[发明专利]一种基于振动谱分析的电主轴轴承结构参数推断方法

说明书

本发明公开了一种基于振动谱分析的电主轴轴承结构参数推断方法，依次进行信号采集、滤波预处理、FFT变换、基频搜索、比例因子计算、调制系数序列构建的操作，最终获得的电主轴轴承结构参数包括：比例因子、滚子个数、轴承内外径尺寸，利于实现轴承的状态评估和故障预警。本发明基于电主轴振动信号频谱与理论的一致性开展振动谱分析，实现电主轴轴承结构参数的逆向推断，并通过实际生产验证了本发明的实用性和有效性。

技术领域

本发明属于轴承结构参数推断的技术领域，具体涉及一种基于振动谱分析的电主轴轴承结构参数推断方法。

背景技术

机床电主轴通常工作在高转速、低负载的场景下，具有很高的加工和装配精度。轴承作为连接电主轴转子和定子的关键部件，同时又是电主轴系统的薄弱刚性环节，在机床长期的生产服役过程中可能出现由于润滑不良、动态磨损、冲击碰撞等引起的轴承故障，对生产安全和零件质量造成威胁。轴承故障信息通过声发射、热辐射、振动等形式与环境形成耦合反馈，现代故障诊断技术通过收集反馈信息，采用先进的信号处理手段剥离故障信息，可以实现轴承的状态评估和故障预警。其中振动信号是最常用的形式，具有感受直观、易于采集等特点，在制造行业中得到大量应用。

但故障诊断技术普遍需要轴承的结构参数作为支撑条件，而由于生产厂商技术保密和电主轴模块化封装等原因，很难直接获取轴承结构参数，故障诊断技术的应用受到极大限制。得益于电主轴超高的制造和装配精度，即使在高速运行状态下其振动信号频谱与理论仍表现出高度的一致性，可以通过谱分析手段对轴承结构参数进行可靠推断。

接触角是轴承参数推断的重要基础之一，电主轴与机械主轴相似，工作过程中同时承受径向和轴向负荷，但由于其高速的应用场景，轴向和径向负载均较机械主轴大幅降低，且其结构不涉及复杂的机械传动，因此广泛选配接触角为15°或25°的角接触球轴承。此外，轴承高度的ISO标准化，同样为参数推断提供了便利。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于振动谱分析的电主轴轴承结构参数推断方法，旨在解决上述问题。

本发明主要通过以下技术方案实现：

一种基于振动谱分析的电主轴轴承结构参数推断方法，包括以下步骤：

步骤S100：采用数字滤波器对电主轴的振动信号x(t)进行带通滤波，消除低频和高频分量对频谱分析过程的干扰；

步骤S200：读取并验证电主轴转频f_r，在指定的频谱区间进行最大值搜索，确定基频f_b，并通过其谐波频率信息进行修正；

步骤S300：电主轴轴承接触角为15°或25°，以此为基础构建比例因子λ的候选集Θ＝{θ_15°,θ_25°}，通过计算和逻辑判定确定比例因子λ；

步骤S400：定义调制系数ρ，指定中心调制频率f_c和载波频率f_e，在频谱上滑动计算形成调制系数序列P^(κ),κ＝1,2，绘制P^(κ)茎叶图构建索引序号构成集合I，J，则Z＝I∩J；

步骤S500：粗估轴径d_est，以比例因子λ和滚子数量Z为约束条件查阅轴承手册，确定轴承外径D和内径d。

为了更好地实现本发明，进一步地，在步骤S100中，通过传感器采集电主轴空运行、稳态的振动信号x(t)，获取转频f_r；传感器的采集位置为电主轴前端轴承外壳。

为了更好地实现本发明，进一步地，采用数字滤波器对振动信号x(t)进行带通滤波的滤波通带为[10,20f_r]。