一种用于行星减速机与驱动电机连接状态的监测方法与流程

本发明属于驱动电机监测，具体是一种用于行星减速机与驱动电机连接状态的监测方法。

背景技术：

1、行星减速机与驱动电机的一体化集成结构在工位提升机、机械臂、精密定位平台等设备中应用广泛，两者之间的连接状态直接影响扭矩传递效率、运动精度和设备可靠性，当前工程上对这类连接状态的监测主要依靠在壳体外表面安装振动传感器采集振动信号，通过分析振动幅值和频谱特征来判断是否存在异常。

2、然而，现有技术在判定连接异常时，通常仅在减速机输出端或电机壳体单点布置传感器，这种单点监测方式难以区分振动信号究竟来自连接面松动还是齿轮啮合冲击或轴承磨损，灵敏度不足导致早期异常难以捕获；同时普遍忽略扭矩在传递链路上的损耗和相位变化，而结合面螺栓松动、止口配合退化等连接异常会在扭矩从电机输入端传递到减速机输出端的过程中产生明显的能量耗散和相位滞后，仅靠壳体振动信号抓不住这个本质特征；更关键的是缺少对异常类型的精细识别能力，即使监测到异常信号也无法区分到底是螺栓松了、还是垫片老化了、还是止口磨损了，导致维护人员只能全面拆检浪费时间，或者凭经验猜测容易处理错方向；基于此，提出一种用于行星减速机与驱动电机连接状态的监测方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于行星减速机与驱动电机连接状态的监测方法，以解决上述背景技术中提到的问题。

2、一种用于行星减速机与驱动电机连接状态的监测方法，包括：

3、步骤一：在驱动电机转子轴靠近太阳轮一侧的轴颈处安装第一扭矩传感器记作测点a，在行星架输出端与卷筒结合部位靠近行星架一侧的轴颈处安装第二扭矩传感器记作测点d，在驱动电机转子轴端面和卷筒端面分别安装编码器e1和e2，在各行星轮销轴根部和轴承座处分别安装应变传感器和加速度传感器，在电机壳体与减速机壳体结合面法兰盘四个周向位置各安装振动传感器、温度传感器和应变传感器，按连续滑动窗口方式对各传感器信号进行连续采集，每个分析窗口时长1秒，相邻窗口重叠50％；

4、步骤二：对测点a和测点d的扭矩信号计算扭矩传递损失率、扭矩波动传递系数、低频成分能量占比特征参数，按转速和负载将工况分成9个区间，为每个区间建立基准并通过孤立森林算法动态更新；

5、步骤三：从编码器e1和e2的脉冲时间戳计算逐圈换算相位差，同步记录瞬时负载和瞬时转速，在三维空间形成状态轨迹，提取轨迹投影面积、离散度、重复性系数，判定轨迹类型；

6、步骤四：对各行星轮销轴应变信号做小波包分解提取特征频带能量，计算载荷占比和载荷分配不均度，结合轴承座加速度信号计算综合不均度；

7、步骤五：将结合面法兰盘四个方向的振动、温度、应变信号重采样到相同时间轴，计算互相关函数提取温度滞后振动时间延迟量和振应变同步系数，建立向量自回归模型进行格兰杰因果检验，判定多物理场时序关系是否正常；

8、步骤六：采用三层递进方式进行连接状态判定，第一层通过扭矩传递损失率标准化偏差判定是否存在异常，第二层通过轨迹类型和综合不均度区分松动型和偏心型，第三层通过频谱特征和时序耦合特征细分为结合面螺栓松动、太阳轮连接区磨损、减震垫片老化、止口配合退化四种类型；

9、步骤七：根据异常类型和综合严重程度评分确定预警等级，计算剩余安全运行时间并输出维护紧急程度建议。

10、作为本发明进一步的方案：对测点a和测点d的扭矩信号计算扭矩传递损失率、扭矩波动传递系数、低频成分能量占比特征参数的具体方式为：

11、将测点a和测点d各采样点数值累加求和后除以采样点总数得到a点均值和d点均值，将d点均值除以减速比得到d点换算均值；将a点均值减去d点换算均值的差值再除以a点均值再乘以100得到扭矩传递损失率；计算测点a和测点d各采样点与其均值之差的平方求和后除以采样点总数再开平方根得到均方根偏差，将d点均方根偏差除以减速比再除以a点均方根偏差得到扭矩波动传递系数；对测点a信号做快速傅里叶变换，将零到10倍转频范围内各频率点幅值平方累加得到低频段能量，将零到50倍转频范围内各频率点幅值平方累加得到总能量，将低频段能量除以总能量再乘以100得到低频成分能量占比，同时提取转频处、2倍转频处、3倍转频处的幅值分别记为一阶幅值、二阶幅值、三阶幅值。

