【文章內(nèi)容簡介】 B—4型磁電轉(zhuǎn)速傳感器。該傳感器由感應(yīng)齒輪，感應(yīng)齒座，感應(yīng)線圈，磁鋼等組成，當(dāng)感應(yīng)齒輪與感應(yīng)齒座有相對角位移時，由于磁路中的磁阻變化，在感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，經(jīng)放大整形，輸出電脈沖方波信號將轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，供計數(shù)器使用。主要技術(shù)指標(biāo)如下：輸出脈沖數(shù)：60脈沖/轉(zhuǎn)；測速范圍：50～5000r/min；工作電源：DC 8～12V；輸出信號幅值：高電平_電源電壓，低電平1V；傳輸線最大長度：50m。(5)渦輪流量傳感器。當(dāng)被測流體流過傳感器時，在流體作用下，渦輪受力而旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正比。渦輪轉(zhuǎn)動后周期性地改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值，檢測線圈中的磁通隨之發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生周期性的感應(yīng)電勢。裝在殼體外的非接觸式磁電轉(zhuǎn)速傳感器輸出脈沖信號的頻率，與渦輪的轉(zhuǎn)速成正比。渦輪流量傳感器具有安裝方便、精度高()、反應(yīng)快、刻度線性及量程寬等特點，信號易傳輸，且便于數(shù)字顯示，可直接與計算機(jī)配合進(jìn)行流量計算和控制。(6)應(yīng)變片式位移傳感器。它的測量原理是利用一彈性元件把位移量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變量，而后用應(yīng)變片、應(yīng)變儀等測量記錄。它的種類有多種，其區(qū)別特點就在于彈性元件的結(jié)構(gòu)形式。常用的彈性元件有懸臂梁、圓環(huán)和半圓環(huán)等。此類傳感器的主要特點是結(jié)構(gòu)牢固、性能穩(wěn)定、可靠，有較高的測量精度和良好的線性關(guān)系。(7)壓電式加速度傳感器。壓電式加速度傳感器是以壓電晶體或人工極化陶瓷為敏感元件，將振動信號轉(zhuǎn)換成電信號的換能裝置，它的輸出電荷與振動加速度成正比。由帶探針的基座、中心螺桿、壓電轉(zhuǎn)換元件、慣性質(zhì)量塊等組成，預(yù)緊力是通過中心螺桿施加到壓電轉(zhuǎn)換元件的。它具有靈敏度高、頻響寬、性能好的特點，而且外殼與質(zhì)量—彈簧系統(tǒng)不直接接觸，可隔離部分外界由于非振動因素造成的干擾。它安裝簡單，價格便宜，無需頻率濾波器，并且計算量小。結(jié)合各廠家聲譽及產(chǎn)品性能，振動加速度傳感器選用朗斯測試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的LC01系列IEPE壓電加速度傳感器LC0104T三個，如圖22所示，主要技術(shù)指標(biāo)見表21。磁力座選用北京京儀北方儀器儀表有限公司生產(chǎn)的CZ4磁力座，吸力8㎏。圖43 壓電式加速度傳感器表21 LC0104壓電加速度傳感器主要技術(shù)指標(biāo)型號靈敏度/mVg1量程/g 頻率范圍/Hz(10%) 諧振頻率/kHz 分辨率/g 抗沖擊/g 重量/gm 安裝螺紋/mmLC0104 100 50 27 150028 M5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集（Data Acquisition，簡稱DAQ）就是將電壓、電流、溫度、壓力等物理信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并傳遞到計算機(jī)中的過程，是構(gòu)建測試系統(tǒng)必不可少的至關(guān)重要的一環(huán)。沒有好的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計，數(shù)據(jù)分析再精確也沒有用，因為分析的信號都是沒有意義的。從最基本的角度看，DAQ系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)包括針對要建立的測試項目選擇傳感器、構(gòu)建信號調(diào)理模塊以及數(shù)據(jù)采集卡的安裝和調(diào)試等?；贚abVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般如圖31所示。數(shù)據(jù)采集硬件驅(qū)動程序的用戶接口Measurement amp。Automation Explorer硬件驅(qū)動程序LabVIEW開發(fā)環(huán)境圖31 基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) NI CompactDAQ本課題使用的數(shù)據(jù)采集硬件是NI CompactDAQ—便攜式數(shù)據(jù)紀(jì)錄儀[14],如圖22所示NI CompactDAQ是一種為工作臺、測量現(xiàn)場以及生產(chǎn)流水線上的傳感器和電子測量應(yīng)用提供USB即插即用特性的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。