機(jī)電設(shè)備振動測試系統(tǒng)設(shè)計

張宏斌，徐京明，吳志東，許紹華

（1.齊齊哈爾大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.黑龍江省智能制造裝備產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

1 引言

機(jī)電設(shè)備故障與振動關(guān)聯(lián)密切，振動信號包含多數(shù)故障信息，采集與分析機(jī)電設(shè)備振動信號非常關(guān)鍵[1]。文獻(xiàn)[2]通過傳感器和虛擬化儀器相互結(jié)合，實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)子運行狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)化和在線監(jiān)控。文獻(xiàn)[3]研究和開發(fā)了一種便攜式機(jī)械振動檢測系統(tǒng)，可以實時地反映各種機(jī)電設(shè)備的工作狀態(tài)。因功能強大，操作便捷，使用者可通過自定義設(shè)置和二次開發(fā)軟件來實現(xiàn)功能的増減與改變，國內(nèi)外很多振動測試系統(tǒng)都采用LabVIEW 軟件平臺運行工作[4?6]。

美國MathWorks 公司出品的MATLAB 商業(yè)軟件，在算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算方面具有獨到的優(yōu)勢，諸多學(xué)者[7?9]利用該軟件開展機(jī)械振動測試和故障診斷領(lǐng)域的研究工作，但MATLAB 是一種單純的程序軟件，沒有配套的硬件設(shè)備，在數(shù)值計算方面功能強大，但在振動測試過程操作、數(shù)據(jù)實時顯示分析，系統(tǒng)調(diào)試與優(yōu)化方面有較大的局限性。

基于現(xiàn)代機(jī)械振動測試技術(shù)和智能故障診斷算法，利用Lab?VIEW 虛擬儀器編寫算法程序，搭建在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)虛擬技術(shù)在機(jī)械振動監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠滿足實時監(jiān)測、良好人機(jī)界面的功能，通過多通道傳感器的布點設(shè)計可以更有效的對關(guān)鍵部件，有效的對振動信號進(jìn)行處理，滿足系統(tǒng)處理精度要求[10]。虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展還存在一些弱點，對于數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析的結(jié)合度較低，數(shù)據(jù)分析時效性較差，部分檢測系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜、空間占用率大，成本較高?；谝陨蠁栴}，結(jié)合機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)多樣性、數(shù)據(jù)實時性和傳輸遠(yuǎn)程性需要，利用IEPE加速度傳感器模塊、LabVIEW 圖形化編程語言和PC 機(jī)開發(fā)出一套基于LabVIEW的機(jī)電設(shè)備振動測試系統(tǒng)，能夠?qū)?shù)控機(jī)床、減速齒輪箱等機(jī)電設(shè)備關(guān)鍵部件的運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控與分析[11?12]。

2 振動系統(tǒng)方案設(shè)計

機(jī)電設(shè)備振動測試系統(tǒng)由硬件（電源電路、驅(qū)動電路、振動傳感器、信號預(yù)處理電路、數(shù)據(jù)采集卡）和軟件（硬件儀器的編程和LabVIEW 上位機(jī)編程）兩個部分組成[13]，如圖1所示。在振動測試過程中，經(jīng)驅(qū)動電路供電的振動傳感器采集機(jī)電設(shè)備關(guān)鍵部件振動信號，信號預(yù)處理電路將其由模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，并進(jìn)行放大、濾波、降噪等預(yù)處理，數(shù)據(jù)采集卡將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與存儲，而后將數(shù)據(jù)通過USB 設(shè)備接口傳輸給PC端，在LabVIEW上位機(jī)程序中進(jìn)行讀寫和算法分析。

圖1 振動測試系統(tǒng)方案Fig.1 Vibration Test System Solution

對機(jī)械振動信號進(jìn)行分析和處理，涉及時域及頻域分析過程[14]?；贚abVIEW 的采集軟件程序，首先保存采集信號的時域部分，在LabVIEW 信號處理模塊中設(shè)置FIR 數(shù)字濾波器和傅里葉變換分析程序，對信號進(jìn)行濾波降噪和時頻域變換，在頻譜圖中提取故障特征信號。

3 系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計及編程

3.1 嵌入式軟、硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1.1 軟件結(jié)構(gòu)

