電機軸承外圈故障診斷裝置的設計說明

1、. .PAGE35 / NUMPAGES351 引言11 課題的研究背景設備故障診斷學是本世紀六七十年代產生并發(fā)展起來的一門綜合性邊緣學科,經過幾十年的發(fā)展,理論研究取得了重大進展,按照所采用的技術手段可分為:振動分析法聲學分析法，紅外分析法!潤滑油分析法!計算機輔助診斷與專家系統(tǒng)等方法等，按照診斷對象可分為:旋轉機械故障診斷往復機械故障診斷!機械零件故障診斷!工程結構故障診斷!液壓設備故障診斷!電氣設備故障診斷等，在這些眾多診斷分支中,旋轉機械故障診斷是一個極為重要和引人注目的分支。電動機作為拖動系統(tǒng)中的重要組成部分在國民經濟中占有舉足輕重的地位，它的使用幾乎滲透到了各行各業(yè)，是工業(yè)、農業(yè)和

2、國防建設與人民生活正常進行的重要保證，因而確保電動機的正常運行就顯得十分重要，而作為電機核心部分的軸承的也擔任著不可或缺的角色，軸承故障的診斷就顯得尤為重要了。1.2 發(fā)展狀況軸承在旋轉機械中應用最為廣泛，同時也是最易損壞的元件之一。旋轉機械的許多故障都與滾動軸承有關，軸承的工作好壞對機械的工作狀態(tài)有很大影響，其缺陷會直接導致設備產生異常振動和噪聲，嚴重時甚至損壞設備，它的運行狀態(tài)是否正常往往直接影響到整臺機器的性能，如精度、可靠性、壽命等。軸承的缺陷會導致機械設備的劇烈振動和產生強大刺耳的噪音，嚴重時會引起設備的損壞、生產的停止、甚至嚴重的機械事故。據統(tǒng)計，約30% 的旋轉機械的故障是由于軸

3、承的損壞所引起的。隨著設備自動化程度和設備復雜程度的提高，以與工程領域大型旋轉機械的廣泛應用，都要求對設備有很高的安全性和故障預測性，同時也對新的故障診斷方法提出了要求。因而對作為運轉機械最重要件之一的軸承，進行狀態(tài)檢測和故障診斷具有重要的實際意義，這也是故障診斷領域的重點。故障監(jiān)測和診斷技術發(fā)展到今天，已經初步形成一門跨學科的綜合信息處理技術，鑒于此種情況，我們正著力于將故障監(jiān)測和診斷技術與滾動軸承試驗技術進行有效的結合，開發(fā)滾動軸承壽命強化試驗系統(tǒng)技術，力圖在進行軸承性能試驗的同時，對其使用性能的劣化和潛在缺陷進行監(jiān)測和診斷，指導試驗的快速、有效地開展。滾動軸承壽命強化試驗系統(tǒng)，屬國獨創(chuàng)，

4、該項目已產業(yè)化生產，并解決了關鍵技術問題，產品已系列化：ABLT-1A，ABLT-2，ABLT-3，ABLT-4，ABLT-5，ABLT-6，ABLT-7，已生產銷售200余臺，創(chuàng)產值2500余萬元，替代進口產品，為國家節(jié)省外匯6000余萬美元。已申請國家發(fā)明專利4項，而且均已公示，已授權2項。目前這一軸承壽命強化試驗系統(tǒng)技術已被瓦房店軸承集團檢測試驗中心、中國摩士集團軸承技術研究院等國、外眾多用戶廣泛認可并應用。2 各模塊的方案選擇與論證 2.1 軸承故障診斷的主要環(huán)節(jié)滾動軸承診斷技術概括的說就是以軸承故障振動原理為基礎，通過采集跟檢測反映軸承各種狀態(tài)的振動信號，并利用現代信號處理方法將采集

5、到的振動信號經相應的變換，找到反映軸承狀態(tài)的特征信息頻率，然后根據現有的故障特性頻率跟參數判斷故障原因，并預測故障的發(fā)展跟設備的使用壽命。 一個完整的軸承故障診斷系統(tǒng)大概包括五個環(huán)節(jié)： 1 信號的提取 根據軸承的工作環(huán)境跟工作性質，量取并選擇能夠反映軸承工作狀態(tài)信息的特征信號。 2 特征抽取 從得到的信號數據中以一定的數據分析與處理方法抽取能夠反映軸承狀態(tài)的數據信息。 3 狀態(tài)識別 根據征兆，以一定的狀態(tài)識別方法識別軸承的狀態(tài)信息，即簡單的認識到軸承的工作是否正常或者有無故障。 4 診斷分析 根據情況進一步分析相關的狀態(tài)與其發(fā)展趨勢，當軸承有故障時，詳細的分析出故障的類型，性質，部分，原因和趨

6、勢等等。 5 決策干預 根據狀態(tài)跟情況做出相應的應對措施。2.2 軸承的振動類型 軸承的振動類型復雜多樣，它所造成的振動大致分為三類: 1與軸承變形相關的振動：軸承作為一種彈性變體。軸承負載時，由于負載滾動體的不斷變換使得軸承在運行狀態(tài)時發(fā)生彈性振動。它與軸承的一場狀態(tài)無關。 2與軸承加工有關的振動：軸承各元件在加工中不可避免的出現加工失誤。如表面波紋，輕微的擦痕，裝配誤差等都會引起軸承振動。 3軸承在工作時發(fā)生故障引起的振動：軸承在實際工作中，由于發(fā)生破碎，斷裂，剝落等故障而產生振動。這些振動反映了軸承的損傷情況，所以是應該注意的，這類振動所產生的振動信號是監(jiān)測分析的對象。2.3 軸承診斷各

