朱方園，趙海峰

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210023）

0 前言

自動(dòng)化、智能化的數(shù)控加工設(shè)備可以節(jié)約人力，提升現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)效率。隨著科技的不斷發(fā)展，企業(yè)設(shè)備的自動(dòng)化率越來越高。在這些高度自動(dòng)化的企業(yè)，日常生產(chǎn)環(huán)節(jié)中設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行可以保證產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量。因此，設(shè)備的正常運(yùn)行成為企業(yè)正常運(yùn)轉(zhuǎn)、生產(chǎn)目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)的前提。

目前，自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行的保障方法，主要基于正常運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械設(shè)備存在穩(wěn)定振動(dòng)規(guī)律這一現(xiàn)象。通過加速度傳感器、外接信號(hào)采集器、上位機(jī)進(jìn)行設(shè)備振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)、分析，從而判斷設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，保證日常生產(chǎn)正常進(jìn)行。當(dāng)前，基于設(shè)備振動(dòng)信號(hào)分析的這一監(jiān)測(cè)方法已經(jīng)成為企業(yè)診斷機(jī)械設(shè)備是否存在故障的一種有效手段。在數(shù)控機(jī)床主軸的振動(dòng)測(cè)試[1]、大型輪機(jī)軸承監(jiān)測(cè)[2]、齒輪箱的振動(dòng)分析[3]、車削加工過程中工件和刀具之間的振動(dòng)測(cè)試[4]等領(lǐng)域，不少學(xué)者已經(jīng)開展了大量研究，也取得了豐富成果[5-8]。但是，在諸多測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，往往采用信號(hào)感知、信號(hào)采集設(shè)備相互分離的模式來完成振動(dòng)數(shù)據(jù)的提取。這種測(cè)試方式應(yīng)用廣泛、數(shù)據(jù)采集齊全，但信號(hào)采集系統(tǒng)價(jià)格昂貴，對(duì)于一些測(cè)試環(huán)境較為苛刻的場(chǎng)合使用不便，也無法滿足一些中小型企業(yè)設(shè)備的日常監(jiān)測(cè)。因此，有必要開發(fā)一套便攜的、性價(jià)比高的振動(dòng)信號(hào)微型測(cè)試儀。

本文作者在現(xiàn)有設(shè)備故障監(jiān)測(cè)方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套以AT89C51單片機(jī)芯片為核心的微型信號(hào)測(cè)試儀，將其用于企業(yè)工作現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)控設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)、便攜采集和記錄，也可以通過外置數(shù)據(jù)接口將測(cè)得數(shù)據(jù)連接微機(jī)，實(shí)時(shí)完成數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而判斷設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，最終為企業(yè)設(shè)備的故障監(jiān)測(cè)和運(yùn)行成本的降低提供有效手段。

1 測(cè)試方案設(shè)計(jì)

為減小測(cè)試儀器體積，降低監(jiān)測(cè)成本，系統(tǒng)采用集成模塊來完成儀器的整體方案設(shè)計(jì)，其測(cè)試原理框圖如圖1所示。

圖1 測(cè)試儀工作原理框圖

由圖可知，測(cè)試系統(tǒng)主要包括信號(hào)傳感器、信號(hào)適配電路、信號(hào)記錄電路、系統(tǒng)供電電路以及外部數(shù)據(jù)接口構(gòu)成。

測(cè)試時(shí)，測(cè)試儀上電，將其固定在設(shè)備待測(cè)位置，信號(hào)傳感器外部觸頭與設(shè)備接觸，啟動(dòng)被測(cè)設(shè)備，測(cè)試儀開始采集信號(hào)，將加速度信傳感器實(shí)時(shí)測(cè)得的設(shè)備振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)適配電路放大、濾波，記錄模塊A/D轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)。測(cè)試過程中，可以通過外部數(shù)據(jù)接口連接微機(jī)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析、處理，也可以按計(jì)劃存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行后續(xù)處理。

2 測(cè)試硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)傳感器

振動(dòng)傳感器是把被測(cè)對(duì)象的一些機(jī)械參量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器，常用的振動(dòng)傳感器有壓阻和壓電式兩種。壓電式傳感器是基于壓電效應(yīng)的傳感器，相較壓阻式傳感器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受溫度影響小，具有高靈敏度和信噪比等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)普通數(shù)控設(shè)備工作頻率不超過4 kHz的特點(diǎn)，選用CA-YD-107壓電式加速度傳感器。CA-YD-107壓電式加速度傳感器頻率范圍1～5 000 Hz，測(cè)量峰值800 g，可以滿足一般數(shù)控加工設(shè)備工作環(huán)境的振動(dòng)測(cè)試。

圖2 壓電傳感器等效電路

2.2 信號(hào)放大電路

壓電加速度傳感器自身產(chǎn)生的信號(hào)非常微弱，阻抗較高，直接測(cè)量會(huì)影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。測(cè)量時(shí)須根據(jù)壓電傳感器的輸出要求，將微弱的信號(hào)放大。

當(dāng)壓電傳感器測(cè)頭受外力沖擊時(shí)，其內(nèi)在兩個(gè)電極表面會(huì)積聚的電荷量相同，其極性相反，相當(dāng)于一個(gè)壓電材料為介質(zhì)的電容器。此時(shí)，可以等效于一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源，或者等效于一個(gè)與電容串聯(lián)的電壓源，其等效電路如圖2所示。

測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)若采用電壓放大電路，其輸入電壓Ui=Q/(Ca+Cc+Ci)會(huì)隨放大器輸入電容Ci和導(dǎo)線電容Cc變化，從而會(huì)影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。因此，系統(tǒng)采用電荷交流反向兩級(jí)放大電路，如圖3所示。

