基于DSP和LabVIEW的轴承故障监测系统.pdf

201 0，年 第 8 期 体衣 飘 舟 鼠 丽 I n s t r u me n t T e ch n i q u e a n d S e n s o r No 8 基于 DS P和 L a b VI E W 的轴承故 障监测 系统 喻 洋洋， 周凤 星， 严保康 ( 武 汉科 技大 学信 息科学与工程学院 ， 湖北武汉4 3 0 0 8 1 ) 摘要 ： 文中介绍了一种基于 D S P和 L a b V I WE的轴承故障监测 系统。该 系统采用 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2的 D S P芯片作为核心控制器 ， 来控制信号预处理 电路 ， 然后通过 R S 2 3 2总线将信号传输到上位机进行处 理。在上位机上 ， 利用 L a b V I E W 设计 了一套集数据采集、 故障特征频率计算和轴承故障诊 断于一体 的 虚拟检测平 台。最后利用旋转机械振动及故障模拟试验平台对该 系统进行验证 ， 结果表 明该 系统具有 可行性 和适 用性 。 关键词 ： D S P ； L a b V I E W； 轴承 ； 故障监测 中图分类号 ： T P 2 7 7 文献标识码 ： A 文章编号 ：1 0 0 2 - 1 8 4 1 ( 2 0 1 6 ) 0 8 - 0 0 5 2 - 0 4 F a u l t M o n it o r in g S y s t e m o f Be a r in g Ba s e d o n DS P a n d La b VI EW YU Ya n g y a n g ，Z HOU F e n g - x in g ，YAN B a o - k a n g ( S ch o o l o f I n f o r ma t io n S cie n ce a n d E n g in e e r i n g ， Wu h a n U n i v e r s i t y o f S cie n ce a n d T e ch n o l o g y ， Wu h an 4 3 0 0 8 1 ， C h i n a ) Ab s t r a ct ： A b e a ti n g f a u l t mo n it o ri n g s y s t e m b a s e d o n DS P a n d L a b VI E W wa s d e s ig n e d T h is s y s t e m a d o p t s T MS 3 2 0 F 2 8 1 2 D S P ch ip a s t h e co r e co n t r o l l e r t o co n t r o l t h e s i gn a l p r e t r e a t me n t ci r cu it ，a n d t h e n t h r o u g h t h e RS 2 3 2 b u s ， t h e s i g n a l w a s t r a n s mi t t e d t o t h e P C f o r p r o ce s s i n g Th e PC u s e d L a b VI E W t o d e s ig n a v ir t u a l t e s t p l a tf o r m w h ich in t e g r a t e s d a t a a cq u i s i t io n，f a u l t ch a r a ct e ri s t i c fre q u e n cy ca l cu l a t i o n a n d b e a r i n g f a u l t d i a gno s is F i n a l l y，t h e r o t a t in g ma ch i n e r y v i b r a t i o n a n d f a u l t s i mu l a t io n p l a tf o r m wa s u s e d in t h e l a b o r a t o ry t o t e s t t h e s y s t e m T h e r e s u l t s o f t h e e x p e ri me n t v a l id a t e s t h e f e a s ib il it y a n d a p p l ica b il it y o f t h e s y s t e m Ke y wo r d s ： D S P；L a b V I E W ；b e a ri n g ；f a u l t mo n it o ri n g 0引言 振动信号是反映轴 承运行状态 的重要信号 之一 。 