机床振动信号数据采集系统设计.pdf

2 0 1 2年 8 月 第 4 | D 卷 第 1 5期 机床与液压 MAC HI NE TOOL HYDRAUL I CS Au g ． 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 1 5 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 5 ． 0 2 0 机床振动信号数据采集系统设计 张龙，曾国英，赵登峰 ，曾宏强 西南科技 大学制造过程测试技术教育部重点实验室，四川绵阳 6 2 1 0 1 0 摘要为降低机床振动信号采集的成本 ，以低功耗 A T m e g a 1 6单片机为核心搭建了一套信号采集系统。采用 A D 7 6 5 5模 数转换器和单片机采集 I C P加速度传感器的信号，通过 R S 2 3 2串口通讯将信号传递给计算机 ，并在 L a b V I E W平台下对采集 的数据进行显示和处理。利用该信号采集系统，实现了在 L a b V I E W环境下，通过单片机采集机床低频振动信号。 关键词低频振动信号； I C P 加速度传感器；数据采集系统 中图分类号T N 9 1 9 ． 6 4 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 l 5一o 7 l 一3 De s i g n o f M a c h i n e Vi br a t i o n S i g n a l Da t a Ac q ui s i t i o n Sy s t e m Z HANG L o n g， ZENG Gu o y i n g， Z HAO De ng f e ng， Z ENG Ho n g q i a n g K e y L a b o r a t o r y o f T e s t i n g T e c h n o l o g y f o r Ma n u f a c t u r i n g P r o c e s s Mi n i s t ry o f E d u c a t i o n ， S o u t h w e s t U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Mi any a n g S i c h u a n 6 2 1 0 1 0，C h i n a Abs t r a c t I n o r d e r t o r e d u c e c o s t o f ma c h i n e t o o l v i b r a t i o n s i g n a l a c q u i s i t i o n ，a s i gn al a c q u i s i t i o n s y s t e m wa s b u i h w h i c h c o r e wa s l o w p o w e r c o n s u mp t i o n AT me g a 1 6 MC U．S i gn al o f I C P a c c e l e r a t i o n s e n s o r w as a c q u i r e d b y AD7 6 5 5 a n alo g - t o d i g i t al c o n v e r t e r ma s t e r a n d MCU． T h e n t h e s i g n al W as s e n t t o c o mp u t e r b y RS 2 3 2 s e r i al c o mmu n i c a t i o n ． Th e s i gn al Was d i s p l a y e d an d p r o c e s s e d i n I ． a b V l E W p l a tfo r m． S o a c q u i s i t i o n o f ma c h i n e t o o l l o w f r e q u e n c y v i b r a t i o n s i gnal b a s e d o n MC U i s r e ali z e d i n La b VI E W e n v i r o n me n t ． Ke y wo r d s L o w f r e q u e n c y v i b r a t i o n s i gn a l ； I C P a c c e l e r a t i o n s e n s o r ； Da t a a c q u i s i t i o n s y s t e m 机床作为大中型企业生产中的关键设备，它的任 何部分出现故障，都可能降低加工精度 ，带来较大的 经济损失，甚至危及人身安全。