基于ADXL210的大型機(jī)床校準(zhǔn)振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

藍(lán) 雄

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，柳州 545000）

0 引言

大型機(jī)床隨著使用年限的增長(zhǎng)與外部氣候環(huán)境等諸多因素的影響，校準(zhǔn)空速需要修正由于空氣可壓縮性產(chǎn)生的誤差，如果采用傳統(tǒng)的檢測(cè)方法[1,2]，不但效率低而且對(duì)于突發(fā)性事件的預(yù)警能力也不足，因此，需要設(shè)計(jì)開發(fā)一種大型機(jī)床校準(zhǔn)振動(dòng)多參數(shù)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)大型機(jī)床工作速度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警。本系統(tǒng)采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的方式，選用低功耗的芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以保證在太陽(yáng)能電池供電的情況下信號(hào)采集模塊與無線通信模塊持續(xù)穩(wěn)定工作[3,4]。在非工作模式時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)處于低功耗模式，在工作模式時(shí)間，節(jié)點(diǎn)收到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)來的同步信號(hào)后開始采集、發(fā)送數(shù) 據(jù)[5,6]。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過分析軟件對(duì)大型機(jī)床工作過程中所有節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)頻率變化進(jìn)行綜合分析后，可以自動(dòng)獲取大型機(jī)床的安全工作速度數(shù)據(jù)以及存在危險(xiǎn)的程度，從而可以為工作人員提供數(shù)據(jù)支持，并且在大型機(jī)床工作速度超出安全范圍時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，有效預(yù)防工作事故的發(fā)生。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 大型機(jī)床工作振動(dòng)特性分析

運(yùn)行速度是大型機(jī)床工作過程中最重要的參數(shù)之一，是由空速系統(tǒng)來測(cè)定的。對(duì)于空速測(cè)定系統(tǒng)，無法避免的存在著一定的位置誤差，空速管可以對(duì)前方來流的總壓和外界大氣的靜壓，再通過靜壓以及總壓和靜壓間的差值分別計(jì)算得出壓力高度和指示空速。但由于在實(shí)際工作過程中，大型機(jī)床對(duì)來流的干擾不能準(zhǔn)確獲得靜壓，難以真實(shí)反映大型機(jī)床在工作高度上的大氣靜壓，進(jìn)而將誤差帶入到了指示中。校準(zhǔn)系統(tǒng)就是找出該機(jī)床測(cè)定高度、速度時(shí)產(chǎn)生的誤差。

采用大型機(jī)床工作振動(dòng)檢測(cè)的方法來判別大型機(jī)床校準(zhǔn)系統(tǒng)的有效程度，其優(yōu)點(diǎn)是：振動(dòng)檢測(cè)方便實(shí)施，利用大型機(jī)床工作中的振動(dòng)參數(shù)就能實(shí)現(xiàn)，因此不會(huì)影響大型機(jī)床其他系統(tǒng)的正常工作；多點(diǎn)振動(dòng)檢測(cè)可以對(duì)空速誤差準(zhǔn)確檢測(cè)，并有效識(shí)別大型機(jī)床結(jié)構(gòu)的整體動(dòng)力特性。當(dāng)大型機(jī)床工作在特殊區(qū)域，其固有頻率會(huì)發(fā)生變化，基于固有頻率的變化對(duì)大型機(jī)床校準(zhǔn)檢測(cè)是最容易實(shí)現(xiàn)也是最準(zhǔn)確的方法。在大型機(jī)床工作速度誤差發(fā)生之前將其劃分為若干單元，可利用該單元損傷前的固有頻率Δωi與損傷后的固有頻率 Δωj變化之比進(jìn)行損傷定位：

其中： Φi為第i階振型；n為單元個(gè)數(shù)；Kni為第i單元的剛度；M為整體質(zhì)量。高階頻率的變化能更好地反映大型機(jī)床工作過程中由于干擾而造成的工作振動(dòng)的變化。通過分析研究后得出大型機(jī)床機(jī)身剛度修正公式(EI)n和固有頻率計(jì)算公式ωn為：

其中，EcIc為大型機(jī)床機(jī)身剛度；l為大型機(jī)床的等效長(zhǎng)度；N為預(yù)拉力。通過研究得出結(jié)論，對(duì)大型機(jī)床工作振動(dòng)的固有頻率檢測(cè)方法是比較簡(jiǎn)單的，而且精度很高，受測(cè)量噪聲的影響較小。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大型機(jī)床校準(zhǔn)振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，系統(tǒng)主要由振動(dòng)信號(hào)采集終端設(shè)備、數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)、Internet網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心幾部分組成。振動(dòng)信號(hào)采集終端主要工作是振動(dòng)信號(hào)的采集與處理，并通過無線通信模塊發(fā)送到數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)，其主要部署在機(jī)身的關(guān)鍵部位；數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)在收集到所有終端設(shè)備發(fā)送的檢測(cè)數(shù)據(jù)后，根據(jù)系統(tǒng)功能要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分解、變換并存儲(chǔ)；通信系統(tǒng)將處理過的數(shù)據(jù)通過Internet網(wǎng)絡(luò)或GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心；監(jiān)控中心利用實(shí)時(shí)診斷軟硬件對(duì)接收到的所有工作振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析出來，從而得出工作速度是否存在誤差，按照具體情況發(fā)出相應(yīng)的預(yù)警信號(hào)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

