主軸振動測量系統(tǒng)的設(shè)計策劃方案解析

1、 HYPERLINK / HYPERLINK /主軸振動測量系統(tǒng)的設(shè)計方案主軸組件是機床中的一個關(guān)鍵組件，在主軸的動態(tài)參數(shù)中，振動是最重要的問題之一，包含了豐富的運行狀態(tài)信息，是一個動態(tài)狀態(tài)信息庫。檢測主軸的振動能夠了解主軸的動態(tài)運行情況，對其進行綜合分析評估和診斷。主軸的振動受制造、結(jié)構(gòu)、安裝及機床整體裝配等專門多因素阻礙。不同故障會在振動信號以不同的形式中體現(xiàn)出來。主軸組件在運轉(zhuǎn)時，有專門多信息通過振動、溫度狀態(tài)等表現(xiàn)出來，研究這些信息能夠認(rèn)識其運行特征。利用一系列的傳感器接收其動態(tài)信息并將其轉(zhuǎn)化為電信號，輸入到信號采集模塊，通過處理后，再輸入到PC機或?qū)Ｓ玫姆治鲈O(shè)備，利用軸心軌跡圖、軸心

2、位置圖、振動波形圖、頻譜圖等方式顯示出來，可對其狀態(tài)進行分析評估。虛擬儀器是電子測量技術(shù)和計算機測控技術(shù)的前沿技術(shù)，它將計算機的采集、測試、分析與處理引入到電子測試領(lǐng)域，利用數(shù)字化技術(shù)和軟件技術(shù)極大地提高了測試系統(tǒng)的靈活性和可擴展性。設(shè)備狀態(tài)檢測及診斷技術(shù)的實施，要緊包括三個環(huán)節(jié):一是信息的采集，為分析診斷提供依據(jù);二是信號處理，將雜亂無章的信號去偽存真，并依照分析要求進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換(變換)，以獲得對診斷工作的既敏感又直觀的信息;三是通過信號處理得到的信息對設(shè)備的狀態(tài)(含故障狀態(tài))進行識不、推斷和評估。事實上施過程如圖1所示。檢測對象的實施過程主軸組件運行時可表述其特征的信息要緊是:振動、溫度

3、、轉(zhuǎn)速等，本課題要緊研究主軸的振動。結(jié)果輸出數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)采集渦流前置器渦流傳感器主軸振動信息結(jié)果輸出數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)采集渦流前置器渦流傳感器主軸振動信息圖2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計目前檢測領(lǐng)域多是利用一系列的傳感器接收此類信息并將其轉(zhuǎn)化為電信號，將其進行一系列的處理之后，利用圖形或軟件等方式分析這些信息后提供給研究人員，以供其參考或進一步研究。采納一系列的傳感器檢測主軸的振動、溫度、轉(zhuǎn)速等，將測得的信息變換成電信號后，輸入到信號采集模塊，通過處理后，再輸入到PC機或?qū)Ｓ玫姆治鲈O(shè)備，利用軸心軌跡圖、軸心位置圖、振動波形圖、頻譜圖等方式顯示出來，對其狀態(tài)進行分析評估。振動信息的測量可檢測振動信號的傳感器要緊有

4、:電渦流式位移傳感器、電容式位移傳感器、加速度傳感器，其中可進行非接觸式測量的要緊是:電渦流式位移傳感器、電容式位移傳感器。電容式傳感器的后續(xù)電路復(fù)雜，在存在較強電磁干擾的現(xiàn)場，使用的電纜較長，雜散電容對測量結(jié)果產(chǎn)生阻礙，成本較高。不適合對機床主軸的振動。電渦流傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式測量，且有靈敏度高、抗干擾能力強、低頻特性好、響應(yīng)速度快、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，具有專門寬的使用范圍(0一1000OHZ)和線形范圍，在旋轉(zhuǎn)類機械設(shè)備振動信號采集中得到廣泛的應(yīng)用，技術(shù)比較成熟。本文擬采納電渦流式傳感器完成對主軸的振動信號的采集。傳感器的位置振動監(jiān)測和故障診斷的核心問題是適當(dāng)?shù)倪x擇及安裝傳感器，以便能