7、模塊的的方案選擇 2.3.1 單片機的選擇C8051F340單片機是就是順應這種需求而推出的一種新型USB控制器，功能控制器，符合規(guī)版集成時鐘恢復電路，無需外部晶體；支持個端點；緩存；集成收發(fā)器。無需外部電阻。C8051F340單片機的這些特點。使其在設備設計開發(fā)中具有極強的競爭力，特別是在通訊設計中。C8051F340具有片上電復位、VDD監(jiān)視器、電壓調整器、 HYPERLINK :/baike.baidu /view/1313309.htm t _blank 看門狗定時器和時鐘振蕩器的C8051F340器件是真正能獨立工作的 HYPERLINK :/baike.baidu /view/88

8、2467.htm t _blank 片上系統(tǒng)。FLASH HYPERLINK :/baike.baidu /view/87697.htm t _blank 存儲器還具有在系統(tǒng)重新 HYPERLINK :/baike.baidu /view/3281.htm t _blank 編程能力，可用于非易失性數據存儲，并允許現場更新8051 HYPERLINK :/baike.baidu /view/33738.htm t _blank 固件。用戶軟件對所有外設具有完全的控制，可以關斷任何一個或所有外設以節(jié)省功耗。片Silicon Labs二線（C2）開發(fā)接口允許使用安裝在最終應用系統(tǒng)上的產品MCU進行

9、非侵入式（不占用片資源）、全速、在系統(tǒng)調試。調試邏輯支持觀察和修改 HYPERLINK :/baike.baidu /view/87697.htm t _blank 存儲器和 HYPERLINK :/baike.baidu /view/6159.htm t _blank 寄存器，支持 HYPERLINK :/baike.baidu /view/278359.htm t _blank 斷點、單步、運行和停機命令。在使用C2進行調試時，所有的模擬和數字外設都可全功能運行。兩個C2接口 HYPERLINK :/baike.baidu /view/641241.htm t _blank 引腳可以與用戶

10、功能共享，使在系統(tǒng)調試功能不占用封裝 HYPERLINK :/baike.baidu /view/641241.htm t _blank 引腳。每種器件都可在工業(yè)溫度圍（-45到+85）用2.7V-5.25V的電壓工作。電源電壓大于3.6V時，必須使用部穩(wěn)壓器。對于USB通信，電源電壓最小值為3.0V。端口I/O和/RST HYPERLINK :/baike.baidu /view/641241.htm t _blank 引腳都容許5V的輸入信號電壓。C8051F340采用48腳TQFP封裝或32腳LQFP封裝。由于本系統(tǒng)對CPU運算速度要求很高，需要執(zhí)行很復雜的運算，故采用上述方案。2.3.

11、2振動傳感器的選擇 一. 機械監(jiān)測系統(tǒng)測振傳感器的選擇必須從兩個方面考慮:首先要考慮被監(jiān)測設備的機械方面的因素。傳感器的選擇除了考慮監(jiān)測系統(tǒng)的機械因素外，還應注意如下幾點：1.對用接觸式傳感器進行振動測量時，應盡量避免對被測試件增加質量負載，即傳感器的質量應遠小于被測物體或試件的質量，防止或避免因安裝傳感器造成被測物體或試件動態(tài)特性的改變。非接觸式傳感器無此缺點，但其靈敏度與初始安裝間隙有關，使用時應加以注意。2.測量前應估計出被測量的頻率圍，并檢查它是否落在傳感器的幅頻曲線的上作頻帶，即幅頻曲線的平直段。當測量由多種頻率成分組成的復雜波形時，必須選擇相移與頻率成線性關系(相頻曲線為過坐標原點

12、的斜直線)的傳感器，否則將會產生波形失真。3.事先估計被測系統(tǒng)的最大振級，并檢查它是否超過所采用傳感器最大沖擊值的三分之一。一般說來低靈敏度傳感器可用于高振動量級測量，反之，低量級振動應采用高靈敏度傳感器，以提高信噪比。4.估計被測點振動方向，以便于正確安裝傳感器，減小橫向靈敏度等帶來的測量誤差。如不能精確估計，可采用受方向影響較小的傳感器。5.估計傳感器的上作環(huán)境，如溫度、瞬時溫度、磁場、聲場等，并檢查所采用傳感器能否滿足使用環(huán)境的要求，是否要采用必要的防措施。二 . 根據上述容，本系統(tǒng)采用壓電式加速度傳感器，從性能價格比的角度考慮選用測振儀器廠生產的YD一12型壓電式加速度傳感器，其參數如

13、下：圖2.3 傳感器原理圖1.電壓靈敏度:40一60mv/g;2.橫向靈敏度:5%;3.頻率響應:1一10000Hz;4.電荷靈敏度:4060pe/g;5.引出方向:側向;6.最大可測加速度:5009;7.電容:1000pF;8.重量:2590g2.3.3轉速傳感器選擇 1.工作原理轉速傳感器選用非接觸光電式轉速傳感器，它分為投射式和反射式兩類。投射式光電轉速傳感器的讀數盤和測量盤有間隔一樣的縫隙。測量盤隨被測物體轉動，每轉過一條縫隙，從光源投射到光敏元件上的光線產生一次明暗變化,光敏元件即輸出電流脈沖信號（圖1）。反射式光電轉速傳感器在被測轉軸上設有反射記號，由光源發(fā)出的光線通過透鏡和半透膜

