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一種嵌入式變轉(zhuǎn)速軸承故障診斷裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種嵌入式變轉(zhuǎn)速軸承故障診斷裝置，包括信號輸入模塊、轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊、核心運(yùn)算模塊、核心控制模塊以及電源模塊。本發(fā)明使用了FPGA+DSP+ARM結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊采用FPGA，對于變轉(zhuǎn)速條件下采得的振動信號轉(zhuǎn)換為等角度采樣的結(jié)果，從而適應(yīng)了變轉(zhuǎn)速條件下軸承故障診斷的要求；核心運(yùn)算模塊采用運(yùn)算速度高和片上外設(shè)多的DSP，可以很好地完成對采樣結(jié)果的數(shù)據(jù)分析；核心控制模塊以ARM為核心，附加外圍的LCD觸摸屏等硬件設(shè)備，完成對數(shù)據(jù)分析結(jié)果的診斷、存儲、人機(jī)交互等功能；核心運(yùn)算模塊上采用基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解階比譜分析算法，這是該算法第一次在嵌入式硬件上實現(xiàn)，提高了軸承故障診斷的準(zhǔn)確性和快速性。
【專利說明】一種嵌入式變轉(zhuǎn)速軸承故障診斷裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種軸承故障診斷裝置，尤其是基于數(shù)字信號處理技術(shù)和嵌入式技術(shù)的變轉(zhuǎn)速軸承故障診斷裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，由軸承故障導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)機(jī)械不能正常工作的現(xiàn)象屢見不鮮(比如由通用電器和IEEE工業(yè)應(yīng)用學(xué)會聯(lián)合主持的電機(jī)可靠性學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)由軸承引起的問題占了整個機(jī)器故障的40%以上)。因而與此相對應(yīng)的各種軸承故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)與研究得到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的普遍關(guān)注。傳統(tǒng)上的軸承故障診斷系統(tǒng)基于經(jīng)典傅里葉分析，通過對測得的信號進(jìn)行傅里葉變換后獲得振幅、相位等特征頻譜來對故障進(jìn)行檢測與診斷。由于軸承故障在形成與發(fā)展過程中產(chǎn)生的振動信號具有瞬態(tài)性和非平穩(wěn)性，所以傅里葉變換對于這類信號的分析是傅里葉變換對信號在整個時間段內(nèi)的一種平均化的頻率特征表示(即它是從全局角度看信號的頻譜構(gòu)成，并需要假定信號在整個時間軸上是平穩(wěn)的)，它不能反映出信號在局部時間區(qū)域內(nèi)的頻譜特征。而各種非平穩(wěn)信號處理方法如時頻分析、小波變換和希爾伯特-黃變換等可用于軸承振動信號的分析，因此研究與開發(fā)基于非平穩(wěn)信號處理的軸承故障診斷系統(tǒng)對于幫助提高診斷準(zhǔn)確率具有重要意義。然而，現(xiàn)有的軸承故障診斷系統(tǒng)一般要求設(shè)備轉(zhuǎn)速恒定或接近恒定，并不適用于變轉(zhuǎn)速條件下軸承的故障診斷。對于這個問題，當(dāng)前沒有公開的解決辦法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]技術(shù)問題:本發(fā)明提供了一種嵌入式變轉(zhuǎn)速軸承故障診斷裝置。
[0004]技術(shù)方案:本發(fā)明的嵌入式變轉(zhuǎn)速軸承故障診斷裝置，包括按信號傳輸方向依次連接的信號輸入模塊、轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊、核心運(yùn)算模塊、核心控制模塊，以及分別與信號輸入模塊、轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊、核心運(yùn)算模塊和核心控制模塊連接的電源模塊；
[0005]信號輸入模塊包括按信號傳輸方向依次連接的振動傳感器、信號放大器、低通濾波器和A/D轉(zhuǎn)換模塊，以及轉(zhuǎn)速傳感器，A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出端和轉(zhuǎn)速傳感器的輸出端分別與轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊輸入端相連，A/D轉(zhuǎn)換模塊將采集到的振動信號x(t)傳輸至轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊，轉(zhuǎn)速傳感器將轉(zhuǎn)速信號傳輸至轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊，其中t表示采樣時間點(diǎn)，t=l，2，…，N，N為信號長度；
