潘曉銘，彭自良，李韋廷，張箭英，陳 賢，陳益豐

（1.溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江溫州 325035；2.溫州大學(xué)激光加工機(jī)器人國(guó)家國(guó)際科技合作基地，浙江溫州 325035；3.浙江新德寶機(jī)械有限公司，浙江溫州 325409；4.溫州大學(xué)平陽智能制造研究院，浙江溫州 325035）

0 引言

振動(dòng)信號(hào)的采集與分析在動(dòng)態(tài)測(cè)試?yán)锖苤匾?，異常的振?dòng)信號(hào)能反映機(jī)械的很多故障，因此，振動(dòng)信號(hào)是重要技術(shù)參數(shù)之一[1-2]。在飛機(jī)系統(tǒng)測(cè)試、機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)軸承測(cè)試、汽車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)等都有大量的應(yīng)用場(chǎng)景[3-4]，對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷具有重要意義。

紙杯機(jī)設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷中，凸輪的振動(dòng)信號(hào)包含了整個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)信息。為了進(jìn)行故障分析和推理，需要大量振動(dòng)信息來確定機(jī)組當(dāng)前的工作狀況并制定運(yùn)行和維修計(jì)劃[5-6]。因此，需要根據(jù)凸輪振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)一款適用于紙杯機(jī)凸輪機(jī)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)采集的高速、可靠的數(shù)據(jù)采集與故障診斷系統(tǒng)來滿足這種需求。

紙杯機(jī)凸輪機(jī)構(gòu)等轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械設(shè)備的凸輪在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)信號(hào)有一定的周期性與隨機(jī)性，且信號(hào)頻率分布廣泛[7-8]。采集信號(hào)時(shí)，為了減少頻譜泄露與柵欄效應(yīng)的影響，需要滿足采樣定理與整周期截?cái)嘁?。整周期采集振?dòng)信號(hào)可以提高頻譜分析的精度。整周期采集控制可以通過軟件或硬件電路實(shí)現(xiàn)?；谲浖姆椒ㄊ侵钢夭蓸臃╗9]，因?yàn)橥ǔ?shù)據(jù)采集卡都不具備整周期采集控制的功能，所以需要同時(shí)采集凸輪機(jī)構(gòu)的凸輪相信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)，然后在計(jì)算機(jī)中利用軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)計(jì)算得出的凸輪相信號(hào)頻率對(duì)振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行整周期截?cái)嗪筒逖a(bǔ)運(yùn)算，得到整周期采集的數(shù)據(jù)。該方法硬件成本較低，但計(jì)算量大、實(shí)時(shí)性差。

基于硬件電路的方法主要是指設(shè)計(jì)專門的硬件電路，實(shí)現(xiàn)信號(hào)整周期采集的功能[10]。但是電路比較復(fù)雜，可靠性低，且設(shè)計(jì)調(diào)試不方便，電路開發(fā)成本高。

為了克服這些不足，本文提出一種基于ARM 的小體積、緊湊型紙杯機(jī)凸輪機(jī)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)多通道同步整周期采集與故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)主控芯片選用了主頻為400 MHz 的STM32H753，其外設(shè)接口多，I∕0 資源豐富，能夠滿足高速傳輸以及存儲(chǔ)要求[11]。STM32H753 電路在模∕數(shù)轉(zhuǎn)換之前增添采集開關(guān)電路，采用ADG1206 芯片，實(shí)現(xiàn)多通道同時(shí)采集。同時(shí)與外部NANDFLASH 芯片進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的開發(fā)，然后將數(shù)據(jù)經(jīng)W5500網(wǎng)口通信模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。然后PC端對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波去噪與快速傅里葉變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻分析和故障診斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本文開發(fā)的系統(tǒng)可以完成對(duì)微小振動(dòng)信號(hào)的大動(dòng)態(tài)范圍同步采集以及對(duì)設(shè)備振動(dòng)信號(hào)的故障診斷，對(duì)機(jī)械設(shè)備和其他設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)的采集和分析具有重要意義。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)主要由信號(hào)調(diào)理電路、AD 采集電路、STM32H753 控制電路、以太網(wǎng)通信電路、電源電路以及上位機(jī)軟件組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

首先，信號(hào)由加速度傳感器采集上來，經(jīng)過調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大濾波等處理，再經(jīng)過A∕D 模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，接著將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)模塊中，STM32 控制電路通過網(wǎng)口將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，進(jìn)一步降低噪聲干擾，可得到振動(dòng)信號(hào)（電壓信號(hào)）的幅值，然后上位機(jī)對(duì)其進(jìn)行快速傅里葉變換，從而得到振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖，進(jìn)而得到振動(dòng)信號(hào)中包含的主要頻率信息。將幅值和頻率信息與正常工況下的參考值作比較，可以判斷凸輪機(jī)構(gòu)的健康狀況。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件部分由IEPE 加速度傳感器，信號(hào)調(diào)理電路，AD采集模塊，以太網(wǎng)通信電路和電源電路等組成。