14、入射到被測轉軸上。轉軸轉動時，反射記號對投射光點的反射率發(fā)生變化。反射率變大時，反射光線經透鏡投射到光敏元件上即發(fā)出一個脈沖信號；反射率變小時，光敏元件無信號。在一定時間對信號計數便可測出轉軸的轉速值。2.具體型號的選用具體型號選用LG-916光電式轉速傳感器，制造商為小野（ONO SOKKIONO SOKKI） LG-916是從傳感器發(fā)出 (紅外線)，照到旋轉軸上產生反射光,再檢測這個反射光的非接觸式轉速傳感器。在旋轉軸上通常要貼反射標簽，LG-916是在其尖端部使用玻璃纖維束，其玻璃纖維束發(fā)出紅外線光，同時接受反射回來的光。傳感器裝小型放大器，對波形整形為矩形波輸出重量只有150g，非常緊

15、湊輕便。3.系統(tǒng)的硬件設計系統(tǒng)的硬件主要包括電源模塊、C8051F340單片機、數據采集模塊，數據傳輸電路等對軸承故障診斷與檢測。3.1 電源模塊電源電路負責給硬件電路提供工作電源。本電路直接使用3節(jié)干電池供電，這樣增加了設備的可移動性，同時也減小了設備的體積。3.2 軸承故障診斷的理論與方法軸承故障診斷中, 采用共振解調法, 基本原理為: 當軸承某一元件表面產生局部損傷時, 在軸承受載運行時要撞擊與之相互作用的其它元件表面, 產生一系列的沖擊脈沖力. 這些沖擊力會激起軸承系統(tǒng)的高頻固有振動. 根據實際情況, 可選擇其中一個高頻固有振動作為研究對象, 通過帶通濾波的方法, 把它從其中的高頻振動

16、中分離出來. 這個高頻固有振動的振幅受軸承元件故障特征頻率的調制. 利用包絡檢波器解調得到反映故障的包絡信號, 對此包絡信號進行分析, 即可診斷出滾動軸承的故障. 振動信號的分析處理分為時域處理和頻域處理兩類. 時域處理主要指標為振動信號的均方根值和峰值, 可以通過均方根值硬件電路和峰值保持電路得到. 當利用時域指標監(jiān)視發(fā)現某軸承有故障, 要判斷到底是什么類型的故障、故障發(fā)生在哪個元件上, 以與故障的嚴重程度等比較精確的信息時, 需要對滾動軸承的信號進行頻譜分析, 即進行頻域處理. 根據頻譜圖中的頻率成分以與各有關頻率成分處的幅值大小進行精確診斷.如圖所示：傳感器拾取振動信號包絡信號帶通濾波放

17、大高頻 固有振動沖擊元件損傷低通濾波器頻譜分析 頻譜圖3.1 檢測流程圖軸承的故障特性分析 滾動軸承的不同類型的故障會引起不同類型的特征振動信號，按照振動信號的不同可以將故障區(qū)分為一下幾個類型： 1.滾動軸承的構造故當軸承上面加上一定的負載時，旋轉軸的中心隨著滾動體的位置變動，這是因為負載使軸承的外圈跟滾動體發(fā)生了彈性形變，同時產生的振動叫做滾動體的傳輸振動，這個振動的主要頻率是zfc（z為滾動體數，fc為滾動體頻率），對于旋轉軸彎曲，軸承跟軸裝歪，或者滾動體的直徑不一致的故障會產生如下表中的振動：表3.1構造故障頻率異常原因 特征頻率 備注軸彎曲或軸裝歪 f為旋轉頻率，不能引起高頻衰減振動滾

18、動體直徑不一致 fc以與nfc=f f為旋轉頻率，不能引起高頻衰減振動2.滾動軸承的表面損傷表面損傷的類故障是軸承最常見的故障，常表現為元件表面疲勞導致剝落，壓痕，裂痕，燒傷，劃傷等。當軸承存在局部損傷時，損傷點通過軸承元件表面時要產生突變的沖擊脈沖力，該脈沖是一個寬帶信號，所以必然覆蓋軸承系統(tǒng)的高頻固有振動頻率而引起諧振，從而產生沖擊振動由于滾動軸承的勻速回轉，使沖擊具有周期性，對發(fā)生在不同位置的損傷，叢集具有不同的頻率，通常稱為特征頻率，故障特征頻率一般在1KHz以下，股東軸承不同元件損傷故障特征頻率各不一樣，損傷故障特征頻率計算公式，如下表： 為簡單起見，設軸承外圈固定，圈旋轉，表中，d

19、為滾動體直徑，D為軸承節(jié)圓直徑。a為接觸角，z為滾動體個數，fx為圈的旋轉頻率，fc為外圈的旋轉頻率，N為工作轉速。表3.2 滾動軸承的表面損傷異常情況 特征頻率 備注外圈損傷 能引起高頻衰減振動圈損傷 能引起高頻衰減振動滾動體損傷 能引起高頻衰減振動3.精加工面波紋制造時如在滾道或者滾動體的精加工上面留有波紋，當凸起數達到某一數值時就會引起如下表的振動：表3.3 波紋頻率異常原因 特征頻率 備注圈波紋 波紋凸起數為，發(fā)生左欄中頻率振動外圈波紋 波紋凸起數為，發(fā)生左欄中頻率振動滾動體波紋 波紋凸起數為2n時，發(fā)生左欄中振動4.滾動軸承不同軸當軸承不對中或者軸承裝配不良時都會發(fā)生一些低頻振動，如

20、下表： 表3.4 滾動軸承不同軸時的頻率異常原因 特征頻率 備注 兩個軸承不對中，軸承架表面劃傷或進入異物軸承支/2 發(fā)生左欄中的振動，球軸承發(fā)生振動架裝配松動，軸承本身裝配不良 圈面的圓度差，軸徑圓度差2同上軸徑面劃傷或進入異物 軸承的故障特征頻率的實際值跟測量值有偏差，這是因為軸承元件并非絕對的剛性體，滾動體與外滾道之間也會有相對滑動，再加上瞬時轉速的波動跟測量儀器的誤差，使得滾動軸承的實際值跟測量值的存在誤差，實測值在計算值附近的某頻帶圍，軸承型號不同或者元件不同，這種誤差也不同。3.3 軸承故障診斷的硬件結構設計 軸承診斷裝置主要是由模擬硬件電路，9通道數據采集電路與自帶USB控制器和

