基于KXP84型加速度计的低成本机床振动测量单元设计.pdf

．机械制造与研究 杨雪峰 ， 等 基于 K X P 8 4型加速度计的低成本机床振动测量单元设计 基于 KX P 8 4型加速度计 的低成本 机床 振动测量单元设计 杨雪峰， 李仁杰 ， 吴文慧， 陈松 南京航空航天大学 金城学院 ， 江苏 南 京 2 1 1 1 5 6 摘要 针对机床振动测 量的 实 际需求 ， 在分 析 了 K X P 8 4型加 速 度计 的基础 上 ， 提 出了基 于 K X P 8 4型加速度计的一种低成本机床振动测量单元的具体软件、 硬件 实现方案。实验结果表 明， 机床振动测量单元切实可行 ， 并且成本显著降低， 具有实际的应用价值。 关键词 机床振 动 ； 测量 ； K X P 8 4 ； 加 速度 计 ； 中图分类号 T H 1 2 ； T H 7 文献标识码 A 文章 编号 1 6 7 1 - 5 2 7 6 2 0 1 2 0 3 - 0 0 1 6 - 0 2 De s i g n o f Lo w．c o s t M a c hi ne To o l Vi b r a t i o n M e a s ur i ng Un i t Ba s e d o n KXP8 4 S e r i e s Ac c e l e r o me t e r YANC Xu e f e n g， L I Re n l i e ． WU We n ． h u i ， CHE N S o n g C o l le g e o f J i n c h e n g ， N a n j i n g U n iv e r s i t y o f A e r o n a u t ic s a n d A s t r o n a u t ic s ，N a n j in g ， 2 1 1 1 5 6 ， Ch in a Ab s t r a c t A c c o r d in g t o t h e me a s u r e me n t r e q u i r e me n t o f ma c h i n e t o o l v ib r a t io n ， a L o w c o s t ma c h i n e t o o l v ib r a t io n me a s u r i n g U n it i s de s i g n e d b a s e d on KXP8 4 s er i e s a c c eler o me t e r an d t h e e x p e r ime n t i s c a r r i e d ou t ．It s r es u lt ．i n d i c a t e s t h a t t h e mac h i n e t o o l v i b r a t i o n me a s ur i n g Un it is f e a s i b l e，it s C OS t is lo wer e d s i g n i f i c an t ly a n d it is o f ac t u a l a p plic at ion v a l u e． Ke y wo r ds ma ch i n e t o ol v ibr a t ion；me as u r i n g；KXP 8 4；a c c eler o met e r ； 0 引言 机械振动的测试技术应用非常广泛， 而在对机床动力 学的研究过程中， 经常需要对振动的各种测试， 诊断。对 机床振动的测试， 有许多传统的测试方法与多种仪器， 但 是传统的仪器通常存在造价高 ， 携带不方便， 使用不够灵 活。随着微加工工艺的不断提高， 加速度计在航空、 汽车、 电子等行业得到了广泛应用。基于 ME MS制造工艺的美 国 K I O N I X公司生产的 K X P 8 4型三轴加速度计具有响应 速度快、 低成本和低功耗等优点， 对 K X P 8 4型加速度计的 性能特点 、 结构原理 进行 了详 细介绍 ， 提 出了基 于 K X P 8 4 型加速度计的一种低成本机床振动测量模块的具体软件、 硬件实现方案 。 1 加速度芯片 K X P 8 4型加速度计是基于单 C MO S集成电路制造工 艺生产出来的一个完整的三轴加速度测量芯片， 具有以下 特点 1 K X P 8 4型加速度计可同时测量沿 轴、 Y轴、 z 轴三个 方向的加速度， 分辨力为 5 n a g g为一个重力加速度 。 