（机械电子工程专业论文）虚拟式一体化齿轮箱故障诊断仪的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 齿轮箱是一种在各种机械设备中广泛使用的变速传动部件，齿轮箱的故障诊 断是设备状态诊断技术的重要组成部分。虚拟仪器技术是仪器行业的一场革命， 将虚拟仪器应用于现代测试仪器中给测试仪器的开发带来了全新的面貌。本文深 入分析和研究现有的各种齿轮箱的故障的类型及其产生机理，在此基础上有针对 性的分析对应诊断理论和方法，然后对诊断方法进行算法分析和编程，最后结合 当前最为流行的虚拟仪器技术开发出虚拟式一体化齿轮箱故障诊断仪。本文将传 统的齿轮箱故障诊断技术于现代虚拟仪器技术相结合，探索在基于现代虚拟仪器 技术基础上快捷的开发出能够满足用户需要的齿轮箱故障诊断仪。 本文的研究内容有： ( 1 ) 利用振动理论和实验研究分析齿轮箱中齿形误差、齿轮均匀磨损、箱体共 振、轴轻度弯曲、断齿、轴不平衡、轴严重弯曲、轴向窜动、轴承疲劳剥落和点 蚀九种典型故障的振动特征。 ( 2 ) 通过理论研究和实验分析，对具有故障的齿轮箱振动信号进行时域分析和 频域分析，除了采用传统的频谱分析外，还采用细化谱分析以及解调分析方法。 然后将分析结果与正常状态下的振动信号进行比较，从而提取该故障的特征。根 据其故障信号的特征，提出行之有效的诊断方法。 ( 3 ) 在以上基础上开发出虚拟式一体化齿轮箱故障诊断仪，并对整个系统的设 计思路、设计方案、软件实现等进行了详细的论述。 最后，本文通过现场实验验证了相应诊断算法、诊断仪可行性和有效性。经过对现场实测数 据的分析，证明虚拟式一体化齿轮箱故障诊断仪是一种可推广应用的齿轮箱故障诊断仪。它 不但拓展了诊断仪器的开发模式，大大方便了诊断仪器的开发，而且也扩大了虚拟仪器技术 的应用，在经济上节约了开发成本、在时间上缩短了开发周期、在效益上提升了经济效益， 在人力物力和财力上都对企业、对社会都具有短期和长期巨大效益。 关键词：虚拟仪器，齿轮箱，故障诊断，调制解调，h i l b 耐变换 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t g e a r b o xi sak i n do fw i d e l yu s e di r a n s m i s s i o nc o m p o n e n t si nm a n ym e c h a n i c a l d e v i c e s ，a n di t sf a u l t sd i a g n o s i si st h ek e yp a r to ft h ed e v i c ed i a g n o s i st e c h n o l o g y v i r t u a li n s l r u m e n tt e e l a n o l o g y , o fw h i c ha d v e n ti su s u a l l yr e g a r d e da sar e v o l u t i o ni n i n s t r u m e n ti n d u s t r y , b r i n g si n t ot h ed e v e l o p m e n to f t e s ti n s t r u m e n tb a s e do nm o d e mt e s t t e c h n o l o g y ab r a n d - n e w 川 p 嵌暇m t y p i e a ! f a u l t st y p e sa n dt h e i rg e n e r a t i o n m e c h a n i s m 帅d e e p l ya n a l y z e da n ds t u d i e di nt h i sp a p e r , a n dc o r r e s p o n d i n gr e l a t i w d i a g n o s i st h e o r i e sa n dm e t h o d sa r ea n a l y z e d 勰w e l l t h e na l g o r i t h m sa 阳e o n s l r u e t e d a n dc o d e sa f o r m e di nd e v e l o p m e r l te n v i r o n m e n tv i s u a lc + + i n t h i s p a p e r , c o n v e n t i o n a lf a u l t sd i a g n o s i st e e l m o l o g i e so fg e a r b o x 黜u t i l i z e d 谢t hm o d e mv i r t l l a l i n s t n l n l c n tt e c h n o l o g yt o g e t h e rt oe x p l o i tt h ew a yt h a td e v e l o p i n gak i n do fg e a r b o x f a u l t s d i a g n o s i si n s t r u m e n tb a s e do n v i r t u a l i n s t a l m a e n ta n