本發(fā)明屬于印刷機(jī)故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于聲音信號(hào)的印刷機(jī)故障診斷方法。
背景技術(shù)：
印刷設(shè)備是印刷工業(yè)的重要支柱，一旦發(fā)生故障將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。所以，建立一套精確完善的印刷設(shè)備故障診斷系統(tǒng)和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)印刷設(shè)備進(jìn)行精確的故障定位和實(shí)時(shí)監(jiān)測具有重大意義。
印刷機(jī)聲音信號(hào)中帶有大量印刷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的信息，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生讓人耳不適的異常聲音，稱為異音。異音本質(zhì)上不是由印刷設(shè)備內(nèi)部固有激振源引起的，而是由印刷內(nèi)部部件存在的某種故障引起的，即異音是印刷設(shè)備內(nèi)部故障的外在表征。因此，通過對(duì)印刷機(jī)聲音信號(hào)進(jìn)行采集、提取和分析，可以了解印刷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)印刷機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。
現(xiàn)有故障診斷技術(shù)在印刷設(shè)備上已經(jīng)有很多的應(yīng)用，包括基于聲音的印刷機(jī)故障診斷方法、基于振動(dòng)信號(hào)的印刷機(jī)故障診斷技術(shù)、基于畫面信息的印刷機(jī)故障診斷方法、基于專家知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的印刷機(jī)故障診斷技術(shù)等。其中，基于振動(dòng)信號(hào)的印刷機(jī)故障診斷方法，通過安裝在振動(dòng)部件的加速度傳感器獲取振動(dòng)部件的振動(dòng)信號(hào)，并對(duì)其振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析和處理，進(jìn)而判斷此部件是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常。測的部件上，傳感器的自身重力會(huì)影響工作部件的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，使用起來極不方便。基于圖像畫面信息的印刷機(jī)故障診斷方法，對(duì)印刷機(jī)的一些基本故障具有較好的識(shí)別效果，但是印刷畫面信息中包含了極其豐富的特征集，涉及到紋理、套準(zhǔn)、顏色等等相關(guān)的特征，這些特征反映了印刷過程中多參數(shù)相互作用的結(jié)果，特征集中含有大量的、復(fù)雜的冗余信息，只有去除掉這些冗余信息，才能合理地構(gòu)建特征集和故障模式之間的映射關(guān)系。另外，基于圖像信息的故障診斷方法，需要印刷機(jī)出現(xiàn)故障之后印刷出含有故障信息的圖像之后才能檢測出印刷設(shè)備的故障原因，現(xiàn)在印刷機(jī)速度很大，一旦故障出現(xiàn)，便會(huì)造成極大的浪費(fèi)和重大的經(jīng)濟(jì)損失。基于聲音的印刷機(jī)故障診斷方法對(duì)工人經(jīng)驗(yàn)知識(shí)依懶性高、容錯(cuò)性差，工作效率低，自動(dòng)化程度低。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供了一種基于聲音信號(hào)的印刷機(jī)故障診斷方法，解決了現(xiàn)在印刷機(jī)故障診斷過程工作效率低的問題。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種基于聲音信號(hào)的印刷機(jī)故障診斷方法，包括以下步驟：
步驟1、采集印刷機(jī)正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時(shí)的聲音信號(hào)；
步驟2、對(duì)采集的聲音信號(hào)進(jìn)行處理和分析，提取正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時(shí)聲音信號(hào)特征值；
步驟3、將正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時(shí)聲音信號(hào)的特征值進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算各頻帶故障貢獻(xiàn)率，確定故障頻率的范圍；
步驟4、根據(jù)故障頻率的范圍，對(duì)印刷機(jī)的故障進(jìn)行定位，從而完成印刷機(jī)故障診斷。
本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，
步驟1通過通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和聲音傳感器采集印刷機(jī)正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時(shí)的聲音信號(hào)。
步驟2具體包括以下步驟；
步驟2.1、將采集印刷機(jī)正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時(shí)的聲音信號(hào)輸入a個(gè)濾波器中；
步驟2.2、經(jīng)過傅里葉變換得到正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下印刷機(jī)聲音信號(hào)的頻域信息A(f)，
