振动检测仪器的开发.doc

摘要振动是工程机械的固有特性之一，是机械运行状态和故障检测的重要参数。针对机床主轴的低频旋转，研究了一个方便，快捷，智能化的机械智能振动检测仪器。该文章简单的描述了该检测仪器的测量方法，硬件电路的连接方法，以及软件设计的开发方法，其最大的特点为以电子振动检测为主，温度检测为辅的自动化检测。可为在线监测设备的故障诊断提供有力而可靠的数据支持，同时能准确的给出测量的结果。该设备的特点是成本低，电路简单，性能优异。关键词：振动检测 故障判断 监测 机床主轴 目录1.前言. 31.1研究课题的背景.31.2研究课题的意义和目的.32.研究对象的大概论述.42.1 主轴的振动类型及检测方法.42.2 振动信号形式的描述 . .62.3 振动的分类 .73. 技术路线电测法的应用.93.1 电测发的简介.93.2 常用的电测法的种类.93.3 电测发的优缺点和应用.114.振动检测仪电路设计.114.1单片机系统模块.124.2 传感器模块.124.3 其他模块.135.软件设计.135.1 监控程序.135.2 数据采集程序.135.3 数据处理程序.145.4 上位机通讯程序.145.5 微型打印机端口程序.146.结束语.16参考文献.17机床主轴的振动及其检测仪器的开发 15第一章 前言1.1研究课题的背景2006年，国务院发布的国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）中提到：“制造业是国民经济的主要支柱。我国是世界制造大国，但还不是制造强国。”随着世界产业向发展中国家转移，我国正日益成为制造业产业基地，国际经济界普遍认为，中国将成为世界工厂。现代信息技术、新材料的发展，特别是微型计算机的普及应用，推动现代机械制造技术发生了深刻的发展，概括起来主要表现在两个方面，一是向着以提高产品加工的生产效率为主的高度自动化方向发展，另一个是向着以提高产品质量为主的精密化方向发展。机床工业是机械制造业的重要组成部分，体现了一个国家制造业的发展水平，也是机械工业发展和振兴的重点领域。目前，我国机床工业发展非常迅猛，已取得了很大的成绩，但还有很多的薄弱环节。在技术方面，机床行业许多关键性技术（如刚性、热变形、振动、噪音、精度补偿等）没有从根本上解决；发展机床所需的基础技术和应用技术科研工作薄弱。很多关键零部件和关键技术都是从国外进口大量的引入。我国机床检测技术落后的现状给行业发展造成了很大的阻碍，这个问题必须尽快给予解决。超高的进口率的关键零部件和技术会给产业的发展带来极大的风险。事实上，发达国家一直对我国进行技术封锁，合资企业往往只是成为他们的终端加工基地。核心的技术是无法买来的，只有靠自己开发、研究才能真正的解决问题。主轴的振动受到制造，结构，安装及机床的整体装配等很多因素的影响。不同的故障在振动信号下会以不同的形式体现出来。1.2研究课题的意义和目的主轴组件是机床中的一个关键组件，它的功能是支承并带动工件或刀具完成表面成形运动，同时还起着传递运动和扭矩、承受切削力和驱动力等载荷的作用。在主轴的动态参数中，振动是最重要的问题之一。引起主轴振动的因素很多，包括：主轴本身结构、装配质量、轴承精度和刀具系统、润滑系统等问题。主轴的振动信号包含了丰富的运行状态信息，是一个动态状态信息库。检测主轴的振动可以了解主轴的动态运行情况，对其运行状态做出综合分析评估，诊断其结构、装配、轴承、润滑等问题，为评价主轴综合性能进而改证其缺陷提供技术支持。当前国内的机床行业对于主轴参数的检测大多只限于静态参数测定，检测的方法也比较原始，缺乏对主轴以及机床整体性能的评估，远远落后于国外以及我国台湾地区同行业的技术水平，已经成为制约我国机床主轴行业发展的瓶颈之一。提及机械振动则不得不提到机械故障监测。机械故障检测根据其技术手段，形成了以振动检测，油样分析，温度检测，和无损检测探伤为主，其他技术为辅的局面。而主轴组件是机床的一个关键组件，在主轴的动态参数中，振动是极其关键的一个问题，包含了丰富的状态运行信息，是一个动态状态信息库。检测主轴的振动可以了解主轴的动态运行情况，对其进行综合分析评估和诊断。而目前国内各行业方面远远落后于国外同行业的技术水平。随着单片机的飞速发展和广泛应用，1以及新型振动传感器的不断开发和研制，使传感器向小型化，功能化和多样化发展。