数控机床振动故障信号特征提取方法的研究

栗永非

摘要：叙述了数控机床数控机床振动故障信号特征提取的多种方法，并逐一分析，简述各种的特征和适应场合。

关键词：数控机床；振动故障；信号特征；提取方法

在数控机床振动故障信号实际信号采集中，采集到的信号并不单单是刻意需要的信号，它包含有多方面的内容（信息）。在诊断分析中，通过信号的特征提取（即信号处理）可以将需要的信号提取出来，同时对这些信号进行处理和分析。特征提取是故障诊断过程的关键环节之一，直接关系到后续诊断的识别。目前在工况检测和故障诊断中应用的信号处理方法有：幅值域分析法、时域分析、频域分析、时频分析、空域采样和转速跟踪及近几年来分形几何中的关联维数方法等。

在上述各种方法中，理论上都可得到多个表达系统动态行为的特征量，实际具体研究和应用中，需要根据具体的监测对象，选择合适的检测信号和检测部位，提取对故障最为敏感、规律性强，状态识别时实时性强，占内存小，计算速度快的主特征量。

1 幅值域分析去

幅值域分析是在信号幅值上进行的各种处理。信号幅值的无量纲指标也是故障诊断中常用的故障信息处理方法，反映波形形态的无量纲指标对信号的幅值和频率的变化不敏感。

幅值的概率密度和概率分布来描述振动信号的统计特性，它提供了随机振动沿幅值域分布的信息。对某些设备，当其运行状态发生较大的变化时，其幅值的概率密度曲线往往也有较大的变化，就可以用概率密度和概率分布作为设备异常与否的简易判据。

2 时域分析法

时域分析的重要特点是信号的时间顺序，即数据产生的先后顺序。时域波形分析通过对波形的形状、振幅大小、变化快慢等特征的分析和观察，建立与系统运行状态之间的对应关系，达到发现设备运转是否异常的目的。常用的时域分析方法有时间序列模型（ARMA模型、AR（ n）模型、门限自回归模型等），时序统计分析参数（如方差、自相关系数、偏度系数和峭度系数）等。这些方法提取的信号特征参数可用于工况状态监测。自适应滤波、时域平均与自相关分析是常用的几种时域消噪方法，由于在消噪的同时保留了信号的时域特征，可用于分析信号时域特征。

3 频域分析法

频域分析是目前应用最为广泛的故障信号分析和处理技术，可以提供故障信号的特征频率和幅值相位信息，为诊断故障原因和部位提供依据。

3.1 傅立叶分析

傅立叶分析是传统信号处理的最主要的方法。傅立叶分析建立了信号从时间域到频率域的变换桥梁，其反变换则建立了信号从频域到时域的变换桥梁，这两个域之间的变换为一对一映射，即：

由此，时域和频域构成了观察一个信号的两种方式。其重要性在于Fourier变换是域变换，它把时间域与频率域联系起来，在时间域内难以观察的现象和规律，在频率域内往往能十分清楚地显示出来。

3.2 倒频谱技术

倒频谱分析也称二次频谱分析，是近代信号处理科学中的一项新技术，是检测复杂谱图中周期分量的有用工具。在语言分析中语音音调的测定、机械振动中故障监测和诊断以及排除回波（反射波）影响等方面均得到广泛的应用。

倒谱技术可以用来识别频谱中各谐波的基频，由于倒谱采用对数加权，因而具有动态范围广、解祸能力强和对调制信号相位不敏感等特点，克服了中低频段、和频、差频以及谐波存在而使谱图难以识别的困难。可以很容易识别信号的周期。但是，倒谱的谱峰值不能用于评价故障的严重程度。

3.3 包络分析

包络分析技术是一种基于滤波检波的振动信号处理方法，对设备的高频共振信号进行检波处理之后，从高频载波信号中提取附载在高频载波信号上的低频信号。包络分析是处理机械冲击引起高频响应的有效方法。这种方法的目的就是分析相对高频信号的能量随时间的振荡。包络分析技术最成功的应用主要在滚动轴承的诊断中，如今这一技术也应用到有摩擦力与动态载荷的旋转机械部件的诊断中，如泵的转子、透平机等。

目前常用的包络解调分析方法大致有以下五种：

（1）宽带解调技术。这种技术首先对振动信号进行解调，利用了故障信号的全部能量，然后计算机对解调后的信号进行功率谱分析或者倒谱分析，提取有效的故障信号。

（2）共振解调技术。这种方法在70年代就被美国和瑞典利用，其解调原理为：当某个元件发生故障时，将引起一系列脉冲，该脉冲在频域内含有基频及一系列高阶谐波，这种高阶谐波会激发结构系统、结构元件或传感器元件的共振频率响应，把这种响应信号通过检波和低通滤波，获得原系列脉冲的包络。

（3）选频解调技术。选频解调的过程是按分析需要进行选频高通滤波，通过移频、检波和低通滤彼后获得原信号的包络，这种解调技术的原理与共振解调技术相同。所不同的是可以根据测试的具体条件选择高通频率，从而取得最佳的解调效果。因此这种方法适用范围较广，使用较灵活，比较适合于不同的设备类型。但是这种解调技术对测试人员有更高的要求，要求测试人员根据测试的具体条件确定正确的高通频率范围，取得最佳测试效果。

（ 4） Hilbert解调技术。这种解调技术是利用Hilbert变换进行解调的技术，其优点是同时可以得到信号的幅值变换、相位变换和频率变换。

（5）同态滤波技术。同态滤波技术主要针对卷积型和相乘型信号的解调技术。

4 时频分析方法

时频分析方法是着眼非平稳信号的时变特性，将一维的信号序列扩展到二维的时频平面上来观察，目的就是要描述信号的频率或者频谱含量怎样演变。对于旋转机械的非线性、非平稳故障信号的处理就需要时频分析的方法。常用的分析方法有小波分析及局域波时频分析等。

4.1 小波分析

小波分析用途很多，但最常用的Morlet小波由于其基本小波函数的有限长度，导致了能量的泄漏，这使得定量的时频分析变得困难。有时，对通过小波分析得到的时频分析的解释也有违常规，例如：为了确定事件发生的具体位置，我们必须在高频段来寻找，因为对于基本小波，频率越高，其时间精度才越高。如果一个局部事件发生在低频段，我们仍需被迫到高频段才能找出它的痕迹，这种方法有时会造成混淆。

小波分析的另一个问题是其不具有自适应性的特点。一旦基本小波被选定，我们就必须用它来分析所有的待分析数据。由于常用的Morlet小波是基于傅立叶分析的，因此它也具有傅立叶分析的一些缺点。它可以分析出频率缓慢变化的波间频率调制，但不能分析出波内频率调制，这是因为基本小波是由几个波长组成的。尽管有上述缺点，小波分析到现在为止仍是最好的时频分析方法之一。

4.2 局域波法

局域波法可以认为是一种最新的线性时频表示，它建立在瞬时频率概念的基础上。而瞬时频率是研究瞬态和非平稳现象时非常重要的物理量，为了得到有意义的瞬时频率，可以通过不同的分解算法得到有限个局域波分量，有了这些分量，我们就能够通过Hilbert变换研究时变信号的瞬时频率和时频特征。