通過將數(shù)據(jù)記錄儀的應(yīng)用性和低成本特點與模塊化儀器的性能和靈活性相結(jié)合，NI CompactDAQ能夠在一個小型簡單，成本又在可承受范圍之內(nèi)的系統(tǒng)中提供快速而準(zhǔn)確的測量。利用NI軟件就可以輕松使用NI CompactDAQ來記錄簡單實驗數(shù)據(jù)，或開發(fā)完整的自動化測試和控制系統(tǒng)。NI CompactDAQ是通用型數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，它可廣泛用于各種應(yīng)用。圖22 NICompactDAQ便攜式數(shù)據(jù)紀(jì)錄儀許多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只有固定的功能，因此它們只能連接特定傳感器類型。其它系統(tǒng)雖然是模塊化的，但是測量功能只限于如直流電壓和溫度這樣的低速和靜態(tài)信號。NI CompactDAQ除了能測量如DC電壓和溫度這樣的靜態(tài)信號，還能以每通道高達(dá)50kS/s測量動態(tài)信號，這包括聲音、振動、壓力和電壓暫態(tài)信號。其它模塊提供高達(dá)每通道100kS/s單點和波形輸出能力，并且數(shù)字I/O速率可高達(dá)1MHz。由于NI CompactDAQ是模塊化系統(tǒng)，用戶可以在系統(tǒng)中輕松地插入其它模塊來增加測量的類型和通道。所有模塊能自動同步，并且單個NI CompactDAQ系統(tǒng)通過一個USB接口可以同時傳送高速模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入和數(shù)字輸出數(shù)據(jù)[15]。 信號調(diào)理系統(tǒng)信號調(diào)理簡單的說就是將待測信號通過放大、濾波等操作轉(zhuǎn)換成采集設(shè)備能夠識別的標(biāo)準(zhǔn)信號。即傳感器采集到的信號在輸入DAQ卡之前進(jìn)行的預(yù)處理，主要包括放大、濾波、隔離、多路復(fù)用（電荷放大、電壓放大、熱電偶、積微分、應(yīng)變橋路平衡、激勵電源和線性化）等。被測物理量經(jīng)過傳感器后，往往成為電阻、電容、電荷、電壓或電流的變化量。因為工業(yè)信號有些是高壓、過流、浪涌等，不能被系統(tǒng)正確識別，必須經(jīng)過調(diào)理，以提高信噪比，易于傳輸并與后續(xù)環(huán)節(jié)相適配。第3章 數(shù)控機(jī)床檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計 數(shù)控機(jī)床檢測系統(tǒng)軟件總體設(shè)計方案本課題軟件設(shè)計方案，包括三部分即數(shù)控機(jī)床振動測試診斷系統(tǒng)、氣動測試診斷系統(tǒng)、液壓測試診斷系統(tǒng)，每部分由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、故障診斷模塊組成。系統(tǒng)軟件總體方案見圖31。 主菜單氣動測試系統(tǒng)振動測試系統(tǒng)液壓測試診斷系統(tǒng)故障判別模塊數(shù)據(jù)管理模塊數(shù)據(jù)分析處理模塊數(shù)據(jù)采集模塊故障判別模塊數(shù)據(jù)管理模塊數(shù)據(jù)分析處理模塊數(shù)據(jù)管理模塊數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)分析處理模塊故障判別模塊數(shù)據(jù)采集模塊圖31 系統(tǒng)軟件總體方案 數(shù)據(jù)采集模塊本系統(tǒng)使用緩存（Buffer）技術(shù)采集振動信號時域波形。在數(shù)據(jù)采集之前，程序?qū)AQ板卡初始化，板卡上和內(nèi)存中的Buffer是數(shù)據(jù)采集存儲的中間環(huán)節(jié)。使用緩存技術(shù)進(jìn)行模擬輸入時，LabVIEW按系統(tǒng)設(shè)定的采樣數(shù)和采樣的信道數(shù)在內(nèi)存中分配一塊緩存數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集設(shè)備按照程序中指定的采樣數(shù)采集信號，數(shù)據(jù)被傳遞到緩存區(qū)內(nèi)。采集到整個樣本后，緩存區(qū)被數(shù)據(jù)填滿，然后LabVIEW在程序中對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，存儲及顯示。圖32表示了數(shù)據(jù)采集的結(jié)構(gòu)。信號采集模塊的主要功能就是可以在界面上選擇數(shù)據(jù)采集參數(shù)和數(shù)據(jù)顯示及保存。