本文简单综述了以一种振动检测为主，温度检测为辅的体积小，重量轻，灵敏度高等特点的多功能温度及振动检测仪器的设计方案。第二章 研究对象的大概论述2.1主轴的振动类型及检测方法主轴组件的主要功能是支承并带动工件或刀具，完成表面成型运动，同时还起到传递运动和扭矩、承受切削力和驱动力等载荷的作用，其工作情况对整机性能、加工质量都有较大的影响。主轴在运转过程中因其设计、制造、装配等缺陷以及其它因素影响会产生振动。主轴的振动影响加工表面的质量，限制机床的生产率；影响组件的温升、变形等参数；对刀具耐用性和机床零件的寿命造成不良后果，造成噪声污染等。在机床向高精度、高生产率的方向发展，对其抗振性能的要求越来越高。主轴 2属于高速回转运动的零件，在其制造装配过程中都会产生一些缺陷，并且在运转过程中，其温度刚度的变化，都会引起主轴振动信号的改变，如能适时的检测出来，会给设计人员及使用人员带来许多有用的参考和及时有效的可用数据。主轴的振动信号是一个动态状态的信息库，它可以反映出组件的设计、制造、装配等问题，结合其它参数研究主轴的振动信号，可以了解主轴的动态运行情况，进而对其运行状态做出综合分析评估，诊断出其结构、装配、轴承、润滑等问题。本文以某型号的铣削加工中心主轴组件以对象进行研究。其结构见图。组件采用三支承方式固定主轴，前端为一对角接触球轴承，中间采用与一个前端同型号的轴承，后端采用一对角接触球轴承；前后两个轴承组为丰要支承，中问轴承为辅助支承。主轴的动力山同步带轮传入。在主轴内部安装有刀具夹紧装置及松刀装置。主轴的转速通常为6000r/min或者8000r/min。（图2.1 主轴组件结构图）另外，因制造原因而造成的主轴弯曲、裂纹等缺陷也会影响主轴组件的性能，主轴的振动受制造精度、结构特点、轴承间隙及机床整体装配等很多因素影响，受条件及水平所限，本文仅就主轴组件本身的结构、制造精度、安装等方面产生的主轴振动来探讨。2.1.1制造环节因素影响在主轴组件各零件在制造过程中，因材质、工艺技术等问题影响会有一些缺陷，这些缺陷可在振动信号中体现出来。质量不均匀造成的动、静不平衡是主轴零件的主要制造缺陷之一。相对于静不平衡来说，动不平衡现象更加普遍，也更难预防。主轴生产厂家一般在主轴的出厂之前都要做其动平衡的检测和调整，以使其符合出厂要求。轴承、连接件等在制造时的缺陷也会造成振动，影响其运转性能。2.1.2装配环节因素影响主轴组件中各零件在组装时，因配合、安装调整等原因也会对其性能造成影响。如轴承安装不良会造成轴中心线偏离其回转中心，同步带轮安装不良会使主轴的动力输入偏离回转中心，这两者都会造成回转精度较差，也就是俗称的“不对中”故障。安装时零件间隙过大会造成零件松动，间隙过小又会增加主轴运动的阻力、加剧其摩擦、造成发热等。2.1.3温度及其它因素的影响主轴运转时，因轴承等零件的摩擦时会产生一定的热量，使得其温度升高，主轴及其它组件的性能也会发生相应的变化。如：随着温度的升高，金属轴转子的轴向和径向尺寸都有所增加，造成零件间配合性质发生变化，并产生摩擦热弯曲等现象；温升也会使刚度有所变化，造成振动模态改变。此外，在主轴的转速达到一定的限值（阀速）时，轴会产生自激振动，即失稳现象。这种现象与轴承、系统的固有频率、摩擦等都有关系。由于旋转机械的结构及零部件设计加工、安装调试、维护检修等方面的原因和运行操作方面的失误，使得机器在运行过程中会引起振动，其振动类型可分为径向振动、轴向振动和扭转振动三类3，其中过大的径向振动往往是造成机器损坏的主要原因，也是状态监测的主要参数和进行故障诊断的主要依据。旋转机械常见的缺陷有：轴（转子）不平衡、轴（转子）回转精度不良（不对中），轴承的油膜振荡，转轴的初始弯曲、热弯曲、摩擦热弯曲，半速涡动，共振，部件松动，转轴结构缺陷等。这些故障在机械运转中将产生各种振动信号，而某一振动信号可以反映各种故障，从而为旋转机械的振动检测与故障诊断提供了依据。主轴组件在运转时，有很多信息会以振动波形，温度状况等表现出来，研究这些信息可以认识起运行特征。利用一系列的传感器，接受其动态信息，然后将其转换为点信号。甚至为了更直观，有时我们会将其绘制为振动信号图。2.2振动信号形式的描述机械振动是指物体或质点在其平衡位置附近所作的往复运动。振动的强弱用振动量来衡量，振动量可以是振动体的位移、速度或加速度。