一种基于高密度声学阵列的关节模组老化测试监测方法与流程

本发明涉及机械设备状态监测，具体为一种基于高密度声学阵列的关节模组老化测试监测方法。

背景技术：

1、在机器人及自动化装备制造过程中，关节模组在出厂前通常需要进行长时间的运转老化测试，以暴露潜在的早期制造缺陷。为了提高测试效率，工业现场通常将多个关节模组安装在同一个并行测试台架上同时运行。目前，针对关节模组的状态监测主要依赖表面贴装的接触式振动传感器或单通道声发射传感器。

2、然而，在多模组并发运行的台架环境中，各模组内部的伺服电机与减速器同时运转，产生的机械摩擦噪声在测试空间内会形成强烈的声学混响与干涉。早期微小损伤释放的高频声频信号通常非常微弱，且其频率范围与相邻模组的常规机械运行噪声存在高度重叠，传统的单通道信号处理或常规频域滤波方法很难从复杂的空间干扰中分离出目标测试模组的特征信号。

3、同时，现有的测试监测系统多依赖工业通信总线进行数据采集，存在不可避免的通信延迟与数据包抖动，导致微秒级的高频声学信号与毫秒级的机械运动相位在时间尺度上无法精准对齐，这种数据错位直接导致空间波束寻优等依赖多源物理场的数据处理算法失效。

4、此外，现有的状态评估与故障判定机制大多基于单一的能量幅值越限报警，由于未在机制上区分大面积面接触摩擦产生的分布式噪声与微裂纹产生的点源相干信号，常规摩擦的高能量极值容易触发误报，难以实现对关节模组内部机械摩擦副微弱损伤位置的精准定位。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于高密度声学阵列的关节模组老化测试监测方法，解决了在多模组并发运行的老化测试环境中，因数据同步延迟导致的高频声场与机械相位时间错位，以及早期微弱损伤信号被相邻模组串扰和常规机械摩擦噪声掩盖，导致目标特征提取困难且无法精准定位损伤位置的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于高密度声学阵列的关节模组老化测试监测方法，包括以下步骤：

3、执行多源数据同步，获取等时对齐的空气耦合超声阵列时域信号向量，以及目标测试关节模组与多个干扰关节模组的瞬态机械相位；

4、执行交叉谱阵计算，根据所述多个干扰关节模组的瞬态机械相位计算特征频率集，构造交叉谱密度矩阵；

5、执行动态波束滤波，依据所述目标测试关节模组的瞬态机械相位计算动态空间导向矢量，结合所述交叉谱密度矩阵求解最优权值向量，将所述最优权值向量与所述等时对齐的空气耦合超声阵列时域信号向量进行空域滤波处理，用于提取一维瞬态信号；

6、执行相干掩膜甄别，对所述等时对齐的空气耦合超声阵列时域信号向量进行时延补偿对齐与特征值分解，计算空间相干度指数并生成二值化掩膜；

7、执行演变云图评估，利用所述二值化掩膜与所述一维瞬态信号生成特征演变云图矩阵，计算所述特征演变云图矩阵的离散差分梯度并触发预警判定结果。

8、优选的，所述执行多源数据同步，获取等时对齐的空气耦合超声阵列时域信号向量，以及目标测试关节模组与多个干扰关节模组的瞬态机械相位，包括：

9、构建全局脉冲硬件触发机制，用于输出固定周期的全局基准方波脉冲信号；

10、将所述全局基准方波脉冲信号分别接入空气耦合超声阵列的模数转换触发输入引脚，以及目标测试关节模组与多个干扰关节模组内部位置编码器的位置锁存引脚；

11、基于所述全局基准方波脉冲信号的触发边沿，控制所述空气耦合超声阵列内部的多通道模数转换器同步执行瞬态声压采样动作，并控制所有的位置编码器同步记录当前时刻的机械转角脉冲计数值；

12、获取所述等时对齐的空气耦合超声阵列时域信号向量、所述目标测试关节模组的瞬态机械相位以及所述多个干扰关节模组的瞬态机械相位。

13、优选的，所述执行交叉谱阵计算，根据所述多个干扰关节模组的瞬态机械相位计算特征频率集，构造交叉谱密度矩阵，包括：

14、在离散时间轴上对所述多个干扰关节模组的瞬态机械相位进行滑动窗口差分求导操作，用于获取瞬态角速度；

15、将所述瞬态角速度与干扰关节模组内部传动部件的结构参数相结合获取本底振动基频；

16、计算所述本底振动基频的整数倍并筛选出落入超声工作频带范围内的高次谐波频点，构建所述特征频率集；

17、依据所述特征频率集提取对应频点位置的频域数据快拍形成干扰频域快拍矩阵；

18、利用连续多个时间周期的所述干扰频域快拍矩阵计算数学期望，构造所述交叉谱密度矩阵。

19、优选的，所述依据所述目标测试关节模组的瞬态机械相位计算动态空间导向矢量，包括：

20、利用台架空间坐标映射函数，将所述目标测试关节模组的瞬态机械相位实时转换为三维空间坐标矢量；

21、依据阵列阵元的空间排布拓扑结构，计算声波从所述三维空间坐标矢量对应的目标观测节点辐射并传播至所述空气耦合超声阵列各独立通道的声程差；

22、将所述声程差除以当前环境下的空气声速确定各独立通道的目标空间传输时延；

23、将所述目标空间传输时延转化为所述各独立通道接收信号之间的相对相位延迟，生成所述动态空间导向矢量。

24、优选的，所述结合所述交叉谱密度矩阵求解最优权值向量，将所述最优权值向量与所述等时对齐的空气耦合超声阵列时域信号向量进行空域滤波处理，用于提取一维瞬态信号，包括：