21、A/D轉換器的混合信號微處理器C8051F340等組成，其主要硬件電路結構圖是：壓電式加速度傳感器包絡檢波電路 C8051F340單片機A/DUSB被檢測的軸承設備轉速傳感器串口 PC機圖3.2 硬件電路結構圖 電路的設計采用共振解調的原理，利用加速度傳感器采集震動信號，獲取故障信息，實現對滾動軸承的震動信號的處理，發(fā)現軸承的故障后，判斷是什么類型的故障，故障發(fā)生在哪個元件上，以與故障的嚴重程度等比較精確的信息時，需要對滾動軸承的信號的信號驚醒頻譜分析，即進行頻域處理。滾動軸承的故障特性的頻率計算需要知道圈的旋轉頻率，所以有必要知道旋轉體的速度，采用非接觸式光電式傳感器。3.3.1信號放大電路

22、 在測量時，由傳感器傳來的信號一般都是比較弱的低電平信號，不適合直接進去ADC，放大器的作用等同于放大電路，將微弱信號驚醒放大，一邊能充分的利用ADC的滿刻度分辨率，同時還可以要求放大器能抑制干擾跟降低噪聲。由于LM324四運放電路具有電源電壓圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應用在各種電路中。LM 324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，它的部包含四組形式完全一樣的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。 每一組運算放大器可用圖1所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。

23、兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位一樣。圖 3.3 一組放大器圖 圖3.4 引腳排列將LM324接入電路圖為：圖3.5信號放大電路3.3.2 單片機最小系統(tǒng)電路單片計算機應該是一個最小的應用系統(tǒng)，但由于應用系統(tǒng)中有一些功能器件無法集成到芯部，如晶振、復位電路等，需要在片外加接相應的電路。時鐘電路TTLXTAL2XTAL1外部時鐘信號VCCMCS-51單片機部的振蕩電路是一個高增益反相放大器，引線XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入端和輸出端。單片機部雖然有振蕩電路，但要

24、形成時鐘，外部還需附加電路。MCS-51單片機的時鐘產生方式有兩種：晶振XTAL1XTAL2圖3.6 使用片振蕩電路的時鐘電路 圖3.7 HMOS型單片機的外部時鐘電路部時鐘方式：利用其部的振蕩電路在XTAL1和XTAL2引線上外接定時元件，部振蕩電路便產生自激振蕩，用示波器可以觀察到XTAL2輸出的時鐘信號。最常用的是在XTAL1和XTAL2之間連接晶體振蕩器與電容構成穩(wěn)定的自激震蕩器，晶體可在1.212MHz之間選擇。MCS-51單片機在通常應用情況下，使用振蕩頻率為6MHz的石英晶體，而12MHz頻率的晶體主要是在高速串行通信情況下才使用。對電容值無嚴格要求，但它的取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)

25、定性、大小與振蕩電路起振速度有少許影響。C1和C2可在20100pF之間取值，一般取30pF左右。外部時鐘方式：在有些系統(tǒng)中，為了各單片機之間時鐘信號的同步，應當引入惟一的合用外部振蕩脈沖作為各單自片機的時鐘。外部時鐘方式中是把外部振蕩信號源直接接入XTAL1或XTAL2。由于HMOS和CHMOS單片機外部時鐘進入的引線不同，其外部振蕩信號源接入的方式也不同。HMOS型單片機由XTAL2進入，外部振蕩信號接至XTAL2，而部反相放大器的輸入端XTAL1應接地，如圖3.9所示。由于XTAL2端的邏輯電平不是TTL的，故還要接一上拉電阻。CHMOS型單片機由XTAL1進入，外部振蕩信號接至XTAL

26、1，而XTAL2可不接地，如圖3.10所示：XTAL2XTAL1不接地外部時鐘圖3.8 CHMOS型單片機的外部時鐘電路復位電路在上電或復位過程中，控制CPU的復位狀態(tài)：這段時間讓CPU保持復位狀態(tài)，而不是一上電或剛復位完畢就工作，防止CPU發(fā)出錯誤的指令、執(zhí)行錯誤操作，也可以提高電磁兼容性能。無論用戶使用哪種類型的單片機總要涉與到單片機復位電路的設計。而單片機復位電路設計的好壞直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性。許多用戶在設計完單片機系統(tǒng)并在實驗室調試成功后在現場卻出現了死機程序走飛等現象這主要是單片機的復位電路設計不可靠引起的。圖3.9 復位電路電源電路為單片機工作提供穩(wěn)定的電源,采用LM11

27、17電壓調節(jié)器。LM1117是一個低壓差電壓節(jié)器系列。其壓差在1.2V輸出，負載電流為800mA時為1.2V。它與國家半導體的工業(yè)標準器件LM317有一樣的管腳排列。LM1117有可調電壓的版本，通過2個外部電阻可實現1.2513.8V輸出電壓圍。另外還有5個固定電壓輸出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型號。LM1117提供電流限制和熱保護。電路包含1個齊納調節(jié)的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在1%。電路圖如下：圖3.10 電源電路A/D轉換電路由于C8051F340是一個混合控制器，本身包含10位ADC轉換模塊部分。C8051F340的ADC0子系統(tǒng)集成了兩個通道模擬多