[0006]轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊為現(xiàn)場可編輯邏輯門陣列，對輸入的振動信號x(t)進(jìn)行等角度采樣，得到等角度采樣序列{X (I)，X (2)，…，X (t)，…，X (N)}并傳輸至核心運(yùn)算模塊；
[0007]核心運(yùn)算模塊為數(shù)字信號處理模塊，運(yùn)用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解階比譜方法對輸入的等角度采樣序列{X (I)，X (2)，…，X (t)，…，X (N)}進(jìn)行分析，得到階比譜數(shù)據(jù)并輸入核心控制模塊；
[0008]核心控制模塊包括嵌入式微處理器模塊、分別與嵌入式微處理器模塊的輸出端連接的觸摸顯示模塊和存儲器模塊，嵌入式微處理器模塊的輸入端與核心運(yùn)算模塊的輸出端連接，嵌入式微處理器模塊根據(jù)輸入的階比譜數(shù)據(jù)作出階比譜圖形，并利用階比譜圖形進(jìn)行軸承故障診斷。
[0009]本發(fā)明優(yōu)選方案中，核心運(yùn)算模塊運(yùn)用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解階比譜方法對輸入的等角度采樣序列{X(1)，X⑵，…，X(t)，…，X(N)}進(jìn)行分析的具體步驟為:
[0010]I)找出等角度采樣序列{X⑴，X⑵，…，X(t)，…，X(N)}所有的極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)，采用三次樣條插值函數(shù)擬合所有極大值點(diǎn)，得到上包絡(luò)線，采用三次樣條插值函數(shù)擬合所有極小值點(diǎn)，得到下包絡(luò)線，然后求出上包絡(luò)線和下包絡(luò)線的均值M1 (t)，得到均值序列(M1(IhM1Q),…，M1 (t)，…，M1 (N)}，將每個等角度采樣數(shù)據(jù)X (t)對應(yīng)減去均值M1 (t)，得到新的采樣數(shù)據(jù)IM1W，組成一個新的采樣數(shù)據(jù)序列UM1(I), MJ2)，…，M1U),…，IM1 (N)}，并初始化計數(shù)器參數(shù)j=l ；
[0011]2)找出新的采樣數(shù)據(jù)序列UM1(I), IM1⑵，…，IM1⑴，…，IM1(N)I所有的極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)，采用三次樣條插值函數(shù)擬合所有極大值點(diǎn)，得到新的上包絡(luò)線，采用三次樣條插值函數(shù)擬合所有極小值點(diǎn)，得到新的下包絡(luò)線，然后求出新的上包絡(luò)線和新的下包絡(luò)線的均值M2⑴，得到新的均值序列{M2⑴，M2⑵，…，M2⑴，…，M2 (N)}；
[0012]3)判斷是否滿足?Μ#) = 0，如是，則將新的采樣數(shù)據(jù)序列UM1(I),



IM1 (2)，…，IM1 ⑴，...,IM1 (N)}作為第 j 個本征模態(tài)函數(shù) IMFj= {IMFj (I)，IMFj (2)，...，IMFj (t)，...，IMFj (N)}并進(jìn)入步驟 4)，其中有 IMFj (t) =IM1 (t);否則根據(jù) IM1 (t) =IM1 (t)—M2⑴更新IM1 (t)，得到新的采樣數(shù)據(jù)序列UM1(I)，頂“2)，…，頂“t)，…，M1(N)I后返回步驟2)；
[0013]4)判斷是否滿足
【權(quán)利要求】
1.一種嵌入式變轉(zhuǎn)速軸承故障診斷裝置，其特征在于，該裝置包括按信號傳輸方向依次連接的信號輸入模塊(I)、轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊(2)、核心運(yùn)算模塊(3)、核心控制模塊(4)，以及分別與所述信號輸入模塊(I)、轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊(2)、核心運(yùn)算模塊(3)和核心控制模塊(4)連接的電源模塊(5)； 所述信號輸入模塊(I)包括按信號傳輸方向依次連接的振動傳感器(12)、信號放大器(13)、低通濾波器(14)和A/D轉(zhuǎn)換模塊(15)，以及轉(zhuǎn)速傳感器(11)，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊(15)的輸出端和轉(zhuǎn)速傳感器(11)的輸出端分別與轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊(2)輸入端相連，A/D轉(zhuǎn)換模塊(15)將采集到的振動信號x(t)傳輸至轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊(2)，轉(zhuǎn)速傳感器(11)將轉(zhuǎn)速信號傳輸至轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊(2)，其中t表示采樣時間點(diǎn)，t=l,2,…，N，N為信號長度；所述轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊(2)為現(xiàn)場可編輯邏輯門陣列，對輸入的振動信號x(t)進(jìn)行等角度采樣，得到等角度采樣序列{Χ(1)，Χ(2)，...