当轴 承因剥落 、 腐 蚀或者有裂纹损伤 时， 在轴 承高速 运转 的过程中， 经过这些损伤处时就会产生一个周期 性的冲击信 号。而这个冲击信号往往都和机械 系统 运作时 的其他 噪声或 者振 动混合成一 种振 动信号 。 通过对轴承运行时所伴随的振动信号进行采集、 预处 理和分离出冲击信号 ， 可 以对不 同系统中轴承的工况 进行监测 已有的单一基于 D S P或者基于 L a b V I E W 的轴承 故障监测系统无法满足当前工况现场实 时性 、 实用性 的需求 。D S P具有运算速度快 的特点 ， L a b V I E W 具有 可视化的特点 ， 界面友好 ， 便于系统整体的实时监测。 因此结合两者的优势 ， 构建轴承故障监测系统。 1 1 1 系统设计 轴承故障监测系统 由振动信号采集 、 振动信号调 理以及振动信号诊 断部分组成 。系统的整体结构框 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 6 1 1 7 4 1 0 6 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 5 1 2 一 O l 图如图 1 所示。 图 1 系统结构图 信号采集模块主要使用加速度传感器采集实验 室的滚动轴 承故 障试 验平 台中滚 动轴承振 动信号。 传感器采集到 的振动信号进入信号预处理 电路 中进 行放大、 滤波等处理， 并由 D S P来控制对信号放大倍 数 的选择 。 2 预处理之后 的信号可以通过数据采集卡 传人上位机 在 L a b V I E W 中进行简易诊断、 特征频率 计算以及精密的故 障诊断 ， 也可以通过 A D 9 7 6模数转 换后进入 D S P中， 由 D S P对信号进行特征频率提取 ， 最后将故障诊断结果传输到 L a b V I E W 中显示。 2系统硬件实现 2 1 滚动轴承故障试验平台、 传感器 、 数据采集卡 滚动轴承故障试验平台由变速驱动电机、 轴承、 齿 第8 期 喻洋洋等： 基于 D S P和 L a b V I E W 的轴承故障监测系统 5 3 轮箱、 轴、 偏重转盘、 调速器等组成。通过调节配重 ， 调 节部分的安装以及组件的有机组合快速模拟各种故障。 文中采用 I M I 一 6 2 6 B 0 3振动加速度传感器。 其灵 敏度为1 0 0 0 m V g 、 频率范围在 3 0 1 2 0 0 0 0 e p m ( 0 5 2 0 0 0 H z ) 、 测量值范围为 5 g 。 数据采集卡采用型号 为 C I - 6 2 2 0的板卡 该板 卡是低价位多功能 M 系列数据采集 ( D A Q) 卡。有高 达8 0 路 1 6 位模拟输入， 最高采样频率达到 8 3 3 k S s ， 2 路 1 6 位模拟输出。与 L a b V I E W 7 X 版本( 或更高版 本) 兼容， 便于后续使用 L a b V I E W进行信号提取及滚 动轴承故障诊断程序的开发。 2 2 信号预处理 电路 由传感器采集 到 的信号在进人数 据采集卡进行 数模转换之前 ， 需要对振动信号进行预处理， 主要包 括前置放大、 低通滤波、 绝对值处理等。 前置放大 电路主要采用 A D 5 2 4芯片和 MA X 4 6 6 2 芯片对传感器采集的轴承振动信号进行放大， 其电路 图如图 2所示 。 图 2 前置放大 电路 图 A D 5 2 4是精密单芯片仪表放大器， 常用于工作条 件较差的高精度数据采集系统， 具有高线性度、 高共 模抑制、 低失调电压漂移与低噪声等特性。A D 5 2 4有 4 个增益倍数( 1 、 1 0 、 1 0 0 及1 0 0 0 ) ， 可以通过外围接线 来设置。M A X 4 6 6 2是 4路的模拟开关 ， 将 A D 5 2 4不 同增益倍数的外围线与开关相连接， 再通过与 D S P芯 片的通用 1 0 口控制 来选通模拟开关 ， 实现对所采 集信号不 同放大倍数的选择 。 