机械电子系统设计.doc

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1、主轴振动测量系统的设计方案主轴组件是机床中的一个关键组件，在主轴的动态参数中，振动是最重要的问题之一，包含了丰富的运行状态信息，是一个动态状态信息库。检测主轴的振动可以了解主轴的动态运行情况，对其进行综合分析评估和诊断。主轴的振动受制造、结构、安装及机床整体装配等很多因素影响。不同故障会在振动信号以不同的形式中体现出来。主轴组件在运转时，有很多信息通过振动、温度状态等表现出来，研究这些信息可以认识其运行特征。利用一系列的传感器接收其动态信息并将其转化为电信号，输入到信号采集模块，经过处理后，再输入到PC机或专用的分析设备，利用轴心轨迹图、轴心位置图、振动波形图、频谱图等方式显示出来，可对其状态

2、进行分析评估。虚拟仪器是电子测量技术和计算机测控技术的前沿技术，它将计算机的采集、测试、分析与处理引入到电子测试领域，利用数字化技术和软件技术极大地提高了测试系统的灵活性和可扩展性。设备状态检测及诊断技术的实施，主要包括三个环节:一是信息的采集，为分析诊断提供依据;二是信号处理，将杂乱无章的信号去伪存真，并根据分析要求进行相应的转换(变换)，以获得对诊断工作的既敏感又直观的信息;三是通过信号处理得到的信息对设备的状态(含故障状态)进行识别、判断和评估。其实施过程如图1所示。检测对象的实施过程主轴组件运行时可表述其特征的信息主要是:振动、温度、转速等，本课题主要研究主轴的振动。结果输出数据处理数

3、据采集涡流前置器涡流传感器主轴振动信息图2系统总体结构设计目前检测领域多是利用一系列的传感器接收此类信息并将其转化为电信号，将其进行一系列的处理之后，利用图形或软件等方式分析这些信息后提供给研究人员，以供其参考或进一步研究。采用一系列的传感器检测主轴的振动、温度、转速等，将测得的信息变换成电信号后，输入到信号采集模块，经过处理后，再输入到PC机或专用的分析设备，利用轴心轨迹图、轴心位置图、振动波形图、频谱图等方式显示出来，对其状态进行分析评估。振动信息的测量可检测振动信号的传感器主要有:电涡流式位移传感器、电容式位移传感器、加速度传感器，其中可进行非接触式测量的主要是:电涡流式位移传感器、电容

4、式位移传感器。电容式传感器的后续电路复杂，在存在较强电磁干扰的现场，使用的电缆较长，杂散电容对测量结果产生影响，成本较高。不适合对机床主轴的振动。电涡流传感器可以实现非接触式测量，且有灵敏度高、抗干扰能力强、低频特性好、响应速度快、工作稳定可靠等优点，具有很宽的使用范围(0一1000OHZ)和线形范围，在旋转类机械设备振动信号采集中得到广泛的应用，技术比较成熟。本文拟采用电涡流式传感器完成对主轴的振动信号的采集。传感器的位置振动监测和故障诊断的核心问题是适当的选择及安装传感器，以便能获得机械振动及其它状态数据。对于旋转设备来说，径向的振动的测量多是在长y方向上安装两个非接触式的涡流传感器;对于

5、主轴组件来说，其径向是振动的敏感方向，可在主轴的径向安装两个互为90。的涡流传感器，以获取主轴的振动信息。振动信息的读取振动信息读取的传感器选用江阴盈誉科技有限公司生产的S一DW一A008一BOI一COI一Dol型涡流传感器。其线性范围为Ilnln，灵敏度为SV/mm。（1）涡流传感器检测原理电涡流位移传感器的工作原理是电涡流效应。当接通传感器系统电源时，在前置器内会产生一个高频电流信号，该信号通过电缆送到探头的内部，在头部周围产生交变磁场Hl。如图3所示。如果在磁场Hl的范围内没有金属导体材料接近，则发射到这一范围内的能量会全部释放;反之，如果有金属导体材料接近探头头部，则交变磁场Hl将在导

6、体的表面产生电涡流场，该电涡流场也会产生一个方向与Hl相反的交变磁场场。由于丛的反作用，就会改变探头头部线圈高频电流的幅度和相位，即改变了线圈的有效阻抗。假定金属导体是均质的，则线圈一金属导体系统的物理性能通常可由金属导体的磁导率夕、电导率占、尺寸因子;、线圈与金属导体距离d、线圈激励电流强度I和频率f等参数来描述。 因此线圈的阻抗可用如下函数来表示：对于特定的传感器，线圈的尺寸因子;、线圈的激励电流强度I和频率f恒定不变;对一于特定的测试对象，金属导体的磁导率户、电导率沙值定不变，那么阻抗Z就成为距离d的单值函数。由麦克斯韦尔公式可以求得此函数为一非线性函数，其曲线为“S形曲线，在一定范围内