基于用戶測試需求，開發(fā)嵌入式數(shù)據(jù)采集儀/分析儀的軟件，通過數(shù)據(jù)串口實現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)通信，上位機(jī)設(shè)置圖形化用戶接口主控界面，對下位機(jī)數(shù)據(jù)采集、傳輸和分析過程進(jìn)行閉環(huán)操控，如圖2（a）所示。

3.1.2 硬件結(jié)構(gòu)

基于嵌入式操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集/分析儀進(jìn)行振動信號采集，完成研究對象狀態(tài)信息的獲取，并進(jìn)行信號的實時分析。采用嵌入式總線形式串聯(lián)各個功能塊，利用DSP控制和聯(lián)調(diào)整個系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)功能塊，如圖2（b）所示。

圖2 嵌入式軟、硬件系統(tǒng)Fig.2 Embedded Software and Hardware Systems

3.2 下位機(jī)程序設(shè)計

加速度值可以在頻譜圖中代表機(jī)械振動的能量隨頻率的分布[15]?；贗EPE壓電式加速度傳感器模塊進(jìn)行振動信號監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。傳感器模塊原理，如圖3（a）所示。芯片通信的管腳為IIC_SCL、IIC_SDA、MPU_AD0、MPU_INT四個，用導(dǎo)線把P1端子各功能腳連接到STM32開發(fā)板上，實現(xiàn)傳感器模塊與STM32通信，MPU_AD0 我們接GND，振動信號數(shù)據(jù)通過串口1發(fā)送給上位機(jī)。

圖3 傳感器供電原理Fig.3 Sensor Power Supply Principle

利用可充電鋰電池，結(jié)合升壓模塊和電源電路開發(fā)傳感器供電板電路，如圖3（b）所示。在振動測試數(shù)據(jù)采集過程中對傳感器進(jìn)行持續(xù)供電。傳感器低阻抗電壓輸出、體積小、動態(tài)范圍大、高靈敏度、高分辨率、抗干擾性能好，適用于惡劣環(huán)境的測量，可輸出穩(wěn)定有效的電壓信號，其表面通過螺紋固定一個強吸附力磁座，便于固定在被測對象上，傳感器基本電參數(shù)及動態(tài)指標(biāo)，如表1所示。

表1 傳感器基本參數(shù)及動態(tài)指標(biāo)Tab.1 Sensor Basic Parameters and Dynamic Indicators

下位機(jī)程序編寫及其調(diào)試，如圖4所示。采用DMA 結(jié)合多路ADC實現(xiàn)多通道模、數(shù)信號轉(zhuǎn)換，不占用CPU資源，保證數(shù)據(jù)采集速度。

圖4 下位機(jī)數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計Fig.4 Lower Computer Data Acquisition Program Design

3.3 上位機(jī)程序開發(fā)

基于LabVIEW軟件的數(shù)據(jù)采集模塊與信號處理模塊編寫上位機(jī)顯示與控制程序，如圖5所示。上位機(jī)程序包括程序控件和用戶圖形兩個面板，系統(tǒng)主程序控件面板，如圖5（a）所示。利用Labview函數(shù)主項中編程、數(shù)學(xué)等子項控件進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計，在While循環(huán)中嵌套四個條件結(jié)構(gòu)設(shè)置相應(yīng)功能控件內(nèi)外串接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫、顯示和分析功能。數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析和歷史數(shù)據(jù)查詢等模塊的用戶圖形操作界面，如圖5（b）所示。

圖5 上位機(jī)程序設(shè)計Fig.5 Upper Computer Program Design

3.3.1 實時數(shù)據(jù)顯示模塊

在While 循環(huán)外部設(shè)置VISA 串口號與數(shù)據(jù)采集儀通信，在While循環(huán)內(nèi)部設(shè)置文件讀寫路徑，利用條件結(jié)構(gòu)創(chuàng)建四個通道的波形顯示控件，并配備顯示儀表、報警值和報警指示燈控件，從數(shù)據(jù)采集儀傳來的數(shù)據(jù)以表格形式讀寫入LabVIEW 軟件程序，在波形控件中實時顯示數(shù)據(jù)曲線，根據(jù)被測對象的故障狀態(tài)設(shè)置報警幅值，當(dāng)每個通道的振動信號幅值超出報警幅值，報警指示燈亮起，左側(cè)儀表分別對相應(yīng)通道數(shù)據(jù)幅值范圍進(jìn)行調(diào)控。

