1、#工藝與裝備#文章編號:1001-2265(2010)06-0076-03組合機床與自動化加工技術基于虛擬儀器技術的齒輪箱故障診斷實驗臺設計郭衛,衛慧娟(西安科技大學機械工程學院,西安 710054)摘要:在齒輪箱故障診斷實驗臺的設計中,系統以工作臺、傳感器、信號調理器、數據采集卡、PC機為硬件開發平臺,以LABVIEW為軟件開發平臺,將虛擬儀器技術運用到齒輪箱的故障診斷系統中,使得系統測試、顯示和診斷功能更為強大。關鍵詞:齒輪箱;虛擬儀器;故障診斷中圖分類號:TH16;TG65 文獻標識碼:ATheDesignoftheGearboxFaultdiagnosistest-bedBasedon

2、VirtualInstrumentTechnologyGUOWe,iWEIHu-ijuan(SchoolofMechanicalEngineering,Xi.anUniversityofScienceandTechnology,ShaanxiXi.an710054,China)Abstract:InthedesignproposaloftheFaultDiagnosisofGearboxTes-tbed,workstations,sensors,signalcond-itionunits,dataacquisitioncard,andPCmachinecomposedthehardwarede

3、velopmentplatformofthesystem,takingLABVIEWassoftwaredevelopmentplatform,andthevirtualinstrumenttechnologyisappliedtothegear-boxfaultdiagnosissystem,whichmakesthesystemtesting,displayanddiagnosticsmorepowerfu.lKeywords:gearbox;virtualinstrumenttechnology;faultdiagnosis0 引言齒輪是傳遞運動和動力的常用機構,在機械設備中占有重要地位

4、。隨著現代化機械設備的大型化復雜化,其工況監測與故障診斷技術也變得越來越重要。據統計,由于齒輪失效引起的機械設備故障約占1013%,在變速器中齒輪損壞的比例最大,達60%。齒輪在工作時,伴隨振動的產生,若發生故障時,通常引起振動異常增大,振動信號的能量分布發生變化。因1此,常利用振動分析法來診斷齒輪箱的故障。然而,在現場的檢測過程中由于噪聲等因素的干擾,使得對齒輪箱的故障診斷就困難了。因此,要成功實現機械設備的狀態檢測就必須依靠數字信號處理技術和對機械結構的特性分析,在模擬實際工況時對齒輪箱進行故障振動檢測,提取齒輪各類故障信號,并對此進行分析和處理,進而判斷故障情況。這也是實現齒輪箱故障檢測

5、和診斷的研究基礎。本文結合以往齒輪箱實驗臺情況,從齒輪失效原因出發,模擬齒輪故障產生的工況條件,結合LabVIEW軟件平臺,開發能夠實現齒輪箱故障診斷的監測診斷系統。1 實驗臺硬件平臺的搭建111 實驗臺結構需求分析齒輪的故障形式很多,系統通過對齒輪工況條件進行模擬,要創建齒輪能夠發生故障的仿真環境。為實現實驗研究的需求,齒輪箱實驗臺必須滿足如下基本條件:(1)齒輪易于拆卸,能對不同類型的故障進行實驗;(2)實驗臺設計必須能方便的安裝上傳感器以便獲得真實的測試信號。另外,可以考慮實驗臺的可擴展性能,方便今后研究其他因素(如:軸、帶等)對齒輪的影響。112 實驗臺機械結構設計分析和工作原理實驗臺

6、結構如圖1所示,驅動部分由電機實現,電動機的采用普通三項異步電動機,減速部分采用帶輪減速。原理如圖1所示。試驗臺負載采用的為發電機,試驗臺可以連續運轉,大大方便了對齒輪進行故障檢測,而且傳動過程較為簡單,實驗臺容易搭建。為便于振動信號的采集與處理,二級減速機的類型選擇是斜齒輪減速機。并且收稿日期:2009-12-21作者簡介:郭衛(1955),男,陜西黃陵人,西安科技大學機械學院院長,教授,碩士生導師,主要從事現代制造技術、故障診斷及測試控制等方面的研究,(E-mail)whj0201。#2010年第6期用帶輪減速,降低實驗臺的成本。#工藝與裝備#(3)信號是非周期性信號。采集信號中出現無規律

