藍 雄

（柳州職業(yè)技術(shù)學院，柳州 545000）

0 引言

大型機床隨著使用年限的增長與外部氣候環(huán)境等諸多因素的影響，校準空速需要修正由于空氣可壓縮性產(chǎn)生的誤差，如果采用傳統(tǒng)的檢測方法[1,2]，不但效率低而且對于突發(fā)性事件的預警能力也不足，因此，需要設計開發(fā)一種大型機床校準振動多參數(shù)檢測網(wǎng)絡，來實現(xiàn)對大型機床工作速度的實時監(jiān)測與預警。本系統(tǒng)采用無線傳感網(wǎng)絡與有線網(wǎng)絡結(jié)合的方式，選用低功耗的芯片進行設計，可以保證在太陽能電池供電的情況下信號采集模塊與無線通信模塊持續(xù)穩(wěn)定工作[3,4]。在非工作模式時間內(nèi)節(jié)點處于低功耗模式，在工作模式時間，節(jié)點收到遠程監(jiān)控中心發(fā)來的同步信號后開始采集、發(fā)送數(shù) 據(jù)[5,6]。遠程監(jiān)控中心通過分析軟件對大型機床工作過程中所有節(jié)點的振動信號頻率變化進行綜合分析后，可以自動獲取大型機床的安全工作速度數(shù)據(jù)以及存在危險的程度，從而可以為工作人員提供數(shù)據(jù)支持，并且在大型機床工作速度超出安全范圍時發(fā)出預警信息，有效預防工作事故的發(fā)生。

1 總體設計

1.1 大型機床工作振動特性分析

運行速度是大型機床工作過程中最重要的參數(shù)之一，是由空速系統(tǒng)來測定的。對于空速測定系統(tǒng)，無法避免的存在著一定的位置誤差，空速管可以對前方來流的總壓和外界大氣的靜壓，再通過靜壓以及總壓和靜壓間的差值分別計算得出壓力高度和指示空速。但由于在實際工作過程中，大型機床對來流的干擾不能準確獲得靜壓，難以真實反映大型機床在工作高度上的大氣靜壓，進而將誤差帶入到了指示中。校準系統(tǒng)就是找出該機床測定高度、速度時產(chǎn)生的誤差。

采用大型機床工作振動檢測的方法來判別大型機床校準系統(tǒng)的有效程度，其優(yōu)點是：振動檢測方便實施，利用大型機床工作中的振動參數(shù)就能實現(xiàn)，因此不會影響大型機床其他系統(tǒng)的正常工作；多點振動檢測可以對空速誤差準確檢測，并有效識別大型機床結(jié)構(gòu)的整體動力特性。當大型機床工作在特殊區(qū)域，其固有頻率會發(fā)生變化，基于固有頻率的變化對大型機床校準檢測是最容易實現(xiàn)也是最準確的方法。在大型機床工作速度誤差發(fā)生之前將其劃分為若干單元，可利用該單元損傷前的固有頻率Δωi與損傷后的固有頻率 Δωj變化之比進行損傷定位：

其中： Φi為第i階振型；n為單元個數(shù)；Kni為第i單元的剛度；M為整體質(zhì)量。高階頻率的變化能更好地反映大型機床工作過程中由于干擾而造成的工作振動的變化。通過分析研究后得出大型機床機身剛度修正公式(EI)n和固有頻率計算公式ωn為：

其中，EcIc為大型機床機身剛度；l為大型機床的等效長度；N為預拉力。通過研究得出結(jié)論，對大型機床工作振動的固有頻率檢測方法是比較簡單的，而且精度很高，受測量噪聲的影響較小。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

大型機床校準振動檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計如圖1所示，系統(tǒng)主要由振動信號采集終端設備、數(shù)據(jù)匯集節(jié)點、Internet網(wǎng)絡與GPRS網(wǎng)絡、遠程監(jiān)控中心幾部分組成。振動信號采集終端主要工作是振動信號的采集與處理，并通過無線通信模塊發(fā)送到數(shù)據(jù)匯集節(jié)點，其主要部署在機身的關(guān)鍵部位；數(shù)據(jù)匯集節(jié)點在收集到所有終端設備發(fā)送的檢測數(shù)據(jù)后，根據(jù)系統(tǒng)功能要求對數(shù)據(jù)進行分解、變換并存儲；通信系統(tǒng)將處理過的數(shù)據(jù)通過Internet網(wǎng)絡或GPRS網(wǎng)絡傳送到遠程監(jiān)控中心；監(jiān)控中心利用實時診斷軟硬件對接收到的所有工作振動數(shù)據(jù)進行分析出來，從而得出工作速度是否存在誤差，按照具體情況發(fā)出相應的預警信號。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

