振動(dòng)檢測(cè)儀器的開(kāi)發(fā)

1、摘要振動(dòng)是工程機(jī)械的固有特性之一，是機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)和故障檢測(cè)的重要參數(shù)。針對(duì)機(jī)床主軸的低頻旋轉(zhuǎn)，研究了一個(gè)方便，快捷，智能化的機(jī)械智能振動(dòng)檢測(cè)儀器。該文章簡(jiǎn)單的描述了該檢測(cè)儀器的測(cè)量方法，硬件電路的連接方法，以及軟件設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)方法，其最大的特點(diǎn)為以電子振動(dòng)檢測(cè)為主，溫度檢測(cè)為輔的自動(dòng)化檢測(cè)?？蔀樵诰€監(jiān)測(cè)設(shè)備的故障診斷提供有力而可靠的數(shù)據(jù)支持，同時(shí)能準(zhǔn)確的給出測(cè)量的結(jié)果。該設(shè)備的特點(diǎn)是成本低，電路簡(jiǎn)單，性能優(yōu)異。關(guān)鍵詞：振動(dòng)檢測(cè) 故障判斷 監(jiān)測(cè) 機(jī)床主軸 目錄1.前言. 31.1研究課題的背景.31.2研究課題的意義和目的.32.研究對(duì)象的大概論述.42.1 .42.2 . .62.3 振動(dòng)的分類

2、 .73. 技術(shù)路線電測(cè)法的應(yīng)用.93.1 電測(cè)發(fā)的簡(jiǎn)介.93.2 常用的電測(cè)法的種類.9.11振動(dòng)檢測(cè)儀電路設(shè)計(jì).114.1單片機(jī)系統(tǒng)模塊.124.2 傳感器模塊.124.3 其他模塊.135.軟件設(shè)計(jì).135.1 監(jiān)控程序.135.2 數(shù)據(jù)采集程序.135.3 數(shù)據(jù)處理程序.145.4 上位機(jī)通訊程序.145.5 微型打印機(jī)端口程序.146.結(jié)束語(yǔ).16參考文獻(xiàn).17第一章 前言1.1研究課題的背景主軸的振動(dòng)受到制造，結(jié)構(gòu)，安裝及機(jī)床的整體裝配等很多因素的影響。不同的故障在振動(dòng)信號(hào)下會(huì)以不同的形式體現(xiàn)出來(lái)。1.2研究課題的意義和目的提及機(jī)械振動(dòng)則不得不提到機(jī)械故障監(jiān)測(cè)。機(jī)械故障檢測(cè)根據(jù)其技

3、術(shù)手段，形成了以振動(dòng)檢測(cè)，油樣分析，溫度檢測(cè)，和無(wú)損檢測(cè)探傷為主，其他技術(shù)為輔的局面。而主軸組件是機(jī)床的一個(gè)關(guān)鍵組件，在主軸的動(dòng)態(tài)參數(shù)中，振動(dòng)是極其關(guān)鍵的一個(gè)問(wèn)題，包含了豐富的狀態(tài)運(yùn)行信息，是一個(gè)動(dòng)態(tài)狀態(tài)信息庫(kù)。檢測(cè)主軸的振動(dòng)可以了解主軸的動(dòng)態(tài)運(yùn)行情況，對(duì)其進(jìn)行綜合分析評(píng)估和診斷。而目前國(guó)內(nèi)各行業(yè)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外同行業(yè)的技術(shù)水平。隨著單片機(jī)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，1以及新型振動(dòng)傳感器的不斷開(kāi)發(fā)和研制，使傳感器向小型化，功能化和多樣化發(fā)展。本文簡(jiǎn)單綜述了以一種振動(dòng)檢測(cè)為主，溫度檢測(cè)為輔的體積小，重量輕，靈敏度高等特點(diǎn)的多功能溫度及振動(dòng)檢測(cè)儀器的設(shè)計(jì)方案。第二章 研究對(duì)象的大概論述主軸 2屬于高速