d s a t i s f y i n g u s e f s r e q u i r e m e n t s c o n t e n to f t l a es t u d yi nt h i sp a p e rc o n s i s t so f ( 1 ) b a s e d o nv i b r a t i o n t h e o r y a n d e x p e r i m e n ts t u d y , a n a l y z e v i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so f9t y p i c a lf a u l t so fg e a r b o xt o o t he l t 0 1 。) g e 甜u n i f o r mw e a l ) b o x r e s o l l l l l l c , l ov i b r a t i o n , s h a t th e t t o e y r t o s i s t o o t hb r e a k , s h a nu n b a l a n c e , s h a f th e a v y b e n d i n g , a x i a lf l o a t , b e a r i n gf a t i g u ef l a k ea n dp i t t i n 晷 ( 2 ) a n a l y z eg e a r b o xv i b r a t i o ns i g n a lw i t hf a u l t si nt i m ed o m a i na n df r e q u e n c y d o m a i n i na d d i t i o nt ot h ec o n v e n t i o n a ls p e e t r mm e t h o d s ，z o o ms p e c t r u ma n d d e m o d u l a t i o nm e t h o d sa l i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h e nc o m p a r ev i b r a t i o ns i g n a l s b e t w e e nn o m l a ls t l l t ca n df a u l ts t a t et oe x t r a c tf a u l t se h a r a e t e r i s t i 鹳a c c o r d i n gt ot h e c o m p a r i s o n , p r o p o s ee t f e e t i v ef a u l t sd i a g n o s i sp r o g r l m a ( 3 ) b a s e do n t h ea b o v er e s u l t , d e v e l o pv i r t u a li n t e g r a t e d f a u l t sd i a g n o s i s i n s t n 皿e n to fg e a r b o x , a n dd e t a i l e di l l u s t r a t ed e s i g np r o g r a m , d e s i g ns c h e m ea n d s o t t w a r ep r o g r a m m i n g a tl a s t , i ti sp r o v e de f f e e t i v eb ye x p e r i m e n t st h a ta l g o r i t h m , f l e x i b i l i t ya n d v a l i d a t i o no ft h i si n s t r u m e n t i naw o r d ，v h t u a li n t e g r a t e df a u l t sd i a g n o s i si n s t r u m e n t o fg e a r b o xi sak i n do fg e a r b o xf a u l t sd i a g n o s i si n s t r u m e n tw i t hc h a r a c t e r i s t i c so f p o w e r f u lf u n c t i o n , 1 i i 班a c c u r a c y , e f f e c t i v e n e s s ，l o wc o s ta n df r i e n d l y i n t e r f a c e k e y w o r t l s ： v m u a l i n s t r u m e n t , g e a r b o x , f a u l t sd i a g n o s i s ，m o d u l a t i o n a n d 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 h i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：汤签字日期： 一7 年，月尹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废盔堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( x ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 签字日期：扣一年矿月；4 日 导师签名：桷矛哆 签字日期：卵年卜月庐e t 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 l 绪论 1 1 引言阻卜b 1 齿轮箱是机械设备中具有重要作用的一种装置，其作用是改变各种机械设备 运行转速一种机械设备。