ICA及其改进方法在电主轴系统故障诊断的应用

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1、分类号：学校代码：10153UDC:密级：公开硕士学位论文ICA及其改进方法在电主轴系统故障诊断的应用作者姓名：周乾入学年份：2014年9月指导教师：石怀涛副教授学科专业：机械电子工程申请学位：工学硕士所在单位：机械工程学院论文提交日期：2017年03月论文答辩日期：2017年03月学位授予日期：2017年03月答辩委员会主席：赵凯军答辩委员会组成：赵凯军张珂魏春雨赵德宏范丽婷论文评阅人：硕士研究生学位论文摘要Ⅰ摘要电主轴系统作为数控机床的核心部件之一，其性能和运行状态直接影响着设备加工精度和产品质量。为保证电主轴正常运行，避免造成重大经济损失和人员事故，电主

2、轴运行过程的故障检测与诊断受到密切关注。本文以电主轴系统为研究对象，以轴承裂纹为实例，采用基于数据驱动的多元统计分析方法对其进行故障检测与故障诊断。首先，本文基于对电主轴基本结构、电主轴系统原理以及主轴故障机理等内容进行介绍，分析易于产生故障的部位、种类和形式。并介绍了AIC9916FS设备故障模拟诊断分析系统，以及如何采集振动信号做为样本数据，为建立仿真模型，实现在线故障检测与诊断奠定基础。其次，详细介绍了PCA和ICA两种多元统计分析方法的基本理论，并重点讲解了独立主元分析方法，它是以变量相互独立为假设提前的一种基于高阶统计量的信号分解方法，可利用变量概率

3、统计特性，有效处理非高斯变量数据信息。可有效解决先验知识未知的盲源信号问题，采用贡献率方法对独立成分排序，选取主要独立成分，利用核密度估计方法确定统计量及其控制限，构建监测模型。然后，基于经预处理后的数据特征近似相等，难以识别的问题，本文通过引入基于欧氏距离的相对变换理论，提出基于相对变换的ICA故障检测方法(RTICA，RelativeTransformationICA)。RTICA方法通过计算采样数据之间的欧氏距离，将原始空间数据变换到相对空间作为新数据。进而在相对空间进行ICA处理，降低相对空间维数，提取含有22主要信息的独立主元分量，计算分解矩阵和三个

4、统计量(I，I，SPE)的控制限，建立故障e监测模型，通过计算新采集数据的三个统计量并与控制限比较，大于控制限的为故障数据，最终实现在线监测。以电主轴轴承裂纹为研究对象，并将RTICA、ICA、PCA三种检测方法进行实验对比，验证了RTICA方法具有更好故障检测效果。最后，提出多块处理与RTICA方法相结合的故障诊断方法(MBRTICA)，实现故障追溯的目的。在离线建模阶段，先将预处理后的训练数据根据设备位置划分成多个子块单元，并分别对子块单元进行相对变换处理，进而采用ICA方法计算，求得分解矩阵和三个统计量的控制限；在线诊断阶段，对新数据仍然进行分块处理，并

5、对每个子块单元数据求取统计量，将新统计量和对应离线分块单元的统计量控制限进行比较，检测出故障的子块单元则是故障源所在的位置，实现故障追溯的目的。并通过电主轴轴承裂纹实验加以验证该方法有效可行。关键词：电主轴；振动信号；故障检测与诊断；独立主元分析；相对变换；多块处理Ⅱ摘要硕士研究生学位论文硕士研究生学位论文AbstractⅢAbstractAsoneofthecorecomponentsofCNCmachinetools,theperformanceandoperatingstatusofElectricSpindlesystemhaveadirectimpa

6、ctontheprecisionmachiningequipmentandproductquality.ToensurethenormaloperationoftheElectricSpindleandavoidsignificanteconomiclossesandpersonnelaccidents,thefaultdetectionanddiagnosisofElectricSpindlearepaidcloselyattention.Inthisthesis,takingtheElectricSpindlesystemastheresearchobje

7、ctandthebearingcrackasanexample,thedata-drivenmultivariatestatisticalanalysisareusedforfaultdetectionandfaultdiagnosis.Firstly,someattemptsweretriedtofindoutthelocation,typeandformofthefaultoccursbasedontheanalysisofthebasicstructure,theworkingprincipleandthefaultmechanismoftheElect

8、ricSpindle.Thevibra