本發(fā)明屬于印刷機故障診斷技術領域，涉及一種基于聲音信號的印刷機故障診斷方法。
背景技術：
印刷設備是印刷工業(yè)的重要支柱，一旦發(fā)生故障將造成巨大的經(jīng)濟損失。所以，建立一套精確完善的印刷設備故障診斷系統(tǒng)和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對印刷設備進行精確的故障定位和實時監(jiān)測具有重大意義。
印刷機聲音信號中帶有大量印刷設備運行狀態(tài)的信息，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，會產(chǎn)生讓人耳不適的異常聲音，稱為異音。異音本質上不是由印刷設備內(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，即異音是印刷設備內(nèi)部故障的外在表征。因此，通過對印刷機聲音信號進行采集、提取和分析，可以了解印刷設備的運行狀態(tài)，對印刷機進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。
現(xiàn)有故障診斷技術在印刷設備上已經(jīng)有很多的應用，包括基于聲音的印刷機故障診斷方法、基于振動信號的印刷機故障診斷技術、基于畫面信息的印刷機故障診斷方法、基于專家知識經(jīng)驗的印刷機故障診斷技術等。其中，基于振動信號的印刷機故障診斷方法，通過安裝在振動部件的加速度傳感器獲取振動部件的振動信號，并對其振動信號進行分析和處理，進而判斷此部件是否運轉正常。測的部件上，傳感器的自身重力會影響工作部件的運轉精度，使用起來極不方便?；趫D像畫面信息的印刷機故障診斷方法，對印刷機的一些基本故障具有較好的識別效果，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、顏色等等相關的特征，這些特征反映了印刷過程中多參數(shù)相互作用的結果，特征集中含有大量的、復雜的冗余信息，只有去除掉這些冗余信息，才能合理地構建特征集和故障模式之間的映射關系。另外，基于圖像信息的故障診斷方法，需要印刷機出現(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備的故障原因，現(xiàn)在印刷機速度很大，一旦故障出現(xiàn)，便會造成極大的浪費和重大的經(jīng)濟損失?；诼曇舻挠∷C故障診斷方法對工人經(jīng)驗知識依懶性高、容錯性差，工作效率低，自動化程度低。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供了一種基于聲音信號的印刷機故障診斷方法，解決了現(xiàn)在印刷機故障診斷過程工作效率低的問題。
本發(fā)明所采用的技術方案是，一種基于聲音信號的印刷機故障診斷方法，包括以下步驟：
步驟1、采集印刷機正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時的聲音信號；
步驟2、對采集的聲音信號進行處理和分析，提取正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時聲音信號特征值；
步驟3、將正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時聲音信號的特征值進行比對，計算各頻帶故障貢獻率，確定故障頻率的范圍；
步驟4、根據(jù)故障頻率的范圍，對印刷機的故障進行定位，從而完成印刷機故障診斷。
本發(fā)明的特點還在于，
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正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時的聲音信號。
步驟2具體包括以下步驟；
步驟2.1、將采集印刷機正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時的聲音信號輸入a個濾波器中；
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)下印刷機聲音信號的頻域信息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)的倒頻譜變換計算聲音信號的倒頻域信息C，
C＝F-1(log(G(f))) (2)
步驟2.5、利用各個濾波器后的倒頻域信息C通過公式(3)計算聲音信號的特征值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聲音信號數(shù)據(jù)通過傅里葉變換，得到印刷機聲音信號的頻域范圍0Hz-fHz，把0Hz-fHz平均分成m個頻帶，把聲音信號通過1到n號濾波器，并通過公式(4)Fisher比率法計算各頻帶的故障貢獻率Fm，找出故障貢獻率最大濾波器i，并計算其的頻帶頻率(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為頻帶的總個數(shù)，
步驟3.2、把頻帶(i-1)×f/m到i×f/m平均分成n個頻帶，把聲音信號通過m+1到n號濾波器，并通過公式(4)Fisher比率法計算各頻帶的故障貢獻率，找出故障貢獻率最大濾波器i’，并計算其的頻帶頻率(i’-1)×f/mn到i’×f/mn；
步驟3.3、以此類推進行頻帶劃分，直到得到的頻率范圍小于設定的帶寬時，設定的帶寬為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)理論計算得到正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時印刷機各部件的運轉頻率，然后將步驟3中得到故障的頻率范圍與運轉頻率比對，看故障的頻率范圍落到運轉頻率的那個范圍，即可判斷印刷機哪個部位的零件發(fā)生故障。
根據(jù)理論計算得到正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時印刷機各部件的運轉頻率具體分為：
軸承外圈故障頻率fo計算公式為(5)：
公式(5)中，Z為滾子數(shù)，d為滾動體直徑，α為軸承壓力角，Dm為軸承滾道節(jié)圓直徑，fn為旋轉頻率；
軸承內(nèi)圈故障頻率fi計算公式為(6)：
