電機軸承外圈故障診斷裝置的設(shè)計1.

1、 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 35 頁 共 35 頁1 引言11 課題的研究背景設(shè)備故障診斷學(xué)是本世紀六七十年代產(chǎn)生并發(fā)展起來的一門綜合性邊緣學(xué)科,經(jīng)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(shù)手段可分為:振動分析法聲學(xué)分析法，紅外分析法!潤滑油分析法!計算機輔助診斷及專家系統(tǒng)等方法等，按照診斷對象可分為:旋轉(zhuǎn)機械故障診斷往復(fù)機械故障診斷!機械零件故障診斷!工程結(jié)構(gòu)故障診斷!液壓設(shè)備故障診斷!電氣設(shè)備故障診斷等，在這些眾多診斷分支中,旋轉(zhuǎn)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(jīng)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)

2、、農(nóng)業(yè)和國防建設(shè)及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(dān)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(zhuǎn)機械中應(yīng)用最為廣泛，同時也是最易損壞的元件之一。旋轉(zhuǎn)機械的許多故障都與滾動軸承有關(guān)，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(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生異常振動和噪聲，嚴重時甚至損壞設(shè)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(dǎo)致機械設(shè)備的劇烈振動和產(chǎn)生強大刺耳的噪音，嚴重時會引起設(shè)備的損壞、生產(chǎn)的停止、甚至嚴重的機械事故。據(jù)統(tǒng)計，約30% 的旋轉(zhuǎn)機械的故障

3、是由于軸承的損壞所引起的。隨著設(shè)備自動化程度和設(shè)備復(fù)雜程度的提高，以及工程領(lǐng)域大型旋轉(zhuǎn)機械的廣泛應(yīng)用，都要求對設(shè)備有很高的安全性和故障預(yù)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(zhuǎn)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(lǐng)域的重點。故障監(jiān)測和診斷技術(shù)發(fā)展到今天，已經(jīng)初步形成一門跨學(xué)科的綜合信息處理技術(shù)，鑒于此種情況，我們正著力于將故障監(jiān)測和診斷技術(shù)與滾動軸承試驗技術(shù)進行有效的結(jié)合，開發(fā)滾動軸承壽命強化試驗系統(tǒng)技術(shù)，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(dǎo)試驗的快速、有效地開展。滾動軸承壽命強化試驗系統(tǒng)，屬

4、國內(nèi)獨創(chuàng)，該項目已產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，并解決了關(guān)鍵技術(shù)問題，產(chǎn)品已系列化：ABLT-1A，ABLT-2，ABLT-3，ABLT-4，ABLT-5，ABLT-6，ABLT-7，已生產(chǎn)銷售200余臺，創(chuàng)產(chǎn)值2500余萬元，替代進口產(chǎn)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(quán)2項。目前這一軸承壽命強化試驗系統(tǒng)技術(shù)已被瓦房店軸承集團有限公司檢測試驗中心、中國·摩士集團寧波軸承技術(shù)研究院等國內(nèi)、外眾多用戶廣泛認可并應(yīng)用。2 各模塊的方案選擇及論證 2.1 軸承故障診斷的主要環(huán)節(jié) 滾動軸承診斷技術(shù)概括的說就是以軸承故障振動原理為基礎(chǔ)，通過采集跟檢測反映軸承各種狀態(tài)的

5、振動信號，并利用現(xiàn)代信號處理方法將采集到的振動信號經(jīng)相應(yīng)的變換，找到反映軸承狀態(tài)的特征信息頻率，然后根據(jù)現(xiàn)有的故障特性頻率跟參數(shù)判斷故障原因，并預(yù)測故障的發(fā)展跟設(shè)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(jù)軸承的工作環(huán)境跟工作性質(zhì)，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(shù)據(jù)中以一定的數(shù)據(jù)分析與處理方法抽取能夠反映軸承狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息。 3 狀態(tài)識別 根據(jù)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?；蛘哂袩o故障。 4 診斷分析 根據(jù)情況進一步分析相關(guān)的狀態(tài)及其發(fā)展趨勢，當軸承有故障時，詳細的

6、分析出故障的類型，性質(zhì)，部分，原因和趨勢等等。 5 決策干預(yù) 根據(jù)狀態(tài)跟情況做出相應(yīng)的應(yīng)對措施。2.2 軸承的振動類型 軸承的振動類型復(fù)雜多樣，它所造成的振動大致分為三類: 1與軸承變形相關(guān)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(guān)。 2與軸承加工有關(guān)的振動：軸承各元件在加工中不可避免的出現(xiàn)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(chǎn)生振動。這些振動反映了軸承的損傷情況，所以是應(yīng)該注意的，這類振動所產(chǎn)生的振動信