傳感器微弱信號(hào)經(jīng)電荷放大器放大后，其一級(jí)輸出電壓U01為

式中：Q、Ca分別為傳感器自身電荷和電容；Cc為連接導(dǎo)線電容；Ci、Cf1為電荷放大器一級(jí)等效電容和電荷轉(zhuǎn)換反饋電容，A1為一級(jí)放大倍數(shù)，一般為104～106。

上式可以等效為

由上式可以看出，采用電荷放大器，Ca、Cc、Ci對(duì)傳感器輸出U01影響很小，其輸出主要取決于反饋電容Cf1的大小。設(shè)計(jì)時(shí)，只要選擇合適的電容即可。

圖3 電荷交流反向兩級(jí)放大電路

為提高信號(hào)質(zhì)量，系統(tǒng)采用可調(diào)增益的二級(jí)交流反向放大電路來抑制系統(tǒng)中的直流噪聲分量。經(jīng)二級(jí)交流反向放大電路后，傳感器輸出的信號(hào)質(zhì)量得以增強(qiáng)。此時(shí)，輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成為穩(wěn)定的易測(cè)的電壓信號(hào)U02。

2.3 信號(hào)濾波電路

經(jīng)放大電路處理后，傳感器的輸出信號(hào)仍包含了一些外部環(huán)境產(chǎn)生的低頻信號(hào)和高頻噪聲信號(hào)，為此還需進(jìn)一步的濾波處理，保留設(shè)備振動(dòng)特征的本體信號(hào)。因巴特沃斯濾波器頻域相對(duì)光滑，系統(tǒng)選擇由二階低通濾波器和二階高通濾波器組成的四階巴特沃斯帶通濾波器進(jìn)行模擬信號(hào)的濾波，其濾波電路如圖4所示。

2.4 信號(hào)控制與A/D轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)采用AT89C51低壓高性能單片機(jī)和12位單通道ADS7822 A/D轉(zhuǎn)換器來完成數(shù)據(jù)采集的A/D轉(zhuǎn)換和控制。ADS7822采樣頻率最高可達(dá)200 ksps，遠(yuǎn)大于一般數(shù)控設(shè)備的工作頻率，滿足數(shù)控設(shè)備振動(dòng)數(shù)據(jù)采集要求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的A/D轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖4 巴特沃斯四階帶通濾波電路

圖中，ADS7822使用3.3 V供電，芯片的IN-與GND引腳直接相連，濾波信號(hào)作為A/D輸入信號(hào)與IN+相連，C1與C2為電源電路濾波電容。當(dāng)CS為低電平時(shí)，開始一次A/D轉(zhuǎn)換，此時(shí)時(shí)鐘引腳DCLOCK輸出方波，在DCLOCK的高電平，檢測(cè)DOUT引腳電平，系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路

2.5 信號(hào)存儲(chǔ)與外部數(shù)據(jù)接口

信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，針對(duì)數(shù)控設(shè)備的振動(dòng)特性，系統(tǒng)選用ms級(jí)的鐵電存儲(chǔ)器FRAM。FRAM具有非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)特性和RAM的無限次讀寫、高速讀寫以及低功耗等優(yōu)點(diǎn)，滿足一般數(shù)控加工設(shè)備工作振動(dòng)信號(hào)的采集存儲(chǔ)。

為提高信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)也可將轉(zhuǎn)換后的振動(dòng)數(shù)據(jù)通過RS-232接口電路直接以數(shù)字信號(hào)形式上傳微機(jī)，完成設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3 振動(dòng)信號(hào)采集

針對(duì)普通數(shù)控設(shè)備加工時(shí)廣泛存在的振動(dòng)現(xiàn)象，將設(shè)計(jì)的信號(hào)微型測(cè)試儀安裝于數(shù)控加工中心工作臺(tái)X/Y方向，在不同轉(zhuǎn)速下采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)如表1所示，其對(duì)應(yīng)的振動(dòng)加速度曲線如圖6所示。由圖6可知，隨機(jī)床主軸速度的增大，加工中心X和Y向的振動(dòng)加速度逐步變大。在9 000 r/min時(shí)，機(jī)床工作臺(tái)Y向振動(dòng)突變，之后保持平穩(wěn)。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)機(jī)床主軸達(dá)到9 000 r/min時(shí)，會(huì)引起較大加工誤差。因此，當(dāng)前機(jī)床應(yīng)避免轉(zhuǎn)速設(shè)定為9 000 r/min。

表1 不同轉(zhuǎn)速下工作臺(tái)振動(dòng)數(shù)據(jù)

圖6 工作臺(tái)振動(dòng)加速度曲線

4 結(jié)論

為解決中小型企業(yè)數(shù)控設(shè)備的振動(dòng)監(jiān)測(cè)問題，設(shè)計(jì)了一套便攜的、性價(jià)比高的振動(dòng)信號(hào)微型測(cè)試儀。整個(gè)設(shè)計(jì)基于AT89C51單片機(jī)芯片，完成了信號(hào)適配電路、信號(hào)記錄電路、系統(tǒng)供電電路以及外部數(shù)據(jù)接口電路的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的集成度。分析發(fā)現(xiàn)了機(jī)床轉(zhuǎn)速引起的振動(dòng)異常現(xiàn)象，避免機(jī)床加工可能引發(fā)的問題，降低了機(jī)床故障監(jiān)測(cè)成本。最后通過數(shù)控加工中心工作臺(tái)振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)方案的可行性。