5、獲得機械振動及其它狀態(tài)數(shù)據(jù)。關(guān)于旋轉(zhuǎn)設(shè)備來講，徑向的振動的測量多是在長y方向上安裝兩個非接觸式的渦流傳感器;關(guān)于主軸組件來講，其徑向是振動的敏感方向，可在主軸的徑向安裝兩個互為90。的渦流傳感器，以獵取主軸的振動信息。振動信息的讀取振動信息讀取的傳感器選用江陰盈譽科技有限公司生產(chǎn)的S一DW一A008一BOI一COI一Dol型渦流傳感器。其線性范圍為Ilnln，靈敏度為SV/mm。（1）渦流傳感器檢測原理電渦流位移傳感器的工作原理是電渦流效應(yīng)。當(dāng)接通傳感器系統(tǒng)電源時，在前置器內(nèi)會產(chǎn)生一個高頻電流信號，該信號通過電纜送到探頭的內(nèi)部，在頭部周圍產(chǎn)生交變磁場Hl。如圖3所示。假如在磁場Hl的范圍內(nèi)沒有

6、金屬導(dǎo)體材料接近，則發(fā)射到這一范圍內(nèi)的能量會全部釋放;反之，假如有金屬導(dǎo)體材料接近探頭頭部，則交變磁場Hl將在導(dǎo)體的表面產(chǎn)生電渦流場，該電渦流場也會產(chǎn)生一個方向與Hl相反的交變磁場場。由于叢的反作用，就會改變探頭頭部線圈高頻電流的幅度和相位，即改變了線圈的有效阻抗。假定金屬導(dǎo)體是均質(zhì)的，則線圈一金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的物理性能通?？捎山饘賹?dǎo)體的磁導(dǎo)率夕、電導(dǎo)率占、尺寸因子;、線圈與金屬導(dǎo)體距離d、線圈激勵電流強度I和頻率f等參數(shù)來描述。 因此線圈的阻抗可用如下函數(shù)來表示：關(guān)于特定的傳感器，線圈的尺寸因子;、線圈的激勵電流強度I和頻率f恒定不變;對一于特定的測試對象，金屬導(dǎo)體的磁導(dǎo)率戶、電導(dǎo)率沙值定不變，

7、那么阻抗Z就成為距離d的單值函數(shù)。由麥克斯韋爾公式能夠求得此函數(shù)為一非線性函數(shù)，其曲線為“S形曲線，在一定范圍內(nèi)能夠近似為一線性函數(shù)。圖3渦流效應(yīng)示意圖（2）檢測電路線圈密封在探頭中，線圈阻抗的變化通過封裝在前置器中的電子線路處理后轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。如圖3.6。采納并聯(lián)諧振法，由前置器中一個固定電容CO和探頭線圈L、并聯(lián)與晶體管T一起構(gòu)成一個振蕩器，振蕩器的振蕩幅度Ux與線圈阻抗成比例，因此振蕩器的振蕩幅度Ux會隨探頭與被測間距d改變。Ux經(jīng)檢波濾波、放大，非線性修正后輸出電壓U0。電渦流傳感器檢測電路（3）靈敏度阻礙因素被測物體表面尺寸的阻礙探頭線圈產(chǎn)生的磁場范圍是一定的，在被測物體表面

8、形成的渦流場也是一定的。試驗表明，當(dāng)被測面為平面時，以正對探頭中心線的點為中心，被測面直徑應(yīng)當(dāng)大于探頭頭部直徑1.5倍以上;當(dāng)被測體為圓軸而且探頭中心線與軸心線正交時，一般要求被測軸直徑為探頭頭部直徑的3倍以上，否則靈敏度就會下降36。本課題的研究對象直徑為叻88.882mm，探頭的直徑為功Slnln，其比值大于1.5倍，符合檢測要求。被測物體表面加工狀況的阻礙不規(guī)則的被測體表面會給實際的測量造成附加誤差，特不是關(guān)于振動測量，那個附加誤差信號與實際的振動信號疊加在一起，專門難進行分離，因此被測表面應(yīng)該光潔。通常，關(guān)于振動測量表面粗糙度Ra要求在0.4一 0.8om之間(AP1670標(biāo)準(zhǔn)推舉值)