采用 2片 U A F 4 2组成带通滤波器电路 。 其 电路 图 如图 3所示。 图 3 带通滤波 电路 图 U A F 4 2是通用有源滤波器模块 ， 采用状态变量模 式 ， 2片的电路结构完全一样 ， 实现 四阶带通滤波器。 拟结构 ， 是通用的二阶滤波器构件。U A F 4 2带有 1 个 调整输入参数 ， 设置中心频率为 2 0 k H z ， 3 d B带宽是 加法放大器和2 个积分器， 能同时提供高通、 低通、 带4 0 0 H z 。振动信号经过该带通滤波器后可以滤除信号 通 的输 出。在本 电路里 ， 采 用 2片 U A F 4 2级联 的方 中高频噪声和低频电流相关的工频信号。 5 4 I n s t r u me n t Te ch n iq u e a n d S e n s o r Au g 2 01 6 如图 4所示 ， 绝对值 电路主要 由 T L O 8 2 A C J G和 2 个 1 N 4 1 4 8 a D 和 a D ， 二级管组成。T L 0 8 2 A C J G是结 型场效应管高阻输入的双运算放大器 ， 1 N 4 1 4 8是一种 小型的高速开关二极管。放大器 A 1 起 到负输出理想 二极管电路的作用 ， A 2为 2：1比率 的加法 器 ( R = 2 R ) ， ， 和 。 分别为 A 2的输出电压 、 A 1 输入电 压和 A1的输 出电压 。当正半周输入时 ， 电路可以等 效为 2个反 向放大器的级联 ， 形成负负得正 的效果 。 此时电路中的 a D， 截止 ， a D ， 导通。A 1输出为被倒相 的 与 A 2反相相 加后的输 出 V o =一 ( 。 一 2 v i ) = I ， 0 ， 因为 ： R = 2： 1 ， 所 以一 2 V o 。 可看作等效 的 2 倍输入电压， 负半周输入时， 当输入电压为负时 ， 此时 电路中的 a D 截止 ， a D 导通 。Al的输 出被断开 ， =一 ( 一 v i + 0 ) = ， 输入信号原样通过。 R1 R 图 4 绝对 值电路图 2 3 DS P模块 根据轴承振动信号的特点 以及系统需求 的考虑 结合 C 2 0 0 0系列的 D S P芯片的高集成度 以及高性能 的特点 ， 采用 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2作 为核心的控制 器 ， 负责 对预处理后的振动信号进行 A D转换、 串口通信、 放 大倍 数 选 择 、 截 止 频 率 设 置 和 振 动 信 号 处 理 等。 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2是具有闪存 的 3 2位数字信号 控制器 ， 具有高性能静态 C MO S技术 、 高性能 C P U、 快速的中断 响应和处理、 统一存储编程模型以及高效代码( 使用 C c + + 和汇编语言) 等特点， 具有高速数据处理功能和高性 能控制功能， 是轴承故障监测系统的核心控制器。 3 系统软件设计 系统软件 设计 主 要包 括 D S P软 件设 计 和基 于 L a b V I E W 的上位机软件设计 。 3 1 D S P模块 D S P软件 主要采 用模块 化设计 主要 包括 主程 序 、 信号处理子程序 、 R S 2 3 2串 口通信子程序 、 数据存 储子程序和 A D转换子程序等。主程序流程图如图 5所示 ， 主要对整个 系统进行初始化工作 ， 使系统能够 正常运行 ， 接着执行中断查询程序 ， 利用中断来接收上 位机指令 ， 再根据指令 的不同而进入不同功能的子程序 中。在子程序中， 信号处理子程序是 D S P软件设计中比 较重要的部分， 所实现的功能是对经过预处理之后的振 动信号进行 T变换 4 和希尔伯特变换 ， 提取振动信号 的故障特征， 得到轴承振动信号的特征频率。 图 5 主 程序流程 图 3 2 上位机软件设计 上位机软件主要功能是与 D S P通信 ， 采集和接 收 轴 承 振 动 信 号 ， 为 进 一 步 分 析 提 供 交 互 平 台。 L a b V I E W 的特点是 图形化 、 模块化 ， 具备了高效率、 高 可靠性以及并行运算特性 ， 可以用于设计虚拟轴承故 障诊断平台。上位机软件 主要包括数据采集程序 、 轴 承故障简易诊断程序、 故 障特征频率计算程序和轴承 故障精密诊断程序。 