基于移動(dòng)平臺(tái)的軸承故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李雨田

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

軸承作為一種典型的機(jī)械零件，被廣泛應(yīng)用在汽車(chē)、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域。一旦軸承出現(xiàn)故障，將會(huì)給機(jī)械帶來(lái)極其嚴(yán)重的后果。因此，加強(qiáng)對(duì)軸承的在線故障監(jiān)測(cè)與診斷，對(duì)提高機(jī)械運(yùn)行的安全性來(lái)講，具有非常重要的價(jià)值和意義。但是，傳統(tǒng)的軸承故障診斷來(lái)講，大部分都是基于PLC或PC機(jī)開(kāi)發(fā)的，這種平臺(tái)在應(yīng)用中存在很大的束縛，不僅體積大，同時(shí)成本也高，面對(duì)野外測(cè)試效率低下。因此，開(kāi)發(fā)更為方便的軸承故障診斷系統(tǒng)，對(duì)提高機(jī)械的安全性，以及故障診斷的便捷性，具有現(xiàn)實(shí)的價(jià)值和意義。但針對(duì)軸承故障的診斷中，目前大部分文獻(xiàn)都集中在對(duì)軸承故障特征信號(hào)的處理等方面。如雷文平[1]則提出一種基于采用SVM算法對(duì)小波信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，從而得出故障信號(hào)；李從志等的研究思路也主要集中在對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行識(shí)別[2]。但是，歸納上述的研究中發(fā)現(xiàn)，目前對(duì)于軸承故障信號(hào)的實(shí)用型系統(tǒng)研究還很少。鮮有學(xué)者提出一個(gè)比較實(shí)用和便捷的軸承診斷系統(tǒng)?；谝陨媳尘埃疚牟捎卯?dāng)前最為流行的Android體系架構(gòu)對(duì)軸承故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，從而改變以往的有線故障診斷方法，實(shí)現(xiàn)更為便捷和靈活的軸承故障診斷。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)構(gòu)建的目的是構(gòu)建一個(gè)便捷型的軸承故障系統(tǒng)，而結(jié)合軸承故障診斷問(wèn)題，本系統(tǒng)主要從硬件和軟件兩方面對(duì)軸承故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建[3]。因此，按照上述的目的和設(shè)計(jì)思路，本文將該系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)為如圖1所示。本文所設(shè)計(jì)的軸承故障系統(tǒng)主要由四大部分構(gòu)成，分別為數(shù)據(jù)感知終端、無(wú)線傳輸層、手機(jī)終端和虛擬儀器。

圖1 基于 Android 的軸承故障診斷系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述的架構(gòu)看出，數(shù)據(jù)感知終端首先對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)理與采集；在完成采集工作之后，借助無(wú)線模塊的藍(lán)牙、wifi、3G、4G等通信方式，將采集到的傳感器信號(hào)傳輸至手機(jī)終端中；最后，由手機(jī)虛擬儀器對(duì)接收數(shù)據(jù)開(kāi)展分析與處理。虛擬儀器部分主要由四大功能模塊進(jìn)行支持，分別為數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)模塊以及數(shù)據(jù)分析模塊。

2 系統(tǒng)硬件選型

在本系統(tǒng)的構(gòu)建中，硬件部分主要包括藍(lán)牙模塊、手持終端和信號(hào)采集部分。具體的硬件見(jiàn)表1。

表1 主要的硬件

3 軟件部分設(shè)計(jì)

3.1 軟件部分整體功能設(shè)計(jì)

軟件部分開(kāi)發(fā)，采用開(kāi)源軟件eclipse4.3作為開(kāi)發(fā)工具。開(kāi)源軟件eclipse具備大量的開(kāi)發(fā)插件，能夠?qū)Ρ敬卧O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)需求進(jìn)行滿足。同時(shí)，開(kāi)源軟件eclipse還能夠?qū)Ρ姸喑Ｓ玫拈_(kāi)發(fā)語(yǔ)言進(jìn)行支持，具體包括Java語(yǔ)言、C/C++語(yǔ)言等。在應(yīng)用開(kāi)源軟件eclipse開(kāi)展基于 Android 的軸承故障診斷儀開(kāi)發(fā)工作時(shí)，開(kāi)發(fā)人員僅需通過(guò)在eclipse中配置相應(yīng)的Android SDK，就能為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)構(gòu)建起編譯環(huán)境。對(duì)軟件部分的開(kāi)發(fā)中，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，目的是使系統(tǒng)在后續(xù)使用過(guò)程中具備較強(qiáng)的擴(kuò)展性。整體功能組成部分見(jiàn)圖2。

