l 測試背景

機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測，對運(yùn)行中的機(jī)械設(shè)備整體或其零部件的工作狀態(tài)進(jìn)行檢查監(jiān)測，以判斷其運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，有無異常與劣化的征兆，或?qū)Ξ惓Ｇ闆r進(jìn)行跟蹤，預(yù)測其劣化的趨勢，確定其劣化及磨損的程度等，這種方法就稱為機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測。

機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測的目的在于掌握設(shè)備發(fā)生故障之前的異常征兆與劣化信息，以便事前采取針對性措施控制和防止故障的發(fā)生，從而減少故障停機(jī)時間與因停機(jī)而造成的損失，降低維修費(fèi)用和提高設(shè)備有效利用率。對于在使用狀態(tài)下的設(shè)備進(jìn)行不停機(jī)或在線監(jiān)測，能夠確切掌握設(shè)備的實(shí)際特性有助于判定需要修復(fù)或更換的零部件和元器件，充分利用設(shè)備和零件的潛力，避免過剩維修，節(jié)約維修費(fèi)用，減少停機(jī)損失。特別是對自動線、程式、流水式生產(chǎn)線或復(fù)雜的關(guān)鍵設(shè)備來說，意義更為突出。

l 系統(tǒng)描述

此設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是北京中泰研創(chuàng)科技有限公司為北京某自動化研究所提供的技術(shù)解決方案。為監(jiān)測直升機(jī)發(fā)動機(jī)的機(jī)匣和齒輪兩條生產(chǎn)線的主要加工設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)制造數(shù)據(jù)的實(shí)時同步采集與監(jiān)控，進(jìn)而針對“基于多傳感器融合的生產(chǎn)線主要加工設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測大數(shù)據(jù)平臺”、“基于制造大數(shù)據(jù)的生產(chǎn)線關(guān)鍵加工設(shè)備健康預(yù)警與遠(yuǎn)程智能維護(hù)”和“生產(chǎn)線主要加工設(shè)備加工效率和能耗評估”的相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)支撐。利用傳感器信號及數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部信號，提取能夠反應(yīng)性能、故障、健康等指標(biāo)的敏感特征，探究采集到的數(shù)據(jù)與運(yùn)行狀態(tài)之間的映射關(guān)系，進(jìn)而對生產(chǎn)線的主要加工設(shè)備的健康狀況進(jìn)行預(yù)測和分析。

硬件方面由工控機(jī)、微型振動傳感器和振動信號采集模塊)組成。其中采用我公司EM9000系列多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備(EM9118B-6/ICP)負(fù)責(zé)完成振動信號的數(shù)據(jù)采集與處理，它可以保證所有數(shù)據(jù)量同步采集，采集頻率為450KHz。另外，軟件系統(tǒng)是基于LabView編程語言，采用了*的虛擬儀器技術(shù)，把計算機(jī)強(qiáng)大的計算能力和儀器設(shè)備的測試測量、控制能力結(jié)合在一起，通過軟件實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)的實(shí)時控制以及數(shù)據(jù)采集，還可以完成數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析、處理、顯示、打印及存儲，使系統(tǒng)功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般儀器的簡單組合，特別是在結(jié)果保存、波形存儲、同步測量、試驗(yàn)報告生成、系統(tǒng)的擴(kuò)展性、多功能等方面體現(xiàn)的*性是傳統(tǒng)手動試驗(yàn)臺的。

l 系統(tǒng)特點(diǎn)

u 選用具有誤差小、精確度高、重量小的振動傳感器

u 數(shù)據(jù)采集設(shè)備工作電壓、接口電路、抗力、快速響應(yīng)特性、提供IEPE激勵等性能符合整體設(shè)計，以便作為整體硬件系統(tǒng)搭建的組成部分

u 數(shù)據(jù)采集模塊精度為1/1000，采樣周期為10微妙，測量點(diǎn)不少于4個

u 系統(tǒng)軟件界面簡潔，操作簡便。對數(shù)據(jù)庫錄入人員、日常檢驗(yàn)人員、數(shù)據(jù)查詢?nèi)藛T或非檢驗(yàn)人員要有各自權(quán)限設(shè)置