公式(6)中，Z為滾子數(shù)，d為滾動體直徑，α為軸承壓力角，Dm為軸承滾道節(jié)圓直徑，fn為旋轉頻率；
滾動體故障頻率fb計算公式為(7)：
公式(7)中，d為滾動體直徑，α為軸承壓力角，D為軸承滾道節(jié)圓直徑，fn為旋轉頻率；
保持架內(nèi)環(huán)和外環(huán)的故障頻率fc計算公式分別為(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為旋轉頻率；
勻墨輥、著墨輥、串墨輥的頻率根據(jù)公式(10)滾動軸的半徑之間的關系計算出轉動頻率；
公式(10)中，ω1、ω2分別為主動軸、從動軸的轉動角頻率，r1、r2主動軸、從動軸的半徑；
齒輪嚙合故障頻率fm的計算公式為(11)：
fm＝f1×z1＝f2×z2 (11)
公式(11)中，f1、f2分別為主動輪、從動輪的轉動頻率。z1、z2主動輪、從動輪的齒數(shù)。
本發(fā)明的有益效果是：一種基于聲音信號的印刷機故障診斷方法，對印刷機聲音信號采集和檢測，了解印刷機的運行狀態(tài)，進而對印刷機進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，在一定程度上替代人工檢測，自動化程度高，為印刷機維修、調試提供了依據(jù)，節(jié)約大量的時間，工作效率高。
具體實施方式
下面結合具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。
本發(fā)明提供了一種基于聲音信號的印刷機故障診斷方法，包括以下步驟：
步驟1、采集印刷機正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時的聲音信號；
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正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時的聲音信號；
步驟2、對采集的聲音信號進行處理和分析，提取正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時聲音信號特征值；
步驟2具體包括以下步驟；
步驟2.1、將采集印刷機正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時的聲音信號輸入a個濾波器中；
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)下印刷機聲音信號的頻域信息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)的倒頻譜變換計算聲音信號的倒頻域信息C，
C＝F-1(log(G(f))) (2)
步驟2.5、利用各個濾波器后的倒頻域信息C通過公式(3)計算聲音信號的特征值p；
P＝sum|c| (3)
步驟3、將正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時聲音信號的特征值進行比對，計算各頻帶故障貢獻率，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聲音信號數(shù)據(jù)通過傅里葉變換，得到印刷機聲音信號的頻域范圍0Hz-fHz，把0Hz-fHz平均分成m個頻帶，把聲音信號通過1到n號濾波器，并通過公式(4)Fisher比率法計算各頻帶的故障貢獻率Fm，找出故障貢獻率最大濾波器i，并計算其的頻帶頻率(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為頻帶的總個數(shù)，
步驟3.2、把頻帶(i-1)×f/m到i×f/m平均分成n個頻帶，把聲音信號通過m+1到n號濾波器，并通過公式(4)Fisher比率法計算各頻帶的故障貢獻率，找出故障貢獻率最大濾波器i’，并計算其的頻帶頻率(i’-1)×f/mn到i’×f/mn；
步驟3.3、以此類推進行頻帶劃分，直到得到的頻率范圍小于設定的帶寬時，設定的帶寬為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，對印刷機的故障進行定位，從而完成印刷機故障診斷；
步驟4具體為：根據(jù)理論計算得到正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時印刷機各部件的運轉頻率，然后將步驟3中得到故障的頻率范圍與運轉頻率比對，看故障的頻率范圍落到運轉頻率的那個范圍，即可判斷印刷機哪個部位的零件發(fā)生故障；
根據(jù)理論計算得到正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時印刷機各部件的運轉頻率具體分為：
軸承外圈故障頻率fo計算公式為(5)：
公式(5)中，Z為滾子數(shù)，d為滾動體直徑，α為軸承壓力角，Dm為軸承滾道節(jié)圓直徑，fn為旋轉頻率；
軸承內(nèi)圈故障頻率fi計算公式為(6)：
公式(6)中，Z為滾子數(shù)，d為滾動體直徑，α為軸承壓力角，Dm為軸承滾道節(jié)圓直徑，fn為旋轉頻率；
滾動體故障頻率fb計算公式為(7)：
公式(7)中，d為滾動體直徑，α為軸承壓力角，D為軸承滾道節(jié)圓直徑，fn為旋轉頻率；
保持架內(nèi)環(huán)和外環(huán)的故障頻率fc計算公式分別為(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為旋轉頻率；
勻墨輥、著墨輥、串墨輥的頻率根據(jù)公式(10)滾動軸的半徑之間的關系計算出轉動頻率；
公式(10)中，ω1、ω2分別為主動軸、從動軸的轉動角頻率，r1、r2主動軸、從動軸的半徑；
齒輪嚙合故障頻率fm的計算公式為(11)：
fm＝f1×z1＝f2×z2 (11)
公式(11)中，f1、f2分別為主動輪、從動輪的轉動頻率。z1、z2主動輪、從動輪的齒數(shù)。
本發(fā)明的一種基于聲音信號的印刷機故障診斷方法，對印刷機聲音信號采集和檢測，了解印刷機的運行狀態(tài)，進而對印刷機進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，在一定程度上替代人工檢測，自動化程度高，為印刷機維修、調試提供了依據(jù)，節(jié)約大量的時間，工作效率高。