齿轮箱通常由轴、齿轮以及轴承等部件组成。齿轮箱在 航空航天、农业机械、交通运输、化工冶金等等关系国计民生的重要领域内得到 广泛的重要应用。不过，齿轮箱本身机构较为复杂，尤其是现代齿轮箱结构更是 及其复杂，并且齿轮箱的工作环境也很恶劣，在运行过程中齿轮箱很容易出现故 障。据有关资料统计，齿轮箱故障几乎涉及了旋转机械设备中大多数典型故障， 在传动机械中有8 0 0 , 6 的故障是由齿轮所引起的，在旋转机械中齿轮箱故障占其故 障的1 0 左右。据一些厂家的分析，对于拖拉机，以齿轮为主要零件的变速箱故 障发生率占除了发动机故障以外的其它所有故障的5 0 - - 7 0 。同时随着设备的不断 大型化、复杂化、自动化和连续化，一旦齿轮箱出现故障，那么由此给整个生产 和社会造成的损失也越来越大。 在最近这些年里，机械设备越来越复杂并且自动化水平越来越高，设备在现 代工业生产中的作用和影响都越来越大，其维修费用也不断攀升。机械设备中齿 轮箱故障而造成的经济损失和人员伤亡以及对社会的影响都是惊人的，故障的发 生不仅影响生产，造成重大损失，甚至还可能导致灾难性的人员伤亡和恶劣的社 会影响。这样的例子有很多，例如在1 9 9 2 年6 月，日本海南电厂的一台6 0 0 m w 的超临界火力发电机组在进行超速实验时，因为机组减速箱失效和临界转速下降 而引起机组共振，造成机器设备毁坏惨重事故，直接经济损失达4 5 5 0 亿日元。 又例如在1 9 9 8 年2 月，我国秦岭发电厂的一台2 0 0 m w 气轮机发电机组在进行超 速试验时发生了轴系断裂的严重事故，造成经济损失约3 0 0 0 万元左右。因此，研 究齿轮箱的故障诊断，在现代工业生产中起着非常重要的作用，开发齿轮箱故障 诊断仪具有重要的现实意义。 1 2 齿轮箱故障诊断与齿轮箱故障诊断仪 1 2 1 设备状态监测与故障诊断技术 齿轮箱故障诊断技术是属于设备状态监测与故障诊断( c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n d f a u l t sd i a g n o s i s ) 技术的主要内容之一。设备状态监测与故障诊断是近年来逐步发 展起来的一门综合性新兴学科，涉及传感器及测试技术、电子学、信号处理、识 别理论、计算机技术以及人工智能、专家系统等多种基础学科和技术学科，是这 些理论的综合应用。设备状态监测与故障诊断技术从本质上讲属于信息技术范畴， 它包括信号的采集、信息的分析处理( 数据处理) 、状态识别和诊断决策。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 所谓故障，广义的说就是指对象丧失了它所被要求的规定的性能状态。更加具 体来说就是指一台设备的功能指标低于正常的最低限值或误差超过了允许值，是 设备的正常状态、异常状态和故障状态等三种状态之一。故障诊断一般分为信号 采集、数据处理、状态识别和诊断决策四个阶段。 信号采集：根据具体诊断目的的不同而选择最能够表征工作状态的信号，这 种状态信号也称之为初始模式。 数据处理：对初始模式进行信号处理，利用不同的数据处理方法形成变换， 去掉冗余信息，然后提取不同的故障特征，最终形成待检模式。 状态识别：将待检模式与数据库中已有的各种故障模式进行对比和状态分 类。这一步是整个诊断过程的核心。为此，要建立判别函数，规定函数准则并力 争使误差率最小。 诊断决策：根据判别结果采取相应对策。对设备及工作进行必要的预测及干 预。 图1 1 状态监测与故障诊断的基本内容 f i 9 1 1t h eb a s i cp r o c a * 8o f c o n d i t i o nm o n i t o r i n g a n df a u l t sd i a g n o s i s 围绕上述故障诊断的四个步骤，目前的齿轮箱故障诊断研究主要集中在齿轮箱 状态检测仪器和分析系统的开发、信号处理和分析、故障机理研究和典型故障特 征的提取、诊断方法研究和人工智能的应用等几个方面。 设备故障诊断技术的意义主要表现在通过预先对设备的故障进行诊断和监测 以降低事故发生的可能性，在故障发生之前就预防到，这样不仅降低了维修费用， 减少维修时间，增加运行效率。据统计，采用诊断技术以后，事故的发生率减少 了7 5 ，维修费用降低了2 5 5 0 ，英国专家t h o m a s 认为，若进行旋转机械的振 动量的监测，其利润与投资之比可以高达1 7 ：l ，从安全和经济效益的角度出发， 故障诊断系统的研究都是具有极其重要的意义。 1 2 2 齿轮箱故障诊断2 卜n 钔 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 齿轮箱故障诊断是通过掌握齿轮箱过去和现在运行中或在基本不拆卸的情况 下的状态量，判断有关异常或故障的原因并预测对将来的影响，从而找出必要对 策的技术。