u 提供軟件可實(shí)現(xiàn)單路采集、多路采集和特定通道數(shù)采集的靈活切換，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可視化圖形

u 提供軟件可根據(jù)每次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按不同自定義正常區(qū)間要求進(jìn)行判定

u 提供軟件可根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)生成測試報告與繪制接受曲線

狀態(tài)監(jiān)控_預(yù)測可能出現(xiàn)的機(jī)器故障

l 軟件功能概述

擬收集的數(shù)據(jù)主要包括兩大部分：數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部采集數(shù)據(jù)和數(shù)采系統(tǒng)采集的機(jī)床數(shù)據(jù)。

數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部采集數(shù)據(jù)主要包括：機(jī)床開停狀態(tài)（如：運(yùn)行、停機(jī)、空閑、報警等）、機(jī)床加工零件的狀態(tài)信息（如：當(dāng)前加工零件的程序名稱、程序啟動時間、程序停止時間、工件實(shí)際加工時間、當(dāng)前零件的加工完成量等）、機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)信息（如：主軸轉(zhuǎn)速、電機(jī)溫度、主軸負(fù)載、進(jìn)給速度等）等信息。

數(shù)采系統(tǒng)采集的機(jī)床數(shù)據(jù)主要通過多傳感器融合的方式，在能夠反映機(jī)床設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)特征的敏感位置布置相應(yīng)類型的傳感器。

多通道振動信號波形圖

l 硬件功能概述

Ø 數(shù)據(jù)采集模塊選型

EM9118B系列數(shù)據(jù)采集設(shè)備，支持以太網(wǎng)接口和USB 接口，它是高速并行、高精度數(shù)據(jù)采集設(shè)備，帶有模擬輸入、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、計數(shù)、測頻、離線采集等功能。本產(chǎn)品可以測量工業(yè)現(xiàn)場的電壓、電流、頻率、基于橋路的傳感器、扭矩、IEPE 等信號。A/D分辨率：16位，雙端18CH，獨(dú)立并行采集。轉(zhuǎn)換速率：450KHz/CH，64MB緩沖區(qū)。輸入范圍：±5V、±10V、0~20mA（定制），支持外時鐘，外觸發(fā)；同時支持開關(guān)量輸入: 4CH；開關(guān)量輸出：2CH；計數(shù)器輸入：4路可測頻；編碼器輸入：2路；PWM輸出：2路可設(shè)定步數(shù)用于控制步進(jìn)電機(jī)；ICP: 4路(可選)加速度。本設(shè)備使用ARM核心板作為主控單元，它使用以太網(wǎng)接口和上位機(jī)連接，為了保證定時采集的精確性，本設(shè)備使用FPGA作為采集控制單元，它內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了本設(shè)備的所有數(shù)字邏輯，并且提供了AD轉(zhuǎn)換所需要的組合邏輯。

★EM9118B數(shù)據(jù)采集設(shè)備，具有離線采集功能，可以脫機(jī)使用。可將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時存儲在EM9118B上的U盤或SD卡內(nèi)，此產(chǎn)品可脫離計算機(jī)獨(dú)立工作。提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了使用成本，可用于惡劣環(huán)境下的無人值守及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中。

★EM9118B數(shù)據(jù)采集設(shè)備，具有Web服務(wù)器功能。為方便用戶使用，EM9118B開通了web服務(wù)器功能，主機(jī)只要有web瀏覽器，就可以對EM9118B進(jìn)行監(jiān)控，不需要編寫任何程序。用戶可通過PC端或手機(jī)端的web瀏覽器設(shè)置各項參數(shù)、查看狀態(tài)以及查看實(shí)時數(shù)據(jù)。手機(jī)或移動設(shè)備可通過Wi-Fi與EM9118B直接通訊。