其振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)終端設(shè)備電路如圖2所示，以IAP15F2K61S2單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)信號(hào)的采集、放大、模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換、無線通信傳輸?shù)裙δ?；整個(gè)電路功耗很低，以太陽(yáng)能電池組供電，可保證電路的持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間供電，非常適合工作過程中進(jìn)行部署；整個(gè)終端設(shè)備采用小型化設(shè)計(jì)，安裝便捷。信號(hào)檢測(cè)終端分布于整個(gè)機(jī)床所有關(guān)鍵部位，根據(jù)機(jī)床的大小合理進(jìn)行規(guī)劃部署。

圖2 振動(dòng)檢測(cè)終端設(shè)備電路結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的硬件設(shè)計(jì)

2.1 振動(dòng)傳感器與信號(hào)采集模塊的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要是對(duì)大型機(jī)床工作的振動(dòng)情況進(jìn)行檢測(cè)，振動(dòng)信號(hào)傳感器采用ADI公司的加速度傳感器ADXL210，它主要由多晶硅與差動(dòng)電容器組成，當(dāng)有振動(dòng)發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生大型機(jī)床工作加速度的作用力，多晶硅結(jié)構(gòu)發(fā)生偏移拉動(dòng)差動(dòng)電容值發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電信號(hào)。ADXL210振動(dòng)信號(hào)采集放大偏置電路如圖3所示。

圖3 ADXL210振動(dòng)信號(hào)采集放大偏置電路硬件設(shè)計(jì)

上圖中，ADXL210輸出的工作加速度信號(hào)，經(jīng)過輸出電容濾波后，工作加速度信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大器LF353組成的放大電路得到直流偏移電壓約為2V~3V的共模信號(hào)。X、Y兩軸的直流電壓信號(hào)送入后級(jí)ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。其中VREF為基準(zhǔn)信號(hào)。

2.2 IAP15F2K61S2單片機(jī)與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的硬件設(shè)計(jì)

大型機(jī)床校準(zhǔn)振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)主控電路的單片機(jī)采用STC公司生產(chǎn)的IAP15F2K61S2，晶振采用11.0592MHz，其抗干擾能力很強(qiáng)，且功耗很低，價(jià)格便宜。而A/D轉(zhuǎn)換芯片采用ADC0809，其為8位A/D轉(zhuǎn)換器，0～5V對(duì)應(yīng)輸出數(shù)值為0～255，其時(shí)鐘信號(hào)CLK由單片機(jī)IAP15F2K61S2的ALE信號(hào)提供。IAP15F2K61S2單片機(jī)外圍電路與ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 單片機(jī)外圍電路與A/D轉(zhuǎn)換電路硬件設(shè)計(jì)

上圖中，ADXL210采集處理后的X軸與Y軸電信號(hào)分別送入ADC0809的通道IN1與通道IN2，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后單片機(jī)軟件獲取到檢測(cè)信號(hào)的數(shù)字值等待提取。

2.3 ZigBee無線通信模塊的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的ZigBee無線通信模塊是以TI的CC2048為核心，其硬件設(shè)計(jì)如圖5所示。引腳AVDD SOC與AVDD RREG為模擬電路連接2.0V～3.6V的電壓，分別接100nF和220nF的濾波電容。

圖5 無線通信模塊的硬件設(shè)計(jì)

上圖中，引腳DVDD為數(shù)字電源輸入引腳，為I/O口提供的電源，接一個(gè)100nF的濾波電容。引腳DCOUPL提供1.8V的去耦電壓，此電壓不為外電路所使用，需要旁接一個(gè)220nF的去耦電容。引腳X1為外接32MHz的專用于2.4GHz射頻電路的晶振，其旁路電容為22PF。引腳RBIASl與RBIAS2接偏置電阻，用來為32M晶振提供一個(gè)適合大型機(jī)床工作過程的工作電流。

2.4 高速CAN總線接口模塊的硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)校準(zhǔn)振動(dòng)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的控制節(jié)點(diǎn)之間的通信通過高速CAN總線連接實(shí)現(xiàn)。CAN總線設(shè)計(jì)采用雙絞線,而校準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)終端匹配電阻設(shè)計(jì)為120歐姆，如圖6所示的硬件接口電路CAN總線連接通信的數(shù)據(jù)傳輸速度為1Mbit/s。其中TJA1050芯片是驅(qū)動(dòng)單片機(jī)IAP15F2K61S2的CAN控制器與物理總線間的接口，實(shí)現(xiàn)CAN控制器與總線的信號(hào)轉(zhuǎn)換。