振动量如果超过允许范围，机械设备将产生较大的动载荷和噪声，从而影响其工作性能和使用寿命，严重时会导致零、部件的早期失效。例如，透平叶片因振动而产生断裂，可以引起严重事故。由于现代机械结构日益复杂，运动速度日益提高，振动的危害更为突出。反之，利用振动原理工作的机械设备，则应能产生预期的振动。在机械工程领域中，除固体振动外还有流体振动，以及固体和流体耦合的振动。机械振动有不同的分类方法。按产生振动的原因可分为自由振动、受迫振动和自激振动；按振动的规律可分为简谐振动、非谐周期振动和随机振动;按振动系统结构参数的特性可分为线性振动和非线性振动；按振动位移的特征可分为扭转振动和直线振动。振动测试的目的，归纳起来主要有以下几个方面：(1) 检查机器运转时的振动特性，以检验产品质量；(2) 测定机械系统的动态响应特性，以便确定机器设备承受振动和冲击的能力，并为产品的改进设计提供依据；(3) 分析振动产生的原因，寻找振源，以便有效地采取减振和隔振措施；(4) 对运动中的机器进行故障监控4，以避免重大事故。一般来讲，振动研究就是对“机械系统”、“激励”和“响应”三者已知其中两个，再求另一个的问题。振动研究可分为以下三类：(1) 振动分析，即已知激励条件和系统的振动特性，欲求系统的响应；(2) 系统识别，即已知系统的激励条件和系统的响应，要确定系统的特性，这是系统动态响应特性测试问题；(3) 环境预测，即已知系统的振动特性和系统的响应，欲确定系统的激励状态，这是寻求振源的问题。振动的强弱用振动量来衡量，振动量可以是振动体的位移、速度或加速度。 为了说明振动的特点，6采用了多种描述方式：2.2.1时域描述 有两种表达方式，即振动波形和轴心运动轨迹。时域描述可直观的了解振动随时间地变化情况，以及转轴在轴承中的径向运动情况，粗略地估量振动平稳与否及对称程度。22.2频域描述将振动幅值、楣馕、能量情况按频率排列，有利于分析故障原因。2.2.3幅域描述现场主要采用峰值、峰-峰值、有效值等概念来反映振动幅值的大小，其中又有位移、速度、加速度等不同振动量之分。位移峰-峰值主要用来考核设备间隙的安全性；速度有效值用以反映振动能量的大小或破坏能力，是判断振动状态的主要指标；加速度峰值则和冲击相关联。还可以将它们进行组合后综合分析。2.2.4振型即按轴向位置将同一方位的同频振幅相连获得的振型曲线，用以估算转子与固定部件之间的内部间隙并估算转轴的“节点位置2.2.5瀑布圈将频谱按采集时间的顺序排列丽成（如按转速、温度、时间变化过程排列则强级联图），用以观测不同转速、温度以及随时间变化的振动成分的变化情况。2.2.6极坐标图（奈奎斯特图）及波德图振幅相位随转速变化过程以极坐标表示即极坐标图，以直角坐标表示即波德图。其作用和瀑布图类似，主要用以确认共振频率。2.2.7全息谱图即将在空间相距90。的两个同频率振动合成的轨迹按频率顺序排列得到的图形，用以全面了解设备振动情况，对故障诊断起到很好的作用。振动数据的检测，从某种意义上来说就是振动数据的采集，而振动图像的绘制，使数据规律的结合，并且直观的表达出振动形式的特性。从而便于振动故障的检测和研究。2.3振动的分类振动故障诊断，在某种意义上说就是振动模式的识别。因此，对振动进行恰当的分类，固进行故障诊断是很重要的一个步骤。振动可以从不同的应用角度进行分类，每种分类法只能从某个侧面突出振动的特征。因此，在实际工作中常常需要揪据诊断的要求应用不同的分类方法。2.3.1根据信号的频率范围分类 设备的故障常集中在几个频段之内，根据故障频率的高低，可以粗略的估计故障的部位。其结果如表2.1所示。 表2.1 按频率大小的分类振动类型振动范围振动实例低频振动工频5倍以下转子故障如不平衡，不对中，轴弯曲，松动，油膜振荡中频振动1KHZ左右齿轮振动高频振动1KHz滚动轴承损伤2.3.2根据信号特点分类这是故障诊断技术中应用最多的一种分类方法。根据振动信号的数学特征，振动可分为确定性振动和随机振动两大类。前者可以用确定的函数进行精确描述后者是随机的，每次测定的结果都不会一样，它的特征只能用概率统计的方法来进行描述。这两类振动还可做更细的分类，归纳如下如图2.3.2。（图2.3.2确定性和随机振动分类图）2.3.3按动力学分类从动力学角度，机械振动还可以分为自国振动、受迫振动、自激振动、参变振动等四种类型。