数据采集程序利用 L a b V I E W 自带的软件架构 V I s A， 打开 、 设 置 计算 机 的 串 口， 实 现 与 D S P之 间 的 R S 2 3 2通信 ， 同时将操作者设定 的振动信号放大倍数 和采样信号截止频率 等指令 传达到 D S P。在数据采 集程序中需要注意对上位机和 D S P设置相 同波特率、 数据位、 奇偶校验位和流程控制等。故障特征频率计 算程序就是根据轴承 的参数计算 出在不 同频率下轴 承不同部位出现故障时的频率。故障简易诊断主要 参考振动信号时域无量纲参数， 例如均方根值、 波形 指标 、 峰值指标、 脉冲指标、 裕度指标以及峭度指标 等 ， 来对轴承的运行状态做 出初步的判断。故 障精密 诊断程序 ， 采用 了 F 丌 变换功率谱方法 、 小 波变换分 析法、 希尔伯特变换和数学形态滤波法对振动信号进 行分析 ， 使该信号 的故 障特征频率清晰地显示 出来 ， 并能精确确定故障发生部位 _ 5 。 第 8期 喻 洋洋等 ： 基于 D S P和 L a b V I E W 的轴承故障监测 系统 4系统测试 实验 采用旋转机械振 动及故 障模拟实验平 台对系统 的T作性能进行实验验证， 使川 故障轴承和正常轴承 进行实验 以滚动轴 ， f 乏 大 圈故障为例说明该 系统 的各 项功能 并以转速为 2 l 0 r min的内圈故障轴承振动 信号为例进行故障 诊断结果分析， 验证故障诊断系统 各部分功能 采集内圈故障轴承振动信 号， 在上 位机虚拟平台 上设置振动信号的放大倍数为 l 0 ， 带通滤波器滤波范 围为 5 0 0 2 5 0 0 0 H z ， 通 过 串 将 上 述 信息 发送 至 D S P 由 D S P心 I t - 片控制预处理 电路 中的相关可编程芯 片完成对振动信号 的预处理 下一 阶段 的诊 断工作 既可以f _h D S P来执行 ， 最后将处理的结果传输 到上位 机 L a b V I E W 中进行 示 ， 也可以将预处理后的信号传 输到上位机 L a b V I E W 巾进行 。 ( 1 ) 基 丁 D S P故障诊断 在 D S P程序 巾使川希尔们特 变换 对轴承的振动 信号进行处理 ， 再对处理过后的信号进行 F 盯 变换得 到频谱信号 ， 最 后将 频谱信号 传输 到 L a b V I E W 中进 行 ， 其 示结 果图如 殳 l 6所爪 、 图 6基 于 DS P故 障诊 断效 果 圈 ( 2 ) 基 于 L a b V I E W 故障诊断 在 L a b V I E W程序 r f 1 可以采崩 多种方式对振动信 号进行处理 ， 为 r与 丁 D S P程序的诊断效果对 比， 也以希尔们特变换的诊断效果为例， 其实验效果 图如 图 7所 示 蠡雏 8 孽 0 E 8 图 7 基于 L a b V I E W 故障诊断效果 图 对比上述 两种诊断方式的效果 ， 可以发现 两个 效果图形状基本一致 ： 与轴承内罔故障典型频谱 图相 吻合。罔 6巾找到特f 频率为 3 5 H z 和 2 5 H z 左右 ， 图 7中找到特 频牢 为3 5 H z 和 2 4 H z 左右。3 5 H z 频率与实验的 3 5 Hz 转频实际值一致 ， 2 4 H z频率与 转频 3 5 H z 时 内圈故障特征频率2 4 9 8 7 3 H z 卡 吻合 并且频谱图中特 征频 率的 n倍 频( 2 4 ， 4 8 ， 7 2 ， 9 6 H z ) 十分 明显 在倍 频周闱伴 随着边频的j l I 现， 与l 大 】 故 障频谱特征基本一致 ， 可 以断定该组数据 的故障类划 属于内圈故障 与实 际模拟故障相符合。通过实验的 验证 可以发现 2种诊断方式均可以对轴 承的故障做 出有效的诊断。 5 结束语 本 文 从 硬 件 和 软 件 方 面 提 f f l 基 于 D S ! 和 L a b V I E W 的滚动轴承故障诊断系统 可 以实现对轴承 振动信号采集 、 振动信号的分析及振动信 号的精密诊 断。本系统 中的硬件 系统信号调理 电路设计 有集 成度高、 开发周期短 、 性能 高的特点 D S P软 什 果用 模块化设计 数据处理能力强， 调试方便 ， 上位机软件 界面友好 、 操作简便 、 功能强大 ， 实验结 果表 明 亥系 统的可行性 。 参考文献 ： 1 喻洋洋， 周风星 ， 严保康 基于 L a b X , I E w 的滚动轴承lI】_