它在动态情况下，利用齿轮箱设备劣化进程中产生的信息( 如振动、噪 声、压力、温度、流量、润滑状态及其他指标等) 来进行状态分析和故障诊断。 齿轮箱故障诊断的研究最早始于2 0 世纪6 0 年代，根据诊断方法可以分为两大 类：一类是根据摩擦磨损理论，通过分析齿轮箱润滑油中的磨屑来诊断齿轮箱的 运行状况。另一类则通过对齿轮运行中的动态信号分析处理来诊断齿轮箱的运行 状况，由于振动信号便于记录、处理以及不易受到干扰等优点，被广泛采用。 齿轮箱故障诊断技术综合应用了机械动力学、传感技术、信号分析、模式识别、 系统理论、人工智能、预报决策、可靠性分析、控制理论、电子技术和计算机软、 硬件的理论和技术及有关专业领域的研究成果，以设备及其群体为研究对象，根 据齿轮箱在运行过程中的二次效应及其动态变化，在齿轮箱运行过程中，对齿轮 箱运行状态进行监测，作出是否有故障、故障种类、故障部位、故障严重程度、 故障发展变化趋势等诊断结果，判断齿轮箱性能劣化趋势，并制定出相应对策。 1 2 3 齿轮箱故障诊断仪的用途 由于齿轮箱的受力状态复杂，并且齿轮箱是否处于健康状态对整个设备甚至企 业都具有至关重要的作用，所以保证齿轮箱正常工作是及其重要的。而这就是齿 轮箱故障诊断仪的首要作用与用途。 齿轮箱故障诊断仪是专门面向齿轮箱的故障监测和诊断而量身定做的。该类仪 器可以对齿轮箱的各个关键部位的健康状态进行实时监测，并且得到各个信号特 征及其变化趋势，为故障诊断提供相应依据，同时能够允许用户对各个信号的临 界值进行设定或自动设定报警值，当监控到一个或多个信号特征值超过报警临界 值时，系统能够及时的通过各种不同方式提醒用户。 一般来说，一台功能较为齐全的齿轮箱故障诊断仪能够对由齿轮箱传来的振动 信号进行测量，并且能够提供时域分析、频域分析、故障预测、用户提醒、数据 保存等功能，还要具有用户界面友好、易于学习与操作等诸多方面的功能。 1 2 4 齿轮箱故障诊断仪的发展与现状h 2 1 国外在齿轮箱状态监测与故障诊断的研究进行的比较早，美国对齿轮箱状态监 测与故障诊断的研究侧重于军事部门，如俄亥俄州立大学齿轮动力学及噪声实验 室、s k f 状态监测公司、s p i r e 公司等在齿轮噪声机理与振动特性，齿轮、轴承、 轴状态监测与故障诊断进行了研究并在实际中应用。日本侧重于某些民用工业， 如钢铁、化工、铁路等。这些研究与应用取得了丰硕的成果，为以后的研究积累 了经验。 目前国内外在齿轮箱状态监测与故障诊断软件的研制主要集中在以下几个方 3 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 面：为某一型号齿轮箱开发的专用状态监测与故障诊断软件。以东方所为代 表开发的设备状态监测与控制软件。以北京亚控科技有限公司为代表开发的组 态软件。以美国国家仪器公司为代表开发的测量与自动化软件以及m a t l a b 系列 软件等。其他有关状态监测与故障诊断软件。 1 3 本文研究的意义和内容 传统的齿轮箱故障诊断系统的开发周期长、缺乏灵活性、没有现成的模式可以 利用，这成了齿轮箱故障诊断系统的开发模式通用性差，没有相应的标准平台， 因此开发起来相对困难。本课题的研究将传统的齿轮箱故障诊断技术于现代虚拟 仪器技术相结合，探索在基于现代虚拟仪器技术基础上快捷的开发出能够满足用 户需要的齿轮箱故障诊断系统。这不但扩大了虚拟仪器技术的应用，而且也拓展 了以前诊断系统的开发模式，大大方便了诊断仪的开发，在经济上节约了开发成 本、在时间上缩短了开发周期、在效益上提升了经济效益、在人力物力和财力上 都对企业，对社会的短期和长期的贡献是巨大的。 1 3 1 本文研究的意义 将虚拟仪器技术与齿轮箱故障诊断技术相结合，不但可以有效利用传统齿轮箱 故障诊断技术的已有成果，而且大大降低了开发诊断系统的成本和周期，使得机 械设备故障诊断更加灵活、方便和易用。由于是基于虚拟仪器技术的齿轮箱故 障诊断系统，所以其开发成本是远远低于老式齿轮箱故障诊断系统。这从经济上 为用户节约了需要投入的资金。虚拟式一体化齿轮箱故障诊断仪能够方便地根 据用户的齿轮箱的不同，而做出相应的参数修改，这能够适应于各种各样的齿轮 箱，其方便性堪称显著。本齿轮箱故障诊断系统，不管是从软件上还是从硬件 上来看都是采用一体化设计。 1 3 2 本文研究的内容 本论文共分为6 章，主要开展了以下几个方面的研究工作： 第l 章简要介绍了本课题的研究背景，齿轮箱故障诊断的意义，以及目前国 内外齿轮箱故障诊断技术和诊断仪的发展和现状。最后给出了本论文的研究内容。 第2 章介绍了本论文的理论基础之一；虚拟仪器，介绍了当前虚拟仪器的发 展以及不同种类的虚拟仪器的优点。 第3 章详细阐述了齿轮箱故障诊断的各种原理，并根据原理进一步分析描述 了齿轮箱中典型故障的特征。 第4 章在介绍了虚拟仪器和齿轮箱故障诊断原理后进一步详细介绍了虚拟 式一体化齿轮箱故障诊断仪的实现过程。分别对系统设计、采集方案和各部分功 能模块实现进行了详细介绍。 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 第5 章为利用本论文开发出来的虚拟式一体化齿轮箱故障诊断仪在各种不 同环境下对不同对象进行故障诊断的实验验证工作。 