圖2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

其中，數(shù)據(jù)采集主要是實(shí)現(xiàn)兩大功能：一是對(duì)Android 虛擬儀器設(shè)備傳送來(lái)的參數(shù)設(shè)置指令以及數(shù)據(jù)采集控制指令進(jìn)行接收；二是向Android 虛擬儀器設(shè)備反饋傳感器采集數(shù)據(jù)；

Android虛擬儀器設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)功能：一是利用無(wú)線傳輸方式向數(shù)據(jù)采集功能模塊發(fā)送相應(yīng)的指令；二是接收數(shù)據(jù)采集功能模塊反饋來(lái)的傳感器采集數(shù)據(jù)；三是開(kāi)展數(shù)據(jù)點(diǎn)在線顯示及數(shù)據(jù)信號(hào)處理分析工作。

因此，根據(jù)以上分析，將Android程序的開(kāi)發(fā)分為四大模塊：數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)模塊以及數(shù)據(jù)分析模塊。其中，數(shù)據(jù)傳輸模塊主要是對(duì)藍(lán)牙及wifi模塊讀寫(xiě)操作進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊則負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，保障后續(xù)數(shù)據(jù)回放及信號(hào)處理；數(shù)據(jù)呈現(xiàn)模塊主要是對(duì)處理后信號(hào)結(jié)果進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶之間的交互；數(shù)據(jù)分析模塊是整個(gè)故障診斷系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，主要是對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析與頻域分析[4]。

3.2 功能詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

在軸承故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能模塊中，主要采用C語(yǔ)言作為采集器Arduino ADK編程語(yǔ)言，以Arduino IDE作為其開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并以此實(shí)現(xiàn)對(duì)串口、I/O口的封裝。同時(shí)，由于Arduino在全世界具備頗多的愛(ài)好者，使數(shù)據(jù)采集模塊的開(kāi)發(fā)工作將極為簡(jiǎn)便。通過(guò)此方式構(gòu)建起的數(shù)據(jù)采集模塊開(kāi)發(fā)環(huán)境，將實(shí)現(xiàn)對(duì)許多類(lèi)的良好封裝，從而減少開(kāi)發(fā)過(guò)程中不必要的開(kāi)發(fā)工作量。數(shù)據(jù)采集模塊所需要的類(lèi)主要包括Serial類(lèi)、analogRead類(lèi)以及Timer類(lèi)。具體數(shù)據(jù)采集模塊工作流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊工作流程

3.2.2 數(shù)據(jù)傳輸功能模塊

數(shù)據(jù)傳輸功能模塊主要由藍(lán)牙無(wú)線通信模塊以及WiFi無(wú)線通信模塊構(gòu)成。其中，藍(lán)牙無(wú)線通信模塊的開(kāi)發(fā)主要需要Bluetooth Adapter類(lèi)、Bluetooth Device類(lèi)、Bluetooth Socke類(lèi)以及Bluetooth Server Socke類(lèi)。藍(lán)牙無(wú)線通信模塊開(kāi)發(fā)步驟主要包括以下6步[5]：

(1)Android手機(jī)服務(wù)器端與客戶端發(fā)起藍(lán)牙無(wú)線通信模塊開(kāi)發(fā)權(quán)限申請(qǐng)；

(2)對(duì)本地藍(lán)牙適配器進(jìn)行獲??；

(3)開(kāi)打藍(lán)牙設(shè)備；

(4)對(duì)藍(lán)牙串口模塊進(jìn)行搜索；

(5)建立起服務(wù)器端與客戶端之間的連接；

(6)借助inputStream及outputStream獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)流。

wifi無(wú)線通信模塊主要采用與Windows下socket通信流程所類(lèi)似的HLK-RM04 wifi串口模塊[6]。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中主要借助socket.connect()方法構(gòu)建起采集器與手機(jī)虛擬儀器的連接；利用socket.getInputStream()實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置指令無(wú)線傳輸；以socket.getInputStream()獲取采集器反饋數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)傳輸功能模塊工作流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸功能模塊工作流程

