數控機床高速電主軸狀態信號處理

李茂勝，高 榮

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

隨著機床技術、高速切削技術的發展和實際應用的需要，人們對機床電主軸的性能也提出了越來越高的要求，由于數控機床工作環境的復雜性，零件切削參數的影響以及外界的強電磁干擾，電主軸運行狀態信號常常被噪聲信號所淹沒，這就要求我們必須從噪聲中把信號的特征點提取出來，以便數控系統進行控制。

1 電主軸及其狀態監測系統

1.1 電主軸簡介

電主軸是最近幾年在數控機床領域出現的將機床主軸與主軸電機融為一體的新技術，它與直線電機技術、高速刀具技術一起，將會把高速加工推向一個新時代。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、油霧潤滑器、冷卻裝置、內置編碼器、換刀裝置。電主軸的結構如圖1所示，其主要特征是將電動機內置于主軸內部直接驅動主軸，實現電動機、主軸一體化的功能。

與傳統機床主軸相比，電主軸具有如下特點:

(1)主軸由內裝式電動機直接驅動，省去了中間傳動環節，具有結構緊湊、機械效率高、噪聲低、振動小和精度高等特點;

(2)采用交流變頻調速和矢量控制，輸出功率大，調整范圍寬，功率轉矩特性好;

(3)機械結構簡單，轉動慣量小，可實現很高的速度和加速度及定角度的快速準停;

(4)電主軸更容易實現高速化，其動態精度和動態穩定性更好;

(5)由于沒有中間傳動環節的外力作用，主軸運行更平穩，使主軸軸承壽命得到延長。

圖1 電主軸機構簡圖

1.2 電主軸狀態監測系統總體結構

本文所開發的電主軸狀態信號測試系統，用來檢測電主軸的速度、加速度、溫升等狀態信號，對電主軸功能進行測試，以滿足電主軸重要的性能指標要求。整個測試系統的總體組成如圖2所示。

圖2 電主軸信號測試系統硬件體系

電主軸系統是數控機床重要組成部分，所采用的主控裝置為研華公司的嵌入式PC104工控機，它滿足了對測試系統空間約束、接口配置、實時操作系統運行以及可靠性等要求，為滿足測試過程實時性，保證測試結果正確性，必須選擇良好的實時性系統，設計實時可靠的測試軟件。

2 電主軸狀態信號監測處理方法的選擇

小波變換在數學領域本身的許多學科、信號分析、圖像處理、量子力學、電子對抗、計算機識別、數據壓縮、CT成像、地震勘探數據處理、邊緣檢測、音樂與語音人工合成、機械故障診斷、大氣與海洋波的分析、分形力學、流體湍流以及天體力學等方面都已取得了具有科學意義和應用價值的重要成果。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果。資料表明，小波變換能夠有效地提取電主軸狀態信號(如加速度信號)的特征，并能預測出電主軸狀態信號的發展趨勢，所以本文依據小波檢測理論對電主軸狀態信號進行處理。

3 小波基本理論

對于任意連續的函數f(t)∈L2(R)的連續小波變換為

其重構公式(逆變換)為

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

4 電主軸狀態信號的小波去噪

4.1 Mallat算法

設{ψk，n}k，n∈Z是 L2中的正交小波基，則對于任意的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，對于信號處理來說，這一分解形式特別有用。

4.2 電主軸狀態信號的小波分解和重構

我們對電主軸狀態信號進行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

重構過程如圖4所示，(H1(n)，G1(n)分別為低通和高通濾波器)。重構時使用一組h和g合成濾波器對小波分解的結果濾波，再進行上二采樣(相鄰兩點間補零)來生成重構信號。多級小波分解通過級聯的方式進行，每一級的小波變換都是在前一級分解產生的低頻分量上的繼續，重構是分解的逆運算。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，細節信息豐富，能量較少。

圖4 二維小波重構示意圖

4.3 仿真結果

由上述小波分解和重構算法可以對任意非平穩信號進行處理，我們以加速度信號作為處理的對象，由于噪聲信號干擾嚴重，無法找出加速度信號的特征點，也看不出信號的發展趨勢，從而對電主軸振動情況無法進行正確的判斷。圖5是加速度信號的小波去噪對比圖，不難看出，小波重構信號(即去噪信號)明顯地消除了噪聲，相對準確地再現出原始信號，也就是說，重構的信號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 加速度信號小波去噪前后對比

5 結束語

電主軸加速度信號處理的仿真結果表明，小波變換能夠有效地提取電主軸加速度信號的特征，并能預測出電主軸加速度信號的發展趨勢。通過實例看出，小波理論在信號去噪處理方面具有很大的應用潛力。通過對電主軸狀態信號監測，解決電主軸在設計和運行中的技術難題，準確提取包括振動信號等重要參數，為數控系統對主軸控制和決策提供強有力的保證。

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