其振動信號檢測終端設備電路如圖2所示，以IAP15F2K61S2單片機為控制核心，實現(xiàn)了振動信號的采集、放大、模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換、無線通信傳輸?shù)裙δ?；整個電路功耗很低，以太陽能電池組供電，可保證電路的持續(xù)長時間供電，非常適合工作過程中進行部署；整個終端設備采用小型化設計，安裝便捷。信號檢測終端分布于整個機床所有關(guān)鍵部位，根據(jù)機床的大小合理進行規(guī)劃部署。

圖2 振動檢測終端設備電路結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的硬件設計

2.1 振動傳感器與信號采集模塊的硬件設計

本系統(tǒng)主要是對大型機床工作的振動情況進行檢測，振動信號傳感器采用ADI公司的加速度傳感器ADXL210，它主要由多晶硅與差動電容器組成，當有振動發(fā)生時，產(chǎn)生大型機床工作加速度的作用力，多晶硅結(jié)構(gòu)發(fā)生偏移拉動差動電容值發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電信號。ADXL210振動信號采集放大偏置電路如圖3所示。

圖3 ADXL210振動信號采集放大偏置電路硬件設計

上圖中，ADXL210輸出的工作加速度信號，經(jīng)過輸出電容濾波后，工作加速度信號經(jīng)過運算放大器LF353組成的放大電路得到直流偏移電壓約為2V~3V的共模信號。X、Y兩軸的直流電壓信號送入后級ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。其中VREF為基準信號。

2.2 IAP15F2K61S2單片機與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的硬件設計

大型機床校準振動檢測系統(tǒng)主控電路的單片機采用STC公司生產(chǎn)的IAP15F2K61S2，晶振采用11.0592MHz，其抗干擾能力很強，且功耗很低，價格便宜。而A/D轉(zhuǎn)換芯片采用ADC0809，其為8位A/D轉(zhuǎn)換器，0～5V對應輸出數(shù)值為0～255，其時鐘信號CLK由單片機IAP15F2K61S2的ALE信號提供。IAP15F2K61S2單片機外圍電路與ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設計如圖4所示。

圖4 單片機外圍電路與A/D轉(zhuǎn)換電路硬件設計

上圖中，ADXL210采集處理后的X軸與Y軸電信號分別送入ADC0809的通道IN1與通道IN2，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后單片機軟件獲取到檢測信號的數(shù)字值等待提取。

2.3 ZigBee無線通信模塊的硬件設計

本系統(tǒng)設計的ZigBee無線通信模塊是以TI的CC2048為核心，其硬件設計如圖5所示。引腳AVDD SOC與AVDD RREG為模擬電路連接2.0V～3.6V的電壓，分別接100nF和220nF的濾波電容。

圖5 無線通信模塊的硬件設計

上圖中，引腳DVDD為數(shù)字電源輸入引腳，為I/O口提供的電源，接一個100nF的濾波電容。引腳DCOUPL提供1.8V的去耦電壓，此電壓不為外電路所使用，需要旁接一個220nF的去耦電容。引腳X1為外接32MHz的專用于2.4GHz射頻電路的晶振，其旁路電容為22PF。引腳RBIASl與RBIAS2接偏置電阻，用來為32M晶振提供一個適合大型機床工作過程的工作電流。

2.4 高速CAN總線接口模塊的硬件設計

整個校準振動檢測網(wǎng)絡中的控制節(jié)點之間的通信通過高速CAN總線連接實現(xiàn)。CAN總線設計采用雙絞線,而校準檢測系統(tǒng)終端匹配電阻設計為120歐姆，如圖6所示的硬件接口電路CAN總線連接通信的數(shù)據(jù)傳輸速度為1Mbit/s。其中TJA1050芯片是驅(qū)動單片機IAP15F2K61S2的CAN控制器與物理總線間的接口，實現(xiàn)CAN控制器與總線的信號轉(zhuǎn)換。

