基于快速Chirplet匹配追蹤的切筋成形設備振動分析*

陳 忠， 黃 勉， 張憲民， 章青春

(1.華南理工大學廣東省精密裝備與制造技術(shù)重點實驗室 廣州,510641)

(2.華南理工大學機械與汽車工程學院 廣州，510641) (3.東莞朗誠微電子設備有限公司 東莞，523945)

基于快速Chirplet匹配追蹤的切筋成形設備振動分析*

陳 忠1,2， 黃 勉1,2， 張憲民1,2， 章青春3

(1.華南理工大學廣東省精密裝備與制造技術(shù)重點實驗室 廣州,510641)

(2.華南理工大學機械與汽車工程學院 廣州，510641) (3.東莞朗誠微電子設備有限公司 東莞，523945)

針對保證集成電路切筋成形設備對引線框架模切精度的要求，運用快速線性調(diào)頻小波(chirplet)匹配追蹤對集成電路切筋成形設備進行了振動分析。對切筋成形設備關(guān)鍵部位不同轉(zhuǎn)速下的振動信號，運用快速線性調(diào)頻小波匹配追蹤算法進行信號分解，得到信號的時頻分布。根據(jù)常見故障的時頻原子特點，從時頻圖上對系統(tǒng)的固有頻率以及沖裁運動等特征頻率進行了識別。實驗結(jié)果表明，基于快速線性調(diào)頻小波的匹配追蹤算法具有較高的時頻分辨力，能夠在大量非平穩(wěn)信號中提取特征頻率成分，準確反映設備的工作狀況，為該設備的故障診斷提供可靠的依據(jù)。

線性調(diào)頻小波； 匹配追蹤； 切筋成形； 振動分析

引 言

切筋成形技術(shù)是一種重要的集成電路封裝技術(shù)，其主要功能是將已經(jīng)塑封好的集成電路引線框架，通過上料等部件送入切筋成形模具中進行沖裁、切筋，完成產(chǎn)品的最后加工[1]。由于裝配、制造誤差以及工作磨損、老化，機構(gòu)在運動時不可避免地產(chǎn)生了振動。振動降低了運動精度，加速了零部件的失效，對加工質(zhì)量、生產(chǎn)安全都有不利的影響。因此，在使用切筋成形這類精密設備時，必須定期進行振動測試與分析，以便準確評估設備工作狀況，及時發(fā)現(xiàn)故障。

傳統(tǒng)的振動分析方法主要是基于傅里葉變換的功率譜、倒譜和解調(diào)分析的頻域分析方法，然而這些方法的時頻分辨能力較差，難以處理機械振動中大量的非平穩(wěn)信號。20世紀90年代初,Mallat等[2]提出了匹配追蹤(matching pursuit，簡稱MP)算法,它能夠自適應地將信號分解為最優(yōu)基元函數(shù)的線性組合,提取其中包含的顯著特征；同時能夠在不損傷有效信號的情況下濾除噪聲，獲得較高的時頻分辨率。近年來，國內(nèi)外不少學者對該方法的優(yōu)化及應用進行了大量的研究。費曉琪等[3]提出了一種用于匹配追蹤方法的沖擊時頻原子，能夠較好地提取沖擊信號的特征。王勝春等[4-5]提出了一種線性調(diào)頻小波(Chirplet)參數(shù)優(yōu)化估計方法，并將Chirplet分解法用于軸承的故障診斷。李城華等[6]在對超聲導波檢測信號進行處理的過程中，將差分進化智能化算法引入匹配追蹤，提高了參數(shù)估計效率。筆者運用快速線性調(diào)頻小波匹配追蹤法[7]對切筋成形設備的振動信號進行稀疏分解，提取該設備正常工作時的基本特征頻率，作為故障診斷的依據(jù)。

1 線性調(diào)頻小波匹配追蹤

線性調(diào)頻小波匹配追蹤算法基于“Chirplet”變換，其主要思路是構(gòu)造Chirplet原子字典，根據(jù)最大投影匹配原則對信號進行分解[8]。文獻[9]利用高斯小波構(gòu)造了一種具有較高自由度的四參數(shù)Chirplet原子，其表達式為

(1)

其中：s,u,ξ,c分別為尺度因子、時間因子、頻率因子和調(diào)頻率；(s,u,ξ,c)記為γ。

利用該原子對原信號x(t)進行遞推分解可得

(2)

(3)