因此 ，需要对机床设 备进行故障监测诊断。 故障诊断技术是指通过检测手段来判断设备性能 状态，并对诊断对象发生的故障和异常进行认识和确 定的鉴定工作⋯。机械设备的振动监测与故障诊断是 应用 最 普 遍 、最 基 本 的诊 断 技 术 。据 统 计 ，约 有 6 0 ％ 一 7 0 ％的机械故障会通过振动和由振动辐射出来 的噪声反映出来 。因此，采集其振动信号以便进行 工况的实时监测是十分有必要的。而市场上出售的振 动信号数据采集系统比较昂贵，许多中小企业无力购 买 ，因而不能及 时地对机床故 障进行监测 。为此 ，开 发一套廉价的机床振动信号采集系统是十分有必要 的 。 针对I C P加速度传感器所采集的机床振动的缓变 低频信号，采用 A D 7 6 5 5模数转换器和 A T m e g a l 6单 片机进行数据采集，通过 R S 2 3 2串口通讯将信号传 递给计算机 ，并在 L a b V I E W 平台下对采集 的数据进 行显示和处理 ，开发了一套低成本的机床振动信号采 集 系统 。 1 采集系统的总体方案 机床振动信号采集系统的总体构成包括传感器 供电电路 ，I C P加速度传感器，信号调理电路，A ／ D 模数转换，单片机，1 T r L ． R S 2 3 2电平 转换 ，计算机 L 丑 b V I E w 。设计针对I C P加速度传感器的供电电路 和信号采集调理 电路 ，通过低成本的四通道 A D 7 6 5 5 模数转换器 和高 性能 、低功耗 的 A T m e g a 1 6单 片机对 I C P加速度传感器 的振动信号进行数据采集 ，通过 R S 2 3 2串口通讯将信号送 给计算机 ，之后再在 L a b V I E W平台下对采集数据进行显示和处理。采集系统 的总体构成如图 1 所示。 I C P 加速度传感器 爿信号调理电路 A ／ D 转换 } 单片机 传感器供电 l l 计算机L a b V I E W T T L ． R S 2 3 2 电平转换 图 1 采集系统的总体构成 2 数据采集 系统的硬件平台设计 2 ． 1 I C P加速度传感器供 电电路和信 号调理 电路 的设 计 普通压电传感器，输出的是电荷 ，要通过电荷放 大器转换成电压后 ，然后再接数据采集器。 I C P加速 度传感器是内装微型 I c一 集成电路放大器的压 电加 收稿日期2 0 1 1 0 7 0 7 基金项目国家科技重大专项 2 0 1 1 Z X 0 4 0 0 2 - 0 8 1 作者简介张龙 1 9 8 7 一 ，男，硕士研究生，研究方向为振动测试。Em a i l z h a n g l o n g 8 7 0 2 1 3 1 6 3 ． c o rn。 7 2 机床与液压 第 4 0卷 速度传感器，它集传统的压电加速度传感器与电荷放 大器于一体，通过配有恒流源的采集器进行测试，简 化 了测试系统 ，提高了测试进 度和可靠性 。该系列传 感器最 大的特点 就是 两线输 出 ，即信 号输 出线 与 I C 放大器共用一条线 ，信号线与 电源线共用一条线 。同 时省去 了电荷放大器 ，大大地 节约了成本 。 通过电源开关把 2 2 0 V A C 转换成 2 4 V D C ， 经过一个滤波电路，降低输入电源的纹波，提供更 稳定 的电源 ；然后 经过 L M 3 1 7为 I C P加速 度传 感器 提供一 个 4 m A的恒 流 源 ，之 后 分 为两 路 ，往 上 为 传感器供电和信号输入 ，I C P加速度传感器采集 的 信号输入过来 ，往右经过一阶高通去直流信号。无 用的高频带的存在对低频测试 只会带来坏 的影响 ， 故在系统中非常有必要采用低通滤波器 ，它只让低 频交流分量通过 ，而使无用的高频分量受到较大的 衰减 。为此 还 得设 计 一 个 低 通 滤 波 器 进 行 信 号 调 理。I C P加速度传感器供 电电路和信号调理 电路 如 图 2所示 图2 I C加速度传感器供电电路与调理电路 2 ． 2 A D转换精度和采样频率的确定 1 分 辨率 根据 系统 的 性 能 指 标 ，要 求 系统 的 精 度 达 到 1 0 ～ g 。对于 1 6位的 A D 7 6 5 5模数转换器 ，其精度可 以达到 1 ／ 2 1 ． 51 0 一。 2 转换 速率 普通机床的工作频率不高，一般为4 k H z 左右。 根据采样定理 ≥2 f m 其中 为采样频率， 为信 号中的最大频率 ，所以． I8 k H z 。 根据 以上两 个 原则 ，A ／ D转 换芯 片 采用 A D I 公司的 A D 7 6 5 5 ，1 5位采样无失码 ，转换速度可达到 1 MS ／ s ；当4个通道同时采集时，每个通道最高的采 样频率为2 5 0 K S ／ s ；其转换时间为4 s ，转换精度可 达到 1 6 位 ；支持串、并行输出方式，能够满足数据 采集系统对 A D芯片的要求 ，且单芯片就能够完成多 路模数转换功能，组成的数据采集系统简单可靠。 