硬件A/DBuffer(FIFO)驅(qū)動程序LabVIEW程序顯示Buffer內(nèi)存DAQ板卡外觸發(fā)圖32 數(shù)據(jù)采集的結(jié)構(gòu)信號采集模塊的主要功能就是可以在界面上選擇數(shù)據(jù)采集參數(shù)和數(shù)據(jù)顯示及保存，功能如下：(1)設(shè)置采集卡的設(shè)備號和通道號(2)設(shè)置采樣頻率(3)設(shè)置采樣點數(shù)(4)采集信號的顯示(5)信號的保存 數(shù)據(jù)分析處理模塊數(shù)據(jù)分析與處理模塊是虛擬儀器信號處理的重要部分，它需要對信號進(jìn)行預(yù)處理，對信號進(jìn)行幅域分析、時域分析、幅值譜分析、功率譜分析、相關(guān)分析、倒頻譜分析等各種各樣的分析，同時還要選擇合適的坐標(biāo)來顯示分析結(jié)果，以最佳方式顯示信號特征，因此該模塊相對其它模塊來說較復(fù)雜。 數(shù)據(jù)管理模塊信號經(jīng)過分析后，應(yīng)該對分析的結(jié)果進(jìn)行有效的管理。在專用的測試系統(tǒng)中，測試的數(shù)據(jù)用來對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行故障診斷，分析后的數(shù)據(jù)可以提取故障特征參量。這時可以對大量的經(jīng)過分析后的數(shù)據(jù)的特征參量進(jìn)行二次分析，以用來總結(jié)設(shè)備的工作情況。因而探討數(shù)據(jù)管理的技術(shù)具有重要意義。在LabVIEW下對數(shù)據(jù)的管理有兩種方式：一種是將數(shù)據(jù)存放在文本文件中，另外就是以數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為核心來對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理[25]。(1)利用文件的數(shù)據(jù)管理這種方法是將所測數(shù)據(jù)利用提供的存儲方法直接存為文本文件、電子表格格式文件、二進(jìn)制文件或者波形文件。該方法可以很好的滿足實時性的要求，根據(jù)日期、時間等數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)也比較方便，但是，在用戶自定義的數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)查詢方面應(yīng)用性不強(qiáng)，耗費大量系統(tǒng)時間。(2)利用數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)管理這種方法是將所測數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)庫文件中，較常用的是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫如Access,FoxPro, Oracle等。采用這種存儲方式占用的磁盤空間比較大，而且程序?qū)崿F(xiàn)上，要比基于文件的數(shù)據(jù)存儲困難，但是它具有設(shè)置數(shù)據(jù)格式相對容易、組織數(shù)據(jù)查詢比較方便、處理數(shù)據(jù)量大和易于實現(xiàn)數(shù)據(jù)移植等優(yōu)點。本診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理主要采用了第一種管理方式。對于波形數(shù)據(jù)保存為測量文件， 為擴(kuò)展名。寫入測量文件程序框圖如圖33所示，讀取測量文件程序框圖如圖34所示。采樣分析中得到的特征參量如：最大值、平均值、均方根、頻率、幅值、相位等則放到數(shù)據(jù)庫中保存，可以方便地對數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除、插入、查詢及排序等基木操作。圖33 寫入測量文件程序框圖 圖34 讀取測量文件程序框圖 故障診斷模塊故障診斷模塊的主要功能是根據(jù)數(shù)據(jù)分析與處理模塊得到的特征值，進(jìn)行故障診斷和判別。故障診斷的一般方法是，在對故障機(jī)理詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，通過測定設(shè)備的某些較為單一的特征參數(shù)(如振動、溫度、壓力等)來檢查設(shè)備狀態(tài)，并根據(jù)特征參數(shù)值與門限值之間的關(guān)系來決定設(shè)備是處于正常、異常還是故障狀態(tài)。本故障診斷系統(tǒng)主要有自動診斷方式。自動診斷是用相應(yīng)的判據(jù)和測試數(shù)據(jù)分析后的結(jié)果相比較，來判別機(jī)器故障。 數(shù)控機(jī)床檢測系統(tǒng)軟件功能本系統(tǒng)主要針對數(shù)控機(jī)床的振動、氣動和液壓三大系統(tǒng)進(jìn)行了檢測系統(tǒng)開發(fā)。本診斷系統(tǒng)中數(shù)控機(jī)床的檢測功能如圖35所示。