12、作为本发明进一步的方案：按转速和负载将工况分成9个区间，为每个区间建立基准并通过孤立森林算法动态更新的具体方式为：

13、转速按占额定转速百分比分为低速区0％到40％、中速区40％到70％、高速区70％到100％，负载按a点均值占额定扭矩百分比分为轻载区0％到30％、中载区30％到70％、重载区70％到100％，两个维度组合成9个工况区间编号1到9；设备投入运行前30天对每个工况区间至少收集50个分析窗口数据，计算扭矩传递损失率、扭矩波动传递系数、低频成分能量占比的均值和标准差存入基准库；对每个工况区间维护滑动历史窗口，窗口容量按运行时长调整为运行前3个月容量50、3个月到1年容量100、1年以上容量200；用孤立森林算法判断新数据，以扭矩传递损失率、扭矩波动传递系数、低频成分能量占比构成三维特征空间，计算新数据点平均路径长度，若小于预设阈值3.5则判定为异常数据不更新基准，否则判定为正常数据纳入窗口并更新基准库。

14、作为本发明进一步的方案：从编码器e1和e2的脉冲时间戳计算逐圈换算相位差、提取轨迹几何特征的具体方式为：

15、当编码器e1的z零位脉冲到来时记录时间戳，找到该时刻之后编码器e2最近的z零位脉冲时间戳，两时间戳之差除以e1本圈旋转周期再乘以360度得到原始角度差，将原始角度差乘以减速比得到换算相位差；对每个换算相位差采样点同步记录瞬时负载和瞬时转速，瞬时负载取测点a当前扭矩值，瞬时转速取e1本圈旋转周期倒数乘以60；将换算相位差、瞬时负载、瞬时转速作为三维空间点按时间顺序连接形成状态轨迹；将换算相位差和瞬时负载投影到二维平面，投影点按换算相位差从小到大排序，用格林公式累加相邻点对与坐标原点构成的三角形有向面积取绝对值得到轨迹投影面积；计算所有采样点在三个维度上的算术平均值作为轨迹中心，对三个维度归一化后计算每个采样点到轨迹中心的欧氏距离，将所有采样点欧氏距离算术平均值作为轨迹离散度；连续采集两条轨迹用线性插值法统一到各200个点，将200对对应点归一化欧氏距离算术平均值作为平均偏差，用1减去平均偏差得到重复性系数。

16、作为本发明进一步的方案：判定轨迹类型的具体方式为：

17、若轨迹投影面积大于20度•牛米且离散度大于0.3且重复性系数小于0.7则判定为松动型轨迹；若轨迹投影面积小于5度•牛米且离散度小于0.1且重复性系数大于0.9且换算相位差均值与基准之差的绝对值小于0.5度则判定为正常轨迹；若上述3种情形都不满足则计算松动综合评分，松动综合评分等于轨迹投影面积除以20的商值乘以0.4，加上离散度除以0.3的商值乘以0.3，再加上步骤四输出的综合不均度除以15的商值乘以0.3，三项之和作松动综合评分，评分大于1判定为松动型否则判定为偏心型。

18、作为本发明进一步的方案：结合轴承座加速度信号计算综合不均度的具体方式为：

19、对各行星轮销轴应变信号做温度漂移补偿和带通滤波预处理，下截止频率设为行星轮公转频率0.5倍、上截止频率设为行星轮公转频率30倍，行星轮公转频率等于当前转频乘以太阳轮齿数再除以太阳轮齿数与行星轮齿数之和；用db8小波基函数做5层小波包分解得到32个频带子信号，找出覆盖行星轮公转频率1到3倍频范围的子带，将子带内所有采样点平方累加求和得到特征频带能量；将某个行星轮特征频带能量除以所有行星轮特征频带能量之和再乘以100得到载荷占比，将各行星轮载荷占比与理想均匀分配值之差绝对值中最大值作为载荷分配不均度；对各行星轮轴承座三轴加速度信号分别计算均方根值后平方相加得到合振动能量，将各行星轮合振动能量与均匀理想值之差绝对值中最大值除以均匀理想值再乘以100得到加速度不均度；将载荷分配不均度乘以应变权重加上加速度不均度乘以加速度权重得到综合不均度，初始应变权重0.6、加速度权重0.4，每积累50个工况周期数据根据与异常确认结论的皮尔逊相关系数自动调整权重。

