振动检测仪器的开发

摘要振动是工程机械的固有特性之一，是机械运行状态和故障检测的重要参数。针对机床主轴的低频旋转，研究了一个方便，快捷，智能化的机械智能振动检测仪器。该文章简单的描述了该检测仪器的测量方法，硬件电路的连接方法，以及软件设计的开发方法，其最大的特点为以电子振动检测为主，温度检测为辅的自动化检测。可为在线监测设备的故障诊断提供有力而可靠的数据支持，同时能准确的给出测量的结果。该设备的特点是成本低，电路简单，性能优异。关键词：振动检测故障判断监测机床主轴目录1.前言.................................................31.1研究课题的背景........................................31.2研究课题的意义和目的..................................32.研究对象的大概论述.....................................42.1主轴的振动类型及检测方法..............................42.2振动信号形式的描述..................................62.3振动的分类..............................................73.技术路线——电测法的应用.............................93.1电测发的简介..........................................93.2常用的电测法的种类....................................93.3电测发的优缺点和应用..................................114.振动检测仪电路设计.....................................114.1单片机系统模块........................................124.2传感器模块............................................124.3其他模块..............................................135.软件设计.................................................135.1监控程序..............................................135.2数据采集程序..........................................135.3数据处理程序..........................................145.4上位机通讯程序........................................145.5微型打印机端口程序....................................146.结束语...................................................16参考文献....................................................17机床主轴的振动及其检测仪器的开发1第一章前言1.1研究课题的背景2006年，国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》（2006-2020年）中提到：“制造业是国民经济的主要支柱。我国是世界制造大国，但还不是制造强国。”随着世界产业向发展中国家转移，我国正日益成为制造业产业基地，国际经济界普遍认为，中国将成为世界工厂。现代信息技术、新材料的发展，特别是微型计算机的普及应用，推动现代机械制造技术发生了深刻的发展，概括起来主要表现在两个方面，一是向着以提高产品加工的生产效率为主的高度自动化方向发展，另一个是向着以提高产品质量为主的精密化方向发展。机床工业是机械制造业的重要组成部分，体现了一个国家制造业的发展水平，也是机械工业发展和振兴的重点领域。目前，我国机床工业发展非常迅猛，已取得了很大的成绩，但还有很多的薄弱环节。在技术方面，机床行业许多关键性技术（如刚性、热变形、振动、噪音、精度补偿等）没有从根本上解决；发展机床所需的基础技术和应用技术科研工作薄弱。很多关键零部件和关键技术都是从国外进口大量的引入。我国机床检测技术落后的现状给行业发展造成了很大的阻碍，这个问题必须尽快给予解决。超高的进口率的关键零部件和技术会给产业的发展带来极大的风险。事实上，发达国家一直对我国进行技术封锁，合资企业往往只是成为他们的终端加工基地。核心的技术是无法买来的，只有靠自己开发、研究才能真正的解决问题。主轴的振动受到制造，结构，安装及机床的整体装配等很多因素的影响。不同的故障在振动信号下会以不同的形式体现出来。1.2研究课题的意义和目的主轴组件是机床中的一个关键组件，它的功能是支承并带动工件或刀具完成表面成形运动，同时还起着传递运动和扭矩、承受切削力和驱动力等载荷的作用。在主轴的动态参数中，振动是最重要的问题之一。引起主轴振动的因素很多，包括：主轴本身结构、装配质量、轴承精度和刀具系统、润滑系统等问题。主轴的振动信号包含了丰富的运行状态信息，是一个动态状态信息库。检测主轴的振动可以了解主轴的动态运行情况，对其运行状态做出综合分析评估，诊断其结构、装配、轴承、润滑等问题，为评价主轴综合性能进而改证其缺陷提供技术支持。当前国内的机床行业对于主轴参数的检测大多只限于静态参数测定，检测的方法也比较原始，缺乏对主轴以及机床整体性能的评估，远远落后于国外以及我国台湾地区同行业的技术水平，已经成为制约我国机床主轴行业发展的瓶颈之一。提及机械振动则不得不提到机械故障监测。