數(shù)控機(jī)床測試診斷系統(tǒng)液壓測試診斷系統(tǒng)氣動測試診斷系統(tǒng)振動測試診斷系統(tǒng)溫度參數(shù)測試流量參數(shù)測試振動參數(shù)測試速度參數(shù)測試壓力參數(shù)測試振動位移參數(shù)測試壓力參數(shù)測試圖35 數(shù)控機(jī)床的檢測功能圖(1)振動檢測系統(tǒng)由于振動信號包含了設(shè)備運行狀態(tài)的豐富信息，我們通常利用檢測設(shè)備振動信號來監(jiān)視機(jī)械的工作狀態(tài)，并對其進(jìn)行分析處理提取故障信號，因此振動監(jiān)測是非常重要的一種狀態(tài)監(jiān)測方法。振動信號分析包括時域分析、頻域分析和倒頻譜分析。振動檢測系統(tǒng)功能圖如圖36所示。保存波形波形回放振動檢測系統(tǒng)功率譜分析位移檢測濾波器類型選擇機(jī)床類型選擇圖36 振動檢測系統(tǒng)功能圖(2)氣動檢測系統(tǒng)氣動裝置由于具有體積小、重量輕、污染小、安裝調(diào)試方便等優(yōu)點,得到了越來越廣泛的應(yīng)用。氣壓傳動和控制是生產(chǎn)過程自動化和機(jī)械化的最有效手段之一,其工作介質(zhì)為壓縮空氣。如今，氣動系統(tǒng)廣泛應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床中，其運行狀態(tài)對機(jī)床的工作性能有很大的影響。氣動檢測系統(tǒng)功能圖如圖37所示。氣動系統(tǒng)檢測壓力檢測速度檢測馬達(dá)選擇運行是否報警有故障正常運行保存波形波形回放是否圖37 氣動檢測系統(tǒng)功能圖(3)液壓檢測系統(tǒng)隨著數(shù)控機(jī)床液壓技術(shù)向高速、高壓和大功率方向的發(fā)展,液壓系統(tǒng)故障越來越被人們重視。液壓系統(tǒng)是一個有機(jī)聯(lián)系的多元件復(fù)雜整體，故障現(xiàn)象和故障原因并非是一一對應(yīng)關(guān)系，呈現(xiàn)出綜合性和系統(tǒng)性的特點，再加上液壓系統(tǒng)工作元件及工作介質(zhì)的封閉特性，給系統(tǒng)的在線狀態(tài)檢測及在線故障診斷帶來相當(dāng)多的困難。液壓設(shè)備故障診斷中常用的診斷參數(shù)有: 振動、壓力、溫度、流量、油液污染度、容積效率、泄漏量等等。液壓設(shè)備在一定的工況下, 每一部位都有一定的穩(wěn)定值, 即任何液壓系統(tǒng)工作正常時, 其工作參數(shù)值應(yīng)在工況值附近。若液壓系統(tǒng)的工作參數(shù)值與設(shè)備正常工況值不符, 出現(xiàn)了異常變化, 就說明液壓系統(tǒng)的某個元件或某些元件有了故障。進(jìn)行液壓系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測, 關(guān)鍵就是檢測參數(shù)的可靠獲取。液壓檢測系統(tǒng)功能圖如圖38所示。液壓檢測系統(tǒng)壓力檢測流量檢測溫度檢測振動檢測實時流量額定流量空載流量溫度實時顯示溫度超限報警振動烈度評級功率譜分析功率譜分析壓力超限報警圖38 液壓檢測系統(tǒng)功能圖數(shù)控機(jī)床故障診斷系統(tǒng)總界面見圖39。圖39 數(shù)控機(jī)床故障診斷系統(tǒng)總界面第4章 數(shù)控機(jī)床檢測系統(tǒng)程序設(shè)計 數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)檢測液壓系統(tǒng)與機(jī)械傳動、電氣傳動相比具有以下優(yōu)點：(1)液壓傳動的各種元件，可根據(jù)需要方便、靈活的布置；(2)重量輕、體積小、運動慣性小、反應(yīng)速度快；(3)操縱控制方便，可實現(xiàn)大范圍的無級調(diào)速；(4)可自動實現(xiàn)過載保護(hù)；(5)一般采用礦物油為工作介質(zhì)，相對運動面可自行潤滑，使用壽命長；(6)很容易實現(xiàn)直線運動；(7)很容易實現(xiàn)機(jī)器的自動化[12]；由于以上優(yōu)點，液壓系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床中，因此液壓系統(tǒng)檢測對機(jī)床故障維修也越來越重要。 液壓系統(tǒng)的基本組成及故障概述液壓設(shè)備的基本組成單元主要有：(1)液壓泵。機(jī)床液壓系統(tǒng)用液壓泵主要是容積式泵，它將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗?，是使流體的位置、壓力和速度得到提高的元件。液壓泵的特點是：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，加工工藝、材料及安裝要求均較高。液壓泵是液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，液壓泵損壞之后，會對系統(tǒng)壓力與流量帶來一系列影響。液壓泵的損壞主要發(fā)生在工作部分、運動件及動力傳遞零件上，如工作部分的磨損、軸承損壞及傳動軸扭斷。(2