2 切筋成形設備振動測試與分析

2.1 切筋成形設備振動測試

切筋成形設備主體部分如圖1所示，該設備由一臺電機帶動，主軸的額定轉(zhuǎn)速有4檔：50,90,120,150 r/min，對應的轉(zhuǎn)頻分別為0.83,1.5,2,2.5 Hz。該設備主要有兩條傳動鏈，一條為模具的沖裁運動，由主軸帶動偏心輪機構(gòu)運動實現(xiàn)，另一條是送料機的往復運動。傳動鏈內(nèi)含2類軸承，第1類軸承跟隨偏心輪機構(gòu)的曲柄作擺動運動，特征頻率難以確定；第2類軸承跟隨主軸作旋轉(zhuǎn)運動，可根據(jù)公式確定軸承在不同轉(zhuǎn)速下的特征頻率(見表1)。為了全面測量設備的振動情況， 將加速度傳感器安裝在機箱內(nèi)部傳動機構(gòu)、基臺、框架上部、模具及送料板等部位(見表2和圖2)。調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后分別對不同工作轉(zhuǎn)速下帶模具以及拆除模具后的設備進行測試，通過IOTech Zonic-book 618動態(tài)分析儀及eZanalyst信號分析軟件采集振動信號。

圖1 切筋成形機構(gòu)Fig.1 Trimming and forming mechanism

表1 軸承各部位特征頻率

Tab.1 Characteristic frequency of bearing Hz

部位 轉(zhuǎn)速/(r·min-1)5090120150內(nèi)圈16．3629．4439．2549．07外圈14．4826．0634．7543．43保持架0．390．700．941．17滾動體6．8212．2816．3720．46

表2 測點的布置及分析儀對應通道

Tab.2 Distribution of test points and corresponding channels

測點號位置通道1機箱內(nèi)傳動機構(gòu)12送料板23框架上部34下模具45基臺5，6，7

圖2 測試點位置示意圖Fig.2 Position of test points

2.2 基于線性調(diào)頻匹配追蹤的振動分析

通過測試系統(tǒng)完成對設備信號的采集(采樣時間為1.6 s，采樣頻率為5 120 Hz)，得到7個通道共56組測試數(shù)據(jù)。對56組數(shù)據(jù)進行快速線調(diào)頻小波匹配追蹤稀疏分解，迭代次數(shù)為100次，得到不同工況下振動信號的Chirplet時頻圖。圖中的橫、縱坐標分別為時間(s)、頻率(Hz)，幅值采用分貝(dB)單位，以灰度值表示大小，原子的顏色越趨于黑色，振幅越大。

2.2.1 分析流程與常見時頻特征

與傳統(tǒng)的頻域圖相比，時頻圖能夠更清晰地反映信號時間、頻率、能量(幅值)三者之間的關(guān)系，將有效信號成分在背景噪聲中凸顯出來。利用線性調(diào)頻匹配追蹤進行振動分析的主要思路就是在時頻圖上尋找含有故障特征的時頻原子及其頻率，在此基礎上進行故障定位與分析(見圖3)。

圖3 基于線性調(diào)頻小波匹配追蹤的振動分析主要流程Fig.3 Major process of vibration analysis based on Chirplet MP

常見的振動信號主要有3類：周期信號、調(diào)頻信號及沖擊信號，采用快速線性調(diào)頻匹配追蹤法分解得其時頻圖，如圖4所示。顯然，在該時頻圖中周期原子、沖擊原子以及調(diào)頻原子的特征分別代表了這3類振動信號。

圖4 3類振動信號的時頻圖Fig.4 Three types of Vibration signals′ Chirp spectrograms

2.2.2 帶上模具振動分析

選取通道1的信號進行振動分析，信號的時頻圖如圖5～圖8所示。對于一般的旋轉(zhuǎn)機械而言，在時頻平面內(nèi)的分布跡線與轉(zhuǎn)速相對時間的變化關(guān)系曲線之間具有一定程度的相似性[11]。從時域圖可看出不同轉(zhuǎn)速下的振動信號均含有比較明顯的沖擊成分,在時頻圖上表現(xiàn)為一系列沖擊原子，調(diào)頻斜率為90°，頻帶很寬，時間尺度很小，如圖5中a1所示。沖擊振動為主要成分，大部分周期信號被湮沒。進一步考察可發(fā)現(xiàn)，沖擊具有明顯的周期性，與模具的沖裁周期一致，可見沖擊振動是由沖裁運動引起的，且轉(zhuǎn)速增大，沖擊加速度的峰值也隨之增大。