20、作为本发明进一步的方案：结合面法兰盘四个方向的振动、温度、应变信号重采样到相同时间轴、计算互相关函数、进行格兰杰因果检验的具体方式为：

21、振动信号每100个原始采样点求均方根值得一个重采样点，温度信号用线性插值法补到每秒100个点，应变信号每500个原始采样点求均方根值得一个重采样点，重采样后3类信号各得到1000个点时间序列；计算振动与温度互相关函数时，把时延参数从负50到正50个采样点逐一遍历，每个采样点代表10毫秒，对每个时延值将振动序列与温度序列错位对应该时延采样点数，计算对应点乘积之和除以有效点数再除以两路信号各自标准差乘积得到归一化互相关系数，找到使归一化互相关系数绝对值最大的时延值作为温度相对振动时间滞后量；用相同方法计算振动与应变互相关函数，将时延为零时的归一化互相关系数绝对值除以最大归一化互相关系数绝对值得到振应变同步系数；对3路重采样时间序列用增广迪基富勒检验确认平稳性后建立向量自回归模型，模型阶数由赤池信息准则选出，做格兰杰因果f检验获得振动对温度因果显著性p值和振动对应变因果显著性p值。

22、作为本发明进一步的方案：采用三层递进方式进行连接状态判定的具体方式为：

23、第一层判定从步骤二读取当前工况区间编号、当前扭矩传递损失率、对应区间基准均值和基准标准差，用当前扭矩传递损失率减去基准均值再除以基准标准差得到标准化偏差，当标准化偏差大于3时触发异常告警进入第二层判定，当标准化偏差小于等于3时判定连接状态正常，同时检查扭矩波动传递系数是否超过基准均值加3倍标准差、低频成分能量占比是否低于基准均值减3倍标准差，任意一个异常即使标准化偏差未超过3也触发告警；

24、第二层判定从步骤三读取轨迹投影面积、离散度、重复性系数及换算相位差均值与基准之差的绝对值，从步骤四读取综合不均度，若轨迹投影面积大于20度•牛米且离散度大于0.3且综合不均度大于15％则判定为松动型异常且伴随载荷失衡，同时将第三层太阳轮连接区磨损类型的综合不均度判定阈值从20％下调为15％；若轨迹投影面积大于20度•牛米且离散度大于0.3但综合不均度小于等于15％则判定为松动型异常但载荷分配尚均匀，同时将第三层结合面螺栓松动类型的振应变同步系数判定阈值从0.7上调为0.8；若投影面积小于10度•牛米且离散度小于0.15且重复性系数大于0.85且换算相位差均值与基准之差的绝对值大于1度则判定为偏心型异常，若上述情形都不满足则计算松动综合评分，评分大于1判定为松动型否则为偏心型；

25、第三层判定针对松动型从步骤五读取温度滞后振动时间延迟量、振应变同步系数、格兰杰因果p值，从步骤二读取一阶幅值、二阶幅值、三阶幅值和低频成分能量占比，结合面螺栓松动判定条件为二阶幅值除以一阶幅值大于0.6且温度滞后振动时间延迟量大于15个采样点且振应变同步系数大于0.7，太阳轮连接区磨损判定条件为三阶幅值除以一阶幅值大于0.5且振动到温度格兰杰因果p值大于0.1且综合不均度大于20％且综合不均度增长率大于20％，综合不均度增长率的计算方法为将当前窗口综合不均度减去前10个窗口综合不均度算术平均值后除以前10个窗口综合不均度算术平均值再乘以100换算为百分比，减震垫片老化判定条件为低频成分能量占比小于45％且振应变同步系数小于0.5且轨迹投影面积在10到20度•牛米之间，止口配合退化判定条件为换算相位差均值与基准之差的绝对值在0.5到1度之间且综合不均度在5％到15％之间且振动到应变格兰杰因果p值大于0.08；若四种类型判定条件均不能完全满足，则计算各类型满足条件数目占该类型总条件数目的比例作为符合程度评分，取评分最高的类型作为最终结论，最高评分低于0.5则输出类型待确认需人工复检。