2 信号经过 A ／D转换后可直接送给端 口处理。x y z 三轴输 出带宽可根据需要配 置， 上 限分别 为3 5 0 0H z ， 3 50 0 Hz ， 1 7 5 0 Hz 。 3 非线性误差为 0 ．1％ F S F S代表满量程 ， 2 机床振动测量单元总体 方案设计 根据对机床振动信号采集及监测的性能需要 ， 测量模 块需要具备以下功能 1 测量、 记录和存储各个测量点的振动加速度原始信号。 2 把原始数据导出到 P c上位机软件中直接进行查 看 和进一步分析 。 3 对原始加速度数据进行数字滤波， 消除干扰。 4 对原始加速度数据进行处理， 得到速度、 位移等数 据的功能。 根据上述的功能需求 ， 模块设计框图如图 1所示。 ● 一 ● 一 ● 一 ▲ Z ●L 一 l Y ● 一 S TC1 2 C5 4 1 0 MAX3 23 2 PC x - _ ． ● 一 KXP8 4 图 1 测量单 元总体方 案框 图 3 模块硬 件设计 3 ． 1 电源 电路设计 外部输入采用 5 V的开关电源， 由于系统需要 3 ． 3 V 作者简介 杨雪 峰 1 9 8 4 一 ， 男 ， 安徽宿州人 ， 助教 ， 硕 士， 研究方 向为智能数控技术 与嵌入式 系统开发。 1 6 h t t p ffZ Z H D ． c h i n a j o u rna 1 ． n e t ． 3 1 1 E - m a i l Z Z H D c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n 机械制造与自动化 机械制造 与研究 杨雪峰 ， 等 基 于 K X P 8 4型加 速度计的低成本机床 振动测量单元设计 工作电压， 所以采用工业级以上的芯片 2 0 WZ 1 1来构建所 需电源， 电源设计如图 2所示。 图 2 电源 电路 图 3 ． 2 加速度计 电路设计 K X P 8 4型加速度计可 以测 量三轴加 速度 ， 其 x y z 三 轴 输出带宽靠外部三个电容进行配置 ， 为了便于根据实际测 量要求进行调整， 每一个引脚上采用两个 电容并联， 提高 配置精度。其输出值可以通过 自身的 S P I 接口输出， 具体 设计如 图 3所示 。 ． 鱼 _ ] l ‘L L L 2 I v c c I O V C Cl l 3 y I l 3 ． 3 3 I M 0 7／- I N T s c I K L_l S ￡ K 0 ． 1 u F I F F - IN T s ∞l S Q 一 IX-O UT sD I l lQ s 旦 l 广 j ／ CS／ 工 9 画-C S l l O U T 7 l v 二 ⋯ 8 R E s E T j 1 E i 1 ⋯ ⋯⋯ } _ j 【 c l J 4 L _ l K X P 8 4 3 ． 3 控 制端设计 控制端要实现对 K X P 8 4型加速度计 的控制， 完成数 据的读取， 并且完成加速度采集后 ， 要对数据进行处理， 同 时实现数据的上传 ， 因此采用单片机 S T C 1 2 C 5 4 1 0作为加 速度计的控制端， 配上串口芯片 MA X 3 2 3 2实现通讯， 具体 设计如 图 4所示 。 4 模块 软件设计 图 4 控制端 电路 图 软件系统的主要功能产生控制信号、 实现 S P I 接口通 讯、 采集数据的处理、 数据导出功能。如图 5软件流程图 所示 ， 系统初始化后 ， 进行 S P I 通讯参数配置 ， 控制端接收 数据并校验 ， 如果校验出错 ， 择舍去数据 ， 此次数据采集结 束。数据校验无错时， 进入数据处理模块， 进行滤波、 变 换， 并且根据加速度值计算速度、 位移数据。为了进一步 分析数据 ， 数据可以通过 串 口通讯 ， 传到上位 机。 图 5软件流程图 Ma c h i n e B u i l d i n g曾 Au to m a t i o n ， “2 0 1 2 ， 4 1 3 1 6～J 7 ， 2 4 5 实验与分析 图 6所示的为本实验所用的平台， 用本文设计振动测 量模 块进行测量 。