、c相电流，而定子电流 是可以直接测量的。由于电流中包含扭振频率和供给 交流电机的交流电频率，故扭转振动能反应在定子电 流中，任一具有特定频率的扭转振动会在电流信号工 频分量周围产生边频带，边频带幅值的大小表明扭振 的大小，边频带的宽度表明扭振的频率，利用扭振频 率就可以确定故障齿轮的位置。 1 3 6 机床与液压 第 3 9卷 值调制形式调制定子供电频率产生的。通过与计算所 得的运动部件故障特征频率对比发现，各个运动部件 的特征频率都可以在频谱图中找到。实测电流信号分 析表明，研究基于电机电流信号的机床传动系统故障 诊断技术符合实际情况。可以对机床传动系统结构进 行信号转换分析，并可对传动系统故障进行监测与诊 断。表明定子电流信息可以有效地反映运动系统中运 动部件的运行状态 。 画 馨 频 率／ H z a x轴运动系统电流信号频谱图 ～⋯ 频 率， Hz b 轴运动系统电流信号频谱8 5 - 8 7 ． 5 H z 的局部放大图 图5 轴运动系统定子电流信号频谱图 4结论 数控机床作为一种电机拖动设备，应用电流法对 其进行状态监测和故障诊断正是基于电流信号的非接 触测量的优点，以及对传动系统监测诊断研究做了一 定的尝试。电机电流法在数控机床监测诊断中的应用 将推动电流诊断技术的研究 ，准确把握机械系统的运 行状态和故障，在工业生产和重大装备制造业的发展 中具有重大意义。 参考文献 【 1 】H a c h e m i B e n b o u z i d ， G e r a l d B ． K l i m a n ． Wh a t S t a t o r C u r r e n t P r o c e s s i n g b a s e d T e c h n i q u e t o U s e f o r I n d u c t i o n Mo t o r Ro - t o r F a u l t s D i a g n o s i s『 J ] ． I E E E T R A N S A C T I O N S O N E N E R G Y C O N V E R S I O N， 2 0 0 3 ， 1 8 2 2 3 8 2 4 5 ． 【 2 】 王凤昌， 李面换． 异步电机故障的电流监测和诊断 [ J ] ． 哈尔滨工业大学学报， 1 9 9 4 ， 2 6 6 8 8 9 3 ． 【 3 】黄群古， 任震 ， 黄雯莹， 等． 梯形小波变换及其在鼠笼电 动机转子故障分析中的应用 [ J ] ． 中国电机工程学报， 2 0 0 1 ， 2 1 6 2 9 3 3 ． 【 4 】 刘振兴 ， 尹项根 ， 张哲． 基于 H i l b e r t 模量频谱分析的异 步电动机转子故障在线监测与诊断方法 [ J ] ． 中国电机 工程学 报 ， 2 0 0 3 ， 2 3 7 1 9 8 2 0 2 ． 【 5 】J U N G J e e H o o n ， L E E J o n g J a e ， K W O N B o n g H w a n ． O n l i n e D i a g n o s i s o f I n d u c t i o n M o t o r s U s i n g MC S A [ J ] ．I E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t ri a l E l e c t r o n i c s ， 2 0 0 6 ， 5 3 6 1 8 4 2 1 85 2． 【 6 】M A R T I N S J F ， P I R E S V F e r n a o ， P I R E S A J ． U n s u p e r v i s e d Ne u r a l - Ne t w o r k b a s e d Al g o ri t h m f o r a n On l i n e Di a g n o s i s o f T h r e e - p h a s e I n d u c t i o n M o t o r S t a t o r F a u l t『 J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t r i al E l e c t r o n i c s ， 2 0 0 7 ， 5 4 1 2 5 9 26 4． 【 7 】 苏恒 ， 洪迈生， 熊诗波． 通过监测电机的定子电流实现齿 轮的故障诊断 [ J ] ． 上海交通大学学报， 2 0 0 0 ， 3 4 1 0 1 41 31 41 6． 【 8 】 樊可清， 屈梁生． 基于扭振信号的齿轮故障诊断研究 [ J ] ． 中国机械工程 ， 1 9 9 9 ， 1 0 4 4 3 0 4 3 3 ． 【 9 】Y A C A M I N I R ， S M I T H K S ， R A N L ． M o n i t o ri n g T o r s i o n a l Vi b r a t i o n s o f E l e c t r o me c h an i c al S y s t e ms Us i n g S t a t o r C u r - r e n t [ J ] ． T r a n s a c t i o n of A S M E J o u rna l of V i b r a t i o n and Ac o u s t i c s 。 1 9 9 8， 1 2 0 1 7 27 9． 威 达重工 7项新 产品通过鉴定验 收 6月 1 2 E t ，山东威达重工股份有限公 司科技成果鉴定暨新产 品验收会议 召开。由山东大学机械 工程学院 、省机械设计研究院、济南大学机械工程学院、省机械工业科学技术协会 的专家学者组成的 专家组，对威达重工的7 项新技术新产品进行了鉴定和验收。市政府副市长、市经信局局长等领导出 席 了会议。 专家组通过察看新产品数控机床生产现场、听取汇报、查阅资料等方式，对 7 项新技术新产品进 行 了鉴定 。经过讨论认为 ，X H 2 4 2 6 F龙 门五面加工 中心 、XH 2 4 1 5龙 门加工 中心、T P K 6 1 1数控卧式 铣镗床 3项新产品主要性能指标达到 国内同类产 品领先水平 ，B 1 0 1 6 A单臂刨床 、XK W7 1 5数控床身 式万能回转头铣床、X K W 7 1 3 6 B数控床身式铣床和 X K 6 0 3 2数控卧式升降台铣床4项新产品达到国内 先进水平 ，同意通过鉴定验收 ，并建议进一步加强成果的推广应用。 内容来源 中国机床 商务 网