Chirplet時頻圖也可以很好地反映如軸承點蝕、斑剝等帶有沖擊振動的故障，沖擊原子出現(xiàn)的周期與故障的特征頻率有關(guān)。本設備的軸承未發(fā)生故障，因此時頻圖上未出現(xiàn)表1中相應特征頻率的沖擊原子。

圖5 50 r/min振動信號及時頻圖Fig.5 Vibration signal in 50 r/min and chirp spectrogram

圖6 90 r/min振動信號及時頻圖Fig.6 Vibration signal in 90 r/min and chirp spectrogram

圖7 120 r/min振動信號及時頻圖Fig.7 Vibration signal in 120 r/min and chirp spectrogram

圖8 150 r/min振動信號及時頻圖Fig.8 Vibration signal in 150 r/min and chirp spectrogram

2.2.3 不帶上模具振動分析

圖9～圖12為拆除上模具后振動信號的時頻圖。總體上看，沖擊振動的次數(shù)與幅值均有所減少，周期振動成分體現(xiàn)得比較明顯，其產(chǎn)生有多方面的原因。

1) 不同轉(zhuǎn)速能夠激勵出結(jié)構(gòu)的固有振動模態(tài)，從而產(chǎn)生共振。例如，來自送料板(通道2)、上部框架(通道3)的信號含有多個時間尺度較大的原子，且中心頻率不隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，這些原子的中心頻率即結(jié)構(gòu)的固有頻率。對比不同轉(zhuǎn)速下的時頻圖(以120和150 r/min為例)，可以找到6階固有頻率，分別為100,134,185,288,662,848 Hz。圖9、圖10可找到固有頻率335 Hz。

2) 穩(wěn)定運轉(zhuǎn)后機構(gòu)的簡諧運動。如圖11、圖12的信號含有低頻簡諧成分，頻率均在主軸轉(zhuǎn)頻附近，分別為0.625和1.5Hz，這是由框架的上下往復運動引起的。當轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)不平衡故障時，會產(chǎn)生以轉(zhuǎn)頻為振動頻率的周期振動，但振幅比正常情況偏大，時頻圖上表現(xiàn)為原子的灰度值變大，顏色變深。此時應依據(jù)監(jiān)測記錄進行對比，準確辨別故障。

圖9 120 r/min通道2時頻圖Fig.9 Chirp spectrogram of channel 2 in 120 r/min

圖10 150 r/min通道2時頻圖Fig.10 Chirp spectrogram of channel 2 in 150 r/min

圖11 50 r/min通道3時頻圖Fig.11 Chirp spectrogram of channel 3 in 50 r/min

圖12 90 r/min通道3時頻圖Fig.12 Chirp spectrogram of channel 3 in 90 r/min

3) 諧振。如機箱內(nèi)傳動機構(gòu)的振動信號含有基頻216 Hz以及2，3，4，5倍頻的諧波，這是電機的諧振傳遞至該處所致，如圖13所示。

圖13 50 r/min通道1時頻圖Fig.13 Chirp spectrogram of channel 1 in 50 r/min

3 結(jié) 論

1) 筆者在實驗測試的基礎上，總結(jié)了基于快速線性調(diào)頻匹配追蹤算法的振動分析的基本流程，利用該方法對切筋成形設備的沖擊振動及周期振動的特征頻率進行了提取辨識，分析了引起振動的主要原因，為故障診斷提供了可靠的依據(jù)。

2) 快速線調(diào)頻小波匹配追蹤算法能夠有效克服機械振動中非平穩(wěn)信號頻率混疊的現(xiàn)象，具有較高的時頻分辨力，便于信號辨識以及故障定位，在故障診斷領域具有較大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的發(fā)展前景。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.03.010

*廣東省科技計劃資助項目(2012B011300010)；廣東省省部產(chǎn)學研資助項目(2012B091100141)

2013-09-23；

2014-03-12

TH17

陳忠，男，1968年10月生，副教授。主要研究方向為機械動力學、動態(tài)測試與診斷及精密測量。曾發(fā)表《基于DIC的柔順結(jié)構(gòu)力傳感單元設計與實驗研究》(《機械工程學報》2013年第49卷第9期)等論文。 E-mail：mezhchen@scut．edu．cn