2.3.4根据振动系统的特性分类按振动系统的特点，振动还可以分为线性振动和非线性振动两大类。第三章 技术路线电测法的应用3.1 电测发的简介电测法6是通过传感器把测量的振动参数转换为各种电参数（如电流，电压，阻抗和频率等），根据需要将电参数经过滤波，积分，微分，放大等信号的转换处理过程得到不失真的幅度合适的电信号，可以直接驱动模拟指示记录仪进行记录和分析，也可以经过AD转换变为数字信号，送入单片机进行实时，全面，多功能的智能处理，提供更加科学的分析结果。3.2常用的电测法的种类机械振动的检测方法按振动信号的方式可以分为电测法、机械法和光学法。在机械工程测试基础中，普遍采用电测法（文献1），而电测法主要又可以分为电感式位移传感器和磁电式速度传感器，其均属于接触式传感器。磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。磁电式传感器有时也称作电动式或感应式传感器， 它只适合进行动态测量。由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单；零位及性能稳定；工作频带一般为101000Hz。 磁电式传感器具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力(矩)发生器和电磁激振器等。根据电磁感应定律，当W匝线圈在均恒磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为，则线圈内的感应电势e与磁通变化率d/dt有如下关系：根据这一原理，可以设计成变磁通式和恒磁通式两种结构型式，构成测量线速度或角速度的磁电式传感器。下图所示为分别用于旋转角速度及振动速度测量的变磁通式结构。变磁通式结构 (a)旋转型（变磁）； (b)平移型（变气隙） 结构图如图2其中永久磁铁1(俗称“磁钢”)与线圈4均固定，动铁心3(衔铁)的运动使气隙5和磁路磁阻变化，引起磁通变化而在线圈中产生感应电势，因此又称变磁阻式结构。在恒磁通式结构中，工作气隙中的磁通恒定，感应电势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动线圈切割磁力线而产生。这类结构有两种，如下图所示。恒磁通式结构 (a)动圈式；(b)动铁式 图中的磁路系统由圆柱形永久磁铁和极掌、圆筒形磁轭及空气隙组成。气隙中的磁场均匀分布，测量线圈绕在筒形骨架上，经膜片弹簧悬挂于气隙磁场中。（图2恒磁通式传感器结构图）当线圈与磁铁间有相对运动时，线圈中产生的感应电势e为 e=B*l*v式中 B气隙磁通密度(T)；l气隙磁场中有效匝数为W的线圈总长度(m)为l=la*W(la为每匝线圈的平均长度)v线圈与磁铁沿轴线方向的相对运动速度(ms-1)。当传感器的结构确定后，式(5-2)中B、la、W都为常数，感应电势e仅与相对速度v有关。传感器的灵敏度为为提高灵敏度，应选用具有磁能积较大的永久磁铁和尽量小的气隙长度，以提高气隙磁通密度B；增加la和W也能提高灵敏度，但它们受到体积和重量、内电阻及工作频率等因素的限制。为了保证传感器输出的线性度，要保证线圈始终在均匀磁场内运动。设计者的任务是选择合理的结构形式、材料和结构尺寸，以满足传感器基本性能要求。而电感式传感器 （inductance type transducer ）电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。电感传感器分类：（1）变磁阻式传感器自感式（2）差动变压器式传感器互感式（3）电涡流式传感器电涡流式而电测法的原理图如图3.2所示。指示记录仪信号转换传感器A/D转换远程智能控制单片机数据分析数据显示（图3.2 电测法的原理图）3.3电测发的优缺点和应用这种测量方法的主要优点是：使用不同类型的传感器，可以分别测量振动的振幅、速度和加速度，可进行连续的多点测量和记录，可以进行远距离的测量和控制，有非常高的灵敏度和足够的准确性。不仅适用于稳态测量，还可以进行瞬态测量；有非常宽的测量范围；根据电测法设计的振动测量仪器体积小、功能多、便于携带，适合生产中应用心。第四章 振动检测仪电路设计 整体电路原理方框图如图（4）（转下页）所示，由振动传感器6、温度传感器、多路A/D转换电路、单片机系统、显示电路、通讯电路、微型打印机电路和电源电路等部分组成。 