第6 章是本文的结论部分，对本文的研究成果进行了总结，并指出论文还有 待进一步改进的地方。 1 4 课题来源 本课题受科技部8 6 3 高技术计划“虚拟仪器关键技术的研究及其产业化” ( 2 0 0 5 a a 4 2 0 3 5 0 ) 资助。 重庆大学硕士学位论文 2 虚拟仪器 2 虚拟仪器 2 1 引言h 1 虚拟仪器f v i m l a li n s t r u m e n t 或简写为v 0 是虚拟现实在仪器仪表领域中的一个 重要应用，它是日益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向其它技术领域密集 渗透的过程中，与计算机技术、测试技术和仪器技术紧密结合，共同孕育和发展 的一种产物。它是充分利用计算机的软、硬件资源，借助一定的模块化功能插卡 和软件模块来完成传统电测功能的一类全新概念的智能化仪，是虚拟技术的重要 组成部分。1 9 8 6 年美国的国家仪器公司( n a t i o n a li n s t m m e n t s c o r i x 珊f i o n 简写为n d 首先提出了虚拟仪器的概念：虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和 用于数据分析、过程通讯以及图形用户界面的软件组成的测控系统。是一种由计 算机操纵的模块化仪器。其核心是以计算机作为仪器同意的硬件平台，充分利用 计算机独有的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等智能化功能，同时 把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合起来融为一体， 这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分利用了 计算机智能资源的全新仪器系统。典型的虚拟仪器系统如图2 1 所示。 图2 1 典型虚拟仪器系统 f i g2 11 c a lw m u a l i n s t r u m e n ts y s t e m 2 2 虚拟仪器的产生和现状嘲 自2 0 世纪8 0 年代来，n i 公司己研制和推出了多种总线系统的虚拟仪器，特 6 重庆大学硕士学位论文2 虚拟仪器 别是它推出的l a b v i e w 图形编程环境已享誉世界，成为这类新型仪器开发系统的 世界生产大户。在n i 公司之后，著名的美国惠普( h p ) 公司紧紧跟上，该公司推出 h p v e e 编程系统可提供数十至数百种虚拟仪器的组建和整机，用户可用它组建或 挑选自己所需的仪器。除此之外，世界上陆续有数百家公司，如t e k t r o n i x 公司、 r a c a l 公司等也相继推出了多种总线系统多达数百个品种的虚拟式仪器。 作为仪器领域中最新兴的技术，虚拟式仪器的研究、开发在国内已经过了起步 阶段。从9 0 年代中期以来，国内的重庆大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、 西安电子科技大学、成都电子科技大学、中科泛华电子科技公司等院校和高科技 公司，在研究和开发虚拟仪器产品和虚拟仪器设计平台以及引进消化n i 公司、h p 公司的产品等方面做出了一系列有益工作，取得了一批瞩目的成果。虚拟仪器的 出现和兴起，改变了传统仪器的概念、模式和结构，改变了人们的仪器观。据“世 界仪表与自动化”杂志报导，2 1 世纪初叶，虚拟仪器的生产厂家将超过千家，品 种将达到数千种，市场占有率将占到电测控仪器的5 0 0 , 6 。这一预测对整个仪器仪 表领域不啻是一次强烈的震撼。使从事电测仪器、分析仪器等技术研究与开发的 科学家和工程师们都看清了虚拟仪器对传统仪器的巨大挑战，认识到在2 l 世纪 虚拟仪器不仅将成为仪器的发展方向，而且必将逐步一一取代传统硬件化仪器， 使成千上万种传统的硬件化的电测与分析仪器都演变成计算机软件，成为一系列 软件融入到计算机中。 随着不断的发展，虚拟仪器及其测试系统已在超大规模集成电路测试、模拟电 路数字电路测试、现代家用电器测试、印刷板电路混合信号电路测试、电子元件 电力电子器件测试、汽车发动机检测、仪器仪表自动计量系统组建、电力系统监 控、通信设备测试、电气设备在线监测以及航空航天、生物医学、工厂企业产品 在线检测等的固定或可移动式现场测试工作中得到广泛应用。 2 3 虚拟仪器的总线标准及软件系统c 4 c 7 虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为基于p c 总线 式插卡型、串行、并行、g p i b 、v x i 、p x i 和d a q 总线形式的虚拟仪器。 基于p c 总线式插卡型虚拟仪器可以采用p c 所具有的各种总线( i s a 、e i s a 、 p c i 等) 技术，将数据采集卡与配套的虚拟仪器软件相结合，就形成了p c 总线式插 卡型虚拟仪器。 并行接口总线式虚拟仪器可连接到计算机并行口的测试装置。标准并口是采用 2 5 线的并行通讯总线，由于是用于计算机与打印机或绘图仪外设的连接总线，因 此，传输速率较高，传输距离较短( 最长为2 m ) 。 串口式虚拟仪器利用计算机与外设之间所采用的串行接口标准的虚拟仪器，包 7 重庆大学硕士学位论文 2 虚拟仪器 括有p u s 一2 3 2 、r s - 4 8 5 以及最新的u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 三种标准组成。