2.1 信號(hào)調(diào)理模塊

由于實(shí)際工況存在大量噪聲干擾，易對(duì)電路造成影響，需設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路，對(duì)傳感器采集上來的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大濾波等處理，電路原理如圖2 所示。前端IEPE 傳感器采集上來的原始振動(dòng)信號(hào)需要放大和濾波處理，其中實(shí)際放大倍數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)信號(hào)的大小和A∕D 轉(zhuǎn)換的范圍來進(jìn)行選取。為了避免干擾噪聲導(dǎo)致的信號(hào)失真，在A∕D 轉(zhuǎn)換之前設(shè)置濾波器濾除干擾噪聲，濾波的截止頻率需要現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)特性來選取。

圖2 前端信號(hào)調(diào)理模塊

2.2 AD采集模塊

本文采取AD7606芯片作為A∕D轉(zhuǎn)換模塊，將傳感器采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)[12]。共采集4 個(gè)通道的信號(hào)，根據(jù)設(shè)備實(shí)際的工況，采用多路模擬開關(guān)共享1個(gè)模∕數(shù)芯片。為提高系統(tǒng)同步性能，在模∕數(shù)轉(zhuǎn)換之前增添采集開關(guān)電路，采用ADG1206芯片[13]。

圖3 為ADG1206 原理圖。可通過增加ADG1206 的數(shù)量來應(yīng)對(duì)不同的輸入路數(shù)的需求。本文系統(tǒng)為4 路信號(hào)輸入，只需要1片ADG1206[14]。

圖3 ADG1206原理

2.3 存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)

選擇EMMC 作為凸輪機(jī)構(gòu)采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元，其具有速度快、小型化、易于移植等優(yōu)點(diǎn)[15]。圖4是EMMC硬件電路。

圖4 EMMC原理

2.4 以太網(wǎng)通信電路

STM32 芯片和W5500 芯片通過SPI 進(jìn)行通信。其簡(jiǎn)化通信電路如圖5所示。

圖5 W5500網(wǎng)絡(luò)芯片和STM32芯片通信簡(jiǎn)化電路

W5500芯片集成TCP∕IP協(xié)議棧、10∕100 Mbps以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，并內(nèi)置32 kB片上緩存[16]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 基于雙口RAM的數(shù)據(jù)存取乒乓操作

W5500芯片的收發(fā)緩存只有32 kB，即每一次的數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程最多可以發(fā)送32 kB 的數(shù)據(jù).在數(shù)據(jù)采集過程中，為了確保發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)AD 采集數(shù)據(jù)的完整性，在SPI總線目的地址開辟了兩段32 kB 的數(shù)據(jù)緩存區(qū)來放置采集數(shù)據(jù)。

為了滿足多個(gè)通道振動(dòng)信號(hào)同時(shí)采集時(shí)數(shù)據(jù)量大以及需要快速存取的需求，本設(shè)計(jì)采用基于雙口RAM 的乒乓操作策略來保存和讀取A∕D 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。乒乓操作是一種經(jīng)常用于數(shù)據(jù)流控制的處理技術(shù)，典型操作方法如圖6 所示。數(shù)據(jù)緩沖模塊可以為任何存儲(chǔ)器，常用的包括先進(jìn)先出（FIFO）存儲(chǔ)器、雙口RAM（DPRAM）存儲(chǔ)器和單口RAM（SPRAM）存儲(chǔ)器等[17]。

在中斷事件里，STM32 芯片根據(jù)SPI 總線各自從兩個(gè)通道獲取數(shù)據(jù)，然后將其存放至中間變量，隨后STM32 芯片對(duì)數(shù)據(jù)做突變?yōu)V波處理，從而消去振動(dòng)信號(hào)里的異常值，然后以輪詢的方式存到數(shù)據(jù)緩存1 與數(shù)據(jù)緩存2當(dāng)中。

圖6 乒乓方式傳輸流程

3.2 整周期采集的原理

凸輪機(jī)構(gòu)的振動(dòng)信號(hào)通常是周期信號(hào)，在對(duì)其進(jìn)行快速傅里葉變換[18]分析時(shí)，希望分析譜線能落在信號(hào)的頻率上以避免柵欄效應(yīng)的影響。設(shè)某周期信號(hào)為x(t)，頻率為f0，采樣頻率為fs，采樣點(diǎn)數(shù)為N，時(shí)間長(zhǎng)度為T，頻率采樣間隔為Δf，根據(jù)DFT變換的原理，Δf與T存在以下關(guān)系：