3.3.2 實時數(shù)據(jù)分析模塊

分別設(shè)置四個通道的波形顯示控件，在控件接口端引入常用的頻域分析方法FFT時頻變換控件，每個通道單獨執(zhí)行程序，將數(shù)據(jù)從時域變換到頻域，在頻譜圖中顯示數(shù)據(jù)頻率與幅值的對應(yīng)關(guān)系，可以實現(xiàn)振動特征值的實時提取與分析。

3.3.3 歷史數(shù)據(jù)查詢模塊

機(jī)電設(shè)備振動測試是一個持續(xù)時間較長的過程，需要根據(jù)設(shè)備運行狀態(tài)、生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)、現(xiàn)場測試環(huán)境、測試設(shè)備的狀況進(jìn)行全運行周期的測試和取樣，所測數(shù)據(jù)量龐大。歷史數(shù)據(jù)回顧模塊可實現(xiàn)每個通道的歷史數(shù)據(jù)存儲、查找與顯示，便于將不同階段和同一階段不同通道取樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，有效提取故障特征信號，實現(xiàn)機(jī)電設(shè)備故障的準(zhǔn)確診斷。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與驗證

4.1 系統(tǒng)測試實驗

采用IEPE加速度傳感器和下位機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊采集振動數(shù)據(jù)，通過串口將數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)，在LabVIEW 圖形化程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、顯示與處理，實現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試，模擬測試過程，如圖6所示。

圖6 下位機(jī)數(shù)據(jù)采集及上位機(jī)讀顯交互Fig.6 Lower Computer Data Acquisition and Upper Computer Reading and Displaying Interaction

下位機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)置加速度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號放大器以及外接數(shù)據(jù)實時顯示屏，通過USB 串口與PC 機(jī)連接。將數(shù)據(jù)采集模塊以一定速度向四周移動或翻轉(zhuǎn)，傳感器采集到的振動信號經(jīng)信號放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過USB串口被傳輸?shù)缴衔粰C(jī)文件讀取程序中。上位機(jī)界面的四個通道選項卡設(shè)置不同的參數(shù)，隨即在四個通道內(nèi)顯示信號波形，四個儀表分別顯示各個通道數(shù)據(jù)的值，寫入的數(shù)據(jù)被存儲在Excel表格文件中。結(jié)合圖5程序，可以實現(xiàn)四個通道振動信號幅值和相位數(shù)值的實時觀察和分析以及多次測量歷史數(shù)據(jù)的查詢和提取。

4.2 MATLAB數(shù)據(jù)處理

將4.1中各通道的Excel表格振動數(shù)據(jù)以數(shù)值矩陣的方式寫入MATLAB程序中，利用plot繪圖工具將四組數(shù)據(jù)分別作圖，得到以下時域波形，如圖7所示。

圖7 MATLAB數(shù)據(jù)處理Fig.7 MATLAB Data Handling

通過對比分析，發(fā)現(xiàn)所開發(fā)的系統(tǒng)振動測試結(jié)果準(zhǔn)確，測試過程可以實現(xiàn)上、下位機(jī)交互，軟件與硬件結(jié)合程度高，數(shù)據(jù)顯示更直觀，操作界面清晰，參數(shù)調(diào)整便捷，相對MATLAB 商業(yè)軟件在振動測試方面具有明顯優(yōu)勢。

5 結(jié)語

基于軟硬件程序設(shè)計，結(jié)合虛擬儀器技術(shù)，開發(fā)一套機(jī)電設(shè)備振動測試系統(tǒng)，通過測試實驗和MATLAB數(shù)據(jù)處理驗證，振動測試結(jié)果可信。該系統(tǒng)可實現(xiàn)下位機(jī)采集與上位機(jī)讀顯交互，結(jié)合振動信號篩選智能算法，可以對機(jī)電設(shè)備關(guān)鍵部件振動狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測和分析。所開發(fā)系統(tǒng)可實現(xiàn)即時提取振動信號幅值、相位數(shù)值，界面清晰，可視化程度高，操作簡單，數(shù)據(jù)采集的精度較高，使用該套系統(tǒng)可采集各類機(jī)電設(shè)備振動信號，系統(tǒng)升級方便，可有效縮短相關(guān)振動測試平臺的研發(fā)周期。