前面 两种的传输速度相对低得多，而u s b 具有1 5 m b s 低速、1 2 m b s 全速和高速 4 8 0 m b s 传送方式，可以最多支持1 2 7 个设备，真正支持“即插即用”。 g p i b 技术是i e e e a 8 8 标准的虚拟仪器早期阶段所采用的技术。它的出现使电 子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展。g p i b 即通用接口总线， 是一种国际通用的可编程仪器的数字接口标准，采用8 位数据并行传输，因此其 传输速度较高，达8 m b y t e s 。典型的g p i b 系统由一台p c 机、一块g p i b 接口卡 和若干台g p l b 形式的仪器通过g p i b 电缆连接而成。总线提供的一个控制器在2 0 米的排线长度内最多可连结1 4 个仪器。如果使用者若使用g p i b 扩增器与延长器 便可以突破这两个限制，而g p i b 排线与连接器是一种多方面适用并符合工业标准 的产品，可在任何环境内使用。 v x i ( v e m b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线是一种高速计算机总线v m e 总线在领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的r f i e m i 屏蔽等特性。虚拟仪器系统提供了一个更为广阔的发展空间。由于其标准开放、 传输速率高、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块化设计、使用方便灵活， 众多仪器厂商支持等优点，已越来越受到人们的重视。在近十年时间内，随着v x i 总线规范的不断完善和发展，v x i 即插即用系统联盟的不懈努力，v x i 系统的组 建和使用越来越方便。其应用面也越来越广，尤其是在组建中大规模自动测量测 试系统，以及对速度、精度要求较高的场合，有着其他仪器系统无法比拟的优势， 是仪器发展的一个方向。 p x i 总线方式是p c i 总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的。它将 c o m p a c t p c i 规范定义的p c i 总线技术发展成适合于试验、测量与数据采集场合应 用的机械、电气和软件规范，从而形成了新的虚拟仪器体系结构。制订p x i 规范 的目的是为了将台式p c 的性能价格比优势与p c i 总线面向仪器领域的必要扩展完 美地结合起来，形成一种主流的虚拟仪器测试平台。它增加了多板同步触发总线 的技术规范和要求。同时增加了多板触发总线和参考时钟、用于进行精确定时的 星形触发总线、以及用于相邻模块间高速通讯的局部总线来满足试验和测量用户 的要求。 在整个虚拟仪器系统中，软件是核心。系统通过测试应用软件完成对a d ，d a 的驱动、过程通讯、数据分析、控制算法和界面设计等功能。当测试要求改变时， 只要增加或更改仪器软、硬件模块，就可以构成新的虚拟测试仪器，而不必重新 购买整台仪器，这样充分利用了计算机的硬件和软件资源，使本来需要硬件实现 的电路软件化( 虚拟化) ，不仅降低仪器成本，而且增强了系统的功能和灵活性。虚 拟仪器的软件结构是采用层次化的结构，其优点是通用性、可维护性及可扩充性 重庆大学硕士学位论文 2 虚拟仪器 较好。从底层到顶层可划分为：输入偷出接口软件设计、仪器驱动程序设计、仪 器功能的设计。 输入输出接口软件存在于仪器和仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器内部 寄存器单元进行直接存取数据操作，对仪器总线和器件做测试和控制、并为仪器 驱动程序提供信息传递的底层软件层，是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基 础和核心。 仪器驱动程序的实质是为用户提供用于仪器操作的较抽象的操作函数集，是完 成对某一特定仪器控制与通信的软件程序集。对于应用程序来说，它对仪器的操 作是通过仪器驱动程序来实现的 应用程序软件是建立在驱动程序之上的，直接面对操作用户。主要是实现三个 功能：( 1 ) 为用户提供各类实验的用户界面( 虚拟仪器) ，具备数据显示、人机交互、 数据分析和处理、存储打印、通信等功能。( 2 ) 实现功能的调用：( 3 ) 负责系统测试 流程管理。 2 4 虚拟仪器的形成及特点h 卜c 6 3 典型的虚拟仪器系统的基本组成为：被测对象、传感器、信号调理、数据采集 卡、虚拟仪器软件和计算机系统平台。被测信号首先经传感器转化为电信号，然 后由信号调理器进行去噪、滤波及前级放大等各种预处理，经过预处理后的信号 由数据采集卡进行a d 转换，成为计算机系统能够直接处理的数字信号，随后由 计算机系统内置的虚拟仪器软件完成分析、显示、存储及打印等工作。图2 2 为虚 拟仪器的系统结构框图。 图2 2 虚拟仪器系统结构框图 f i 9 2 2s t n v 2 t l ed i a g r a mo f v m u a li n s m a m t 9 重庆大学硕士学位论文2 虚拟仪器 如果将p c 机作为一套带有智能化功能的仪器通用的机箱和底盘。