7、號是監(jiān)測分析的對象。 2.3 軸承診斷各模塊的的方案選擇 2.3.1 單片機的選擇C8051F340單片機是就是順應(yīng)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)范版集成時鐘恢復(fù)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(shè)備設(shè)計開發(fā)中具有極強的競爭力，特別是在通訊設(shè)計中。C8051F340具有片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器、電壓調(diào)整器、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片上系統(tǒng)。FLASH存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051固件。用戶軟件對所有外設(shè)具有

8、完全的控制，可以關(guān)斷任何一個或所有外設(shè)以節(jié)省功耗。片內(nèi)Silicon Labs二線（C2）開發(fā)接口允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試邏輯支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、單步、運行和停機命令。在使用C2進行調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運行。兩個C2接口引腳可以與用戶功能共享，使在系統(tǒng)調(diào)試功能不占用封裝引腳。每種器件都可在工業(yè)溫度范圍（-45到+85）內(nèi)用2.7V-5.25V的電壓工作。電源電壓大于3.6V時，必須使用內(nèi)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引腳都容許5V的輸入信號電壓。

9、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(fù)雜的運算，故采用上述方案。2.3.2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(shè)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(yīng)注意如下幾點：1.對用接觸式傳感器進行振動測量時，應(yīng)盡量避免對被測試件增加質(zhì)量負載，即傳感器的質(zhì)量應(yīng)遠小于被測物體或試件的質(zhì)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(guān)，使用時應(yīng)加以注意。2.測量前應(yīng)估計出被測量的頻率范圍，并檢

10、查它是否落在傳感器的幅頻曲線的上作頻帶內(nèi)，即幅頻曲線的平直段內(nèi)。當測量由多種頻率成分組成的復(fù)雜波形時，必須選擇相移與頻率成線性關(guān)系(相頻曲線為過坐標原點的斜直線)的傳感器，否則將會產(chǎn)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(yīng)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

11、要采用必要的防范措施。二 . 根據(jù)上述內(nèi)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北京測振儀器廠生產(chǎn)的YD一12型壓電式加速度傳感器，其參數(shù)如下：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(yīng):1一10000Hz;4.電荷靈敏度:4060pe/g;5.引出方向:側(cè)向;6.最大可測加速度:5009;7.電容:1000pF;8.重量:2590g2.3.3轉(zhuǎn)速傳感器選擇 1.工作原理轉(zhuǎn)速傳感器選用非接觸光電式轉(zhuǎn)速傳感器，它分為投射式和反射式兩類。投射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的讀數(shù)盤和測量盤有間隔相同的縫隙。測量盤隨被測物體轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)過一

12、條縫隙，從光源投射到光敏元件上的光線產(chǎn)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(zhuǎn)速傳感器在被測轉(zhuǎn)軸上設(shè)有反射記號，由光源發(fā)出的光線通過透鏡和半透膜入射到被測轉(zhuǎn)軸上。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)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(jīng)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。在一定時間內(nèi)對信號計數(shù)便可測出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速值。2.具體型號的選用具體型號選用LG-916光電式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸上產(chǎn)生反射光,再檢測這個反射光的非接觸式轉(zhuǎn)速傳感器。在旋轉(zhuǎn)軸上通

13、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。傳感器內(nèi)裝小型放大器，對波形整形為矩形波輸出重量只有150g，非常緊湊輕便。3.系統(tǒng)的硬件設(shè)計系統(tǒng)的硬件主要包括電源模塊、C8051F340單片機、數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)傳輸電路等對軸承故障診斷及檢測。3.1 電源模塊電源電路負責(zé)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(shè)備的可移動性，同時也減小了設(shè)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(diào)法, 基本原理為: 當軸承某一元件表面產(chǎn)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

14、面, 產(chǎn)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(jù)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(diào)制. 利用包絡(luò)檢波器解調(diào)得到反映故障的包絡(luò)信號, 對此包絡(luò)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(xiàn)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, 以及故障的嚴重程度等比較精確的信