28、路選擇器（合稱AMUX0）和一個200ksps 的10位逐次逼近寄存器型 ADC，ADC中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器。AMUX0、數據轉換方式與窗口檢測器都可用軟件通過特殊功能寄存器來配置。5. C8051F340介紹與引腳功能說明在整個硬件設計中C8051F340 單片機是系統(tǒng)重要的組成部分。C8051F340單片機是S ilicon Laboratories公司推出的完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU。具有高速、流水線結構的8051兼容的微控制器核( 可達48M IPS ); 通用串行總線(USB )功能控制器, 有8 個靈活的端點管道, 集成收發(fā)器和1K FIFO RAM; 真

29、正10位200ksps的單端/差分ADC, 帶模擬多路器; 片電壓基準和溫度傳感器; 精確校準的12MH z部振蕩器和4 倍時鐘乘法器; 多達64KB 的片FLASH 存儲器; 多達4352字節(jié)片RAM ( 256+ 4KB ); 多達40個端口I/O (容許5V 輸入)采集系統(tǒng)的電路設計。C8051F340使用Silicon Labs的專利CIP-51微控制器核。CIP-51與MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用標準803x/805x的 HYPERLINK :/baike.baidu /view/1315652.htm t _blank 匯編器和 HYPERLINK :/baike.ba

30、idu /view/487018.htm t _blank 編譯器進行軟件開發(fā)。CIP-51核具有標準8052的所有外設部件，包括4個16位計數器/定時器、兩個具有擴展 HYPERLINK :/baike.baidu /view/119333.htm t _blank 波特率配置的全雙工UART、一個增強型SPI端口、多達4352字節(jié)的部RAM、128字節(jié) HYPERLINK :/baike.baidu /view/714719.htm t _blank 特殊功能寄存器（SFR） HYPERLINK :/baike.baidu /view/1507129.htm t _blank 地址空間與多

31、達40個I/O HYPERLINK :/baike.baidu /view/641241.htm t _blank 引腳。由于C8051F340本身集成眾多硬件電路的特性, 硬件接口設計變得非常簡單, 不需要再添加額外的電子元器件就能實現USB的數據傳輸和AD轉換等, 使得系統(tǒng)的硬件結構簡單, 集成度高, 可靠性好。C8051F340上的P2. 0 P2. 6引腳作為數據采集的輸入端口, 接受來自預處理電路輸送過來的數據, 最后通過單片機的模擬多路選擇器( AMUX) 最終決定進入AD 轉換的通道。其引腳圖如下：圖3.11 C8051F340的引腳分布MAX232串口通信功能RS一232C是美

32、國電子工業(yè)協會EIA(EleetronieIndus 抑Assoeiation)制定的一種串行物理接口標準。RS-232C總線標準規(guī)定了21個信號和25個引腳，包括一個主通道和一個輔助通道，在多數情況下主要使用主通道。完整的RS-232C接口采用標準的25芯插頭；對于一般雙工通信，常用9芯插頭，僅需幾條信號線就可實現，最簡單的通訊方式只需3根引線，包括一條發(fā)送線、一條接收線和一條地線。 由于RS-232C的邏輯0電平規(guī)定為+5+15V，邏輯1電平規(guī)定為-15 -5V，因此，在與TTL電路接口時必須經過電平轉換。下面簡單介紹一下常用的RS-232C電平轉換芯片MAX232。 MAX232是MAX

33、IM公司生產的、包含兩路接收器和驅動器的RS-232C電平轉換芯片，適用于各種232通信接口。MAX232芯片部有一個電源電壓變換器，可以把輸入的+5V電源電壓變換成為RS-232C輸出電平所需的+10V或-10V電壓。所以，采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只需單一的5V電源就可以了。由于其適應性強，加之價格低廉，硬件接口簡單，所以被廣泛采用。MAX232引腳功能說明第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構成。功能是產生+12v和-12v兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。 第二部分是數據轉換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構成兩個數據通道。其中13腳

34、（R1IN）、12腳(R1OUT)、11腳(T1IN)、14腳(T1OUT)為第一數據通道。8腳(R2IN)、9腳(R2OUT)、10腳(T2IN)、7腳(T2OUT)為第二數據通道。TTL/CMOS數據從T1IN、T2IN輸入轉換成RS-232數據從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數據從R1IN、R2IN輸入轉換成TTL/CMOS數據后從R1OUT、R2OUT輸出。 第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC(+5v)。 圖3.12 串口接入電路圖3.3.3采集模塊的設計 由硬件電路獲得所需的振動信號以后，需進行A/D采集，通過串口通訊傳入PC機中，使用上位

35、機程序進行后續(xù)處理。A/D采集功能與傳輸功能采用C8051F340單片機上集成的USB和10位ADC轉換模塊來實現。采集模塊的總體電路原理圖 圖3.13 采集模塊的原理總圖本系統(tǒng)主要有兩大部分：上位機微處理器控制系統(tǒng)和下位機測量系統(tǒng)。上位機微處理器控制系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的核心，是負責與下位機通信并完成信息收集和與計算機串口通信功能的，具體由通過單片機部集成的USB與計算機的連接部分、單片機和信號分析三部分組成。下位機測量系統(tǒng)負責對測量點的振動信號測量，上位機控制系統(tǒng)的主要組成硬件有： C8051F340單片機、下位機信息采集系統(tǒng)的硬件組成有振動信號傳感器、C8051F340單片機、74CH14信號