A D 7 6 5 5通过 S P I 总线 与 A T m e g a 1 6连接 。A D 7 6 5 5与 单片机 的接 口电路如 图 3 所示 。 ATm e ga l6 AD7 6 55 PD 2 BUS Y P D3 CNVS T I NAl 模 P D4 A， B 拟 P D5 AO I NA2 信 P D6 CS 号 P D7 R队 D I N B1 ● } 一 输 入 PB D[ 7 0 l I NB 2 P C D1 1 5 8 l 图 3 A D 7 6 5 5与单片机的接口通讯电路 由于系统要求对 I C加速 度传 感器输 出的 4路信 号进行采样 ，但 A D C器 件为双 通道交 替模 数转 换工 作 ，故此系统设 计 为 以 2倍采 样频 率进 入 A T m e g a l 6 定时器 中段 ，实现 对 A 与 B两 个 通 道 的交 替采 样 。 C N V S T信号的下降沿为 A ／ D采集的触发信号。触发 信号的给出在 中央控制单元 的定时器中断程序 中完 成。在中断服务子程序中交替给出 A 0的高低电平 ， 完成 对 I N A 1 、I N B 1或 者 I N A 2 、I N B 2的交 替 采 样 。 B U S Y信号为低 ，标志采样 工作完 成 。将 单次采 样 点 数据读取 到单 片机 内部 后 ，通 过 I ／ O引脚 改 变 信 号 A ／ B，读取 另一通道 采集信号 ，从 而交替完成对 A ／ D 通道 的数据采集 。图 4给 出 A D 7 6 5 5的工作 逻辑 时 序 图 。 CNVS T 、 l l I t 14， 十 卜 s A o X X l I B U S Y 『 厂 ] f4 一 E O C f 1 k 互 厂 f‘ 卜 斗 _ ． r - 二 ． - ● A C Q U I R E t O N V E R T A O N V E R T q A C Q U IR E C O N V I I 1． f - 一I 图4 A D 7 6 5 5工作逻辑时序 图 2 ． 3 单片机与计算机的接 1 2 电路 串行通讯方式是 C P U之间相互交换信息的一种 通用方式，具有占有传输线少、传输位数长、传送距 离远等优点 。而且 A T m e g a l 6单片机 内部有一 个功 能 很强 的全双工 串行 口，该 串行 口有 4种工作 方式 ，波 特率可用软件设置，有片内的定时器，计数器产生， 接收发送均可触发中断系统 ，使用十分方便，尤其是 在高速 C P U与低速 C P U进 行通讯 时 ，这种 优点更 为 突出 ，应用更 为广泛 。 图5中P C D B 9是计算机的9针串口，其中引脚 2是接受数据端 口，引脚 3是发送数据端 口，引脚 5 是信 号 接 地 脚 。这 里 采 用 三 线 制 连 接 串 口。 A T - m e g a 1 6的 P D 0和 P D 1口是分别 是 串行数 据接 收端 口 第 1 5期 张龙 等机床振动信号数据采集系统设计 7 3 和串行 数 据 发 送 端 口。在 计算 机 和 单 片 机通 讯 时 ， 在单 片机 的 发送端 用 驱动 器将 rI L ／ C MO S电平 转换 为 R S - 2 3 2 C电平 ，在接受端用接收器将 R S - 2 3 2 C电平 再转换 为 T F L ／ C M O S电平 。 图 5 单片机与计算机串口通讯接 口电路 3 数据采集系统的软件平台设计 3 ． 1 单片机软件设计 单 片机 程序 采用 c语 言编 写 ，主要 包括 初始 化 程序 “ M A I N”和中断服务程序 “ I N T 0 ” 。初始化主 程序 “ MA I N”主要用来对单片机进行串口通信初始 化和定时中断初始化。串行通信初始化包括对波特 率 、串 口工作方式 的初始化 ；定 时中断初始化包括定 时器 的初始化和开 中断。其流程 图如图 6 。 【 塑 J 主 串行 开始 二二[ 设 置时 间 中断 N 矗 __ 芝 兰 图 6 程序流程图 3 ． 2 L a b V I E W 开发 平 台的设计 图形化编程语言 L a b V I E W 是 以计算机为硬件平 台，形成的以软件为核心的图形化虚拟仪器集成开发 环境。使得测量仪器的功能，从完全由制造商定义发 展 到完全 由用户编程定义 的阶段 ，广泛用于测量和控 制领域。 V I S AVi r t u a l I n s t r u m e n t S o f t w a r e A r c h i t e c - t u r e 虚拟仪器软件规范，是用于仪器编程的标 准 1／O函数库及其相关规范的总称。V I S A库驻留于 计算机系统中，完成计算机与仪器之间的连接，用于 对仪器 的编程 。