9、，一般需要對被測面進行衍磨或拋光136】;本課題研究對象的表面粗糙度為 Ra=O.5um，符合檢測要求。被測物體材料的阻礙傳感器特性與被測體的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率有關(guān)，當(dāng)被測體為導(dǎo)磁材料(如結(jié)構(gòu)鋼等)時，由于磁效應(yīng)和渦流效應(yīng)同時存在，而且磁效應(yīng)與渦流效應(yīng)相反，要抵消部分渦流效應(yīng)，使得傳感器感應(yīng)靈敏度低;而當(dāng)被測體為非導(dǎo)磁或弱導(dǎo)磁材料(如銅、鋁、合金鋼等)時，由于磁效應(yīng)弱，相對來講渦流效應(yīng)要強，因此傳感器感應(yīng)靈敏度要高; 被測體表面殘磁效應(yīng)的阻礙電渦流效應(yīng)要緊集中在被測體表面，由于加工過程中形成的殘磁效應(yīng)，以及淬火不均勻，硬度不均勻，結(jié)晶結(jié)構(gòu)不均勻等都會阻礙傳感器特性，”1670標(biāo)準(zhǔn)推舉被測體表面殘磁

10、不超過 0.5pT。當(dāng)需要更高的測量精度時，應(yīng)該用實際被測體進行校準(zhǔn);各探頭間的距離探頭頭部線圈中的電流會在頭部周圍會產(chǎn)生磁場，因此在安裝時要注意兩個探頭的安裝距離不能太近，否則兩探頭之間會互相干擾，在輸出信號上疊加兩探頭的差頻信號，造成測量結(jié)果的失真，這種情況稱之為相令區(qū)干擾。相鄰干擾與被測體的形狀，探頭的頭部直徑以及安裝方式等有關(guān)。通常情況下探頭之間的最小距離見表各種型號探頭之間的最小距離探頭之間的距離探頭與安裝面之間的距離探頭頭部發(fā)射的磁場在徑向和軸向都有一定的擴散。因此在安裝時，就必須考慮安裝面金屬導(dǎo)體材料的阻礙，應(yīng)保證探頭頭部與安裝面之間不小于一定的距離，工程塑料頭部體要完全露出安裝

11、面，否則應(yīng)將安裝面加工成平底孔或倒角。信號預(yù)處理 實際工程應(yīng)用中的信號往往是復(fù)雜多變的，信號中通常存在又各種干擾，例如振動干擾及電氣、電磁干擾等。數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的是為了提高數(shù)據(jù)的可靠性和數(shù)據(jù)分析的精度，提高分析的靈敏度及準(zhǔn)確性。其核心是采納各種濾波技術(shù)提高信號的信噪比，做到去偽存真、去蕪存薔。數(shù)據(jù)預(yù)處理通常采納以下方法和途徑 ：異常數(shù)據(jù)的剔除在采樣過程中，由于突然發(fā)生傳感器失靈、線路抖動、噪聲干擾等偶然阻礙，信號中有時會混進一些雜亂值，產(chǎn)生過高或過低的突變點異常點。假如這些異常不預(yù)先剔除，將會歪曲分析結(jié)果。通過時刻波形、數(shù)據(jù)列表或畫出圖形目視檢查等手段發(fā)覺異常點的存在并剔除。本系統(tǒng)按統(tǒng)計概率理

12、論將大于3以上的數(shù)據(jù)剔除。趨勢項的提取或去除 在信號分析過程中，通常把周期大于記錄長度的頻率成分稱為趨勢項，它代表數(shù)據(jù)緩慢變化的趨勢。產(chǎn)生趨勢項的緣故大致有兩類：測量系統(tǒng)或采樣系統(tǒng)儀器儀表的性能漂移、環(huán)境溫度等條件的變化造成的，由于趨勢項在時刻上表現(xiàn)為線性的、緩慢變化的趨勢誤差，它的存在可能會使低頻的譜分析出現(xiàn)較大的畸變，甚至完全失去真實性，嚴(yán)峻阻礙檢測分析結(jié)果，在信號分析前應(yīng)從樣本一記錄中將這類趨勢項消除;原始信號中本來包含的成分，包含了機器的狀態(tài)信息，對分析信號特不有用，應(yīng)加以提取利用而不能消除。 在信號進行A/D變換之前，即對模擬信號去除提取趨勢項能夠使用模擬電路 (去除趨勢項用高通濾波