7、的沖擊或調制現象,主要是在齒輪或軸承出現嚴重故障時發生。局部異常齒輪的振動波形是典型的以齒輪旋轉頻率為周期沖擊脈沖,如圖4所示。1.電動機2,3,5,6.帶輪4.二級減速器7.發電機圖1 實驗臺機構原理圖圖4 局部異常齒輪的振動波形圖和頻譜圖113 齒輪箱故障的主要特征和形式齒輪箱正常運轉時,一般其振動信號是平穩信號,振動信號的頻率成分主要是各軸的轉頻和嚙合頻率,當發生齒輪箱故障時,其振動信號頻率成分和幅值將發生變化。一般具有以下特征:(1)信號是穩態的。采集到的信號僅僅是幅值的變化和振動能量的變化,主要是針對齒輪的均勻磨損的情況。均勻磨損時的頻譜圖和振幅變化如圖2所示。由故障特征和故障形式可

8、以看出,由于故障而產生的振動信號在時域和頻域圖示中會出現特定的調制現象,再根據齒輪故障頻率的理論計算,結合振動信號的時頻分析就能診斷出齒輪箱主要的故障形式。由此,對如何對采集到的振動信號進行故障提取與分析是進行故障診斷的關鍵3。114 信號采集與測試控制在齒輪箱故障診斷中,故障信號的采集和提取是關鍵,保證信號采集、提取、分析的合理性和準確性是實現故障診斷的前提。振動測試系統的結構組成如圖5所示:通過傳感器、插在PC機內的數據采集卡進行數據采集,結合外部的信號調理模塊和PC機上開發的齒輪箱故障診斷系統完成測控功能。圖2 均勻磨損時的頻譜圖和振幅跳躍現象(2)信號是周期平穩信號。采集到信號有規律的

9、沖擊或調制現象,主要是針對齒輪的點蝕、疲勞剝落、齒形誤差、安裝誤差、軸彎曲、不平衡、不對中、滾動軸承剝落等情況。齒輪不平衡時的振動時域圖及頻譜圖如圖3所示。圖5 振動測試系統的結構圖系統中傳感器選用ZG-1型磁電式振動速度傳感器。技術指標:頻率范圍101000Hz;傳感器靈敏度:0125v/cms最大振幅:?1mm;重量:185g。傳感器有磁性底座,直接吸附在被測體上,其外殼隨振動體而振動,位于氣隙間的線圈切割磁力線,發出正比于振動速度的電勢,該電勢由導線輸入信號調理單元,直接放大,可測量振動速度。輸入的信號經積分或微分處理,也可得到測量振動位移和加速度。測試系統選用DQAPad-6014E型

10、數據采集卡。DQAPad-6014E型數據采集卡是NI公司生產的采集卡系列產品之一,是一種性能優良的低價位適合PC機#77#-1圖3 不平衡齒輪的振動波形和頻譜圖#工藝與裝備#和兼容機的采集卡,其性能參數如下所示:200kS/s采樣頻率;16位精度的16路模擬輸入;16位精度的2路模擬輸出;8條數字I/O線(5VTTL/CMOS);2路24位的定時/計數器;數字觸發;4組不同的模擬輸入范圍;NI-DAQ動程序簡化配置和測量工作;內含NI-DAQ驅動軟件。通過信號調理箱和數據采集卡匹配使用來實現虛擬儀器系統信號調理和數據采集,在MAX(Measure-ment&AutomationExplore

11、r)中方便設置采樣頻率、采樣點數等參數。根據實驗臺的信號采集和控制要求,通過信號調理箱方便對信號進行多次濾波、放大等處理,使得后續信號處理更精確。以上為實驗臺機械結構和測試系統的硬件組成部分,實物如圖6所示。組合機床與自動化加工技術2 信號采集、處理的程序設計LabVIEW是NI公司推出的一個高效的圖形化程序設計開發工具,它結合了簡單易用的圖形式開發環境與靈活強大的G編程語言,提供了一個直覺式的開發環境。LabVIEW帶有專門用于數據采集和儀器控制的庫函數和開發工具,帶有專業的數學分析包,基本上能滿足復雜的工程計算和分析要求。程序分為前面板設計和函數框圖(程序框圖)設計,系統界面如圖7(前面板

