王美思

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，江蘇 南京210031）

0 引言

減速器在機(jī)械傳動(dòng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在實(shí)際使用過(guò)程中，減速器的振動(dòng)直接影響著傳動(dòng)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)等動(dòng)力設(shè)備的安全運(yùn)行，甚至可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果［1］，因而對(duì)減速器的振動(dòng)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)與故障分析對(duì)預(yù)防傳動(dòng)系統(tǒng)故障、降低故障損失有重要意義。振動(dòng)信號(hào)作為檢測(cè)分析對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行敏感而精確的檢測(cè)是后續(xù)處理的重要前提。

本文采用加速度傳感器和高性能處理器構(gòu)建了一套減速器振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)傳感器輸出的加速度信號(hào)進(jìn)行濾波處理，獲得準(zhǔn)確的加速度輸出信號(hào)，計(jì)算完成后經(jīng)串口打印輸出。

1 方案設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由加速度傳感器、處理器、電源模塊、LCD顯示模塊和串行接口電路組成，系統(tǒng)采用數(shù)字式加速度傳感器，安裝在減速器主軸上，系統(tǒng)由電源模塊給處理器和加速度傳感器供電，上電初始化完成后，處理器即以固定的掃描頻率f周期檢測(cè)加速度傳感器的輸出，并通過(guò)濾波處理提高檢測(cè)精度，實(shí)時(shí)計(jì)算減速器的X、Y、Z三相加速度和瞬時(shí)速度，通過(guò)串行接口電路予以輸出，并在液晶模塊上實(shí)時(shí)顯示。

2 硬件

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以ST公司Cortex M3內(nèi)核的32位STM32F103系列低功耗處理器為核心，配以3.2英寸液晶LCD模塊和一路串行接口電路。STM32F103ZET6擁有512kB Flash、64kB RAM、多路RS232串口和ADC轉(zhuǎn)換功能等豐富的外設(shè)及接口資源，外部采用8MHz晶振，可提供高達(dá)72MHz頻率的時(shí)鐘，滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性需求［2］。串行接口電路基于MAX3232串行芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，可支持雙工串行通信，具有良好的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。

液晶模塊采用基于ILI9320芯片的3.2英寸LCD模塊，與處理器之間采用SPI接口連接，通過(guò)01h和03h寄存器來(lái)控制GRAM的刷新方向，設(shè)置AM＝1，ID＝01，輸入地址更新方向?yàn)榇怪狈较颉?/p>

加速度傳感器采用ADLX345芯片的加速度傳感器模塊，ADXL345是ADI公司推出的采用MEMS技術(shù)具有SPI和IIC數(shù)字輸出功能的三軸加速度傳感器芯片［3］，具有小巧輕薄、低功耗、量程可變和高分辨率等特點(diǎn)，可選量程為±2g、±4g、±8g、±16g（g為重力加速度），可采用固定的4mg／LSB分辨率模式，可測(cè)量靜態(tài)重力加速度，也可測(cè)量運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)總的動(dòng)態(tài)加速度，在手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備上應(yīng)用廣泛。

本系統(tǒng)中處理器采用IIC接口與ADXL345通信連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。使用時(shí)，CS引腳連接至 VDDI／O，ALT ADDRESS引腳接任一VDDI／O或接地，SCL時(shí)鐘設(shè)置輸入設(shè)為400kHz，此時(shí)最大輸出數(shù)據(jù)速率為800Hz，ADXL345還支持多種中斷處理方式，可通過(guò)數(shù)據(jù)更新中斷讀取加速度值，也可定周期讀寄存器查詢加速度輸出值，本文采用定周期讀取方式實(shí)時(shí)讀取加速度傳感器值，周期設(shè)為2s。

3 軟件

3.1 模塊及功能

MCU設(shè)定定時(shí)中斷采樣，采樣頻率為100Hz，即每秒進(jìn)行100次采樣，采樣數(shù)據(jù)均存在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)Buffer內(nèi)，采樣完成后調(diào)用濾波算法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理以減小偶然誤差，緊接著再利用處理后的均值計(jì)算速度值并在LCD上予以顯示。STM32程序采用MDK 4.0開(kāi)發(fā)環(huán)境以C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，主要包括以下功能模塊：

（1）Initial＿device（）：硬件資源（如時(shí)鐘、定時(shí)器、I／O 口等）、串行接口和ADXL345加速度傳感器等的初始化。

（2）Multiple＿Read＿ADXL345（）：連續(xù)讀取 ADXL345的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)的正確性。

