机床齿轮箱振动监测虚拟仪器系统的设计

摘要：机床齿轮箱振动监测虚拟仪器系统由硬件和软件两大部分组成，其中以数据采集卡及计算机为主要硬件平台，软件系统利用图形化编程语言LabVIEW编程。软件系统的各功能模块都编制一个独立的子VI，当需要运行该模块的功能时，由上级VI调用该模块的对应的子VI，实现该模块功能。本系统集参数数据库、故障数据记录库、故障诊断知识库实现了实时监测及诊断为一体的诊断系统。该系统对CQ9145组合机床齿轮箱振动信号进行了采集、处理和分析，结果表明，人机界面友好，操作使用方便并便于用户扩展功能。

关键词： 振动信号；LabVIEW；信号采集；信号处理；故障诊断 

Design of Virtual Instrument System on Vibration Monitoring of Machine Tool Gearcase 

Chen Huilian1 Chen Yanhua2

（Tangshan Technology Occupation Technical College, Tangshan, 063001,China）

Abstract:The vibration monitoring system on transmission case of machine tool was consisted of two parts that was hardware and software. In the system, the data acquisition card and computer were the main hardware platform. The software system adopted LabVIEW in programming. The system was divided into certain independent function modules and each independent Sub-VI was established to each function module. When the function module was needed to execute and realize, the corresponding sub-VI was transferred by the higher authority VI. A complete diagnostic system with the parameters data library, fault data logging library, fault diagnosis knowledge library, real-time monitoring and diagnosis was built. The system realized vibration signal acquisition, processor and analysis to CQ9145 joint machine tools. The results showed that the interface of software system is friendly, the operation was simple and the expansion function was convenient for user.

Keywords:Vibration Signal; LabVIEW; Signal Acquisition; Signal Processing; Fault diagnosis

 

0引言

    齿轮箱是机床的重要组成部分。它的内部结构较为复杂,一般包括三根传动轴,每根轴上安装有数个传动齿轮及轴承，其内部任何一个零件的缺陷都有可能导致整个齿轮箱性能不合格。齿轮箱的故障诊断是对转子、滚动轴承和齿轮故障诊断的综合。据统计,在机械传动中60%的故障是由齿轮故障引起的 [1]。振动信号是齿轮故障特征信息的载体。对齿轮振动信号进行分析和处理,以判断齿轮的运行状况,是目前齿轮故障诊断的最主要方法。本系统利用模块化硬件,结合灵活的

软件来完成振动信号的测试与测量,实现对齿轮箱的在线监测和离线故障诊断。

1系统方案设计

齿轮箱振动监测虚拟仪器系统框图如图1所示。诊断过程分了三大部分：振动信号的采集；状态参数识别；诊断决策及其输出。其中建立了具有标准数据库、故障数据记录库、故障诊断知识库、实时监测、诊断为一体的完善的诊断系统。

机床齿轮箱振动监测虚拟仪器系统硬件

由传感器、信号调理模块、数据采集卡、计算机等组成。其结构框图如图2所示。系统

所用的传感器为BZ1185型的内置IC型压电加速度传感器，该传感器是内装IC放大器的压电加速度传感器，它将传统的压电加速度传感器与电荷放大器集于一体，能直接与记录、显示和采集仪器连接，简化了测试系统，提高了测试精度和可靠性；信号调理模块为

BZ2702通过IC电荷放大器和CR高通电路对输入信号放大、转换、滤波使信号转换成1~5 V,4~20 mA有限带宽信号。该信号输入AMPCI-9111数据采集卡,该卡具有16 Bit分辨率的A/D转换器,提供了16双/32单的模拟输入通道,114 kHz的采集频率。在机床的运行状态下,它能实时采集齿轮箱振动信号的电压模拟信号并量化为数字电压信号输入到

