基于卷積譜自動(dòng)編碼支持向量機(jī)的齒輪故障測(cè)試方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了基于卷積譜自動(dòng)編碼支持向量機(jī)的齒輪故障測(cè)試方法，包括以下步驟：利用振動(dòng)傳感器采集齒輪的振動(dòng)信號(hào)；對(duì)采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，取其卷積譜；將卷積譜輸入卷積自動(dòng)編碼器和支持向量機(jī)進(jìn)行學(xué)習(xí)；利用卷積譜自動(dòng)編碼支持向量機(jī)得出測(cè)試結(jié)果。本發(fā)明將振動(dòng)信號(hào)通過傅里葉變換取其頻譜，對(duì)頻譜進(jìn)行稀疏化再取其卷積得到卷積譜，將卷積譜利用卷積自動(dòng)編碼器進(jìn)行自動(dòng)編碼輸出，最后利用卷積譜自動(dòng)編碼支持向量機(jī)得出齒輪故障測(cè)試結(jié)果。通過這個(gè)過程的訓(xùn)練和測(cè)試提高運(yùn)行中齒輪故障損傷程度測(cè)試的精確度。
【專利說明】
基于卷積譜自動(dòng)編碼支持向量機(jī)的齒輪故障測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種齒輪故障測(cè)試方法，具體地說是基于卷積譜自動(dòng)編碼支持向量機(jī) 的齒輪故障測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 齒輪是現(xiàn)代工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中極其重要的連接和傳遞動(dòng)力的零部件，由于其在 工作過程中長期承受各種交變荷載、沖擊和摩擦力的作用或其本身在制造過程中就留下了 缺陷，因此，相對(duì)于其他部件，齒輪較容易出現(xiàn)故障甚至損壞。
[0003] 生產(chǎn)設(shè)備中的齒輪一旦發(fā)生故障或損壞，輕者會(huì)使生產(chǎn)設(shè)備加工出來的產(chǎn)品不符 合標(biāo)準(zhǔn)，給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)損失，重者會(huì)導(dǎo)致安全事故，威脅人們的生命安全。傳統(tǒng)的齒輪故 障測(cè)試需要對(duì)齒輪箱進(jìn)行解體后，通過觀察齒輪的損傷來測(cè)試其故障程度。對(duì)正在運(yùn)行中 的齒輪故障測(cè)試，大多是進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)頻譜分析，人工進(jìn)行分析評(píng)估，評(píng)估的效果和準(zhǔn)確性 較低。
[0004] 因此，為了提高機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量，減少突發(fā)事故，降低經(jīng)濟(jì)損失，目前需要更 精確地測(cè)試齒輪故障程度，為檢修提供可靠的依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于:提供基于卷積譜自動(dòng)編碼支持向量機(jī)的齒輪故障測(cè)試方法， 該方法能自動(dòng)有效地測(cè)試出運(yùn)行中的齒輪的故障程度。
[0006] 本發(fā)明通過對(duì)齒輪的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，收集相關(guān)振動(dòng)信號(hào)，通過傅里葉變換取 其頻譜，并對(duì)取得的頻譜進(jìn)行稀疏化后取其卷積，再將所得卷積譜輸入卷積譜自動(dòng)編碼器 和支持向量機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練，最終測(cè)試出齒輪的故障程度。
[0007] 具體地，本發(fā)明為解決上述問題提供以下技術(shù)方案：
[0008] 基于卷積譜自動(dòng)編碼支持向量機(jī)的齒輪故障測(cè)試方法，它包括：
[0009] (1)利用振動(dòng)傳感器采集齒輪的振動(dòng)信號(hào)；
[0010] (2)對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，取其卷積譜；
[0011] (3)將卷積譜輸入卷積譜自動(dòng)編碼器和支持向量機(jī)進(jìn)行學(xué)習(xí)；
[0012] ⑷利用卷積譜自動(dòng)編碼支持向量機(jī)得出測(cè)試結(jié)果。
[0013] 其中，步驟(2)對(duì)采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，取其卷積譜具體為：
[0014] 1)先對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，取其頻譜；
[0015] 對(duì)振動(dòng)信號(hào)X(t)的傅里葉變換為：
[0016] 其中，X(f)為信號(hào)的頻域表示，f表示頻率；
[0017] 2)對(duì)頻譜進(jìn)行稀疏化；
[0018] 3)對(duì)稀疏化的頻譜取其卷積，得到卷積譜：
[0019] 利用公式
對(duì)頻譜取卷積，得到卷積譜。