36、處理芯片。C8051F340單片機74CH14AD544LPC機MAX232圖3.14 下位機結構圖MAX232PC機C8051F340單片機AD544L74CH14圖3.15 上位機結構圖4 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)的軟件主要是根據單片機對振動信號的分析，利用C語言和匯編語言在MATLAB軟件中實現的通過導入數字信號中實現軸承故障的診斷跟檢測。4.1主程序方案主程序調用三個子程序，分別是振動信號采集程序、特征故障頻率選擇程序、數據上傳程序。（1） 振動信號采集程序：對信號采集模塊送過來的數據進行處理，進行判斷。（2）數據上傳程序：檢測采集過來的含有故障特性頻率的數字信號。（3） 系統(tǒng)框圖見附錄4.2

37、主要流程圖介紹按照模塊化設計的思想，系統(tǒng)中各主要功能模塊均編成獨立的函數在主程序中加以調用，程序主要由以下功能模塊組成：基于74CH14觸發(fā)器震動信號采集函數、AD轉換程序、基于MAX232的串口通信程序。數據處理程序對接收到的有效數據進行簡單的計算處理后將其通過串口發(fā)送到計算機，進一步的分析和處理。 根據硬件整體設計方案，本系統(tǒng)的軟件設計采用模塊化、結構化得設計方法，整個系統(tǒng)為上位機程序設計部分和下位機程序部分，其中下位機主要包括信號監(jiān)測模塊、數據轉換模塊，上位機主要包括數據處理模塊。軟件的整體設計流程如圖。整個系統(tǒng)的各個部分都是服務于數據處理這個目的。所以，在整個系統(tǒng)的軟件設計中，數據處理

38、是關鍵。初始化信號采集送pc數據處理發(fā)送數據接收數據圖4.1整體數據處理過程4.2.1 主程序流程圖由于軸承的振動產生的振動頻率經振動傳感器轉換為振動信號，由于信號的電壓很低，需要基于AD554L放大芯片的放大電路進行放大，然后再由濾波電路進行濾波，才能獲得A/D轉換器所需要的具有特征振動頻率的模擬信號，由A/D轉換器進行模轉數，獲得數字信號。由于本系統(tǒng)不需要電腦與單片機進行反饋，C8051F340單片機用于對軸承故障診斷中測試信號的采集, 由于C8051F340單片機部集成了高精度時鐘源、電壓調節(jié)器、A/D轉換器以與用于A/D轉換的參考電壓源等豐富的片上外設, 因此在對數據采集模塊硬件設計時

39、, 無需擴展上述模塊, 使得硬件結構簡單, 集成度高. 通過片上MAX232接口, C8051F340單片機與PC機連接; REGIN為部電壓調節(jié)器輸入端, 可以外接5V電源, 也可以與VBUS連接, 單片機由USB供電. 此時, C8051F340單片機的VDD端可看作+3. 3V電源, 可給外部器件供電. P2. 0 P2. 3為四路模擬輸入通道. C8051F340單片機片10位A/D測量的輸入圍為0VREF* 1023/1024,選擇部參考電壓VREF=2. 44V, 因加速度傳感器電壓輸出圍為- 12 + 12V, 需加處理電路，使其達到單片機A/D的可測量圍。設備啟動初始化YD-1

40、2Pc機初始化AD544L初始C8051F340內部的10位AD轉換模塊MAX232串口圖4.2 信號采集與傳輸的流程圖4.2.2 AD采集使用C8051F340單片機部集成的10位ADC對四路信號采樣. 經過濾波和檢波之后, 振動信號為包含故障特征的低頻信號, 頻率圍僅為數KHz, 故由采樣定理知采樣頻率選擇25KHz已足夠。 ADC0轉換啟動方式為定時器2溢出啟動,定時器2工作于16位自動重裝載模式, 其重裝載值決定ADC0的采樣頻率. 使用C8051F340單片機部模擬多路選擇器AMXU0配置ADC0為單端輸入方法, 選擇P2. 0P2. 3腳作為四路模擬輸入通道。上位機( PC機)決定

41、對哪一路信號采樣,通過USB發(fā)送該通道號到單片機中, 修改多路選擇器AMXU0的正輸入通道選擇寄存器AMX0P的值, 指向相應的模擬輸入通道, AD開始對該通道采樣。傳感器信號放大器AD轉換模塊PC機圖4.3 AD采集流程圖4.2.3串口通信要完成通信, 需要PC端與C8051F340單片機端共同協作. 在單片機端,單片機C8051F340是整個系統(tǒng)的核心，10位ADC轉換模塊對輸入的模擬信號進行采集，轉換結果由單片機通過P3.5（9腳）接收，AD芯片的通道選擇和方式數據通過P3.4（8腳）輸入到其部的一個8位地址和控制寄存器，單片機采集的數據通過串口（3、2腳）經MAX3232轉換RS232

42、電平向上位機傳輸,對采集/傳輸的數據進行監(jiān)測。PC機端單片機端用戶程序用戶應用程序單片機MAX232主機驅動串口器件驅動圖4.4 串口通訊流程PC機端串口通信PC機端應用程序主要用于完成用戶圖形界面和基于MAX232串口通信程序兩大功能, 從而實現人機交互, 并將用戶輸入的指令和采集模塊采集的數據通過串口總線在PC機和C8051F340之間進行傳遞。在應用程序中, 分別讀取C8051F340單片機通過串口傳送過來的四路信號并作相應處理: 速度值顯示處理; 均值和峰值繪制波形, 并計算出值; 濾波和檢波之后的包絡信號,通過FFT運算, 進行頻域處理, 繪制出頻譜圖. 四路信號都可保存, 需要時可

43、以回放。上傳到PC進行頻譜分析FFT（Fast Fourier Transformation），即為快速傅氏變換，是離散傅氏變換的快速算法，它是根據離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進獲得的。它對傅氏變換的理論并沒有新的FFT算法圖(Bufferfly算法)發(fā)現，但是對于在計算機系統(tǒng)或者說 HYPERLINK :/baike.baidu /view/987445.htm t _blank 數字系統(tǒng)中應用離散 HYPERLINK :/baike.baidu /view/191871.htm t _blank 傅立葉變換，可以說是進了一大步。設x(n)為N項的 HYP