15、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(jù)頻譜圖中的頻率成分以及各有關(guān)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(luò)信號帶通濾波放大高頻 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(gòu)造故當軸承上面加上一定的負載時，旋轉(zhuǎn)軸的中心隨著滾動體的位置變動，這是因為負載使軸承的內(nèi)外圈跟滾動體發(fā)生了彈性形變，同時產(chǎn)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(shù)，fc為滾動體頻率），

16、對于旋轉(zhuǎn)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(chǎn)生如下表中的振動：表3.1 構(gòu)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(zhuǎn)頻率，不能引起高頻衰減振動滾動體直徑不一致 fc以及nfc=f f為旋轉(zhuǎn)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(xiàn)為元件表面疲勞導(dǎo)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(chǎn)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(chǎn)生沖擊振動由于滾動軸承的勻速回轉(zhuǎn)，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

17、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相同，損傷故障特征頻率計算公式，如下表： 為簡單起見，設(shè)軸承外圈固定，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，表中，d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(shù)，fx為內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)頻率，fc為外圈的旋轉(zhuǎn)頻率，N為工作轉(zhuǎn)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內(nèi)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(shù)達到某一數(shù)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 備注內(nèi)圈波紋 波紋

18、凸起數(shù)為，發(fā)生左欄中頻率振動外圈波紋 波紋凸起數(shù)為，發(fā)生左欄中頻率振動滾動體波紋 波紋凸起數(shù)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 內(nèi)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，滾動體與內(nèi)外滾道之間也會有相對滑動，再加上瞬時轉(zhuǎn)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

19、值的存在誤差，實測值在計算值附近的某頻帶范圍內(nèi)，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(jié)構(gòu)設(shè)計 軸承診斷裝置主要是由模擬硬件電路，9通道數(shù)據(jù)采集電路及自帶USB控制器和A/D轉(zhuǎn)換器的混合信號微處理器C8051F340等組成，其主要硬件電路結(jié)構(gòu)圖是：壓電式加速度傳感器包絡(luò)檢波電路 C8051F340單片機A/DUSB被檢測的軸承設(shè)備轉(zhuǎn)速傳感器串口 PC機圖3.2 硬件電路結(jié)構(gòu)圖 電路的設(shè)計采用共振解調(diào)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(xiàn)對滾動軸承的震動信號的處理，發(fā)現(xiàn)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，以及故障的嚴重程度等比

20、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內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)頻率，所以有必要知道旋轉(zhuǎn)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 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范圍寬，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(yīng)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，它的內(nèi)部包含四組形

21、式完全相同的運算放大器，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。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相同。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(yīng)該是一個最小的應(yīng)用系統(tǒng)，但由于應(yīng)用系統(tǒng)中有一些功能器件無法集成到芯內(nèi)部，如晶振、復(fù)位電路等，需要在片外

22、加接相應(yīng)的電路。1. 時鐘電路TTLXTAL2XTAL1外部時鐘信號VCCMCS-51單片機內(nèi)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。單片機內(nèi)部雖然有振蕩電路，但要形成時鐘，外部還需附加電路。MCS-51單片機的時鐘產(chǎn)生方式有兩種：晶振XTAL1XTAL2圖3.6 使用片內(nèi)振蕩電路的時鐘電路 圖3.7 HMOS型單片機的外部時鐘電路（1） 內(nèi)部時鐘方式：利用其內(nèi)部的振蕩電路在XTAL1和XTAL2引線上外接定時元件，內(nèi)部振蕩電路便產(chǎn)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

23、容構(gòu)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(yīng)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)定性、大小及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。（2） 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(yīng)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

24、。HMOS型單片機由XTAL2進入，外部振蕩信號接至XTAL2，而內(nèi)部反相放大器的輸入端XTAL1應(yīng)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XTAL1，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2. 復(fù)位電路在上電或復(fù)位過程中，控制CPU的復(fù)位狀態(tài)：這段時間內(nèi)讓CPU保持復(fù)位狀態(tài)，而不是一上電或剛復(fù)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及到單片機復(fù)位電

25、路的設(shè)計。而單片機復(fù)位電路設(shè)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(shè)計完單片機系統(tǒng)并在實驗室調(diào)試成功后在現(xiàn)場卻出現(xiàn)了死機程序走飛等現(xiàn)象這主要是單片機的復(fù)位電路設(shè)計不可靠引起的。圖3.9 復(fù)位電路3. 電源電路為單片機工作提供穩(wěn)定的電源,采用LM1117電壓調(diào)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(dǎo)體的工業(yè)標準器件LM317有相同的管腳排列。LM1117有可調(diào)電壓的版本，通過2個外部電阻可實現(xiàn)1.2513.8V輸出電壓范圍。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。LM11