步驟2.3、利用頻域信息A(f)通過公式(1)計(jì)算能量譜G(f)；
G(f)＝A(f)^2 (1)
步驟2.4、利用能量譜G(f)根據(jù)公式(2)的倒頻譜變換計(jì)算聲音信號(hào)的倒頻域信息C，
C＝F-1(log(G(f))) (2)
步驟2.5、利用各個(gè)濾波器后的倒頻域信息C通過公式(3)計(jì)算聲音信號(hào)的特征值p；
P＝sum|c| (3)。
步驟3具體包括以下步驟；
步驟3.1、首先把采集到的印刷機(jī)聲音信號(hào)數(shù)據(jù)通過傅里葉變換，得到印刷機(jī)聲音信號(hào)的頻域范圍0Hz-fHz，把0Hz-fHz平均分成m個(gè)頻帶，把聲音信號(hào)通過1到n號(hào)濾波器，并通過公式(4)Fisher比率法計(jì)算各頻帶的故障貢獻(xiàn)率Fm，找出故障貢獻(xiàn)率最大濾波器i，并計(jì)算其的頻帶頻率(i-1)×f/m到i×f/m；
公式(4)中，Xij為第i種故障的第j幀樣本信號(hào)的子帶能量，ui和u分別表示第i種故障和所有故障的子帶平均能量，N為頻帶的總個(gè)數(shù)，
步驟3.2、把頻帶(i-1)×f/m到i×f/m平均分成n個(gè)頻帶，把聲音信號(hào)通過m+1到n號(hào)濾波器，并通過公式(4)Fisher比率法計(jì)算各頻帶的故障貢獻(xiàn)率，找出故障貢獻(xiàn)率最大濾波器i’，并計(jì)算其的頻帶頻率(i’-1)×f/mn到i’×f/mn；
步驟3.3、以此類推進(jìn)行頻帶劃分，直到得到的頻率范圍小于設(shè)定的帶寬時(shí)，設(shè)定的帶寬為2HZ，停止分頻帶，即得到故障的頻率范圍。
步驟4具體為：根據(jù)理論計(jì)算得到正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時(shí)印刷機(jī)各部件的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，然后將步驟3中得到故障的頻率范圍與運(yùn)轉(zhuǎn)頻率比對(duì)，看故障的頻率范圍落到運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的那個(gè)范圍，即可判斷印刷機(jī)哪個(gè)部位的零件發(fā)生故障。
根據(jù)理論計(jì)算得到正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時(shí)印刷機(jī)各部件的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率具體分為：
軸承外圈故障頻率fo計(jì)算公式為(5)：
公式(5)中，Z為滾子數(shù)，d為滾動(dòng)體直徑，α為軸承壓力角，Dm為軸承滾道節(jié)圓直徑，fn為旋轉(zhuǎn)頻率；
軸承內(nèi)圈故障頻率fi計(jì)算公式為(6)：
公式(6)中，Z為滾子數(shù)，d為滾動(dòng)體直徑，α為軸承壓力角，Dm為軸承滾道節(jié)圓直徑，fn為旋轉(zhuǎn)頻率；
滾動(dòng)體故障頻率fb計(jì)算公式為(7)：
公式(7)中，d為滾動(dòng)體直徑，α為軸承壓力角，D為軸承滾道節(jié)圓直徑，fn為旋轉(zhuǎn)頻率；
保持架內(nèi)環(huán)和外環(huán)的故障頻率fc計(jì)算公式分別為(8)或(9)：
公式(9)和(8)中，Z為滾子數(shù)，d為滾動(dòng)體直徑，α為軸承壓力角，Dm為軸承滾道節(jié)圓直徑，fn為旋轉(zhuǎn)頻率；
勻墨輥、著墨輥、串墨輥的頻率根據(jù)公式(10)滾動(dòng)軸的半徑之間的關(guān)系計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)頻率；
公式(10)中，ω1、ω2分別為主動(dòng)軸、從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角頻率，r1、r2主動(dòng)軸、從動(dòng)軸的半徑；
齒輪嚙合故障頻率fm的計(jì)算公式為(11)：
fm＝f1×z1＝f2×z2 (11)
公式(11)中，f1、f2分別為主動(dòng)輪、從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。z1、z2主動(dòng)輪、從動(dòng)輪的齒數(shù)。
本發(fā)明的有益效果是：一種基于聲音信號(hào)的印刷機(jī)故障診斷方法，對(duì)印刷機(jī)聲音信號(hào)采集和檢測，了解印刷機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)印刷機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，在一定程度上替代人工檢測，自動(dòng)化程度高，為印刷機(jī)維修、調(diào)試提供了依據(jù)，節(jié)約大量的時(shí)間，工作效率高。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
本發(fā)明提供了一種基于聲音信號(hào)的印刷機(jī)故障診斷方法，包括以下步驟：
步驟1、采集印刷機(jī)正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時(shí)的聲音信號(hào)；
步驟1通過通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和聲音傳感器采集印刷機(jī)正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時(shí)的聲音信號(hào)；
步驟2、對(duì)采集的聲音信號(hào)進(jìn)行處理和分析，提取正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時(shí)聲音信號(hào)特征值；