V I S A是采用 V P P标 准的 1／O接 口软 件 ，与其他 的 I ／ O接 口软件相 比具有 如下几 个特 点 适用于各种仪器类型 如 R S - 2 3 2串行仪器 ；适用 于各种硬件接 口类型；适用于单、多处理器结构或分 布式网络结构 ；适用 于多种 网络机制 。 上位机的串行通讯采用V I S A的串行通讯子 V I 来 实现，主要使用 4个串行通讯子 V I ，可以通过路径 F u n c t i o n s I n s t r u m e n t 1／O S e r i al找到，各子 V I 作用如 表 1 。 表 1 串行通讯 子 V I 模块 基 本属性描述 VI S A Cl o s e ．V i VI S A By t e s Se r i a l Po r t ．v i V I S A C o n f i g u r e Se r i a l P0 n． v i 关闭串行设备的任务和事件 从串行设备或接口中读取一定 字节 的数据 返回指定串行接口输入缓冲区 的字节数 主要用于设置串口的初始化， 如 波特率、 数据位、 奇偶校验位等 L a b V I E W 的功 能很 强大 ，特变 是在 测量 控制 领 域 ，而在界面编程上，L a b V I E W 编程实现的界面在 效果 上 不 会 比 V C 、V B等 同 类 软 件 差 ，并 且 L a b ． V I E W 的实现过程要 简单 。机床振 动信号采 集系统 如 图 7所示 。 图7 数据采集系统的 L a b V I E W前面板 4结论 设计了 I C P传感器的供 电电路和信号调理电路， 通过 S P I 总线完成了 A T m e g a l 6单片机与 A D 7 6 5 5模 数转换器通讯，实现了单片机与计算机的串口通讯。 开发了一套廉价的基于 A T m e g a l 6单片机的 I C P加速 下转第 1 1 0页 1 1 0 机床与液压 第4 0卷 图 l 3 正旋运动仿真结果图 仿 真结果显示 机构能实现规划好 的轨迹 ，同时 还说 明机构能够实现 6 个 自由度 。 5结论 1 设计了一种新型 3支链 6自由度并联 机构 ， 并进行 了分析与仿真 ，仿真结果 表明了机构设计 的正 确性和有效性 ； 2 该机构结构简单、运动稳定，可适用于工 业装配机器人、虚拟轴并联机床等领域。另外，该机 构设计思想也适用于其他类型机构 ； 3 采用 P R驱动，使得机构结构变得简单，但 同时会带来控制上 的复杂。 参考文献 【 1 】沈惠平， 杨廷力， 马履中． 6自由度弱藕合并联机构机型 设计及其方法 [ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 4， 4 0 7 1 4 1 9． 【 2 】B E H I F ． K i n e m a t i c A n a l y s i s f o r a S i x ． d e g r e e o f - f r e e d o m 3 - P R P S P a r al l e l M e c h a n i s m[ J ] ． I E E E J o u r n a l o f R o b o t i c s a n d A u t o ma t i o n ， 1 9 8 8 ， 4 5 5 6 1 5 6 5 ． 【 3 】 A L I Z A D E R I ， T A G I Y E V N R ． A C l a s s o f P a r al l e l M a n i p u l a t o r s B a s e d o n K i n e ma t i c a l l y S i m p l e B r anc h e s [ J ] ． Me c h a n i s m a n d M a c h i n e T h e o r y ， 1 9 9 4 ， 2 9 1 1 1 51 2 4 ． 【 4 】 P O D H O R O D E S K I R P ， P I T Y E N S K ． K i n e t o s t a t i c M o d e l i n g o f Pa r all e l Me c ha n i s ms wi t h a Pa s s i v e Co n s t r a i ni ng Le g a n d R e v o l u t e A c t u a t o r s [ J ] ． A S M E J o f Me c h D e s i g n ， 1 9 9 4 ， 1 1 6 9 0891 4． 【 5 】A L I Z A D E R I ， T A G I Y E V N R ． A F o r w a r d a n d R e v e rs e Di s p l a c e me n t Ana l y s i s o f a 6- DOF I n p a r a l l e l Ma n i p u l a t o r [ J ] ． Me c h Ma c h T h e o ry， 1 9 9 4 ， 2 9 2 3 4 3 ． 