44、ERLINK :/baike.baidu /view/10078.htm t _blank 復數序列，由DFT變換，任一X（m）的計算都需要N次復數乘法和N-1次復數加法，而一次復數乘法等于四次 HYPERLINK :/baike.baidu /view/14749.htm t _blank 實數乘法和兩次復數加法，一次復數加法等于兩次實數加法，即使把一次復數乘法和一次復數加法定義成一次“運算”（四次實數乘法和四次實數加法），那么求出N項復數序列的X（m）,即N點DFT變換大約就需要N2次運算。當N=1024點甚至更多的時候，需要N2=1048576次運算，在FFT中，利用WN的周期性和對稱性

45、，把一個N項序列（設N=2k,k為正整數），分為兩個N/2項的子序列，每個N/2點DFT變換需要（N/2）2次運算，再用N次運算把兩個N/2點的DFT變換組合成一個N點的DFT變換。這樣變換以后，總的運算次數就變成N+2*（N/2)2=N+N2/2。繼續(xù)上面的例子，N=1024時，總的運算次數就變成了525312次，節(jié)省了大約50%的運算量。而如果我們將這種“一分為二”的思想不斷進行下去，直到分成兩兩一組的DFT運算單元，那么N點的DFT變換就只需要Nlog2N次的運算，N在1024點時，運算量僅有10240次，是先前的直接算法的1%，點數越多，運算量的節(jié)約就越大，這就是FFT的優(yōu)越性。對于表

46、面損傷累故障，要用共振解調法，通過檢波器進行分揀，得到只含有故障特征頻率的低頻信號。對這一低頻信號進行頻譜分析從而診斷出軸承是否有故障。由于在實際應用中，滾動軸承的振動信號含有大量的隨機成分，所以即使對該故障軸承，其特征頻率成分在軸承中也不是很明顯。為了能夠使圖譜比較清晰的表現出故障特征那部分的頻譜，常采用先用模擬的或者數字的方法對信號進行檢波跟濾波，以提高噪聲比，突出故障特征信息。還有就是進行多次FFT運算然后取平均值。FFT運算的源程序代碼如附錄。結論本文詳細的介紹了系統(tǒng)所需要的元器件，根據系統(tǒng)方案的要求詳細的論證了實現軸承故障診斷的具體設計思路與系統(tǒng)的總體框架并詳盡的闡述了系統(tǒng)的硬件結構

47、和軟件設計。本設計是以單片機C8051F340為核心，集成了10位ADC轉換模塊，將采集到的振動模擬信號進行分析跟轉換。通過振動傳感器采集的帶有故障特征頻率的振動信號，通過lm324四集成的預算放大器將信號放大，因為采集到的振動信號的電壓很低。電源電路利用LM117低壓差調節(jié)器，將輸送過來的電源電壓調節(jié)成傳感器跟單片機能用的合適電壓，電源電路為整個系統(tǒng)的運轉正常提供了穩(wěn)定的供電保障。C8051F340作為一個微控制器，其指令與MCS51的指令完全兼容，其單片機的開發(fā)就用與MCS51的單片機開發(fā)一樣的工具。此次設計通過壓電式傳感器采集的振動信號，用74CH14觸發(fā)器進行信號處理，將傳感器傳來的模

48、擬信號進行分揀與提煉。用9孔的電平轉換芯片，將準換到低壓數字信號轉換為高壓電平，從而可以將信息上傳到電腦上進行軟件分析。本系統(tǒng)設計難免會存在一些紕漏和不足之處，在實際應用中，系統(tǒng)還有許多需要改進的地方，可以在以下幾個方面進行的改進或升級。可以對單片機模塊加以完善。對于單片機與PC機之間的通訊可以用其它的一些畢竟成熟的技術，比如USB直接傳輸更方便快捷。致經過半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設計已經接近尾聲，作為一個本科生的畢業(yè)設計，由于經驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導師的督促指導，以與一起工作的同學們的支持，想要完成這個設計是難以想象的。 在這里首先要感我的指導老師安國慶。安老師平

49、日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設計的每個階段，從查閱資料，設計草案的確定和修改，中期檢查，到后期詳細設計等整個過程中都給予了我悉心的指導。我的設計較為復雜，但是安老師仍然細心地糾正我學習中的錯誤。在跟老師的學習過程中，除了安老師的專業(yè)水平外，他的治學嚴謹和科學研究的精神也是我永遠學習的榜樣，并將積極影響我今后的學習和工作。 然后還要感大學四年來所有的老師，為我們打下電器專業(yè)知識的基礎。同時還要感所有的同學們，正是因為有了你們的支持和鼓勵，此次畢業(yè)設計才會順利完成。 最后感我的母?？萍即髮W四年來對我的大力栽培。參 考 文 獻1周立功等. 增強型80C51單片機速成與實戰(zhàn).: 航空航天大學, 2003

50、.7.2馬忠梅, 籍順心, 凱,馬巖. 單片機的C語言應用程序設計(修訂版). : 航空航天大學, 1998.10 .3胡漢才. 單片機原理與接口技術. : 清華大學, 2004.2 .4光, 叢培田. 基于共振解調的滾動軸承故障診斷的研究與實現. 機械工程師, 2006.5朱磊, 東. C8051F340與Labview基于API的USB通信. 單片機與嵌入式系統(tǒng), 2007.6屈梁生.機械故障的全息診斷原理M.：科學，2007.7澤九,賀士荃,興林，等.滾動軸承應用手冊K.2版.:機械工業(yè)，2006.8溫詩鑄，黎明.機械學發(fā)展戰(zhàn)略研究M.：清華大學，2003.9周仲榮，雷源忠，嗣偉.摩擦學