26、17提供電流限制和熱保護。電路包含1個齊納調(diào)節(jié)的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在±1%內(nèi)。電路圖如下：圖3.10 電源電路4. A/D轉(zhuǎn)換電路由于C8051F340是一個混合控制器，本身包含10位ADC轉(zhuǎn)換模塊部分。C8051F340的ADC0子系統(tǒng)集成了兩個通道模擬多路選擇器（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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式及窗口檢測器都可用軟件通過特殊功能寄存器來配置。5. C8051F340介紹及引腳功能說明在整個硬件設(shè)計中C8051F340 單片機是系統(tǒng)重要的組成部分。C8051F

27、340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(jié)構(gòu)的8051兼容的微控制器內(nèi)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; 真正10位200ksps的單端/差分ADC, 帶模擬多路器; 片內(nèi)電壓基準和溫度傳感器; 精確校準的12MH z內(nèi)部振蕩器和4 倍時鐘乘法器; 多達64KB 的片內(nèi)FLASH 存儲器; 多達4352字節(jié)片內(nèi)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(shè)計。C8051F34

28、0使用Silicon Labs的專利CIP-51微控制器內(nèi)核。CIP-51與MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用標準803x/805x的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。CIP-51內(nèi)核具有標準8052的所有外設(shè)部件，包括4個16位計數(shù)器/定時器、兩個具有擴展波特率配置的全雙工UART、一個增強型SPI端口、多達4352字節(jié)的內(nèi)部RAM、128字節(jié)特殊功能寄存器（SFR）地址空間及多達40個I/O引腳。由于C8051F340本身集成眾多硬件電路的特性, 硬件接口設(shè)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(xiàn)USB的數(shù)據(jù)傳輸和AD轉(zhuǎn)換等, 使得系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)簡單, 集成度高, 可靠性好。

29、C8051F340上的P2. 0 P2. 6引腳作為數(shù)據(jù)采集的輸入端口, 接受來自預(yù)處理電路輸送過來的數(shù)據(jù), 最后通過單片機的模擬多路選擇器( AMUX) 最終決定進入AD 轉(zhuǎn)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是美國電子工業(yè)協(xié)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(shù)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(xiàn)

30、，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(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。下面簡單介紹一下常用的RS-232C電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232。 MAX232是MAXIM公司生產(chǎn)的、包含兩路接收器和驅(qū)動器的RS-232C電平轉(zhuǎn)換芯片，適用于各種232通信接口。MAX232芯片內(nèi)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(yīng)性強，加之價格低廉，硬件

31、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(gòu)成。功能是產(chǎn)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R1IN）、12腳(R1OUT)、11腳(T1IN)、14腳(T1OUT)為第一數(shù)據(jù)通道。8腳(R2IN)、9腳(R2OUT)、10腳(T2IN)、7腳(T2OUT)為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-23

32、2數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)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(shè)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，使用上位機程序進行后續(xù)處理。A/D采集功能及傳輸功能采用C8051F340單片機上集成的USB和10位ADC轉(zhuǎn)換模塊來實現(xiàn)。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(zé)與下位機通信并完成信息收集和與計算機

33、串口通信功能的，具體由通過單片機內(nèi)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(zé)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信號處理芯片。C8051F340單片機74CH14AD544LPC機MAX232圖3.14 下位機結(jié)構(gòu)圖MAX232PC機C8051F340單片機AD544L74CH14圖3.15 上位機結(jié)構(gòu)圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件主要是根據(jù)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(xiàn)的通過導(dǎo)入數(shù)字信號中

34、實現(xiàn)軸承故障的診斷跟檢測。4.1主程序方案主程序調(diào)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行處理，進行判斷。（2）數(shù)據(jù)上傳程序：檢測采集過來的含有故障特性頻率的數(shù)字信號。（3） 系統(tǒng)框圖見附錄4.2主要流程圖介紹按照模塊化設(shè)計的思想，系統(tǒng)中各主要功能模塊均編成獨立的函數(shù)在主程序中加以調(diào)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(shù)、AD轉(zhuǎn)換程序、基于MAX232的串口通信程序。數(shù)據(jù)處理程序?qū)邮盏降挠行?shù)據(jù)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(jù)硬件整