【 6 】 B Y U N Y K ， C H O H S ． A n al y s i s o f a N o v e l 6 - D O F 3 - P P S P P a r a l l e l Ma n i p u l a t o r[ J ] ． I n t e r n a t i o n al J o u r n al o f R o b o t i c s R e s e arc h ， 1 9 9 7 ， 1 6 6 8 5 9 8 7 2 ． 【 7 】 L I M W K ， Y A N G G ， Y E O S H， e t a 1 ． K i n e m a t i c A n al y s i s a n d S e l f - c a l i b r a t i o n o f T h r e e - l e g g e d Mo d u l ar P a r all e l Ro -- b o t s [ C ] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f t h e 2 0 0 3 I E E E I n t e rna t i o n a l C o n f e r e n c e o n Ro bo t i c s＆ Aut o ma t i o n， Ta i p e i ， 2 0 03 1 4一l 9． 【 8 】 孔宪文． 空间运动链主动运动副干涉判别[ J ] ． 机械传 动 ， 1 9 9 9 4 2 32 5 ． 【 9 】 赵铁石， 黄真． 欠秩空间并联机器人输入选取的理论和 应用[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 0， 3 6 1 0 8 1 8 5 ． 【 1 0 】H U A N G Z ， WA N G J ， F A N G Y F ． A n al y s i s o f I n s t ant ane o u s Mo t i o n s o f De fi c i e n t ． r a n k 3 - RP S P ara l l e l Ma n i p u l a t o r s 『 J ] ． M e c h a n i s m and M a c h i n e T h e o ry， 2 0 0 2 ， 3 7 2 2 2 9 2 4 0 ． 上接第 7 3页 度传感器振动信号数据采集系统，并在 L a b V I E W 软 件平台上进行了显示和处理。该系统能够实时、准确 地对机床振动信号进行监测，达到了预期的目的。 参考文献 【 1 】 陈意瑶， 鲍其莲． 基于 A R M 9的加速度计信号检测系统 的设计[ J ] ． 微计算机信息， 2 0 0 7， 2 3 2 3 1 4 31 4 4 ． 【 2 】 T l c o m p any ． A D 7 6 5 5 一 b [ E B ／ O L ] ． [ 2 0 0 9 0 9 0 1 ] ． h t ． t p ／ ／ w w w． a n alo g ． c o m． 【 3 】 王大伟， 薛仕丁． 机床故障检测与诊断研究[ J ] ． 科技情 报开发与经济 ， 2 0 1 1 ， 2 1 3 1 6 11 6 4 ． 【 4 】 王楠． 基于 A D 7 6 5 5的鱼雷声靶数据采集系统设计分析 [ J ] ． 舰船电子工程 ， 2 0 1 0， 3 0 4 1 6 61 6 9 ． 【 5 】 黄新剑， 朱俊平， 彭黎明． 基于 A R M 7的农业机械故障检 测系统[ J ] ． 农机化研究 ， 2 0 0 9 6 1 8 31 8 5 ． 【 6 】苏力刚， 刘昶段 ， 路茜． 基于嵌入式监测器的液压系统状 态检测信号采集系统设计 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 9， 3 7 1 2 1 6 61 6 7 ． 【 7 】苏晓燕， 邓勇， 罗蓉． 基于 L a b V I E W 的机械振动信号分 析系统的开发[ J ] ． 电子产品世界， 2 0 1 0 1 ／ 2 2 93 1 ． 【 8 】 陆文祥， 杜润生． 机械工程测试 信息 信号分析[ M] ． 武汉 华中科 技大学出版社 ， 1 9 9 6 1 5 21 6 0 ． 【 9 】杨金堂， 喻剑平， 李公法． 基于 V C的振动信号采集与分 析系统的研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 8 2 5 4 2 5 6 ．