13、器;提取趨勢項用低通濾波器)。在數(shù)據(jù)離散化之后，對數(shù)字信號去除或提取趨勢項則采納數(shù)字處理方法。（3）信噪比的提高在采得的信號中，總是混有千擾成分的，此即所謂的噪聲，噪聲過大，有用的信號不突出，便難以做出準(zhǔn)確的分析。在技術(shù)上用信噪比來衡量信號和噪聲的比例關(guān)系，用符號S/N表示。在做信號分析前，設(shè)法減小噪聲干擾的阻礙，提高不是信號預(yù)處理的一項要緊內(nèi)容。 提高信噪比的途徑要緊是時域平均和濾波兩種方法。本文采納濾波法設(shè)法使噪聲與有用信號分離，并予以抑制和消除。 在信號凋理環(huán)節(jié)，可選用模擬濾波電路對采集到的信號進行初步處理。模擬濾波是由電路實現(xiàn)的濾波方法。在采樣前先用模擬濾波器進行濾波，能夠改善信號質(zhì)量

14、，減少后續(xù)數(shù)據(jù)處理的工作量和困難。數(shù)字濾波法精度高、可靠性好、靈活、易于改變?yōu)V波特性，得到廣泛的應(yīng)用。數(shù)字濾波法實質(zhì)上是對采集到的離散數(shù)據(jù)進行運算，增強或提升所需要的信號，壓低或濾掉干擾成分。本文在分析軟件的編制中采納數(shù)字濾波方法對信號進行進一步處理。測試系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計測量中會遇到各種各樣的干擾，它們使儀器不能正常工作。這些干擾有外部的，如:環(huán)境中存在的電磁波干擾等。測量儀器內(nèi)部，由于元件的熱噪聲、晶體管的低頻噪聲、在外部觸發(fā)下產(chǎn)生自激等也將產(chǎn)生干擾。被測信號通常是直流信號或變化緩慢的交流信號，而干擾噪聲是較快的雜亂交變信號，被測信號和干擾噪聲之和為計算機的輸入信號。從信號預(yù)處理的角度能夠在

15、信號的輸入時期消除部分干擾，剔除部分異常信號。而在電氣角度采納抑制、切斷禍合通道方法消除或減小外界因素對測量電路的阻礙。本文選用接地和屏蔽方法減小周圍環(huán)境干擾的阻礙，提高信號質(zhì)量。干擾產(chǎn)生的機理干擾可分為串模干擾和共模干擾兩種。串模干擾是使計算機的一個輸入端相關(guān)于另一個輸入端在電位上發(fā)生變化的一種干擾，是疊加在被測信號上的干擾噪聲。干擾電壓同時作用于計算機兩個輸入端上，叫做共模干擾。在測試系統(tǒng)中，傳感器、被控對象和計算機之間有一定的距離，被測信號的參考接地點和計算機輸入信號的參考接地點之間往往存在一定的電位差，那個電位差是計算機兩個輸入端共有的干擾電壓，故叫做共模干擾。共模干擾比串模干擾更為嚴(yán)峻。（2）抗干擾措施干擾的禍合方式要緊有四種方式:(l)靜電藕合經(jīng)雜散電容禍合到電路中去;(2)電磁藕合經(jīng)互感藕合到電路中去;(3)共阻抗禍合電流經(jīng)兩個以上電路之間的公共阻抗藕合到電路中去;(4)漏電流藕合由于絕緣不良由流經(jīng)絕緣電阻的電流禍合到電路中去。抑制或切斷藕合通道是抑制干擾的要緊措施，兩個要緊方法是接地和屏蔽被測信號的雙端輸入存在共模干擾的場合，采納單端對地輸入方式將使共模干擾電壓全部成為串模干擾電壓疊加到被測信號上。而關(guān)于雙端不對地輸入方式存在共模干擾電壓阮m的情況，僅考慮直流共模干擾電壓。