，Χα)，...，Χ(Ν)}并傳輸至核心運(yùn)算模塊(3)； 所述核心運(yùn)算模塊(3)為數(shù)字信號處理模塊，運(yùn)用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解階比譜方法對輸入的等角度采樣序列{X (I)，X (2)，…，X (t)，…，X (N)}進(jìn)行分析，得到階比譜數(shù)據(jù)并輸入核心控制豐旲塊(4)； 所述核心控制模塊(4)包括嵌入式微處理器模塊(41)、分別與所述嵌入式微處理器模塊(41)的輸出端連接的觸摸顯示模塊(42)和存儲器模塊(43)，所述嵌入式微處理器模塊(41)的輸入端與核心 運(yùn)算模塊(3)的輸出端連接，嵌入式微處理器模塊(41)根據(jù)輸入的階比譜數(shù)據(jù)作出階比譜圖形，并利用階比譜圖形進(jìn)行軸承故障診斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式變轉(zhuǎn)速軸承故障診斷裝置，其特征在于，所述核心運(yùn)算模塊(3)運(yùn)用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解階比譜方法對輸入的等角度采樣序列{Χ(1)，Χ(2)^..，X(t)，…，X(N)}進(jìn)行分析的具體步驟為: O找出等角度采樣序列{X(1)，X(2)，…，X(t)，一，X(N)}所有的極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)，采用三次樣條插值函數(shù)擬合所有極大值點(diǎn)，得到上包絡(luò)線，采用三次樣條插值函數(shù)擬合所有極小值點(diǎn)，得到下包絡(luò)線，然后求出上包絡(luò)線和下包絡(luò)線的均值M1 (t)，得到均值序列(M1 (I)，M1 (2)，…，M1 (t)，…，M1 (N)}，將每個等角度采樣數(shù)據(jù)X (t)對應(yīng)減去均值M1 (t)，得到新的采樣數(shù)據(jù)IM1 (t)，組成一個新的采樣數(shù)據(jù)序列UM1 (I)，IM1 (2)，…，IM1 (t)，…，IM1 (N)}，并初始化計數(shù)器參數(shù)j=l ; 2)找出新的采樣數(shù)據(jù)序列UM1(I)，IM1 (2)，...，IM1 (t)，...，IM1 (N)}所有的極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)，采用三次樣條插值函數(shù)擬合所有極大值點(diǎn)，得到新的上包絡(luò)線，采用三次樣條插值函數(shù)擬合所有極小值點(diǎn)，得到新的下包絡(luò)線，然后求出新的上包絡(luò)線和新的下包絡(luò)線的均值M2 (t)，得到新的均值序列{M2 (I)，M2 (2)，…，M2 (t)，…，M2 (N)}； 3)判斷是否滿足?Μ:⑴=0，如是，則將新的采樣數(shù)據(jù)序列UM1(I),M1 (2)，...t^l，IM1 ⑴，...,IM1 (N)}作為第 j 個本征模態(tài)函數(shù) IMFj= {IMFj (I)，IMFj (2)，...，IMFj ⑴，...,IMFj(N)I并進(jìn)入步驟4)，其中有MFj (O=M1 (t);否則根據(jù)IM1 (t) =IM1 (t) — M2⑴更新IM1 (t)，得到新的采樣數(shù)據(jù)序列(IM1(I), 11^2),..., IM1U),..., IM1 (N)}后返回步驟2)； 4)判斷是否滿足j=k，k為設(shè)定的本征模態(tài)函數(shù)運(yùn)算次數(shù)，k>2，如是，則進(jìn)入步驟5);否貝幡據(jù)
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式變轉(zhuǎn)速軸承故障診斷裝置，其特征在于，所述嵌入式微處理器模塊(41)利用階比譜圖形進(jìn)行軸承故障診斷的方法為:根據(jù)階比譜數(shù)據(jù)Z(f)，以階比f為橫坐標(biāo)，階比譜數(shù)據(jù)Z(f)為縱坐標(biāo)，作出二維圖形，在所述二維圖形當(dāng)中找出階比譜數(shù)據(jù)Z(f)的每個高峰點(diǎn)所對應(yīng)的階比f，然后將其分別與軸承的轉(zhuǎn)動階比、理論軸承轉(zhuǎn)動體故障階比、理論軸承外圈故障階比、理論軸承內(nèi)圈故障階比進(jìn)行比較，按照以下判斷條件得到故障診斷結(jié)果: 如果所述的三個理論軸承故障階比均不與任一階比譜數(shù)據(jù)Z(f)高峰點(diǎn)所對應(yīng)的階比f相等，則判定軸承不存在故障； 如果存在一個階比譜數(shù)據(jù)Z (f)高峰點(diǎn)所對應(yīng)的階比f等于理論軸承轉(zhuǎn)動體故障階比，則判定軸承存在轉(zhuǎn)動體故障； 如果存在一個階比譜數(shù)據(jù)Z (f)高峰點(diǎn)所對應(yīng)的階比f等于理論軸承外圈故障階比，則判定軸承存在外圈故障； 如果存在一個階比譜數(shù)據(jù)Z(f)高峰點(diǎn)所對應(yīng)的階比f等于理論軸承內(nèi)圈故障階比，則判定軸承存在內(nèi)圈故障。
【文檔編號】G01M13/04GK103868694SQ201410115079
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】嚴(yán)如強(qiáng), 錢宇寧, 徐偉 申請人:東南大學(xué)