基于ADXL210的大型机床校准振动检测系统设计.pdf

基于A D X L 2 1 0 的大型机床校准振动检测系统设计 Bas ed on ADXL21 0 cal i b r a t i on of I ar g e m ac hi n e t o ol v i b r a t i on t es t i n g s ys t em d esi gn 蓝雄 i_ AN Xi o n g 柳州职业技术学院，柳州 5 4 5 0 0 0 摘要 针对大型机床在工作过程中校准系统人工检测效率低下、预警能力不足的问题，在对大型机床 校准系统振动特性研究的基础上 ，以对大型机床工作中自身产生的振动固有频率变化检测为 切入点来判断由于空气可压缩性产生的误差 ，振动信号采集终端以l A P 1 5 F 2 K 6 1 s 2 单片机为核 心 ，采用较为灵敏的加速度传感器AD X L 2 1 O 来采集振动信号 ，实现了无线数据通信模块与远 程数据交互接口电路的设计 ；并对系统的信号采样过程以及主程序工作流程等进行了研究设 计。通过系统测试实验，本系统可有效采集大型机床校准系统的振动信号，对机床的变速进 行准确检测并预警，远程数据传送成功率1 0 0 ％，工作稳定，有很强的实用价值。 关键词。振动检测；信号采样；固有频率 中圈分类号0 3 2 9 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 O l 5 0 9 上 - O l 5 3 - 0 4 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． I s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 5 ． 0 9 I- ． 4 1 0 引言 大型机床随着使用年限的增长与外部气候环境等诸 多因素的影响，校准空速需要修正由于空气可压缩性产 生 的误差 ，如果采用传统的检测方法【 l | 2 】 ，不但效率低 而且对于突发性事件的预警能力也不足 ，因此 ，需要设 计开发一种大型机床校准振动多参数检测网络 ，来实现 对大型机床工作速度的实时监测与预警 。本系统采用无 线传感 网络与有线 网络结合的方式 ，选用低功耗的芯片 进行设计，可 以保证在太阳能电池供电的情况下信号采 集模块与无线通信模块持续稳定工作 。在非工作模 式时间内节点处于低功耗模式，在工作模式时间，节点 收到远程监控 中心发来的同步信号后开始采集 、发送数 据[ 5 l 。远程监控中心通过分析软件对大型机床工作过程 中所有节点的振动信号频率变化进行综合分析后 ，可以 自动获取大型机床的安全工作速度数据以及存在危险的 程度，从而可以为工作人员提供数据支持，并且在大型 机床工作速度超出安全范围时发出预警信息，有效预防 工作事故的发生。 1 总体设计 1 ． 1 大型机床工作振动特性分析 运行速度 是大型机床工作过程 中最重要 的参 数之 一 ，是 由空速系统来测定的。对于空速测定系统，无法 避免的存在着一定的位置误差，空速管可以对前方来流 的总压和外界大气的静压，再通过静压 以及总压和静压 间的差值分别计算得 出压力高度和指示空速 。但由于在 实际工作过程中，大型机床对来流 的干扰不能准确获得 静压 ，难 以真 实反映大型机床 在工作高度 上的大气静 压 ，进而将误差带入到了指示中。校准系统就是找出该 机床测定高度、速度时产生的误差。 采用大型机床工作振动检测的方法来判别大型机床 校准系统的有效程度 ，其优点是振动检测方便实施 ， 利用大型机床工作中的振动参数就能实现 ，因此不会影 响大型机床其他系统的正常工作；多点振动检测可以对 空速误差准确检测，并有效识别大型机床结构 的整体动 力特性。当大型机床工作在特殊区域，其固有频率会发 生变化，基于固有频率的变化对大型机床校准检测是最 容易实现也是最准确的方法。