计算机中，信号分析、处理是在LabVIEW软件下进行的。

1.2振动监测软件系统

机床齿轮箱振动监测软件的流程图为图3所示，主程序为图4所示。监测系统软件环境：采用WINXP中文操作系统，LabVIEW8.5开发平台进行应用软件设计，采用了结构化和模块化的编程思想，模块化编程是实现软件结构化的重要手段。该软件系统通过对机床齿轮箱的振动信号进行实施监测，实时地反映机床的整体状态和局部状态。监测软件系统中不仅包含了目前常用的信号处理方法，如时域波形分析，频域分析等，而且包含了现代信号处理方法联合时-频分析，如小波分析等，并且在系统建立了数据库、知识库和模型库，极大地方便了齿轮的故障诊断。

2 诊断方法

传统的分析方法是信号单独在时域或频域中进行分析，而联合时－频分析（joint time frequency analysis， JTFA） 可以同时在时域和频域中对信号进行分析，这有助于更好地了解和处理特定的信号[2]。因齿轮传动过程中振动信息包含了磨损、疲劳、剥落、裂纹、断齿等运行状态信息，这些信息量非常复杂[3]，因此在振动诊断过程中，主要采用了具有多分辨率、信号局部分析的小波分析方法,有效的提取齿轮振动信号中的故障信息

与标准的傅里叶变换相比，小波分析中所用到的小波函数具有不唯一性，即小波函数具有多样性。在工程应用中小波分析一个十分重要的问题就是最优小波基的选择问题，选用不同的小波基分析同一个问题会产生不同的结果[4]。在众多的小波基函数的家族中，有一些小波函数被实践证明是非常有用的，下面主要介绍软件系统的所用的小波函数。

2.1 Daubechies（dbN）小波系

    Daubechies函数是由世界著名的小波分析学者Inrid Daubechies构造的小波函数，它不能用解析式给出，只能通过迭代方法产生，是迭代过程的极限。dbN函数是紧支集标准正交小波，它的出现使离散小波分析成为可能。图5是db6小波的尺度函数和小波函数

2.2 Symlets（symN）小波系

Symlets函数是由Daubechies提出的近似对称的小波函数，它是对dbN函数的一种改进。它通常表示为symN（N=2，3，…，8）的形式。

3 系统验证

本软件系统主要应用小波分析来处理非平稳信号。在小波分析模块中，主要调用了Advancing Signal Processing Toolset中 Easy Discrete Wavelet Transform .vi，它的主要功能是计算一维的离散小波变换，包含大多数常用的小波函数[6]。图7是小波分析的主界面，在此程序中，还调用了Read From Spreadsheet File .vi，用来读取原始数据文件，并将小波分析的结果用函数Write To Spreadsheet File .vi 保存为Excel格式。

采集CQ9145机床上齿轮箱的振动信号，分别采集正常信号和其中一个啮合齿轮断了一个齿，应用db6小波对信号进行了分解与重构，从图中根据断齿发生的时间可以计算出周期，与齿轮箱内各个齿轮的频率值作比较，就可以判断出是哪个齿轮发生了故障。

4 结论

本文采用机床齿轮箱振动信号作为故障信息的载体, 用虚拟仪器技术建立了齿轮箱振动监测诊断系统。此系统充分发挥了虚拟仪器技术的优势，改变了传统仪器的操作方式，对齿轮箱的振动信号，很便携地实现了信号采集、分析处理、数据存储及齿轮箱工作状态的实时监测诊断。 通过小波变换的多分辨分析技术将淹没于正常噪声中的故障信息进行了细化,得到丰富故障信息。实验证明，系统检测效果很好，极大地方便了用户的使用，提高了机床在线监测诊断水平。

参考文献：

[1] 季立明．基于网络的设备监测诊断开放平台的研究[D]．天津：天津大学，2002．

[2]  刘明才．小波分析及其应用[M]．北京：清华大学出版社，2005．25-28.

[3]陈访,王其东.小波分析在变速器齿轮故障诊断中的应用[J].汽车科技,2007,1:23.

[4] 罗幼芝．小波变换应用于信号去噪研究[J]．吉林师范大学学报，2005，（2）：62-63．

[5] 王源源．现代信号处理理论和方法[M]．上海：复旦大学出版社，2003．

[6] 杨乐平，李海涛，赵勇等．LabVIEW高级程序设计[M]．北京：清华大学出版社，2004，457-483．


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