7、可以近似为一线性函数。图3涡流效应示意图（2）检测电路线圈密封在探头中，线圈阻抗的变化通过封装在前置器中的电子线路处理后转换成电压或电流输出。如图3.6。采用并联谐振法，由前置器中一个固定电容CO和探头线圈L、并联与晶体管T一起构成一个振荡器，振荡器的振荡幅度Ux与线圈阻抗成比例，因此振荡器的振荡幅度Ux会随探头与被测间距d改变。Ux经检波滤波、放大，非线性修正后输出电压U0。电涡流传感器检测电路（3）灵敏度影响因素被测物体表面尺寸的影响探头线圈产生的磁场范围是一定的，在被测物体表面形成的涡流场也是一定的。试验表明，当被测面为平面时，以正对探头中心线的点为中心，被测面直径应当大于探头头部直径1

8、.5倍以上;当被测体为圆轴而且探头中心线与轴心线正交时，一般要求被测轴直径为探头头部直径的3倍以上，否则灵敏度就会下降36。本课题的研究对象直径为叻88.882mm，探头的直径为功Slnln，其比值大于1.5倍，符合检测要求。被测物体表面加工状况的影响不规则的被测体表面会给实际的测量造成附加误差，特别是对于振动测量，这个附加误差信号与实际的振动信号叠加在一起，很难进行分离，因此被测表面应该光洁。通常，对于振动测量表面粗糙度Ra要求在0.4一 0.8om之间(AP1670标准推荐值)，一般需要对被测面进行衍磨或抛光136】;本课题研究对象的表面粗糙度为 Ra=O.5um，符合检测要求。被测物体材

9、料的影响传感器特性与被测体的电导率和磁导率有关，当被测体为导磁材料(如结构钢等)时，由于磁效应和涡流效应同时存在，而且磁效应与涡流效应相反，要抵消部分涡流效应，使得传感器感应灵敏度低;而当被测体为非导磁或弱导磁材料(如铜、铝、合金钢等)时，由于磁效应弱，相对来说涡流效应要强，因此传感器感应灵敏度要高; 被测体表面残磁效应的影响电涡流效应主要集中在被测体表面，由于加工过程中形成的残磁效应，以及淬火不均匀，硬度不均匀，结晶结构不均匀等都会影响传感器特性，”1670标准推荐被测体表面残磁不超过 0.5pT。当需要更高的测量精度时，应该用实际被测体进行校准;各探头间的距离探头头部线圈中的电流会在头部周

10、围会产生磁场，因此在安装时要注意两个探头的安装距离不能太近，否则两探头之间会互相干扰，在输出信号上叠加两探头的差频信号，造成测量结果的失真，这种情况称之为相令区干扰。相邻干扰与被测体的形状，探头的头部直径以及安装方式等有关。通常情况下探头之间的最小距离见表各种型号探头之间的最小距离探头之间的距离探头与安装面之间的距离探头头部发射的磁场在径向和轴向都有一定的扩散。因此在安装时，就必须考虑安装面金属导体材料的影响，应保证探头头部与安装面之间不小于一定的距离，工程塑料头部体要完全露出安装面，否则应将安装面加工成平底孔或倒角。信号预处理 实际工程应用中的信号往往是复杂多变的，信号中通常存在又各种干扰，

11、例如振动干扰及电气、电磁干扰等。数据预处理的目的是为了提高数据的可靠性和数据分析的精度，提高分析的灵敏度及准确性。其核心是采用各种滤波技术提高信号的信噪比，做到去伪存真、去芜存蔷。数据预处理通常采用以下方法和途径 ：（1） 异常数据的剔除在采样过程中，由于突然发生传感器失灵、线路抖动、噪声干扰等偶然影响，信号中有时会混进一些杂乱值，产生过高或过低的突变点异常点。如果这些异常不预先剔除，将会歪曲分析结果。通过时间波形、数据列表或画出图形目视检查等手段发现异常点的存在并剔除。本系统按统计概率理论将大于3以上的数据剔除。（2） 趋势项的提取或去除 在信号分析过程中，通常把周期大于记录长度的频率成分称