4、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零件，在其制造裝配過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生一些缺陷，并且在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，其溫度剛度的變化，都會(huì)引起主軸振動(dòng)信號(hào)的改變，如能適時(shí)的檢測(cè)出來(lái)，會(huì)給設(shè)計(jì)人員及使用人員帶來(lái)許多有用的參考和及時(shí)有效的可用數(shù)據(jù)。主軸組件在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，有很多信息會(huì)以振動(dòng)波形，溫度狀況等表現(xiàn)出來(lái)，研究這些信息可以認(rèn)識(shí)起運(yùn)行特征。利用一系列的傳感器，接受其動(dòng)態(tài)信息，然后將其轉(zhuǎn)換為點(diǎn)信號(hào)。甚至為了更直觀，有時(shí)我們會(huì)將其繪制為振動(dòng)信號(hào)圖。機(jī)械振動(dòng)是指物體或質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置附近所作的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)的強(qiáng)弱用振動(dòng)量來(lái)衡量，振動(dòng)量可以是振動(dòng)體的位移、速度或加速度。振動(dòng)量如果超過(guò)允許范圍，機(jī)械設(shè)備將產(chǎn)生較大的動(dòng)載荷和噪聲，從而影響其工作性能和使用

5、壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致零、部件的早期失效。例如，透平葉片因振動(dòng)而產(chǎn)生斷裂，可以引起嚴(yán)重事故。由于現(xiàn)代機(jī)械結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)速度日益提高，振動(dòng)的危害更為突出。反之，利用振動(dòng)原理工作的機(jī)械設(shè)備，則應(yīng)能產(chǎn)生預(yù)期的振動(dòng)。在機(jī)械工程領(lǐng)域中，除固體振動(dòng)外還有流體振動(dòng)，以及固體和流體耦合的振動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)有不同的分類方法。按產(chǎn)生振動(dòng)的原因可分為自由振動(dòng)、受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)；按振動(dòng)的規(guī)律可分為簡(jiǎn)諧振動(dòng)、非諧周期振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng);按振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的特性可分為線性振動(dòng)和非線性振動(dòng)；按振動(dòng)位移的特征可分為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和直線振動(dòng)。振動(dòng)測(cè)試的目的，歸納起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面：(1) 檢查機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)特性，以檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量；(2

6、) 測(cè)定機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，以便確定機(jī)器設(shè)備承受振動(dòng)和沖擊的能力，并為產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)；(3) 分析振動(dòng)產(chǎn)生的原因，尋找振源，以便有效地采取減振和隔振措施；(4) 對(duì)運(yùn)動(dòng)中的機(jī)器進(jìn)行故障監(jiān)控4，以避免重大事故。一般來(lái)講，振動(dòng)研究就是對(duì)“機(jī)械系統(tǒng)”、“激勵(lì)”和“響應(yīng)”三者已知其中兩個(gè)，再求另一個(gè)的問(wèn)題。振動(dòng)研究可分為以下三類：(1) 振動(dòng)分析，即已知激勵(lì)條件和系統(tǒng)的振動(dòng)特性，欲求系統(tǒng)的響應(yīng)；(2) 系統(tǒng)識(shí)別，即已知系統(tǒng)的激勵(lì)條件和系統(tǒng)的響應(yīng)，要確定系統(tǒng)的特性，這是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試問(wèn)題；(3) 環(huán)境預(yù)測(cè)，即已知系統(tǒng)的振動(dòng)特性和系統(tǒng)的響應(yīng)，欲確定系統(tǒng)的激勵(lì)狀態(tài)，這是尋求振源的問(wèn)題。振動(dòng)

7、的強(qiáng)弱用振動(dòng)量來(lái)衡量，振動(dòng)量可以是振動(dòng)體的位移、速度或加速度。振動(dòng)數(shù)據(jù)的檢測(cè)，從某種意義上來(lái)說(shuō)就是振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集，而振動(dòng)圖像的繪制，使數(shù)據(jù)規(guī)律的結(jié)合，并且直觀的表達(dá)出振動(dòng)形式的特性。從而便于振動(dòng)故障的檢測(cè)和研究。2.3振動(dòng)的分類根據(jù)信號(hào)的頻率范圍分類 設(shè)備的故障常集中在幾個(gè)頻段之內(nèi)，根據(jù)故障頻率的高低，可以粗略的估計(jì)故障的部位。其結(jié)果如表2.1所示。 表2.1 按頻率大小的分類振動(dòng)類型振動(dòng)范圍振動(dòng)實(shí)例低頻振動(dòng)工頻5倍以下轉(zhuǎn)子故障如不平衡，不對(duì)中，軸彎曲，松動(dòng)，油膜振蕩中頻振動(dòng)1KHZ左右齒輪振動(dòng)高頻振動(dòng)>1KHz滾動(dòng)軸承損傷第三章 技術(shù)路線電測(cè)法的應(yīng)用3.1 電測(cè)發(fā)的簡(jiǎn)介電測(cè)法6是通過(guò)傳