26、作为本发明进一步的方案：根据异常类型和综合严重程度评分确定预警等级、计算剩余安全运行时间并输出维护紧急程度建议的具体方式为：

27、计算扭矩传递损失率超标倍数、综合不均度超标倍数、轨迹投影面积超标倍数、温度滞后振动时间延迟量超标倍数，将四项超标倍数分别乘以权重0.3、0.3、0.2、0.2后相加得到综合严重程度评分；根据评分和异常类型确定预警等级，评分0到1之间为一级预警，评分1到2之间为二级预警，评分2到3之间为三级预警，评分大于3为四级预警；从设备运行历史数据库提取当前异常类型从首次出现一级预警到当前时刻累计运行时长记为t已运行，根据异常类型设定典型寿命t典型寿命，计算t已运行除以t典型寿命得到寿命消耗比例，根据综合严重程度评分除以2得到发展速率系数，用1减去寿命消耗比例再乘以t典型寿命再除以发展速率系数得到剩余安全运行时间；一级预警且剩余时间大于500小时时输出建议为可继续观察在下次计划检修时处理，二级预警且剩余时间在100到500小时之间时输出建议为应在一个月内安排维护，三级预警且剩余时间在20到100小时之间时输出建议为应在一周内安排检修，四级预警或剩余时间小于20小时时输出建议为应立即停机检修。

28、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

29、（1）本发明，通过在扭矩传递链的输入端测点a和输出端测点d同时安装应变式扭矩传感器，从传动链两个端点直接量化扭矩传递损失率、扭矩波动传递系数和低频成分能量占比三类特征参数，按转速和负载将工况分为9个区间并为每个区间独立建立基准，通过孤立森林算法对进入基准库的数据进行异常点甄别，能够在结合面螺栓松动仅处于萌芽阶段时就从扭矩传递损失率的标准化偏差上触发告警，实现了从传动链源头的早期异常捕获；

30、（2）本发明，通过将编码器e1和e2逐圈采集的换算相位差与同时刻瞬时负载和瞬时转速组合成三维状态轨迹，提取轨迹投影面积、离散度和重复性系数三个几何特征，将结合面松动特有的滞回环形态从单点数值观察提升为轨迹形态识别，解决了现有方法无法区分结合面螺栓松动引起的松动型异常和电机轴对中偏差引起的偏心型异常这一长期难题，消除了因两类异常判定混淆导致维修策略错误的风险；

31、（3）本发明，通过对各行星轮销轴应变信号进行db8小波5层小波包分解，在行星轮公转频率1到3倍频特征频带内独立量化每个行星轮的载荷占比，将结合面连接异常引起的太阳轮偏转和行星轮载荷失衡这一早期失衡信号从输出端总振动中分离出来，结合轴承座三轴加速度合振动能量计算加速度不均度，两者通过皮尔逊相关系数自动校正融合权重计算综合不均度，为连接异常的早期识别提供了证据；

32、（4）本发明，通过将结合面法兰盘四个周向位置的振动、温度、应变三类信号统一重采样后提取温度滞后振动时间延迟量、振应变同步系数和格兰杰因果显著性，将结合面螺栓松动时摩擦热传导路径改变和振动应变传递路径紊乱这两类在单一信号幅值或频谱上难以察觉的变化转化为可量化的时序耦合特征，通过四个周向方向特征值的横向比较定位异常的周向位置，并有效区分结合面连接异常和环境温度自然波动两种在单一信号上极难分辨的情况，进一步提高了连接状态判定的准确性和可靠性；

33、（5）本发明，通过三层递进判定框架将扭矩传递特征、换算相位差轨迹形态、行星轮载荷分配和多物理场时序耦合四条独立信息流系统融合，每层判定阈值根据上一层结论动态调整，最终将松动型异常精细细分为结合面螺栓松动、太阳轮连接区接触面磨损、减震垫片老化和止口配合退化四种具体类型，直接为维修人员提供针对性的检修部位和处理方式建议，避免了只能给出振动超标而无法定位具体异常类型的根本缺陷，有效提升了维修决策的针对性和检修效率；

34、（6）本发明，通过四项超标倍数加权融合计算综合严重程度评分，结合各异常类型典型寿命和发展速率系数计算剩余安全运行时间，将连接异常划分为一级轻度到四级危急四个预警等级并输出对应维护紧急程度建议，四级预警时自动将驱动电机最大允许扭矩限制为额定扭矩的60％、最大允许转速限制为额定转速的50％并将导纳控制器虚拟刚度提高至正常值的3倍，使监测结论直接作用于设备运行控制策略，将设备维护从故障后被动处理转变为基于状态的计划性主动预防，实现了监测系统与控制系统之间的闭环协同保护，有效降低了突发故障风险。