步驟2具體包括以下步驟；
步驟2.1、將采集印刷機(jī)正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時(shí)的聲音信號(hào)輸入a個(gè)濾波器中；
步驟2.2、經(jīng)過傅里葉變換得到正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下印刷機(jī)聲音信號(hào)的頻域信息A(f)，
步驟2.3、利用頻域信息A(f)通過公式(1)計(jì)算能量譜G(f)；
G(f)＝A(f)^2 (1)
步驟2.4、利用能量譜G(f)根據(jù)公式(2)的倒頻譜變換計(jì)算聲音信號(hào)的倒頻域信息C，
C＝F-1(log(G(f))) (2)
步驟2.5、利用各個(gè)濾波器后的倒頻域信息C通過公式(3)計(jì)算聲音信號(hào)的特征值p；
P＝sum|c| (3)
步驟3、將正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時(shí)聲音信號(hào)的特征值進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算各頻帶故障貢獻(xiàn)率，確定故障頻率的范圍；
步驟3具體包括以下步驟；
步驟3.1、首先把采集到的印刷機(jī)聲音信號(hào)數(shù)據(jù)通過傅里葉變換，得到印刷機(jī)聲音信號(hào)的頻域范圍0Hz-fHz，把0Hz-fHz平均分成m個(gè)頻帶，把聲音信號(hào)通過1到n號(hào)濾波器，并通過公式(4)Fisher比率法計(jì)算各頻帶的故障貢獻(xiàn)率Fm，找出故障貢獻(xiàn)率最大濾波器i，并計(jì)算其的頻帶頻率(i-1)×f/m到i×f/m；
公式(4)中，Xij為第i種故障的第j幀樣本信號(hào)的子帶能量，ui和u分別表示第i種故障和所有故障的子帶平均能量，N為頻帶的總個(gè)數(shù)，
步驟3.2、把頻帶(i-1)×f/m到i×f/m平均分成n個(gè)頻帶，把聲音信號(hào)通過m+1到n號(hào)濾波器，并通過公式(4)Fisher比率法計(jì)算各頻帶的故障貢獻(xiàn)率，找出故障貢獻(xiàn)率最大濾波器i’，并計(jì)算其的頻帶頻率(i’-1)×f/mn到i’×f/mn；
步驟3.3、以此類推進(jìn)行頻帶劃分，直到得到的頻率范圍小于設(shè)定的帶寬時(shí)，設(shè)定的帶寬為2HZ，停止分頻帶，即得到故障的頻率范圍；
步驟4、根據(jù)故障頻率的范圍，對(duì)印刷機(jī)的故障進(jìn)行定位，從而完成印刷機(jī)故障診斷；
步驟4具體為：根據(jù)理論計(jì)算得到正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時(shí)印刷機(jī)各部件的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，然后將步驟3中得到故障的頻率范圍與運(yùn)轉(zhuǎn)頻率比對(duì)，看故障的頻率范圍落到運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的那個(gè)范圍，即可判斷印刷機(jī)哪個(gè)部位的零件發(fā)生故障；
根據(jù)理論計(jì)算得到正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時(shí)印刷機(jī)各部件的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率具體分為：
軸承外圈故障頻率fo計(jì)算公式為(5)：
公式(5)中，Z為滾子數(shù)，d為滾動(dòng)體直徑，α為軸承壓力角，Dm為軸承滾道節(jié)圓直徑，fn為旋轉(zhuǎn)頻率；
軸承內(nèi)圈故障頻率fi計(jì)算公式為(6)：
公式(6)中，Z為滾子數(shù)，d為滾動(dòng)體直徑，α為軸承壓力角，Dm為軸承滾道節(jié)圓直徑，fn為旋轉(zhuǎn)頻率；
滾動(dòng)體故障頻率fb計(jì)算公式為(7)：
公式(7)中，d為滾動(dòng)體直徑，α為軸承壓力角，D為軸承滾道節(jié)圓直徑，fn為旋轉(zhuǎn)頻率；
保持架內(nèi)環(huán)和外環(huán)的故障頻率fc計(jì)算公式分別為(8)或(9)：
公式(9)和(8)中，Z為滾子數(shù)，d為滾動(dòng)體直徑，α為軸承壓力角，Dm為軸承滾道節(jié)圓直徑，fn為旋轉(zhuǎn)頻率；
勻墨輥、著墨輥、串墨輥的頻率根據(jù)公式(10)滾動(dòng)軸的半徑之間的關(guān)系計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)頻率；
公式(10)中，ω1、ω2分別為主動(dòng)軸、從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角頻率，r1、r2主動(dòng)軸、從動(dòng)軸的半徑；
齒輪嚙合故障頻率fm的計(jì)算公式為(11)：
fm＝f1×z1＝f2×z2 (11)
公式(11)中，f1、f2分別為主動(dòng)輪、從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。z1、z2主動(dòng)輪、從動(dòng)輪的齒數(shù)。
本發(fā)明的一種基于聲音信號(hào)的印刷機(jī)故障診斷方法，對(duì)印刷機(jī)聲音信號(hào)采集和檢測，了解印刷機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)印刷機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，在一定程度上替代人工檢測，自動(dòng)化程度高，為印刷機(jī)維修、調(diào)試提供了依據(jù)，節(jié)約大量的時(shí)間，工作效率高。