51、發(fā)展前沿M.：科學，2006.10斌.滾動軸承振動監(jiān)測與診斷理論方法系統(tǒng)M.：機械工業(yè)，1995.11今培，肖健華.智能故障診斷與專家系統(tǒng)M.：科學，1997.12 Hasan Ocak.Fault Detection， Diagnosis and Prognosis of Rolling Element Bearings: Frequency Domain Methods and Hidden Markov ModelingD. Ph.D. Dissertation, Case Western Reserve University,U.S.A.,2004.13 LI Xing-lin, QU

52、AN Yong-xin, JIN Xi-zhi. Monitoring Test of the Wear Condition of Rolling Bearing Friction PairsM. Proceedings of the Japan International Tribology Conference，1990.14周福昌.基于循環(huán)平穩(wěn)信號處理的滾動軸承故障診斷方法研究D.：交通大學，2006.15興林.點接觸滾動摩擦副磨合過程的試驗研究與其理論分析D.：大學，1987.16 HUANG Run-qing,XI Li-feng,LI Xing-lin,et al. Residua

53、l Life Predictions for Ball Bearings Based on Self-organizing Map and Back Propagation Neural Network MethodsJ. Mechanical Systems and Signal Processing， 2007(21)：193-207 17 梅宏斌，滾動軸承振動監(jiān)測與診斷。：機械工業(yè)，1995.18 海波，叢培田，C8051F340單片機在軸承故障診斷中的應用。理工大學學報，2008.19 肖宛昂，嵌入式系統(tǒng)中FFT算法研究。單片機與嵌入式系統(tǒng)應用。2002.20 志勇等，精通MATLAB

54、6.5版。，航空大學，2003.附錄串口通信程序：#define uchar unsigned char #define uint unsigned int #include c8051f340.h#include string.h #include stdio.h #include stdarg.hint UART1printf(const char *fmt, .);sbit LED1 = P21;char Uart0Str20; uchar UartCnt = 0;int Time0Cnt = 0;void PORT_Init (void) XBR0 = 0 x03; /使能UART0

55、XBR1 = 0 x40; /使能交叉開關 XBR2 = 0 x01; /使能UART1 P0MDOUT = 0 x10; /配置端口P0.4(TX0)輸出方式為推挽輸出 P0SKIP = 0 xC0; P1SKIP = 0 xFF; P2SKIP = 0 xFF; P3SKIP = 0 x03; void Timer_Init() TCON =0X50; /啟動定時器0/1 TMOD = 0 x22; /Time0與Time1都是自動重裝8位計數器定時器 CKCON = 0 x02; /系統(tǒng)時鐘/48 TL0 = 0 x64; TH0 = 0 x30; TMR2CN = 0 x20; TMR

56、2RLL = 0 xFF; TMR2RLH = 0 xFF;void UART0_Init (void) SCON0 |= 0 x10; TH1 = 0 x98; /波特率為4800 TL1 = TH1; TR1 = 1; TI0 = 1; TR0 = 1; void UART1_Init (void) SBRLL1 = 0 x3C; SBRLH1 = 0 xF6; SCON1 = 0 x10; /允許UART1接收 SMOD1 = 0 x0E; SBCON1 = 0 x43; void Oscillator_Init() int i = 0; FLSCL = 0 x90; CLKMUL =

57、0 x80; for (i = 0; i 20; i+); / Wait 5us for initialization CLKMUL |= 0 xC0; while (CLKMUL & 0 x20) = 0); CLKSEL = 0 x03; OSCICN = 0 x83;void Interrupts_Init() IP = 0 x1A; EIE1 = 0 x08; /允許ADC轉換結 EIE2 = 0 x02; EIP2 = 0 x02; IE = 0 x92; void sleep(unsigned int count) /24.5M下延時1ms unsigned int i,j; fo

58、r(i=0;icount;i+) for(j=0;j 19) UartCnt = 0; else Uart0StrUartCnt = 0; RI0 = 0; void Time0_Out(void) interrupt 1 /定時器0溢出中斷(中斷號1僅僅限于C8051F340,參考芯片pdf資料P82和Kill51用戶手冊的中斷函數P126) if(+Time0Cnt 10000) Time0Cnt = 0; void main() uchar UartCntOld = 99; PCA0MD &= 0 x40; /禁止看門狗定時器 Timer_Init(); PORT_Init(); UAR

59、T0_Init(); UART1_Init(); Oscillator_Init(); Interrupts_Init(); /以下代碼將VDD監(jiān)視器設置為復位源防止程序丟失得重要措施 VDM0CN |= 0 x80; /使能VDD監(jiān)視器 sleep(1); /延時1毫秒等待VDD監(jiān)視器啟動并穩(wěn)定（VDD監(jiān)視器啟動時間為100uS） RSTSRC = 0 x02; /設置VDD監(jiān)視器為復位源,代碼中所有的對rstsrc的寫操作均用直接賦值方式完成（如rstsrc = 0 x02） / sleep(10); printf(n 2010-03-13 n); UART1printf(n 2010-03-13 n); printf(Made By Martal n); UART1printf(Made By Martal n); printf(中斷UART0 rn); UART1printf(中斷UART1 rn); while(1) /重復循環(huán)顯示 if(UartCnt != UartCntOld) if(UartCnt=0) printf(%c,Uart0Str0); else printf(%c,Uart0StrUartCnt-1); UartCntOld = UartCnt; if(Time0Cnt 5000) Time0Cnt = 0; LED1 =