為了使分析譜線落在信號(hào)頻率f0處，從DFT 變換的原理來看，頻率采樣間隔Δf與信號(hào)頻率f0必須滿足

式中：Z為正整數(shù)。

由式（1）和式（2）計(jì)算可得：

式中：T0為信號(hào)x(t)的周期。

式（3）說明采集信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)度T與信號(hào)周期T0必須滿足關(guān)系T∕T0=Z（Z為正整數(shù)），即只有截取的信號(hào)長(zhǎng)度T正好等于信號(hào)周期T0的整數(shù)倍時(shí)，才可能使分析譜線落在周期信號(hào)的頻率上，獲得準(zhǔn)確的頻譜。

所謂的整周期采集是指采集系統(tǒng)的采樣頻率動(dòng)態(tài)地跟蹤信號(hào)頻率的變化，以確保每次采集都能采到信號(hào)周期固定倍數(shù)的數(shù)據(jù)量，且采樣間隔均勻。

3.3 小波去噪和快速傅里葉變換

本系統(tǒng)選取硬域值小波濾波對(duì)采集上來的數(shù)據(jù)信號(hào)做濾波處理，從而提高信噪比。根據(jù)式（4）～（6）計(jì)算得到信噪比，參考小波去噪評(píng)價(jià)指標(biāo)[19]，從而可以判斷最終的降噪效果。

式中：f(n)為原始信號(hào)功率；fs(n)為去噪聲信號(hào)功率；Ssnr為信噪比，dB。

利用DFT 方法能夠獲取采集上來的振動(dòng)信號(hào)的振動(dòng)幅值以及振動(dòng)頻率關(guān)系的頻譜圖。對(duì)于離散時(shí)域信號(hào)x[n](0 ≤n≤N)的傅里葉變換X[k]如式（7）所示。

分析幅值譜能夠解決以下兩個(gè)問題：（1）獲知頻率分布范圍以及頻率成分；（2）得出各個(gè)振動(dòng)頻率成分與幅值之間的關(guān)系[20]。

3.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用Visual Studio 設(shè)計(jì)上位機(jī)界面，涵蓋參數(shù)設(shè)置、波形顯示、軟件濾波與時(shí)頻域分析等4大模塊。采樣點(diǎn)數(shù)、采樣頻率，通道數(shù)和截止頻率等參數(shù)可以通過參數(shù)設(shè)置模塊進(jìn)行設(shè)置；振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域和頻域圖可以直觀地顯示在TeeChart 控件中；對(duì)接收到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波操作，使得干擾噪聲更少，更接近真實(shí)的振動(dòng)信號(hào)；經(jīng)過軟件濾波后的時(shí)域的振動(dòng)數(shù)據(jù)經(jīng)過快速傅里葉變換得到振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖，從而可以得到振動(dòng)信號(hào)中主要的頻率信號(hào)，與時(shí)域的振動(dòng)信號(hào)幅值相結(jié)合，對(duì)機(jī)構(gòu)的健康狀態(tài)進(jìn)行一個(gè)判斷。

4 系統(tǒng)測(cè)試及驗(yàn)證

紙杯機(jī)的核心構(gòu)件凸輪機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的異常振動(dòng)會(huì)對(duì)加工工件質(zhì)量產(chǎn)生影響。為此，本文分析了紙杯機(jī)凸輪機(jī)構(gòu)的振動(dòng)頻率和振動(dòng)的幅值等技術(shù)指標(biāo)。所設(shè)計(jì)的振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)獲取并處理凸輪機(jī)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)，得到振動(dòng)的頻率和振幅，將其與正常工況下的參考范圍作比較，判斷紙杯機(jī)凸輪機(jī)構(gòu)的工作健康狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。

4.1 采集誤差對(duì)比

為了檢測(cè)系統(tǒng)采樣的準(zhǔn)確度，對(duì)比普通數(shù)據(jù)采集卡和本文設(shè)計(jì)開發(fā)系統(tǒng)的采集效果。電壓幅值測(cè)量結(jié)果和誤差如表1 所示?？梢钥闯觯胀〝?shù)據(jù)采集卡的精度較差，平均誤差為0.857%，精度誤差較大；本文設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)的平均誤差為0.262%，采集精度較高。

表1 電壓幅值測(cè)量結(jié)果和誤差

4.2 通道動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試

對(duì)系統(tǒng)4個(gè)通道的動(dòng)態(tài)范圍各自進(jìn)行測(cè)試。通道1與通道2 的采樣頻率分別設(shè)置成78.1 kS∕s 與156.3 kS∕s。同樣地，通道3 與通道4 的采樣頻率分別設(shè)置成321.5 kS∕s與625 kS∕s。輸入信號(hào)短接且接地，這種情況下采集上來的數(shù)據(jù)表示的是系統(tǒng)能夠采集上來的最小輸入噪聲，獲取15次的噪聲然后計(jì)算平均值，數(shù)據(jù)如表2所示。