★EM9118B產(chǎn)品具有雙看門狗：硬件看門狗防止下位機(jī)程序進(jìn)入死鎖狀態(tài)，通訊看門狗防止通訊中斷。

★EM9118B數(shù)據(jù)采集設(shè)備使用實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)linux，用戶可以自己編寫程序完成定制功能，從而*脫離PC機(jī)單獨(dú)使用。

★EM9118B數(shù)據(jù)采集設(shè)備結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)材料：ABS757K阻燃，抗振動：17～500Hz，1G PTP
抗沖擊： 10G/PEAK(11m ，sec)
工作溫度： 0℃～+55℃
存儲溫度：-20℃～+70℃
凈重：385g

Ø 傳感器選型及安裝

本項目包含了齒輪和機(jī)匣兩條生產(chǎn)線，生產(chǎn)線主要加工設(shè)備來自不同廠家：大連科德、秦川機(jī)床、昆明機(jī)床等。考慮到大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)的需求以及預(yù)算，在保證數(shù)據(jù)監(jiān)測對象類型全覆蓋基礎(chǔ)上，兼顧設(shè)備故障診斷、健康預(yù)警、加工效率和能耗評估等智能化提升關(guān)鍵技術(shù)順利研究所需的數(shù)據(jù)量，擬選取四臺設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，擬選取監(jiān)測設(shè)備如下：

機(jī)匣生產(chǎn)線中五軸立式車銑復(fù)合加工中心、五軸臥式加工中心；

齒輪生產(chǎn)線中滾齒機(jī)、蝸桿磨。

機(jī)床的振動是影響加工精度的重要因素，而振動信號中往往富含豐富的狀態(tài)信息。基于振動信號的故障檢測和健康預(yù)警已廣泛應(yīng)用于機(jī)床軸承、絲杠、電機(jī)等關(guān)鍵零部件和整機(jī)。

1、傳感器選型

為了實(shí)現(xiàn)特殊位置的安裝，采用微型或超微型振動傳感器。根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)和其振動特性，建議采用東華測試公司的三軸及單軸加速度傳感器。相關(guān)傳感器型號及主要參數(shù)如下表所示：

表1 振動傳感器主要性能參數(shù)

2、傳感器安裝位置

主軸軸承：機(jī)床主軸的運(yùn)行狀態(tài)往往直接影響到整臺機(jī)器的加工精度、運(yùn)行可靠性及使用壽命，其中主軸軸承的健康狀況直接影響機(jī)床主軸的工作性能，由于軸承頻發(fā)的故障大部分以局部缺陷形式存在于軸承工作周期的早期，而且大多是潛在故障。因此，對滾動軸承的早期狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷具有重要意義。

如圖所示，在對滾動軸承進(jìn)行信號采集時，測點(diǎn)位置應(yīng)選在軸承座上；軸承座裝在內(nèi)部的，監(jiān)測位置應(yīng)在與軸承座聯(lián)接剛性高的部分或基礎(chǔ)上。如圖1所示，測點(diǎn)有水平(X)、垂直(Y)、軸向(Z)3個方向可供選擇，一般情況下優(yōu)先選擇在垂直方向(Y)或水平方向(X)上進(jìn)行測量，因?yàn)樵摲较虮阌趥鞲衅鞯陌惭b。

圖1 主軸軸承振動傳感器安裝示意圖

滾珠絲杠副：滾珠絲杠傳動作為數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的重要組成部分，在整個進(jìn)給傳動鏈中起著將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動的重要作用，滾珠絲杠副及其支撐系統(tǒng)由于長時間的運(yùn)行會產(chǎn)生機(jī)械磨損，直接影響數(shù)控機(jī)床的加工質(zhì)量。因此，對滾珠絲杠副的監(jiān)測與預(yù)警同樣重要。
如圖2所示為實(shí)驗(yàn)室滾珠絲杠副試驗(yàn)臺上的振動傳感器安裝位置，擬在滾珠絲杠副螺母座一側(cè)安裝加速度傳感器，檢測機(jī)床滾珠絲杠副振動信號。實(shí)際機(jī)床上螺母部分會與工作臺配合，建議安裝在圖中紅色圈位置，或其他位于滾珠絲杠副裝置上的位置，盡量避免在工作臺上加裝（由于工作臺本身剛性會造成振動信號的衰減）。建議對工作強(qiáng)度大、使用頻率高的滾珠絲杠副進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測?？紤]到滾珠絲杠副運(yùn)動形式及運(yùn)動方向相對單一，僅需要單軸傳感器就能滿足檢測需求。