在大型机床工作速度误差 发生之前将其划分为若干单元 ，可利用该单元损伤前的 固有频率A e o i 与损伤后的固有频率△ ∞， 变化之 比 进行 损伤定位 ／ 蕙蓝 肘 其中 为第i 阶振型 ；n 为单元个数 ；K ； 为第i 单 元的刚度 ；M为整体质量。高阶频率的变化能更好地反 映大型机床工作过程 中由于干扰而造成的工作振动的变 化。通 过分析研究后得 出大型机床机身刚度修正公式 E 1 和固有频率计算公式 为 ， ，，、 彤 L l 1 ． Ⅳ 2 收稳日l2 0 1 5 - 0 4 -2 9 作者麓介蓝雄 1 9 7 3 一，女，广西忻城人，讲师，研究生，研究方向为机械制造工艺与设备。 第3 7 卷第9 期2 0 1 5 - 0 9 上 [ 1 5 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图7 主程序流程图 表1 大型机床工作振动固有频率测量结果 通过表1 的测量数据对机身各单元 的固有频率变化 进行计算仿真，为区分不同单元不同程度的误差得到的 工作速度误差识别向量对 结果的影响 ，建立 了6 个误差 识别矩阵，每个矩阵由不同的速度误差程度得到，仿真 得 出不 同频率阶次所对应的工作速度误差程度 曲线如图 8 所示 。 分析软件根据检测数据判 断出该误差与 已知工作 速度差异数据一致，说明本系统检测结果准确。当大型 机床工作过程中工作速度达到预警 阀值时，系统就会 自 动发出报警信息，提示相关人员尽快查看。通过系统实 验，振动信号数据包的时间延迟较低，最大数据包时间 延迟为1 1 6 0 2 ms ，平均时间延迟为5 9 1 8 ms ，表现 出了良 好的实时性 ，远程数据传送成功率为1 0 0 ％。整个振动 I 1 5 B I 第3 7 卷第9 期2 0 1 5 0 9 上 图8 不 同频率阶次所对应误差程度曲线 检测传感网络工作稳定，各项性能也达到了设计要求， 取得 了较为满意的结果。 5 结束语 工作速度是大型机床工作过程中最重要的参数之 一 ，对于振动测定系统，无法避免的存在着一定的位置 误差。由于在实际工作过程 中，大型机床机身对来流的 干扰不能准确获得静压 ，难 以真是反映大型机床在工作 高度上的大气静压 ，进而将误差带入到了指示空速 中。 而校准系统就是找出该系统测定高度、速度时产生的误 差，可以减少甚至避免安全事故的发生。本系统较传统 的校准检测系统相 比具有造价低、安装维护方便 、环境 适应能力强等优 点，非常适合对大型机床工作过程中校 准系统的安全监测，应用前景十分广阔。 参考文献 【 1 】 严普强， 乔陶鹏． 工程中的低频振 动测量 与其传感器 【 J 】 ． 振动 、 测试与诊断，2 0 0 2 ， 2 2 4 ． [ 2 1 吕丽娟， 王莹 ． 基于无线网络 的振动监测 系统的设计与实现 【 A 】 ． 中 国航 海学会 通信 导航专 业委 员会， 2 0 0 6 年 学术年 会论 文集 【 C】 ． 2 0 0 6 ． 【 3 】 赵丹． 适 用于振动信 号监测 的无线 传感器 网络研 究[ D】 ． 太原理 工大学， 2 0 1 1 ． 【 4 】 苏令永 ， 张瑞 华， 刘燕 ． 基7 Z i g b e e 技 术的无线传 感器 网络设计 [ A 】 ． 第一届中国高校通信类 院系学术研讨会论文集【 C】 ．2 0 0 7 ． 【 5 】江甜甜． 基于Z i g B e e 络的地下管线振动监测技术的研究【 D 】 ． 南京信息工程大学．2 0 1 2 ． 【 6 】 孙佩 刚， 赵海， 罗玎玎． 无线传感 器网络链 路通信质 量测量研 究 『 J ] ．通信 学报， 2 0 0 7 ， 2 8 1 0 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m