通过 本模块 采集 的数据 可 以以文 本形 式下 载 ， 为 了更好 的动态 显示数 据 的效 果 ， 在上 位机 中用 V C开发了动态显示部分。实验结果表明， 提出的机床振 动测量模块切实可行 ， 具有实际的应用价值。 图 6 实验平 台 下转 第 2 4页 1 7 机械制造与研究 范春华， 等 移动式搅拌设备半挂车车架的静强度及模态分析 慝 - I l 一 I 彗 ． 一 6 1 9 ． 7 5 二阶水平峦曲 ■譬暑士釜 。 从 表 2的模 态分 析结果 可以看 出 1 车架 1 6阶的振型为车架的整体振动， 模态频 率在 72 O H z 范围内， 其振型主要表现为竖直面内的弯 曲振动、 扭曲振动、 水平面的左右弯曲振动和弯扭组合 几种形式。由上面各振型可以看出， 车架各阶振型比较 平滑， 无明显突变 ， 这说明了该车架在结构方面设计上 比较合理。 2 半挂车车架主要受路面激励源的影响， 为保证整 车振动性能良好， 必须保证激励源的激励频率与车架的低 阶固有频率避开， 根据半挂车的实际行驶路况 ， 路面激励 力一般在 3 H z 以下， 从表 1 可以看到。 车架的整体模态频 率在 7 2 0 H z内， 避开了这一频率 ， 且整体振型比较平 滑 ， 具有较好 的动态特性 。 4 结论 本文用 H y p e r me s h建立了某移动式搅拌设备的半挂 车车架的有限元模型， 并对车架在满载匀速、 满载弯曲、 满 载爬坡三种工况下进行了静态强度计算， 得到了车架在主 要载荷工况下的应力分布。计算结果表明， 车架应力分布 比较均匀， 对于车架第一横梁和纵梁连接处以及车架前部 的应力集中问题， 使用加强筋改进应力集中， 消除隐患， 并 为后面实现轻量化优化设计做好准备。 从车架的模态特性可知， 车架的动态特性较好 模态 频率在 7 2 0H z 范围内， 其振型主要表现为竖直面内的 弯曲振动、 扭曲振动、 水平面的左右弯曲振动和弯扭组合 几种形式。车架各阶振型比较平滑， 无明显突变， 且其低 阶固有频率避开了路面激励源的频率， 说明了该车架在结 构方面设计上比较合理。 参考 文献 [ 1 ]王波 ， 吴慧．混凝土生产系统设备优化设计 [ J ] ．水利水电技 术 ， 2 0 0 9 ， 4 0 1 O 3 8 40 ． [ 2]潘平 ， 王国权 ， 林 梅友 ， 等 ．半挂牵 引车车架 的强度特性 分析 [ J ] ． 北京信息科技大学学报， 2 0 1 0 ， 2 5 2 5 2 - 5 7 ． [ 3 ]王 勖 成．有 限 单 元 法 下 [ M] ．北 京 清 华 大 学 出 版 社 ， 2 0 0 3 ． [ 4 ]于开平 ， 周传月 ， 谭惠丰．H y p e r Me s h从入 门到精通 [ M]．北 京 机械工业出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 5 ] 余志生．汽车理论[ M] ． 5版． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 6 ]李楚琳 ， 张胜兰 ， 冯茵 ， 等 ．Hy p e r Wo r k s 分析应用 实例 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 8 ． 收稿 日期 2 0 1 11 00 6 上接第 1 7页 6 结论 在分析了 K X P 8 4型加速度计的性能特点的基础上， 提出了机床振动测量的方案， 并详细的介绍了设计过程， 通过实验也表明， 本文提出的机床振动测量模块切实可 行 。 具有实际的应用价值， 达到了设计要求。 参考文献 o f F RF s a n d mo d a l i d e n t i f i c a t i o n i n c a s e o f c o r r e l a t e d mu l t i p o i n t e x c i t a t i o n ．S h o c k a n d Vi b r a t i o n [ J ] ， 2 0 0 8， 1 5 3 4 3 5 5 ． [ 3 ]张文苑 ， 秦志英． 虚拟 式振动测试 系统 的研 发和应用 [ J ] ． 现 代制造工程 ， 2 0 0 3， 8 6 8 - 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