圖6 通信接口模塊的硬件設(shè)計(jì)

上圖中，使用高速光耦6N137在緩沖器和CAN驅(qū)動(dòng)之間進(jìn)行光電隔離，可以提升CAN總線通信的抗干擾能力。其次，采用小功率電源隔離模塊B0505S對(duì)大型機(jī)床工作系統(tǒng)電源進(jìn)行完全隔離，從而防止電源引起的干擾。其中，TJA1050的8腳S端接地表示選擇高速模式。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 振動(dòng)信號(hào)采樣過程設(shè)計(jì)

大型機(jī)床工作振動(dòng)信號(hào)采用過程：首先是信號(hào)適調(diào)，即對(duì)大信號(hào)的衰減與弱信號(hào)的放大處理，對(duì)一些直流信號(hào)進(jìn)行偏置處理，使其滿足A/D輸入量程要求；然后，A/D轉(zhuǎn)換包括采樣、量化和編碼三個(gè)組成部分，利用采樣脈沖序列p(t)從模擬信號(hào)x(t)中抽取一系列離散樣值，使之成為工作速度采樣信號(hào)Δt稱為采樣間隔，其倒數(shù)fs=1/Δt之為采樣頻率。

T為大型機(jī)床采樣長(zhǎng)度，當(dāng)采樣長(zhǎng)度一定時(shí)，采樣頻率越高，采集的數(shù)據(jù)量就越大。

3.2 主程序流程設(shè)計(jì)

主流程設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮了大型機(jī)床工作過程中的省電，振動(dòng)信號(hào)變化，A/D轉(zhuǎn)換模式行，具體流程設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)與分析

比較對(duì)比驗(yàn)證試飛結(jié)果與大型機(jī)床校準(zhǔn)振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)校準(zhǔn)結(jié)果，可以看出校準(zhǔn)結(jié)果與對(duì)比驗(yàn)證試飛得到的結(jié)果存在著差異。通過移動(dòng)PC對(duì)檢測(cè)的振動(dòng)傳感信號(hào)進(jìn)行收集，采用ANSYS分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比后，仿真模擬振動(dòng)固有頻率變化曲線，得出大型機(jī)床工作過程中空速誤差程度數(shù)據(jù)。實(shí)測(cè)的大型機(jī)床工作固有頻率f(k)與變化幅度fΔ的檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 大型機(jī)床工作振動(dòng)固有頻率測(cè)量結(jié)果

通過表1的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)身各單元的固有頻率變化進(jìn)行計(jì)算仿真，為區(qū)分不同單元不同程度的誤差得到的工作速度誤差識(shí)別向量對(duì)結(jié)果的影響，建立了6個(gè)誤差識(shí)別矩陣，每個(gè)矩陣由不同的速度誤差程度得到，仿真得出不同頻率階次所對(duì)應(yīng)的工作速度誤差程度曲線如圖8所示。

圖8 不同頻率階次所對(duì)應(yīng)誤差程度曲線

分析軟件根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)判斷出該誤差與已知工作速度差異數(shù)據(jù)一致，說明本系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。當(dāng)大型機(jī)床工作過程中工作速度達(dá)到預(yù)警閥值時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信息，提示相關(guān)人員盡快查看。通過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)包的時(shí)間延遲較低，最大數(shù)據(jù)包時(shí)間延遲為11602ms，平均時(shí)間延遲為5918ms，表現(xiàn)出了良好的實(shí)時(shí)性，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送成功率為100%。整個(gè)振動(dòng)檢測(cè)傳感網(wǎng)絡(luò)工作穩(wěn)定，各項(xiàng)性能也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，取得了較為滿意的結(jié)果。

5 結(jié)束語(yǔ)

工作速度是大型機(jī)床工作過程中最重要的參數(shù)之一，對(duì)于振動(dòng)測(cè)定系統(tǒng)，無法避免的存在著一定的位置誤差。由于在實(shí)際工作過程中，大型機(jī)床機(jī)身對(duì)來流的干擾不能準(zhǔn)確獲得靜壓，難以真是反映大型機(jī)床在工作高度上的大氣靜壓，進(jìn)而將誤差帶入到了指示空速中。而校準(zhǔn)系統(tǒng)就是找出該系統(tǒng)測(cè)定高度、速度時(shí)產(chǎn)生的誤差，可以減少甚至避免安全事故的發(fā)生。本系統(tǒng)較傳統(tǒng)的校準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)相比具有造價(jià)低、安裝維護(hù)方便、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合對(duì)大型機(jī)床工作過程中校準(zhǔn)系統(tǒng)的安全監(jiān)測(cè)，應(yīng)用前景十分廣闊。

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