8、感器把測(cè)量的振動(dòng)參數(shù)轉(zhuǎn)換為各種電參數(shù)（如電流，電壓，阻抗和頻率等），根據(jù)需要將電參數(shù)經(jīng)過(guò)濾波，積分，微分，放大等信號(hào)的轉(zhuǎn)換處理過(guò)程得到不失真的幅度合適的電信號(hào)，可以直接驅(qū)動(dòng)模擬指示記錄儀進(jìn)行記錄和分析，也可以經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)，全面，多功能的智能處理，提供更加科學(xué)的分析結(jié)果。3.2常用的電測(cè)法的種類機(jī)械振動(dòng)的檢測(cè)方法按振動(dòng)信號(hào)的方式可以分為電測(cè)法、機(jī)械法和光學(xué)法。在機(jī)械工程測(cè)試基礎(chǔ)中，普遍采用電測(cè)法（文獻(xiàn)1），而電測(cè)法主要又可以分為電感式位移傳感器和磁電式速度傳感器，其均屬于接觸式傳感器。磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將輸入運(yùn)動(dòng)速度變換成感應(yīng)電勢(shì)輸出的傳感器。它不需

9、要輔助電源，就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)，是一種有源傳感器。磁電式傳感器有時(shí)也稱作電動(dòng)式或感應(yīng)式傳感器， 它只適合進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡(jiǎn)單；零位及性能穩(wěn)定；工作頻帶一般為101000Hz。 磁電式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換特性，利用其逆轉(zhuǎn)換效應(yīng)可構(gòu)成力(矩)發(fā)生器和電磁激振器等。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)W匝線圈在均恒磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)穿過(guò)線圈的磁通為，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)e與磁通變化率d/dt有如下關(guān)系：根據(jù)這一原理，可以設(shè)計(jì)成變磁通式和恒磁通式兩種結(jié)構(gòu)型式，構(gòu)成測(cè)量線速度或角速度的磁電式傳感器。下圖所示為分別用于旋轉(zhuǎn)角速度及振動(dòng)速度測(cè)量的變磁通式結(jié)構(gòu)。變磁通式結(jié)

10、構(gòu) (a)旋轉(zhuǎn)型（變磁）； (b)平移型（變氣隙） 結(jié)構(gòu)圖如圖2其中永久磁鐵1(俗稱“磁鋼”)與線圈4均固定，動(dòng)鐵心3(銜鐵)的運(yùn)動(dòng)使氣隙5和磁路磁阻變化，引起磁通變化而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，因此又稱變磁阻式結(jié)構(gòu)。在恒磁通式結(jié)構(gòu)中，工作氣隙中的磁通恒定，感應(yīng)電勢(shì)是由于永久磁鐵與線圈之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)線圈切割磁力線而產(chǎn)生。這類結(jié)構(gòu)有兩種，如下圖所示。恒磁通式結(jié)構(gòu) (a)動(dòng)圈式；(b)動(dòng)鐵式 圖中的磁路系統(tǒng)由圓柱形永久磁鐵和極掌、圓筒形磁軛及空氣隙組成。氣隙中的磁場(chǎng)均勻分布，測(cè)量線圈繞在筒形骨架上，經(jīng)膜片彈簧懸掛于氣隙磁場(chǎng)中。（圖2恒磁通式傳感器結(jié)構(gòu)圖）當(dāng)線圈與磁鐵間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)

11、e為 e=B*l*v式中 B氣隙磁通密度(T)；l氣隙磁場(chǎng)中有效匝數(shù)為W的線圈總長(zhǎng)度(m)為l=la*W(la為每匝線圈的平均長(zhǎng)度)v線圈與磁鐵沿軸線方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度(ms-1)。當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)確定后，式(5-2)中B、la、W都為常數(shù)，感應(yīng)電勢(shì)e僅與相對(duì)速度v有關(guān)。傳感器的靈敏度為為提高靈敏度，應(yīng)選用具有磁能積較大的永久磁鐵和盡量小的氣隙長(zhǎng)度，以提高氣隙磁通密度B；增加la和W也能提高靈敏度，但它們受到體積和重量、內(nèi)電阻及工作頻率等因素的限制。為了保證傳感器輸出的線性度，要保證線圈始終在均勻磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)者的任務(wù)是選擇合理的結(jié)構(gòu)形式、材料和結(jié)構(gòu)尺寸，以滿足傳感器基本性能要求。而電感式傳感器 （inductance type transducer ）電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)把被測(cè)的物理量如位移，壓力，流量，振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)