将硬件化 仪器中的电子卡组成的硬功能库( 包括性能和精度指标) 和面板控件组成的硬控 件库实行软件化，从而形成“软功能库”和“软控件库”，然后将它们送入计算机， 在计算机内的一个称为“框架协议”的专家系统内进行软装配、软连接、软组合、 软修改、软增删等一系列软性操作，最后便形成一台从外观到功能、性能、精度 到操作方法都与同类硬件仪器完全一样的虚拟仪器，此时若在计算机的总线槽内 插入一块相应的模块卡，并在测试对象与模块卡之间接入传感器，这样虚拟仪器 便可和外界的被测对象进行数据交换，从而实现其测试与分析任务了。图2 3 表 示一台软硬件完整，可供使用的虚拟仪器系统。 图2 3 虚拟仪器 f i g2 3a s e to f v m u a li n s t r u m e n t 现代化生产要求电子仪器品种多、功能强、精度高、自动化程度高，而且要求 测试速度快、实时性好、具有良好的人机交互界面。虚拟仪器的发展代表着测试 测量仪器技术发展的主流，而虚拟仪器以其鲜明的特点得到了越来越广泛的应用。 相对于硬件化仪器来说，虚拟仪器具有如下鲜明特点： 基于计算机总线接口技术和网络技术，系统具有方便灵活的互联能力， 广泛支持诸如c a n 、f i e l d b u s 、r o f i b u s 等各种工业总线标准。因此，利用 技术可方便地构建自动测试系统( a t s ，a u t o m a t i c1 c s ts y s t e m ) ，实现测量、控制 过程的网络化。 利用了计算机具有强大的数据和图形处理能力，大容量的存储功能。突破 了传统仪器在数据处理、显示和存储等方面的限制。不但实现了部分仪器硬件的 软件化，节省了物质资源，增加了系统灵活性。而且通过软件技术和相应数值算 法，实时、直接的对测试数据进行各种分析和处理。并且通过图形用户界面g u i 技术，真正的做到具有界面友好风格的人机交互。 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 虚拟仪器 基于计算机开放式标准体系结构。虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模 块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可根据自己的需要，选用不同厂 家的产品，使仪器系统的开发更为灵活、效率更高，缩短了系统组建时间。 虚拟仪器的核心是软件，因此成本较低，系统价格低廉。 与传统仪器相比虚拟仪器有许多优势，如表2 1 虚拟仪器与传统仪器的比较所 示。 表2 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 传统仪器虚拟仪器 与其他仪器设备的连接十分有限可方便地与网络外设，应用等连接 功能由仪器厂商定义功能由用户自己定义 图形界面小。人工读数，信息量小图形界面，计算机读数，分析处理 数据无法编辑数据可存储、打印 硬件是关键部分软件是关键部分 价格昂贵 价格低廉 系统封闭，功能固定，扩展性低模块化设计，可扩展，灵活性高 开发和维护费用高基于软件模块设计，维护费用低 技术更新慢技术更新快 多为实验室所拥有个人可拥有一个实验室 2 5 虚拟仪器的开发环境盯， 目前，成熟的虚拟仪器系统软件开发环境分为两类：一类是通用可视化编程环 境，如v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 、d e l p h i 和c + + b u i l d e r 等。另一类是专业的虚拟 仪器开发环境，如图形化编程环境l a b v i e w ，h pv e e ，以及文本编程环境 k l b 咖o w s c v i 等。 采用通用可视化环境进行虚拟仪器开发具有较高的自由度，可以定义出性能独 特的虚拟仪器，但是开发周期往往比较长，开发难度比较大，对开发人员的要求 也较高。而专业的开发环境向开发者提供了面向仪器的图形化开发界面以及大量 的仪器驱动程序，编程简单、直观、开发效率高，对开发者的要求较低，其图形 化的编程方式使开发者可以在不了解某一种具体的开发语言的情况下就能开发出 一些简单的虚拟仪器。 l a b v i e w 是美国国家仪器公司开发的新软件产品，它提供了目前应用最广、 功能最强的虚拟仪器开发环境。l a b v i e w 是一种用图标代码来创建应用程序的开 重庆大学硕士学位论文 2 虚拟仪器 发工具，被称为图形化的编程语言( g 语言) 。l a b v i e w 使用数据流编程方式来描 述程序的执行，其编程过程就是将多个目标用数据流连接起来，使数据流按要求 控制执行次序。采用l a b v i e w 设计虚拟仪器具有以下突出优点：( 1 ) 应用程序开发 简便、容易。( 2 ) 编程效率和程序运行速度大为提高。( 3 ) 强大的设备驱动能力。( 4 ) 良好的开放性。( 5 ) 强大的i n t e m e t 功能 a g i l e n tv e f 狮s u a le n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t ) 是适用于仪表优化控制的图形语 言。用户只需要将组成试验系统的仪表和操作、运算过程等对象从相应的菜单中 挑选出来，然后使用鼠标将代表对象的图标按照流程连接起来，就可以产生程序， 不必使用键盘，而且程序也只是一张数据流程图，比传统的代码方式更便于使用 和理解。