[0020] 其中，將卷積譜輸入卷積譜自動(dòng)編碼器和支持向量機(jī)進(jìn)行學(xué)習(xí)，即，卷積譜自動(dòng)編 碼支持向量機(jī)的學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程具體為：
[0021 ]利用卷積譜自動(dòng)編碼器，將卷積譜進(jìn)行自動(dòng)編碼的輸入和輸出；
[0022] 將卷積譜輸入卷積譜自動(dòng)編碼器的第一層，得到輸出，將第一層的輸出作為第二 層的輸入，將第二層的輸出作為第三層的輸入，以此類推，直到訓(xùn)練完η層，得到η個(gè)卷積譜 自動(dòng)編碼器堆棧。
[0023] 將卷積譜自動(dòng)編碼器最后一層的輸出作為支持向量機(jī)的輸入，得出學(xué)習(xí)訓(xùn)練結(jié) 果。
[0024] 完成卷積譜自動(dòng)編碼器和支持向量機(jī)的學(xué)習(xí)后，即為卷積譜自動(dòng)編碼支持向量 機(jī)，然后在其輸入新的信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，從而得出測(cè)試結(jié)果。
[0025] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0026] 實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行中齒輪故障特征的自動(dòng)提取；
[0027] 提高了故障特征提取的精確度；
[0028] 使用卷積譜自動(dòng)編碼支持向量機(jī)的新方法進(jìn)行齒輪故障測(cè)試；
[0029] 便于及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障隱患，避免引起重大安全事故及財(cái)產(chǎn)損失；
[0030] 便于掌握設(shè)備的總體運(yùn)行情況，提高維修效率，節(jié)省工時(shí)。
【附圖說明】
[0031] 利用附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但附圖中的實(shí)施例不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何限 制，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)以下附圖獲得 其它的附圖。
[0032] 圖1為本發(fā)明的測(cè)試方法流程圖。
[0033] 圖2為本發(fā)明的卷積譜自動(dòng)編碼器的訓(xùn)練過程圖。
[0034]圖3為本發(fā)明中齒輪故障原始信號(hào)的時(shí)域圖。
[0035] 圖4為本發(fā)明中齒輪故障原始信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換后的頻域圖。
[0036] 圖5為對(duì)圖4的頻域圖進(jìn)彳丁稀疏化后的頻域圖。
[0037] 圖6為本發(fā)明中齒輪故障原始信號(hào)的卷積頻譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 基于卷積譜自動(dòng)編碼支持向量機(jī)的齒輪故障測(cè)試方法是一種比較精確的測(cè)試方 法。本發(fā)明基于這一思想，設(shè)計(jì)了卷積譜自動(dòng)編碼支持向量機(jī)的方法來對(duì)運(yùn)行中齒輪故障/ 損傷程度進(jìn)行智能及精確的測(cè)試。
[0039] 下面結(jié)合圖1-6對(duì)本發(fā)明的方法步驟作詳細(xì)說明：
[0040] (1)利用振動(dòng)傳感器采集振動(dòng)信號(hào)；
[0041] 利用振動(dòng)傳感器，采集齒輪在不同工作狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)。
[0042] (2)對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，取其卷積譜，具體步驟如下：
[0043] 1)在卷積譜自動(dòng)編碼器第一層輸入振動(dòng)信號(hào)X1(t)，如圖2所示；
[0044] 2)對(duì)振動(dòng)信號(hào)X1(t)進(jìn)行傅里葉變換，取頻譜得E(f)=F(x(t))，如圖4所示；
[0045] 3)對(duì)頻譜進(jìn)行稀疏化，如圖5所示;對(duì)稀疏化后的頻譜取其卷積，得到卷積譜。
[0046] (3)將卷積譜輸入卷積譜自動(dòng)編碼器和支持向量機(jī)中進(jìn)行學(xué)習(xí)，具體步驟如下
[0047] 4)利用卷積譜自動(dòng)編碼器，將卷積譜進(jìn)行自動(dòng)編碼輸出，得到第一層的輸出Yi (ai)；
[0048] 5)將第一層的輸出作為第二層的輸入，即令x^YKad，重復(fù)2) - 4)的步驟，得到 第二層的輸出Y2(a2);
[0049] 6)重復(fù)步驟5)，將上層的輸出作為下層的輸入進(jìn)行訓(xùn)練，直到最后一層n，得到第η 層的輸出為Yn(an)，得到η個(gè)卷積譜自動(dòng)編碼器堆棧，卷積譜自動(dòng)編碼器的訓(xùn)練學(xué)習(xí)完成。
[0050] 7)將卷積譜自動(dòng)編碼器最后一層η的輸出作為支持向量機(jī)的輸入，采用有監(jiān)督學(xué) 習(xí)的方式對(duì)支持向量機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練，并得出學(xué)習(xí)訓(xùn)練結(jié)果。