35、體設(shè)計方案，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化、結(jié)構(gòu)化得設(shè)計方法，整個系統(tǒng)為上位機程序設(shè)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，上位機主要包括數(shù)據(jù)處理模塊。軟件的整體設(shè)計流程如圖。整個系統(tǒng)的各個部分都是服務(wù)于數(shù)據(jù)處理這個目的。所以，在整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，數(shù)據(jù)處理是關(guān)鍵。初始化信號采集送pc數(shù)據(jù)處理發(fā)送數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)圖4.1整體數(shù)據(jù)處理過程4.2.1 主程序流程圖由于軸承的振動產(chǎn)生的振動頻率經(jīng)振動傳感器轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器所需要的具有特征振動頻率的模擬信號，由A/D

36、轉(zhuǎn)換器進行模轉(zhuǎn)數(shù)，獲得數(shù)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單片機內(nèi)部集成了高精度時鐘源、電壓調(diào)節(jié)器、A/D轉(zhuǎn)換器以及用于A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓源等豐富的片上外設(shè), 因此在對數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計時, 無需擴展上述模塊, 使得硬件結(jié)構(gòu)簡單, 集成度高. 通過片上MAX232接口, C8051F340單片機與PC機連接; REGIN為內(nèi)部電壓調(diào)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.

37、 P2. 0 P2. 3為四路模擬輸入通道. C8051F340單片機片內(nèi)10位A/D測量的輸入范圍為0VREF* 1023/1024,選擇內(nèi)部參考電壓VREF=2. 44V, 因加速度傳感器電壓輸出范圍為- 12 + 12V, 需加處理電路，使其達到單片機A/D的可測量范圍。設(shè)備啟動初始化YD-12Pc機初始化AD544L初始C8051F340內(nèi)部的10位AD轉(zhuǎn)換模塊MAX232串口圖4.2 信號采集及傳輸?shù)牧鞒虉D4.2.2 AD采集使用C8051F340單片機內(nèi)部集成的10位ADC對四路信號采樣. 經(jīng)過濾波和檢波之后, 振動信號為包含故障特征的低頻信號, 頻率范圍僅為數(shù)KHz, 故由采樣定

38、理知采樣頻率選擇25KHz已足夠。 ADC0轉(zhuǎn)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單片機內(nèi)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(yīng)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(zhuǎn)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

39、共同協(xié)作. 在單片機端, 單片機C8051F340是整個系統(tǒng)的核心，10位ADC轉(zhuǎn)換模塊對輸入的模擬信號進行采集，轉(zhuǎn)換結(jié)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(shù)據(jù)通過P3.4（8腳）輸入到其內(nèi)部的一個8位地址和控制寄存器，單片機采集的數(shù)據(jù)通過串口（3、2腳）經(jīng)MAX3232轉(zhuǎn)換RS232電平向上位機傳輸,對采集/傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行監(jiān)測。 PC機端單片機端 用戶程序用戶應(yīng)用程序單片機MAX232主機驅(qū)動串口器件驅(qū)動圖4.4 串口通訊流程PC機端串口通信PC機端應(yīng)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(xiàn)人機交互, 并將用戶輸入的指令和采集模

40、塊采集的數(shù)據(jù)通過串口總線在PC機和C8051F340之間進行傳遞。在應(yīng)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(yīng)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(luò)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, 需要時可以回放。4.2.4 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(jù)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(Buffe

41、rfly算法)發(fā)現(xiàn)，但是對于在計算機系統(tǒng)或者說數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用離散傅立葉變換，可以說是進了一大步。設(shè)x(n)為N項的復(fù)數(shù)序列，由DFT變換，任一X（m）的計算都需要N次復(fù)數(shù)乘法和N-1次復(fù)數(shù)加法，而一次復(fù)數(shù)乘法等于四次實數(shù)乘法和兩次復(fù)數(shù)加法，一次復(fù)數(shù)加法等于兩次實數(shù)加法，即使把一次復(fù)數(shù)乘法和一次復(fù)數(shù)加法定義成一次“運算”（四次實數(shù)乘法和四次實數(shù)加法），那么求出N項復(fù)數(shù)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，把一個N項序列（設(shè)N=2k,k為正整數(shù)），分為兩個N/2項的子序列，每個N/

42、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(shù)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(shù)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(shù)越多，運算量的節(jié)約就越大，這就是FFT的優(yōu)越性。對于表面損傷累故障，要用共振解調(diào)法，通過檢波器進行分揀，得到只含有故障特征頻率的低頻