振动传感器A/D转换器振动传感器单片机微型打印端口振动传感器显示驱动温度传感器串口通讯温度传感器电源管理温度传感器图4 振动检测仪原理方框图 工作过程如下：机械设备H 3的振动信号由振动传感器采样，经由啊A/D转换芯片转换成数字信号，与此同时，机械设备的温度信号由温度传感器采样，经由A/D转换芯片转换成数字信号后，都送入单片机处理，最终由显示电路把振动的振幅值和温度值显示出来。并且可以实时存储、打印以及送上位机作进一步的处理。4.1单片机系统模块单片机选用 COMS 工艺的AT89C52。它是一种低功耗，高性能8位单片机。该器件与工业上标准的MCS-51指令系统及8052引脚兼容，片内FLASH程序存储器允许在系统内改写程序或使用常规非易失性存储器编程器编程。AT89C52还具有以下功能特性：8K字节可擦写103次的FLASH内部程序存储器，256字节内部RAM，32线可编程I/O线，3个16位定时器计数器，8个中断源，一个全双工串行口。此外，全静态操作0Hz一24MHz支持软件选择的两种节电运行方式：低功耗空闲和掉电方式。空闲方式使CPU停止工作，而允许RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统继续工作。掉电方式下，片内振荡器停止工作，由于时钟被冻结，一切功能都停止，只有片内RAM的内容被保存，直到硬件复位恢复正常工作。单片机(文献)上电复位经系统初始化后进入运行状态，再经SP1（串行时顺序接口）不断的从振动传感器和温度传感器读取数据、处理数据、存人数据缓冲区，数据送显示器显示，最后数据经串口送上位机以及实时存储打印。84.2传感器模块振动传感器采用PS型B/D系列位移振动传感器，它是一种集传感器和变送器为一体的新型产品，由速度传感器、放大器及电流变送器组成，特别适用于工业现场的长期监测振动速度（即烈度）或位移使用，量程0100um，振幅非线性5%，频率响应101000HZ，最大横向灵敏度10%；其特点：集传感器和变送器为一体，便于现场安装；敏感元件为速度传感器；直接输出420mA信号，方便A/D转换器采集。温度传感器采用半导体集成温度传感器AD590，它是一种二端式恒流源形式的温度传感器，只需在其二端加上一定的工作电压则其输出端的电流会随温度而变化，其线性度为1uA/K，即温度每变化1。C，其输出电流变化1uA，已知系统在25。C时输出电流为298.2uAAD590在出厂时经过激光平衡调整，校准精度可达0.5，在全温区范围内（-55145）精度可达1。由于AD590是一种电流型的温度传感器，因此具有较强的抗干扰能力，适用于计算机进行远距离温度测量和控制。远距离信号传递时可采用一般的双绞线来完成。另外，因其输出电阻比较大，所以不需要精密电源对其供电，长导线上的压降一般也不会影响测量精度。在测量电路中，不需要温度补偿和昂贵的专用线性电路，只需传感器测试其不同部位，达到了整体的监测效果，其监测数据更加全面、客观和准确。由于振动传感器和温度传感器输出模拟信号，需用到多路啊A/D转换把模拟信号转化为数据信号送单片机进行处理。4.3其他模块AD转换器选用TLC2543。显示电路选用MAX7219。电源模块提供仪器的电源支持，包括+5V数字电路工作电源，振动传感器的工作电源+24V等，采用滤波、稳压等措施完成设计。通讯模块使用MAX公司的MAX232电平转换芯片，将TTL电平转换为RS232电平，为与上位机进行串口通讯提供硬件支持。微型打印机端口模块提供微型打印机连接端口，可以程控实时打印数据，方便用户对检测数据进行拷贝。第五章 软件设计软件部分采用模块化程序设计方法，整个程序由监控程序（系统初始化、显示芯片初始化等）、数据采集、数据处理（滤波、取平均值等运算）、数据显示和数据通讯以及微型打印机端口模块程序构成。系统的主流程图如图5（见下页）所示。5.1监控程序实现系统管理（包括系统状态变量初始化、数据采集通道初始化、显示芯片初始化等），对显示器、仪器面板上的各种工作指示灯进行管理，并对可能发生的各种电路干扰及系统故障进行及时处理。5.2数据采集程序完成仪器的数据采集控制。依采样方式的不同，分别由内部定时器或外部信号产生硬中断，向发出采样