（3）Value＿Convert（）：加速度值轉(zhuǎn)換函數(shù)，將讀取的三軸加速度值進(jìn)行高斯濾波處理，然后對(duì)每組加速度值求均值，分別記為aX、aY、aZ，并計(jì)算 X、Y、Z 方向的速度值vX、vY、vZ。速度按式（1）計(jì)算：

由于每秒的加速度均值分別為aX、aY、aZ，所以式（1）中的Δt＝1s，每秒的瞬時(shí)速度vX＝aX、vY＝aY、vZ＝aZ。

（4）LCD＿Display（）：LCD顯示函數(shù)，每次LCD顯示均調(diào)用該函數(shù)3次，分別顯示X、Y、Z三軸的加速度值和速度值。

（5）USART＿Send（）：串口打印輸出函數(shù)，調(diào)用該函數(shù)將計(jì)算得到的速度和加速度數(shù)據(jù)通過(guò)串口予以輸出。

3.2 高斯濾波

將連續(xù)采集的100個(gè)加速度數(shù)據(jù)a1，a2，…，a100按式（2）和（3）求得樣本均值μ和樣本方差σ2：

本研究中將概率密度f(wàn)（x）≥0.8的數(shù)據(jù)認(rèn)為是大概率事件，即有效數(shù)據(jù)，將此類數(shù)據(jù)保留，其他數(shù)據(jù)認(rèn)為是擾動(dòng)數(shù)據(jù)，予以刪除。求取有效數(shù)據(jù)的樣本均值，即可得到高斯濾波后的優(yōu)化值［4］。

系統(tǒng)上電后即對(duì)時(shí)鐘及外部電路包括加速度傳感器進(jìn)行初始化，初始化完成后，開(kāi)啟10ms定時(shí)器中斷，即每10ms采樣一次，每秒采樣100次；完成100次采樣后進(jìn)行一次高斯濾波處理，并根據(jù)濾波后的數(shù)據(jù)計(jì)算速度和加速度值，然后調(diào)用液晶顯示程序，在液晶模塊上予以顯示，并通過(guò)串口打印輸出。

4 試驗(yàn)結(jié)論

對(duì)設(shè)計(jì)的硬件和軟件系統(tǒng)進(jìn)行融合，并對(duì)集成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試。選擇一臺(tái)MX18微型行星齒輪減速器（電機(jī)）來(lái)測(cè)試，減速器規(guī)格：外徑180mm，速比1∶5～1∶180 75，噪音55dB，效率70%，轉(zhuǎn)矩20mN·m～2N·m［5］。試驗(yàn)中采用筆記本電腦的Access Port調(diào)試助手對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，記錄10s內(nèi)減速器加速度輸出值，并在第5秒后加大減速器的輸入功率，對(duì)試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到加速度與時(shí)間的時(shí)域關(guān)系如圖1所示。

圖" 加速度時(shí)域關(guān)系圖

由于每?jī)纱尾蓸訒r(shí)間間隔為1s，因而圖1未完全反映減速器運(yùn)行過(guò)程中的完整振動(dòng)響應(yīng)關(guān)系。但從圖中趨勢(shì)可以看出，第5秒后加速度輸出幅值有明顯變化，達(dá)到試驗(yàn)預(yù)期效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)采用嵌入式處理器和數(shù)字式加速度傳感器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了減速器振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)減速器主軸的三軸加速度和瞬時(shí)速度以固定周期進(jìn)行掃描，并通過(guò)LCD液晶予以顯示，同時(shí)通過(guò)串行接口電路予以輸出。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)對(duì)減速器的振動(dòng)監(jiān)測(cè)效果良好，是一種經(jīng)濟(jì)方便的監(jiān)測(cè)方案。

［1］殷芬.3R02型減速器箱體振動(dòng)特性的數(shù)值模擬分析［J］.價(jià)值工程，2012，31（11）：22－23.

［2］薛延華，王志廣，邵濱，等.齒輪箱箱體結(jié)構(gòu)對(duì)其振動(dòng)模態(tài)的影響研究［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2008，32（6）：107－109.

［3］沈克偉.大型汽輪機(jī)組遠(yuǎn)程振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究［D］.華北電力大學(xué)，2013.

［4］盧文龍，王建軍，劉曉軍.基于CUDA的高速并行高斯濾波算法［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，39（5）：10－13.

［5］劉明紅.邊緣傳動(dòng)磨機(jī)減速器振動(dòng)監(jiān)測(cè)及振動(dòng)限值［J］.四川水泥，2014（3）：146－150.