v e e 除了具有以上优点外，还具有以下特点：( 1 ) 具有更加灵活的输入， 输出策略。( 2 ) 提供多种适合仪器使用的数据类型。( 3 ) 提供数学分析能力。( 4 ) 方便 的显示方式。( 5 ) 易于生成报告。( 6 ) 与其它语言混合编程 v m i d s 是重庆大学研制的虚拟仪器开发系统，这是一种零编程框架协议开发 系统。它包含了一个测控仪器功能库和一个控件库，在框架协议中功能和控件进 行软设计、软连接、软调试形成智能虚拟控件成品，用户在仪器拼搭场中，调用 智能虚拟控件进行组装自己所需要的虚拟仪器而不需要编程。v m i d s 开发系统主 要是面向非专家类的使用者，相对于l 矗b v m w 而言，降低了对用户的要求。它力 图在系统自身内部做好大量的专业性工作，留给用户的只是进行一些简单的选择， 以及其它的一些相当轻松的任务。 框架协议集成开发系统是一个生产智能控件化虚拟仪器的软性工厂，它具有软 性设计、装配、调试、修改和咨询等功能，是智能控件化虚拟仪器成为现实的关 键设备。图2 4 表示了框架协议集成开发系统的结构原理图。 功能软件模块库 将一批测试计量仪器( 如多线记忆示波器、函数信号发生器、相位计、测温仪、 流量计、扭矩仪、转速仪、f f t 分析仪等数十上百种电量、非电量测量仪及静态、 动态测试测量仪) 的功能、技术参数和精度指标以软件模式的形式有序地、保真 地存放在一起形成的一个功能软件库。 控件软件模块库 存放着一大批以软件形成的形象逼真的仪器、仪表控制零件和元件，例如量程 开关、波段选择开关、按钮、旋钮、信号灯等，供智能虚拟控件设计时调用。 框架协议 功能模块库和控件库是构成智能虚拟控件的基本构件。“框架协议”则像一个 设计所和实验室，它为控件产品提供技术咨询。利用框架协议中的“功能赋予” 和“测试融合”功能，调用功能模块库中的功能模块和控件库中的控件，按照仪 1 2 重庆大学硕士学位论文2 虚拟仪器 器成品技术设计的要求和各种控制关系对产品进行软装配、软连接、软调试，直 至形成智能虚拟控件的成品并送至可复用控件成品库。 仪器拼搭场 在框架协议中产生的智能虚拟控件成品，全部存放于可复用控件成品库中，用 户可根据需要通过仪器拼搭场进行仪器拼搭。用户将智能虚拟控件按自己的要求 在拼搭场中进行积木式的组装，不需编程，只须通过简单设置控件的静、动态属 性就可以完成仪器的拼搭并立即可实现在线测试应用。零编程拼搭的机理是依据 数据流结构体系确定零编程拼搭的目标函数，根据目标值、设计权值和功能要求 构成优化准则，根据控件的内容和偶合来设计隐式语法。 图2 4 框架协议集成开发系统的结构原理 f i g2 4s t r u c t u r ep r i n c i p l eo f f r a m ea g r e e m e n ti n t e g r a t e dd e v e l o p i n gs y s t e m 框架协议集成开发系统既具开放性又具可逆性系统 由于开发系统中的框架协议功能，使除去可以利用功能模块库和控件库中已有 的功能模块和控件进行设计、装配、调试从而形成控件成品进入可复用控件成品 库外，还可直接面向用户，根据用户的要求，为设计构造新的仪器提供咨询和相 应的信息。框架协议这一功能，使得按文本构造出的智能控件化虚拟仪器是一个 既具开放性又具可逆性的测试仪器系统。开放性是指任何时候仪器系统的功能和 成品可随意增减、删除、修改。可逆性是指仪器的成品既可按已有的功能模块加 上已有的控件形成，又可面向用户按用户要求增加的新的功能模块加上新的控件 重庆大学硕士学位论文 2 虚拟仪器 形成。 2 6 本章小结 本章对虚拟仪器进行了简要介绍，从虚拟仪器的概念、产生和现状，到虚拟仪 器的总线标准，以及虚拟仪器的形成过程，与传统仪器相比较虚拟仪器所具有的 特点等等。并且对当前比较流行的虚拟仪器开发环境l a b v i e w 、v e e 和v m i d s 进行了比较分析。着重介绍了由重庆大学测试中心自主研发的v m i d s 系统的框架 协议集成开发系统，以及v m i d s 独具的智能控件化虚拟仪器的形成过程 1 4 重庆大学硕士学位论文 3 齿轮箱故障诊断原理 3 齿轮箱故障诊断原理 如前章所述，齿轮箱的故障诊断具有非常重要的实用价值，因此对齿轮箱常见 的典型故障的产生机理进行详细分析，则对我们下一步要进行齿轮箱的故障诊断 打下坚实的理论基础。本章首先介绍了齿轮箱的结构，然后从分析齿轮箱振动机 理上入手，介绍了齿轮箱中较为典型的故障的产生机理。 3 1 引言n 博1 齿轮箱作为各类机械的变速传动部件，被各种机械设备广泛采用，如各种加工 机床、风机、各类汽车等等。齿轮箱可以在机械设备运行过程中在输入转速和输 出转速之间产生不同的变速比，通过切换不同的齿轮相互啮合可以使得机械设备 能够输出不同的转速。图3 1 为某汽车齿轮箱的平面剖面图。齿轮箱主要由箱体、 齿轮、轴、轴承几部分组成。而在齿轮箱中，上述三部分也是最常出现故障的部 件，而实际上我们对齿轮箱的故障诊断也主要是集中在齿轮、轴和轴承上。 图3 1 某汽车齿轮箱平面剖面图 f i 9 3 1s e c t i o np l a no f a a u t o m o b i l eg e a r b o x 3 1 1 齿轮 一般情况下两个齿轮组成一个齿轮传动副，它可以传递空间任意两轴间的转 动。一个齿轮传动副可以将转动变为直线运动或反之，可以实现