12、)和圖8(函數框圖)所示,運行程序時,在離線狀態下,會彈出文件打開窗口以選擇要導入的文件;在線狀態下(數據采集模式),程序根據信號采集設定的采樣參數采集傳感器檢測的振動信號,并在信號處理部分對信號進行分析和處理。2圖6 齒輪箱故障診斷實驗臺圖7測試系統前面板圖8 程序主界面#(下轉第81頁)2010年第6期(7)緩慢按下壓盤16,壓塊總成1順著引導柱12向Z軸的負方向運動,芯片7的兩側引腳逐漸進入梳式整形塊13的兩側錐形整形孔24中,芯片7的引腳10得到精確整形。其中,梳式整形塊13的寬度大于凹形底座9的開口寬度,梳式整形塊13最終會接觸到凹形底座9的上表面。因為精確整形時芯片引腳的阻力較小,

13、所以只要選取剛度合適的彈簧,就不必擔心芯片7會壓縮彈簧而陷入凹形底座9中。(8)松開下壓盤16,壓塊總成1回復原位,取出芯片7,整形完畢。待批量整形結束后,經清洗、干燥處理后再進行功能檢測,外觀和功能均合格的芯片表面打磨重新印字后就可重新使用了。對于不同寬度及長度的芯片,在圖1中只需更換不同大小的壓塊總成及底座總成即可。213 DIP芯片實際整形效果圖2是一個28腳DIP封裝IC芯片在樣機上的的實際整形效果。#工藝與裝備#3 結束語本文所提出的DIP封裝IC芯片引腳整形裝置具有以下特點:(1)適應范圍廣。適用于引腳向各個方向偏移的廢棄的或者新的多種DIP封裝IC芯片。(2)操作簡單。手工操作,

14、一次整形,效率高。(3)環境性能好。整形裝置無需動力,節省能源,零排放,無污染。(4)設備造價低。裝置體積小,結構簡單,設備費用低,檢修快捷、方便。本文所提出的DIP芯片的引腳整形方法為我國回收企業提供了一種有效的芯片引腳整形技術,符合可持續發展的需要,該裝置具有一定的推廣使用價值。參考文獻1劉志峰.產品的可回收性設計J.機械科學與技術,1996,15(4):531-534.2IshiiK.Life-cycleEngineeringDesign.TransactionsofASME,1992,117(6):24-26.3RosyWeiChen,DundeeNavin-Chandra,Fritz

15、BPrinz.ACost-BenefitAnalysisModelofProduceDesignforRecyclabilityanditsApplication.IEEETransactionsOnComponents,PackingandManufacturingTechnology-PartA,1994,17(4):502-507.圖2 實際整形效果4劉志峰,劉光復.綠色設計M.北京:機械工業出版社,1999.5施達彬,尹鳳福,劉振宇,等.廢舊印刷線路板機械處理技術J.中國科技信息,2006(2):81-82.6李強兵,范穎.雙列直插式集成塊引腳整形方法及裝置P.中國專利:CN10110

16、2663A,2008.7黃海鴻,劉志峰,王淑旺,等.面向回收的產品模塊化設計方法J.農業機械學報,2006,37(12):144-149.圖3 與IC插座的配合(編輯 趙蓉圖3為整形后的該芯片與28腳IC插座的配合情況。可以看出,整形后的IC芯片引腳排列整齊,與插座配合時各引腳與插座的接觸情況良好。)(上接第78頁)關于信號采集的部分,關鍵要設定采集參數(采樣率等)、數據的存儲類型(文本、電子文檔、M文件等)以及存儲路徑,在很多文章中都已有所涉及本文不再重復。關于文件讀取的程序,通過類型轉換進行數據讀取兼容性更好。程序框圖如圖8。3 結束語本文中,工作臺、傳感器、信號調理器、數據采集卡、PC機結合在一起,利用虛擬軟件平臺LabVIEW強大的分析顯示功能,通過簡單的操作界面控制實驗的進行,還可以根據不同需求修改和增添新的功能模塊以滿足實驗的需求。通過實驗分析,實驗臺能滿足齒輪箱故障診斷實驗的要求,能通過振動信號采集、分析處理實現齒輪箱的故障診斷。該測試系統也為齒輪箱故障診斷研究提供了一種先進可靠的診斷系統,與傳統測試系統相比,降低了測試設備的成本、增加了系統的穩定性和