25、基于约束最小方差无失真响应准则构建最优化求解方程；

26、将所述交叉谱密度矩阵与所述动态空间导向矢量共同作为约束条件代入所述最优化求解方程，并利用拉格朗日乘子法求解获得所述最优权值向量；

27、将所述最优权值向量与所述等时对齐的空气耦合超声阵列时域信号向量进行空域内积运算实施空间动态滤波，提取剥离相邻串扰的所述一维瞬态信号。

28、优选的，所述对所述等时对齐的空气耦合超声阵列时域信号向量进行时延补偿对齐与特征值分解，包括：

29、结合所述目标空间传输时延，利用数字重采样内插算法对所述等时对齐的空气耦合超声阵列时域信号向量进行延时补偿平移，获得重构信号矩阵；

30、基于滑动数据窗内的所述重构信号矩阵的数据快拍计算数学期望，构造局部空间协方差矩阵；

31、对所述局部空间协方差矩阵执行代数特征值分解，提取所述局部空间协方差矩阵内部蕴含的全部特征值；

32、将所有提取的特征值按照数值大小进行降序排列形成降序特征值集合。

33、优选的，所述计算空间相干度指数并生成二值化掩膜，包括：

34、提取所述降序特征值集合中前个主导特征值进行加权求和计算；

35、其中为预设的大于等于2的正整数；

36、计算加权求和计算结果与所述所有提取的特征值的总和的比值，生成所述空间相干度指数；

37、将所述空间相干度指数与预设的判定阈值进行数值比对；

38、当所述空间相干度指数大于所述判定阈值时，生成状态值为一的二值化掩膜函数状态值；

39、当所述空间相干度指数小于等于所述判定阈值时，生成状态值为零的二值化掩膜函数状态值；

40、利用所述二值化掩膜函数状态值生成所述二值化掩膜；

41、其中，所述判定阈值为基于无损健康状态下同型号关节模组进行基线测试提取的常规摩擦噪声相干度指数分布上限附加统计标准差确定的边界数值。

42、优选的，所述计算加权求和计算结果与所述所有提取的特征值的总和的比值的步骤中，所述所有提取的特征值的总和附加一预设的正实数正则化项作为除法运算的分母，通过所述正实数正则化项确保所述分母恒不为零。

43、优选的，所述利用所述二值化掩膜与所述一维瞬态信号生成特征演变云图矩阵，包括：

44、将一个完整的机械运转周期等分为连续的离散相位区间网格；

45、根据所述目标测试关节模组的瞬态机械相位，将时间序列上的所述一维瞬态信号的采样点分配至对应的所述离散相位区间网格内；

46、利用所述二值化掩膜对所述一维瞬态信号进行背景能量抑制获取有效声频能量；

47、将所述有效声频能量沿机械运转周期方向进行独立堆叠并生成所述特征演变云图矩阵。

48、优选的，所述计算所述特征演变云图矩阵的离散差分梯度并触发预警判定结果，包括：

49、计算所述特征演变云图矩阵在相位区间维度与周期维度上的离散差分梯度算子；

50、提取所述离散差分梯度算子中的最大值；

51、将所述最大值结合维度权重系数进行多维加权评估计算获得多维加权预警判定结果；

52、将所述多维加权预警判定结果与预设的融合预警阈值进行比较；

53、若所述多维加权预警判定结果大于等于所述融合预警阈值，则输出预警指令并记录对应的机械相位数值，触发所述预警判定结果；

54、其中，所述融合预警阈值为基于正常全生命周期测试数据的包络上限设定的数值。

55、本发明提供了一种基于高密度声学阵列的关节模组老化测试监测方法。具备以下有益效果：

56、1、本发明通过构建微秒级全局脉冲硬件触发机制，将基准方波脉冲信号直接接入超声阵列和位置编码器的底层引脚，控制声场数据采集与机械转角记录同步执行，排除了传统工业通信总线传输数据包时产生的响应延迟和时间抖动，确保了高频超声时域信号与低频机械运动相位在时间尺度上的严格匹配，为后续的空间波束跟踪计算提供了准确的数据输入。

57、2、本发明采用交叉谱阵计算结合动态波束滤波的方式处理多模组并发运行环境下的重叠噪声。系统提取干扰模组的瞬态角速度并结合内部传动部件结构参数，计算出干扰声场的频域分布模型。将该干扰模型作为约束条件计算最优权值向量，使得超声阵列的主瓣动态跟踪目标运动节点，并在已知干扰源方向产生自适应零陷，从而隔离相邻模组引发的空间声学串扰，实现微弱瞬态特征信号的提取。

58、3、本发明利用相干掩膜甄别与演变云图评估机制提高了早期损伤识别的可靠性。系统对阵列信号进行特征值分解并计算空间相干度指数，利用生成的二值化掩膜过滤常规的分布式机械摩擦噪声，保留符合微小裂纹点源特性的高相干信号。经过甄别的信号被网格化重构为包含老化周期与机械相位的特征演变云图矩阵，通过计算该矩阵在时间和空间维度的离散差分梯度触发预警，避免了单一能量极值越限造成的误报，实现了机械内部损伤位置的定位。