[0051] 將￥"(&")作為支持向量機(jī)的輸入，其輸出為齒輪故障的體積特征，具體地，可以為 損傷(一般是指剝落)的齒上的體積有多少;例如，齒上剝落了 0.3立方毫米，或者0.5立方毫 米;如果結(jié)果為0，即表示該齒輪處于健康狀態(tài)，而非故障狀態(tài)。卷積譜自動(dòng)編碼器和支持向 量機(jī)的訓(xùn)練學(xué)習(xí)完成后即成為卷積譜自動(dòng)編碼支持向量機(jī)。
[0052] (4)輸入新的信號(hào)進(jìn)行齒輪故障測(cè)試；
[0053]輸入新的振動(dòng)信號(hào)到經(jīng)過訓(xùn)練的卷積譜自動(dòng)編碼支持向量機(jī)中進(jìn)行測(cè)試，直接得 出齒輪的測(cè)試結(jié)果。
[0054]綜述，本發(fā)明利用支持向量機(jī)這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行學(xué)習(xí)建模，剛搭建的卷積譜 自動(dòng)編碼器和支持向量機(jī)就如空白的大腦，并無學(xué)習(xí)能力，因此需要將一定數(shù)量的信息(具 體到本發(fā)明實(shí)施例，即，利用振動(dòng)傳感器采集到的振動(dòng)信號(hào))輸入到η層卷積譜自動(dòng)編碼器 和支持向量機(jī)讓其學(xué)習(xí)，經(jīng)過反復(fù)訓(xùn)練，使其具備學(xué)習(xí)能力(成為卷積譜自動(dòng)編碼支持向量 機(jī)），最后輸入測(cè)試對(duì)象(齒輪)的振動(dòng)信號(hào)，讓其自動(dòng)輸出測(cè)試結(jié)果。
[0055]最后應(yīng)當(dāng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)本發(fā)明保 護(hù)范圍的限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了詳細(xì)地說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng) 當(dāng)理解，可以對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì) 和范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于卷積譜自動(dòng)編碼支持向量機(jī)的齒輪故障測(cè)試方法，其特征在于:該方法包括以 下步驟： (1) 利用振動(dòng)傳感器采集齒輪的振動(dòng)信號(hào)； (2) 對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，獲得卷積譜； (3) 將卷積譜輸入卷積譜自動(dòng)編碼器和支持向量機(jī)進(jìn)行學(xué)習(xí)； (4) 利用卷積譜自動(dòng)編碼支持向量機(jī)得出齒輪故障的測(cè)試結(jié)果。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的齒輪故障測(cè)試方法，其特征在于：步驟(2)對(duì)采集到的振動(dòng)信 號(hào)進(jìn)行處理，獲得卷積譜，包括以下步驟： 對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，獲得頻譜； 對(duì)頻譜進(jìn)行稀疏化； 對(duì)稀疏化的頻譜取卷積，獲得卷積譜。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的齒輪故障測(cè)試方法，其特征在于：步驟(3)將卷積譜輸入卷積 譜自動(dòng)編碼器和支持向量機(jī)進(jìn)行學(xué)習(xí)，包括以下步驟： A，利用卷積譜自動(dòng)編碼器，對(duì)卷積譜進(jìn)行自動(dòng)編碼輸出，得到卷積譜自動(dòng)編碼器第一 層的輸出； B，將第一層的輸出作為第二層的輸入，重復(fù)步驟(2)和步驟A，得到第二層的輸出； C，重復(fù)步驟B，將上一層的輸出作為下一層的輸入進(jìn)行學(xué)習(xí)，直到最后一層n，得到第η 層的輸出，最終得到η個(gè)卷積譜自動(dòng)編碼器堆棧； D，將第η層的輸出作為支持向量機(jī)的輸入，支持向量機(jī)的輸出為學(xué)習(xí)結(jié)果。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的齒輪故障測(cè)試方法，其特征在于：步驟(3)中支持向量機(jī)的學(xué) 習(xí)為有監(jiān)督學(xué)習(xí)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的齒輪故障測(cè)試方法，其特征在于：步驟(4)利用卷積譜自動(dòng)編 碼支持向量機(jī)得出齒輪故障的測(cè)試結(jié)果具體為： 將新的振動(dòng)信號(hào)輸入卷積譜自動(dòng)編碼支持向量機(jī)，卷積譜自動(dòng)編碼支持向量機(jī)的輸出 即為齒輪故障的測(cè)試結(jié)果。
【文檔編號(hào)】G06K9/62GK105975988SQ201610286902
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年4月29日
【發(fā)明人】李川, 陳海彬, 曾波, 張智聰, 郭建文, 成志偉
【申請(qǐng)人】東莞理工學(xué)院