圖2滾珠絲杠副振動傳感器安裝示意圖

兼顧預(yù)算成本，振動傳感器數(shù)采通道擬采用4個，可加裝4個單軸傳感器，或1個單軸傳感器加1個三軸傳感器振動傳感器，因此振動傳感器安裝方案如下：

(1) 針對齒輪生產(chǎn)線秦川的滾齒機(jī)和蝸桿磨機(jī)床：為實(shí)現(xiàn)對滾動軸承的早期狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，需要測量主軸軸承振動信號。擬在每臺設(shè)備的主軸軸承座上，以螺紋方式分別沿著垂直方向(Y)和水平方向(X)加裝2個單軸加速度傳感器，并配備BNC接頭的低噪聲線纜（9米）2根。為實(shí)現(xiàn)對滾動滾珠絲杠副的早期狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，需要滾珠絲杠副振動信號。擬在每臺設(shè)備的進(jìn)給軸X軸和Z軸絲杠螺母座連接件上，以螺紋方式分別加裝1個單軸加速度傳感器，還需要配備BNC接頭的低噪聲線纜（9米）2根。

（a）主軸軸承座測點(diǎn) （b）Z軸絲杠螺母座連接件測點(diǎn)

圖3滾齒機(jī)和蝸桿磨機(jī)床傳感器安裝示意圖

(2) 針對機(jī)匣生產(chǎn)線科德提供的五軸臥式加工中心：

考慮到機(jī)床主軸為外購產(chǎn)品，不便加裝傳感器，經(jīng)與科德技術(shù)人員協(xié)商，選擇在機(jī)床擺頭支撐軸承的軸承座安裝1個三軸加速度傳感器，并配備BNC接頭的三軸低噪聲線纜（9米）1根。剩余的一個通道用于1個單軸加速度傳

感器，相應(yīng)的傳感器加裝在機(jī)床X軸的滾珠絲杠副螺母座上，并配備BNC接頭的單軸低噪聲線纜（9米）1根。

（a）擺頭支撐軸承的軸承座測點(diǎn) （b）X軸絲杠螺母座測點(diǎn)

圖4五軸臥式加工中心傳感器安裝示意圖

(3) 針對機(jī)匣生產(chǎn)線科德提供的五軸立式車銑復(fù)合加工中心：

擬在機(jī)床主軸軸承座安裝1個三軸加速度傳感器，并配備BNC接頭的三軸低噪聲線纜（9米）1根。剩余的一個通道用于1個單軸加速度傳感器，相應(yīng)的傳感器加裝在機(jī)床X軸的滾珠絲杠螺母副上，并配備BNC接頭的單軸低噪聲線纜（9米）1根。

因此，六臺機(jī)床設(shè)備加速度傳感器的安裝方式如下所示：

表2 振動傳感器安裝數(shù)量及對應(yīng)機(jī)床

l 虛擬儀器軟件

如使用PC機(jī)操作EM9000系列數(shù)據(jù)采集設(shè)備，我公司還可免費(fèi)提供上位機(jī)虛擬儀器分析軟件（基于LabVIEW）。

虛擬儀器軟件主要功能:

實(shí)時波形顯示：在采集過程中實(shí)時顯示數(shù)據(jù)曲線波形圖。

實(shí)時數(shù)值顯示：在采集過程中實(shí)時顯示所采集數(shù)值的結(jié)果。

數(shù)據(jù)存儲與回放：對采集的信號進(jìn)行存儲與回放及分析。

顯示及打印報表：以曲線或圖表的形式打印報表。

圖形分析功能：對數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行縮放、平移、定位（游標(biāo)）、對比。