12、为趋势项，它代表数据缓慢变化的趋势。产生趋势项的原因大致有两类：（一） 测量系统或采样系统仪器仪表的性能漂移、环境温度等条件的变化造成的，由于趋势项在时间上表现为线性的、缓慢变化的趋势误差，它的存在可能会使低频的谱分析出现较大的畸变，甚至完全失去真实性，严重影响检测分析结果，在信号分析前应从样本一记录中将这类趋势项消除;（二） 原始信号中本来包含的成分，包含了机器的状态信息，对分析信号非常有用，应加以提取利用而不能消除。 在信号进行A/D变换之前，即对模拟信号去除提取趋势项可以使用模拟电路 (去除趋势项用高通滤波器;提取趋势项用低通滤波器)。在数据离散化之后，对数字信号去除或提取趋势项则采用数

13、字处理方法。（3）信噪比的提高在采得的信号中，总是混有千扰成分的，此即所谓的噪声，噪声过大，有用的信号不突出，便难以做出准确的分析。在技术上用信噪比来衡量信号和噪声的比例关系，用符号S/N表示。在做信号分析前，设法减小噪声干扰的影响，提高别是信号预处理的一项主要内容。 提高信噪比的途径主要是时域平均和滤波两种方法。本文采用滤波法设法使噪声与有用信号分离，并予以抑制和消除。 在信号凋理环节，可选用模拟滤波电路对采集到的信号进行初步处理。模拟滤波是由电路实现的滤波方法。在采样前先用模拟滤波器进行滤波，可以改善信号质量，减少后续数据处理的工作量和困难。数字滤波法精度高、可靠性好、灵活、易于改变滤波特

14、性，得到广泛的应用。数字滤波法实质上是对采集到的离散数据进行运算，增强或提升所需要的信号，压低或滤掉干扰成分。本文在分析软件的编制中采用数字滤波方法对信号进行进一步处理。测试系统的抗干扰设计测量中会遇到各种各样的干扰，它们使仪器不能正常工作。这些干扰有外部的，如:环境中存在的电磁波干扰等。测量仪器内部，由于元件的热噪声、晶体管的低频噪声、在外部触发下产生自激等也将产生干扰。被测信号通常是直流信号或变化缓慢的交流信号，而干扰噪声是较快的杂乱交变信号，被测信号和干扰噪声之和为计算机的输入信号。从信号预处理的角度可以在信号的输入阶段消除部分干扰，剔除部分异常信号。而在电气角度采用抑制、切断祸合通道方

15、法消除或减小外界因素对测量电路的影响。本文选用接地和屏蔽方法减小周围环境干扰的影响，提高信号质量。（1） 干扰产生的机理干扰可分为串模干扰和共模干扰两种。串模干扰是使计算机的一个输入端相对于另一个输入端在电位上发生变化的一种干扰，是叠加在被测信号上的干扰噪声。干扰电压同时作用于计算机两个输入端上，叫做共模干扰。在测试系统中，传感器、被控对象和计算机之间有一定的距离，被测信号的参考接地点和计算机输入信号的参考接地点之间往往存在一定的电位差，这个电位差是计算机两个输入端共有的干扰电压，故叫做共模干扰。共模干扰比串模干扰更为严重。（2）抗干扰措施干扰的祸合方式主要有四种方式:(l)静电藕合经杂散电容

16、祸合到电路中去;(2)电磁藕合经互感藕合到电路中去;(3)共阻抗祸合电流经两个以上电路之间的公共阻抗藕合到电路中去;(4)漏电流藕合由于绝缘不良由流经绝缘电阻的电流祸合到电路中去。抑制或切断藕合通道是抑制干扰的主要措施，两个主要方法是接地和屏蔽被测信号的双端输入存在共模干扰的场合，采用单端对地输入方式将使共模干扰电压全部成为串模干扰电压叠加到被测信号上。而对于双端不对地输入方式存在共模干扰电压阮m的情况，仅考虑直流共模干扰电压。因此本系统的被测信号的输入采取双端不对地输入。被测信号的输入方式采用屏蔽技术信号传输采用带屏蔽层的同轴电缆，其它易产生电磁干扰的组件、器件如交流电源线、直流电源放大器等加屏蔽罩。采用接地技术接地线会产生共模干扰电压，采用正确的接地方法可以抑制共模干扰电压。本系统包括下述几种接地线:信号源地线、信号地线、交流供电电源地线;机架、机壳、屏蔽层、屏蔽线、计算机壳保护接地线。使用时将以上地线各自分别引出，连接在一起形成一个系统接地点，再将系统接地点通过单线接地接在埋在地下的铜板或接地棒上，形成单点接地。