机械故障检测根据其技术手段，形成了以振动检测，油样分析，温度检测，和无损检测探伤为主，其他技术为辅机床主轴的振动及其检测仪器的开发2的局面。而主轴组件是机床的一个关键组件，在主轴的动态参数中，振动是极其关键的一个问题，包含了丰富的状态运行信息，是一个动态状态信息库。检测主轴的振动可以了解主轴的动态运行情况，对其进行综合分析评估和诊断。而目前国内各行业方面远远落后于国外同行业的技术水平。随着单片机的飞速发展和广泛应用，[1]以及新型振动传感器的不断开发和研制，使传感器向小型化，功能化和多样化发展。本文简单综述了以一种振动检测为主，温度检测为辅的体积小，重量轻，灵敏度高等特点的多功能温度及振动检测仪器的设计方案。第二章研究对象的大概论述2.1主轴的振动类型及检测方法主轴组件的主要功能是支承并带动工件或刀具，完成表面成型运动，同时还起到传递运动和扭矩、承受切削力和驱动力等载荷的作用，其工作情况对整机性能、加工质量都有较大的影响。主轴在运转过程中因其设计、制造、装配等缺陷以及其它因素影响会产生振动。主轴的振动影响加工表面的质量，限制机床的生产率；影响组件的温升、变形等参数；对刀具耐用性和机床零件的寿命造成不良后果，造成噪声污染等。在机床向高精度、高生产率的方向发展，对其抗振性能的要求越来越高。主轴[2]属于高速回转运动的零件，在其制造装配过程中都会产生一些缺陷，并且在运转过程中，其温度刚度的变化，都会引起主轴振动信号的改变，如能适时的检测出来，会给设计人员及使用人员带来许多有用的参考和及时有效的可用数据。主轴的振动信号是一个动态状态的信息库，它可以反映出组件的设计、制造、装配等问题，结合其它参数研究主轴的振动信号，可以了解主轴的动态运行情况，进而对其运行状态做出综合分析评估，诊断出其结构、装配、轴承、润滑等问题。本文以某型号的铣削加工中心主轴组件以对象进行研究。其结构见图２．１。组件采用＝三支承方式固定主轴，前端为一对角接触球轴承，中间采用与一个前端同型号的轴承，后端采用一对角接触球轴承；前后两个轴承组为丰要支承，中问轴承为辅助支承。主轴的动力山同步带轮传入。在主轴内部安装有刀具夹紧装置及松刀装置。主轴的转速通常为6000r/min或者8000r/min。机床主轴的振动及其检测仪器的开发3（图2.1主轴组件结构图）另外，因制造原因而造成的主轴弯曲、裂纹等缺陷也会影响主轴组件的性能，主轴的振动受制造精度、结构特点、轴承间隙及机床整体装配等很多因素影响，受条件及水平所限，本文仅就主轴组件本身的结构、制造精度、安装等方面产生的主轴振动来探讨。2.1.1制造环节因素影响在主轴组件各零件在制造过程中，因材质、工艺技术等问题影响会有一些缺陷，这些缺陷可在振动信号中体现出来。质量不均匀造成的动、静不平衡是主轴零件的主要制造缺陷之一。相对于静不平衡来说，动不平衡现象更加普遍，也更难预防。主轴生产厂家一般在主轴的出厂之前都要做其动平衡的检测和调整，以使其符合出厂要求。轴承、连接件等在制造时的缺陷也会造成振动，影响其运转性能。2.1.2装配环节因素影响主轴组件中各零件在组装时，因配合、安装调整等原因也会对其性能造成影响。如轴承安装不良会造成轴中心线偏离其回转中心，同步带轮安装不良会使主轴的动力输入偏离回转中心，这两者都会造成回转精度较差，也就是俗称的“不对中”故障。安装时零件间隙过大会造成零件松动，间隙过小又会增加主轴运动的阻力、加剧其摩擦、造成发热等。2.1.3温度及其它因素的影响主轴运转时，因轴承等零件的摩擦时会产生一定的热量，使得其温度升高，主轴及其它组件的性能也会发生相应的变化。如：随着温度的升高，金属轴转子机床主轴的振动及其检测仪器的开发4的轴向和径向尺寸都有所增加，造成零件间配合性质发生变化，并产生摩擦热弯曲等现象；温升也会使刚度有所变化，造成振动模态改变。此外，在主轴的转速达到一定的限值（阀速）时，轴会产生自激振动，即失稳现象。这种现象与轴承、系统的固有频率、摩擦等都有关系。由于旋转机械的结构及零部件设计加工、安装调试、维护检修等方面的原因和运行操作方面的失误，使得机器在运行过程中会引起振动，其振动类型可分为径向振动、轴向振动和扭转振动三类[3]，其中过大的径向振动往往是造成机器损坏的主要原因，也是状态监测的主要参数和进行故障诊断的主要依据。旋转机械常见的缺陷有：轴（转子）不平衡、轴（转子）回转精度不良（不对中），轴承的油膜振荡，转轴的初始弯曲、热弯曲、摩擦热弯曲，半速涡动，共振，部件松动，转轴结构缺陷等。这些故障在机械运转中将产生各种振动信号，而某一振动信号可以反映各种故障，从而为旋转机械的振动检测与故障诊断提供了依据。主轴组件在运转时，有很多信息会以振动波形，温度状况等表现出来，研究这些信息可以认识起运行特征。利用一系列的传感器，接受其动态信息，然后将其转换为点信号。甚至为了更直观，有时我们会将其绘制为振动信号图。2.2振动信号形式的描述机械振动是指物体或质点在其平衡位置附近所作的往复运动。振动的强弱用振动量来衡量，振动量可以是振动体的位移、速度或加速度。振动量如果超过允许范围，机械设备将产生较大的动载荷和噪声，从而影响其工作性能和使用寿命，严重时会导致零、部件的早期失效。例如，透平叶片因振动而产生断裂，可以引起严重事故。由于现代机械结构日益复杂，运动速度日益提高，振动的危害更为突出。反之，利用振动原理工作的机械设备，则应能产生预期的振动。在机械工程领域中，除固体振动外还有流体振动，以及固体和流体耦合的振动。机械振动有不同的分类方法。按产生振动的原因可分为自由振动、受迫振动和自激振动；按振动的规律可分为简谐振动、非谐周期振动和随机振动;按振动系统结构参数的特性可分为线性振动和非线性振动；按振动位移的特征可分为扭转振动和直线振动。振动测试的目的，归纳起来主要有以下几个方面：(1)检查机器运转时的振动特性，以检验产品质量；(2)测定机械系统的动态响应特性，以便确定机器设备承受振动和冲击的能力，并为产品的改进设计提供依据；(3)分析振动产生的原因，寻找振源，以便有效地采取减振和隔振措施；(4)对运动中的机器进行故