可以看出，4 條通道采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍均可以到97 dB 之上，符合設(shè)計(jì)要求。采樣率會(huì)對(duì)通道的動(dòng)態(tài)范圍造成影響，一般來說，ADC 的采樣率越高，動(dòng)態(tài)范圍則越低。

表2 動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試結(jié)果

4.3 機(jī)床振動(dòng)信號(hào)采集與故障診斷試驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)用的紙杯機(jī)型號(hào)是DEBAO-138SZY，其核心構(gòu)件凸輪機(jī)構(gòu)，通過設(shè)定好的振動(dòng)速度將材料勻速地傳送給加工模塊，當(dāng)凸輪機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障時(shí)，其振動(dòng)頻率以及振動(dòng)幅值會(huì)發(fā)生改變，兩者也是判斷紙杯機(jī)凸輪機(jī)構(gòu)是否發(fā)生故障的技術(shù)指標(biāo)。選取的加速度傳感器型號(hào)是CT1010L，傳感器安裝在凸輪機(jī)構(gòu)支撐底座上。

圖7 所示為采集到的機(jī)床凸輪機(jī)構(gòu)的振動(dòng)信號(hào)小波去噪前后的波形對(duì)比，根據(jù)式（4）～（6）計(jì)算出信噪比為61.2，降噪效果理想。

圖7 小波去噪前后波形對(duì)比

本文開發(fā)的系統(tǒng)選取時(shí)域分析與頻域分析對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行故障診斷。時(shí)域分析主要研究振動(dòng)趨勢(shì)，如果振動(dòng)信號(hào)的幅值超過了閥值，系統(tǒng)將會(huì)發(fā)起預(yù)警。從頻域圖可以得到故障信號(hào)的頻率值，從側(cè)面驗(yàn)證了機(jī)床是否發(fā)生了故障。

根據(jù)國(guó)標(biāo)ISO 10816-3，標(biāo)記好器械正常運(yùn)行、故障初期（可短暫運(yùn)行）與設(shè)備損壞的區(qū)間。如果振幅超過正常區(qū)間，系統(tǒng)將會(huì)發(fā)出預(yù)警，設(shè)備故障區(qū)見表3。

表3 振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)

圖8 為分別從一臺(tái)正常工況下和一臺(tái)非正常工況下的機(jī)床上采集的凸輪機(jī)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形對(duì)比圖，從圖8（a）可以看出，1 號(hào)機(jī)床凸輪振動(dòng)速度有效值為3.2 mm∕s，處于正常運(yùn)行的區(qū)間，從圖8（b）可以看出，2號(hào)機(jī)床凸輪振動(dòng)速度有效值位于4.5 mm∕s和7.1 mm∕s之間，處于故障初期，只能短暫運(yùn)行，需要停機(jī)維修。

圖8 機(jī)床凸輪振動(dòng)波形

圖9（a）表示1號(hào)機(jī)床凸輪振動(dòng)的頻譜圖，機(jī)床凸輪的振動(dòng)頻率參數(shù)為190 Hz，可看出此時(shí)頻譜主波峰較多，無故障波峰，從而能判斷1 號(hào)機(jī)床凸輪處于正常運(yùn)行區(qū)間。圖9（b）表示2號(hào)機(jī)床凸輪的頻譜圖，可以看出2號(hào)機(jī)床多了一個(gè)450～500 Hz的故障波峰，說明此時(shí)振動(dòng)出現(xiàn)了異常，再結(jié)合圖8（b）從而判斷2號(hào)機(jī)床需要停機(jī)檢修。

圖9 機(jī)床凸輪振動(dòng)信號(hào)FFT曲線

5 結(jié)束語

針對(duì)目前部分振動(dòng)信號(hào)采樣系統(tǒng)存在的精度差、通道少、動(dòng)態(tài)范圍小等問題，本文開發(fā)了一套基于ARM 架構(gòu)的多通道振動(dòng)信號(hào)采集與故障診斷系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32H753 芯片為核心，進(jìn)行邏輯控制和后級(jí)系統(tǒng)輸出。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路使得其能應(yīng)用于工況環(huán)境較為惡劣的情況，采用高精度大動(dòng)態(tài)范圍的ADC 芯片AD7606 和開關(guān)采樣芯片ADG1206 的結(jié)合，保證了采集精度以及提高了多通道數(shù)據(jù)采集的同步性能。上位機(jī)采用Visual Studio 進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)采集上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波去噪和時(shí)頻分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而判斷設(shè)備是否故障，可應(yīng)用于機(jī)床振動(dòng)檢測(cè)和故障診斷等相關(guān)領(lǐng)域。