圖6 通信接口模塊的硬件設計

上圖中，使用高速光耦6N137在緩沖器和CAN驅(qū)動之間進行光電隔離，可以提升CAN總線通信的抗干擾能力。其次，采用小功率電源隔離模塊B0505S對大型機床工作系統(tǒng)電源進行完全隔離，從而防止電源引起的干擾。其中，TJA1050的8腳S端接地表示選擇高速模式。

3 軟件設計

3.1 振動信號采樣過程設計

大型機床工作振動信號采用過程：首先是信號適調(diào)，即對大信號的衰減與弱信號的放大處理，對一些直流信號進行偏置處理，使其滿足A/D輸入量程要求；然后，A/D轉(zhuǎn)換包括采樣、量化和編碼三個組成部分，利用采樣脈沖序列p(t)從模擬信號x(t)中抽取一系列離散樣值，使之成為工作速度采樣信號Δt稱為采樣間隔，其倒數(shù)fs=1/Δt之為采樣頻率。

T為大型機床采樣長度，當采樣長度一定時，采樣頻率越高，采集的數(shù)據(jù)量就越大。

3.2 主程序流程設計

主流程設計時，主要考慮了大型機床工作過程中的省電，振動信號變化，A/D轉(zhuǎn)換模式行，具體流程設計如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

4 實驗與分析

比較對比驗證試飛結(jié)果與大型機床校準振動檢測系統(tǒng)校準結(jié)果，可以看出校準結(jié)果與對比驗證試飛得到的結(jié)果存在著差異。通過移動PC對檢測的振動傳感信號進行收集，采用ANSYS分析軟件對數(shù)據(jù)進行分析對比后，仿真模擬振動固有頻率變化曲線，得出大型機床工作過程中空速誤差程度數(shù)據(jù)。實測的大型機床工作固有頻率f(k)與變化幅度fΔ的檢測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 大型機床工作振動固有頻率測量結(jié)果

通過表1的測量數(shù)據(jù)對機身各單元的固有頻率變化進行計算仿真，為區(qū)分不同單元不同程度的誤差得到的工作速度誤差識別向量對結(jié)果的影響，建立了6個誤差識別矩陣，每個矩陣由不同的速度誤差程度得到，仿真得出不同頻率階次所對應的工作速度誤差程度曲線如圖8所示。

圖8 不同頻率階次所對應誤差程度曲線

分析軟件根據(jù)檢測數(shù)據(jù)判斷出該誤差與已知工作速度差異數(shù)據(jù)一致，說明本系統(tǒng)檢測結(jié)果準確。當大型機床工作過程中工作速度達到預警閥值時，系統(tǒng)就會自動發(fā)出報警信息，提示相關(guān)人員盡快查看。通過系統(tǒng)實驗，振動信號數(shù)據(jù)包的時間延遲較低，最大數(shù)據(jù)包時間延遲為11602ms，平均時間延遲為5918ms，表現(xiàn)出了良好的實時性，遠程數(shù)據(jù)傳送成功率為100%。整個振動檢測傳感網(wǎng)絡工作穩(wěn)定，各項性能也達到了設計要求，取得了較為滿意的結(jié)果。

5 結(jié)束語

工作速度是大型機床工作過程中最重要的參數(shù)之一，對于振動測定系統(tǒng)，無法避免的存在著一定的位置誤差。由于在實際工作過程中，大型機床機身對來流的干擾不能準確獲得靜壓，難以真是反映大型機床在工作高度上的大氣靜壓，進而將誤差帶入到了指示空速中。而校準系統(tǒng)就是找出該系統(tǒng)測定高度、速度時產(chǎn)生的誤差，可以減少甚至避免安全事故的發(fā)生。本系統(tǒng)較傳統(tǒng)的校準檢測系統(tǒng)相比具有造價低、安裝維護方便、環(huán)境適應能力強等優(yōu)點，非常適合對大型機床工作過程中校準系統(tǒng)的安全監(jiān)測，應用前景十分廣闊。

[1] 嚴普強,喬陶鵬.工程中的低頻振動測量與其傳感器[J].振動、測試與診斷,2002,22(4).

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