43、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(yīng)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(xiàn)出故障特征那部分的頻譜，常采用先用模擬的或者數(shù)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(jié)論本文詳細的介紹了系統(tǒng)所需要的元器件，根據(jù)系統(tǒng)方案的要求詳細的論證了實現(xiàn)軸承故障診斷的具體設(shè)計思路及系統(tǒng)的總體框架并詳盡的闡述了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計。本設(shè)計是以單片機C8051F340為核心，集成了10位ADC轉(zhuǎn)換模

44、塊，將采集到的振動模擬信號進行分析跟轉(zhuǎn)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(yù)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(diào)節(jié)器，將輸送過來的電源電壓調(diào)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(zhuǎn)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)相同的工具。此次設(shè)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，將傳感器傳來的模擬信號進行分揀與提煉。用9孔的電平轉(zhuǎn)換芯片，將準換到低壓數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為高壓電平

45、，從而可以將信息上傳到電腦上進行軟件分析。本系統(tǒng)設(shè)計難免會存在一些紕漏和不足之處，在實際應(yīng)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?？梢詫纹瑱C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(shù)，比如USB直接傳輸更方便快捷。致謝經(jīng)過半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)接近尾聲，作為一個本科生的畢業(yè)設(shè)計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及一起工作的同學(xué)們的支持，想要完成這個設(shè)計是難以想象的。 在這里首先要感謝我的指導(dǎo)老師安國慶。安老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計的每個階段，從查閱資料，設(shè)計草案的確定和修改

46、，中期檢查，到后期詳細設(shè)計等整個過程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。我的設(shè)計較為復(fù)雜，但是安老師仍然細心地糾正我學(xué)習(xí)中的錯誤。在跟老師的學(xué)習(xí)過程中，除了安老師的專業(yè)水平外，他的治學(xué)嚴謹和科學(xué)研究的精神也是我永遠學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。 然后還要感謝大學(xué)四年來所有的老師，為我們打下電器專業(yè)知識的基礎(chǔ)。同時還要感謝所有的同學(xué)們，正是因為有了你們的支持和鼓勵，此次畢業(yè)設(shè)計才會順利完成。 最后感謝我的母校河北科技大學(xué)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).北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2003.7.2馬忠梅, 籍順心, 張凱,馬巖. 單片機的

47、C語言應(yīng)用程序設(shè)計(修訂版). 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 1998.10 .3胡漢才. 單片機原理及接口技術(shù). 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004.2 .4李光, 叢培田. 基于共振解調(diào)的滾動軸承故障診斷的研究與實現(xiàn). 機械工程師, 2006.5朱磊, 劉東. 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.北京：科學(xué)出版社，2007.7劉澤九,賀士荃,李興林，等.滾動軸承應(yīng)用手冊K.2版.北京:機械工業(yè)出版社，2006.8溫詩鑄，黎明.機械學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略研究M.北京：清華大學(xué)出版社，2003.9周仲榮，雷源忠

48、，張嗣偉.摩擦學(xué)發(fā)展前沿M.北京：科學(xué)出版社，2006.10斌.滾動軸承振動監(jiān)測與診斷理論·方法·系統(tǒng)M.北京：機械工業(yè)出版社，1995.11今培，肖健華.智能故障診斷與專家系統(tǒng)M.北京：科學(xué)出版社，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 Univer

49、sity,U.S.A.,2004.13 LI Xing-lin, QUAN 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.上海：上海交通大學(xué)，2006.15李興林.點接觸滾動摩擦副磨合過程的試驗研究及其理論分析D.杭州：浙江大學(xué)，1987.16 HUANG Ru

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51、9 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(yīng)用。2002.20 張志勇等，精通MATLAB6.5版。北京，北京航空大學(xué)出版社，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.h"int UART1printf(const char *fmt, .);sbit

52、LED1 = P21;char Uart0Str20; uchar UartCnt = 0;int Time0Cnt = 0;void PORT_Init (void) XBR0 = 0x03; /使能UART0 XBR1 = 0x40; /使能交叉開關(guān) XBR2 = 0x01; /使能UART1 P0MDOUT = 0x10; /配置端口P0.4(TX0)輸出方式為推挽輸出 P0SKIP = 0xC0; P1SKIP = 0xFF; P2SKIP = 0xFF; P3SKIP = 0x03; void Timer_Init() TCON =0X50; /啟動定時器0/1 TMOD = 0x22; /Time0及Time1都是自動重裝8位計數(shù)器定時器 CKCON = 0x02;