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)器人國家國際科技合作基地,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)
振動(dòng)信號的采集與分析在動(dòng)態(tài)測試?yán)锖苤匾惓5恼駝?dòng)信號能反映機(jī)械的很多故障,因此,振動(dòng)信號是重要技術(shù)參數(shù)之一[1-2]。在飛機(jī)系統(tǒng)測試、機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)軸承測試、汽車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測等都有大量的應(yīng)用場景[3-4],對這些設(shè)備進(jìn)行在線狀態(tài)監(jiān)測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)測與故障診斷中,凸輪的振動(dòng)信號包含了整個(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)行過程中會產(chǎn)生振動(dòng),振動(dòng)信號有一定的周期性與隨機(jī)性,且信號頻率分布廣泛[7-8]。采集信號時(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)的凸輪相信號和振動(dòng)信號,然后在計(jì)算機(jī)中利用軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)計(jì)算得出的凸輪相信號頻率對振動(dòng)信號數(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端對振動(dòng)信號進(jìn)行小波去噪與快速傅里葉變換,實(shí)現(xiàn)對振動(dòng)信號的時(shí)頻分析和故障診斷,從而實(shí)現(xiàn)對機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。本文開發(fā)的系統(tǒng)可以完成對微小振動(dòng)信號的大動(dòng)態(tài)范圍同步采集以及對設(shè)備振動(dòng)信號的故障診斷,對機(jī)械設(shè)備和其他設(shè)備的振動(dòng)信號的采集和分析具有重要意義。
本文系統(tǒng)主要由信號調(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,信號由加速度傳感器采集上來,經(jīng)過調(diào)理電路對信號進(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)存儲在存儲模塊中,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(電壓信號)的幅值,然后上位機(jī)對其進(jìn)行快速傅里葉變換,從而得到振動(dòng)信號的頻譜圖,進(jìn)而得到振動(dòng)信號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
硬件部分由IEPE 加速度傳感器,信號調(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。
由于實(shí)際工況存在大量噪聲干擾,易對電路造成影響,需設(shè)計(jì)信號調(diào)理電路,對傳感器采集上來的振動(dòng)信號進(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)場振動(dòng)信號的大小和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)場監(jiān)測機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)特性來選取。
圖2 前端信號調(diào)理模塊
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轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號[12]。共采集4 個(gè)通道的信號,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??赏ㄟ^增加ADG1206 的數(shù)量來應(yīng)對不同的輸入路數(shù)的需求。本文系統(tǒng)為4 路信號輸入,只需要1片ADG1206[14]。
圖3 ADG1206原理
選擇EMMC 作為凸輪機(jī)構(gòu)采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)的存儲單元,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
STM32 芯片和W5500 芯片通過SPI 進(jìn)行通信。其簡化通信電路如圖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]。
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器,常用的包括先進(jìn)先出(FIFO)存儲器、雙口RAM(DPRAM)存儲器和單口RAM(SPRAM)存儲器等[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 芯片對數(shù)據(jù)做突變?yōu)V波處理,從而消去振動(dòng)信號里的異常值,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
凸輪機(jī)構(gòu)的振動(dòng)信號通常是周期信號,在對其進(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的頻率上以避免柵欄效應(yīng)的影響。設(shè)某周期信號為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頻率f0處,從DFT 變換的原理來看,頻率采樣間隔Δf與信號頻率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x(t)的周期。
式(3)說明采集信號的時(shí)間長度T與信號周期T0必須滿足關(guān)系T∕T0=Z(Z為正整數(shù)),即只有截取的信號長度T正好等于信號周期T0的整數(shù)倍時(shí),才可能使分析譜線落在周期信號的頻率上,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)地跟蹤信號頻率的變化,以確保每次采集都能采到信號周期固定倍數(shù)的數(shù)據(jù)量,且采樣間隔均勻。
本系統(tǒng)選取硬域值小波濾波對采集上來的數(shù)據(jù)信號做濾波處理,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)為原始信號功率;fs(n)為去噪聲信號功率;Ssnr為信噪比,dB。
利用DFT 方法能夠獲取采集上來的振動(dòng)信號的振動(dòng)幅值以及振動(dòng)頻率關(guān)系的頻譜圖。對于離散時(shí)域信號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]。
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)信號的時(shí)域和頻域圖可以直觀地顯示在TeeChart 控件中;對接收到的振動(dòng)信號進(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;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)信號的頻譜圖,從而可以得到振動(dòng)信號中主要的頻率信號,與時(shí)域的振動(dòng)信號幅值相結(jié)合,對機(jī)構(gòu)的健康狀態(tài)進(jìn)行一個(gè)判斷。
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)會對加工工件質(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)信號采集系統(tǒng)獲取并處理凸輪機(jī)構(gòu)振動(dòng)信號,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。
為了檢測系統(tǒng)采樣的準(zhǔn)確度,對比普通數(shù)據(jù)采集卡和本文設(shè)計(jì)開發(fā)系統(tǒng)的采集效果。電壓幅值測量結(jié)果和誤差如表1 所示。可以看出,普通數(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 電壓幅值測量結(jié)果和誤差
對系統(tǒng)4個(gè)通道的動(dòng)態(tài)范圍各自進(jìn)行測試。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。采樣率會對通道的動(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)范圍測試結(jié)果
本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)用的紙杯機(jī)型號是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)信號小波去噪前后的波形對比,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比
本文開發(fā)的系統(tǒng)選取時(shí)域分析與頻域分析對機(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,如果振動(dòng)信號的幅值超過了閥值,系統(tǒng)將會發(fā)起預(yù)警。從頻域圖可以得到故障信號的頻率值,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 為分別從一臺正常工況下和一臺非正常工況下的機(jī)床上采集的凸輪機(jī)構(gòu)振動(dòng)信號時(shí)域波形對比圖,從圖8(a)可以看出,1 號機(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 號機(jī)床凸輪處于正常運(yùn)行區(qū)間。圖9(b)表示2號機(jī)床凸輪的頻譜圖,可以看出2號機(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號機(jī)床需要停機(jī)檢修。
圖9 機(jī)床凸輪振動(dòng)信號FFT曲線
針對目前部分振動(dòng)信號采樣系統(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)行邏輯控制和后級系統(tǒng)輸出。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了信號調(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)對機(jī)械設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測,從而判斷設(shè)備是否故障,可應(yīng)用于機(jī)床振動(dòng)檢測和故障診斷等相關(guān)領(lǐng)域。