3.2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能模塊主要作用于對(duì)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)進(jìn)行存儲(chǔ)，便于用戶后續(xù)對(duì)采樣數(shù)據(jù)的試用及分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回放功能。由于本文所設(shè)計(jì)的軸承故障診斷儀基于Android系統(tǒng)，因此數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能模塊將具備多種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，具體包括Share Preferences、文件存儲(chǔ)、SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)等。具體存儲(chǔ)功能模塊的數(shù)據(jù)回放功能的數(shù)據(jù)回放流程如圖5所示。

3.2.4 數(shù)據(jù)呈現(xiàn)功能模塊

在數(shù)據(jù)呈現(xiàn)功能模塊的設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了避免該功能模塊出現(xiàn)屏幕閃爍現(xiàn)象，本文將采用圖像雙緩沖繪圖技術(shù)開(kāi)展數(shù)據(jù)呈現(xiàn)功能模塊的設(shè)計(jì)工作。數(shù)據(jù)呈現(xiàn)功能模塊在開(kāi)發(fā)過(guò)程中所需的類(lèi)包括Paint類(lèi)、Surface View類(lèi)以及Canvas 類(lèi)。同時(shí)，考慮到系統(tǒng)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)功能模塊的師生顯示需求，本文將在數(shù)據(jù)呈現(xiàn)功能模塊中引入數(shù)據(jù)刷新機(jī)制。具體數(shù)據(jù)呈現(xiàn)功能模塊工作流程如圖6所示。

圖5 數(shù)據(jù)回放功能的數(shù)據(jù)回放流程

圖6 數(shù)據(jù)呈現(xiàn)功能模塊工作流程

3.2.5 數(shù)據(jù)分析功能模塊

數(shù)據(jù)分析功能模塊主要由三大模塊構(gòu)成，分別為數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、時(shí)域特征分析模塊以及頻域特征分析模塊。具體數(shù)據(jù)分析功能模塊結(jié)構(gòu)如圖7所示。

4 軸承故障診斷測(cè)試

為驗(yàn)證上述上述方案的可行性，搭建如圖8所示的試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)軸承故障進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬診斷平臺(tái)。

軸承選擇UC201，具體參數(shù)為：鋼球個(gè)數(shù)8，鋼球內(nèi)直徑d=6.749 mm，外圓直徑D=28.5 mm;工作轉(zhuǎn)數(shù)為1 200 r/min，采樣頻率設(shè)定為20 480 Hz。依據(jù)對(duì)軸承故障特征頻率的特征，可以得到如圖9和圖10所示的軸承故障時(shí)域特征信號(hào)和頻域特征信號(hào)。

圖7 數(shù)據(jù)分析功能模塊結(jié)構(gòu)

圖8 軸承故障診斷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)圖

圖9 頻域特征信號(hào)

同時(shí)為驗(yàn)證上述結(jié)果的正確性，將結(jié)果與傳統(tǒng)的通過(guò)Lab VIEW虛擬儀器檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行比較，得到表2所示的結(jié)果。

通過(guò)上述的部分指標(biāo)對(duì)比看出，兩者采集到的軸承故障特征值的結(jié)果基本一致，說(shuō)明本文采用的這種Android診斷方法與傳統(tǒng)的Lab VIEW虛擬儀器測(cè)量結(jié)果一致，但本文構(gòu)建的方法具有極大的便捷性。

圖10 頻域特征信號(hào)

表2 兩者特征值對(duì)比結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上述的分析可知，本文構(gòu)建的Android軸承診斷方法，在很大程度上改變了以往傳統(tǒng)的Lab VIEW虛擬診斷方法，為機(jī)械軸承的故障診斷采集提供了更為簡(jiǎn)單的方法。