虚拟检测系统设计与开发

工业设备运行状态虚拟检测系统设计与开发一．实验目的1．了解旋转机械检测系统的结构及组成，根据实际需要确定系统的方案。2．了解检测系统中各部分元器件的工作原理、特点和作用，并根据实际需要选择合适的元器件。3．掌握传感器的安装方式、选择和标定。4．掌握状态检测虚拟仪器系统设计与开发的基本步骤。二．系统设计1．实验对象该实验台是一种模块化、开放型的机械设计综合实验装置，由硬件[动力模块、传动模块、支承联接、调节模块、加载模块]和软件【控制模块、工具模块、测试模块】等组成，通过对不同模块德选择和装配搭接可以组成典型机械传动装置。如图所示：实验台结构简图2．实验对象名称、型号及主要零部件的性能参数1）动力模块（1）Y90L-4电动机：额定功率1.5KW;同步转速：1500r/min，额定电压下，最大转矩予额定转矩之比2.3。（2）MM420-150/3变频器。2）传动模块JS-100齿轮减速器：减速比1：1.5，齿数：Z1=32、Z2=48，螺旋角β＝8°4’9”，中心距a=100mm.法面模数Mn=2.5.3）加载模块CZ-5型磁粉制动器：额定转矩50Nm,激磁电流0.8A，允许滑差功率4KW。3．监测参数频带选定测量参数指南测量参数位移速度加速度适用频带0~100HZ10~1000HZ大于1000HZ1）电动机的测试参数电动机电源：单相交流，200/220伏，频率50/60Hz功率：1.5KW设定转速：1500rpm(25Hz)电动机振动的测定参数：速度轴的转速：1500rpm2）齿轮的测定参数电机转速设定为：1500rpm(25Hz)若出现齿轮故障，将引起的振动频率啮合频率=轴转频×齿数小齿轮啮合频率=25×32=800(Hz)大齿轮啮合频率=25×32/48×48=800(Hz)考虑3次谐波，为244Hz，属于“高频”。齿轮振动测定参数：加速度3．监测位置（如图）测点位置如图所示，由左到右依次为扭矩、齿轮低速端、齿轮高速端和电机。虚拟仪器处理的通道依次为4、3、2、1，其对应数据采集卡通道依次为6、5、1、0通道。4．传感器的选择与安装选择压电式传感器：它体积小、重量轻、灵敏度高、测量范围大、频响范围宽、线性度好、安装简便等诸多优点，因此获得了最为广泛的应用。初选采用秦皇岛佳盟测控技术有限公司的ck8305标准参考加速度计，采用石英晶体压电元件，性能指标：结构形式灵敏度重量（g）频响(10%)振频（kHz）石英晶体中心压缩~0.1pc/ms-2351Hz~10KHz30速度范围（ms-2）大横向灵敏度安装螺钉温度范围（0c）外形尺寸（mm）15000≤5%M5-54~+260六方16高30价格：1580元/只实际用传感器为压电加速度计——Type4291，且传感器用蜂蜡直接粘在所示测点处。5．故障评价标准常用的标准判别法有绝对标准、相对标准和类比标准三种方法，在此选4321用绝对标准判别法。它是在一定的测试条件下，按规定的方法确定的用以判别设备状态的界限值。把测得的参数值与标准值比较即可判别设备处于“良好”、“允许”、“较差”、“不允许”等各种状态。主要采用ISQ1372判别：见表振动速度有效值Vrms(mm/s)状态判别Vrms≤1.8良好1.8≤Vrms≤4.5允许4.5≤Vrms≤11.2较差，应设法降低Vrms≥11.2不允许6．检测系统方案机械测振系统的结构框图如图所示，主要由传感器、电荷放大器、分析仪、显示输出和磁带记录几个部分组成。传感器将机械振动量转变为适于电测的电参量，电荷放大器将机械量转变成与其成正比的微弱电荷Q，而且输出极高的阻抗Ra，分析仪测试分析统计结果，用计算机显示输出结果，并用磁带记录仪记录结果数据。1）数据采集器的选型数据采集卡的选择是硬件系统建设的关键，基于性能的稳定性和性价比的原因，选用了凌华的PCI16通道，250K/s低价位多功能采集卡产。特性型号DAQ-2214电荷放大器分析仪磁带记录仪显示输出传感器被测设备32位PCI总线，即插即用16个单端以及8个差动模拟量输入通道输入通道能够允许单端与差动混合组成16位AD分辨率，采样频率可达250K双极性/单极性模拟量输入模拟/数字触发2路带波形发生功能的D/A输出通道双极性/单极性模拟量输出D/A：I/O更新及支持Scatter/Gather功能的总线主控DMA系统同步接口完全自动校准完全软件配置价格：4200元/块实际采用数据卡参数：型号——BNC—212.板卡——6024E2）转速的测量转速直接采用机器加载上去，例如直接加载200、400、600等等。3）计算机选型选择凌华工控机RACK-610价格：5600元/台配置：RACK-610／PIV2.0G／841主板／512M／80G／光驱／键盘＋鼠标产品简介：EIARS-310C19”上架式标准4U机箱，易于更换和清洁的滤网，三个5.25”和一个3.5”外置驱动器架和一个3.5”内部驱动器架，均为抗振动、抗冲击设计前部机箱门内已有USB接口，前面板配有一个PS2键盘接口，专门的板卡固定，卡架设计以抵抗运输过程中的震动，支持300W/400W冗余电源，可更换为BP/MB/MBDVR后面板：规格：尺寸19×7×17.8”（483×177×451mm）（W×H×D）驱动器架3个5.25”和1个3.5”前置可达驱动器架1个内置3.5”驱动器架结构：高强度钢板颜色标准：米色和黑色其它：按需而定散热In：一个120x120x25mm和一个80x80x25mm滚轴风扇前面板前面板带锁2个LEDs：硬盘活动指示和系统电源指示系统复位开关、ATX电源开关和K/B锁开关后面板支持14槽无源背板和ATX母板支持PS2架构ATX电源包装尺寸24.8×13×21.9”（630×330×555mm）重量12kgs/26.4lbs4)选用的电荷放大器型号——VM—27M6CHMETER、UNIT（6通道）公司：RIONCO、LTD（日本）5）软件开发工具选用虚拟仪器开发平台，它是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。这是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。7、初选检测系统的软硬件成本报价编号设备名称型号规格台单价（元）总价（元）生产厂家1压电式传感器ck8305石英晶体中心压缩415806320秦皇岛佳盟测控技术有限公司2数据采集卡DAQ-221432位PCI总线、16个单端、8个差动模拟量输入通道、16位AD分辨率，采样频率可达250K142004200凌华3工控机RACK-610配置：RACK-610／PIV2.0G／841主板／512M／80G／光驱／键盘＋鼠标156005600凌华合计￥16120四．实验研究(1)程序流程图：程序设计1.程序前面板开始在线/离线取信号时域信号、有效值频域信号FFT变换波形输出波形输出数据储存储存时域、频域和有效值数据数据读取读取时域、频域和有效值数据程序结束停止按键是是是是否否否否程序后面板：(2)标定传感器步骤。实验步骤：1.首先在虚拟仪器程序里，将DAQ中的传感器通道打开。2.再按照所打开的通道，将传感器、电荷放大器和数据采集卡联接好。3.将传感器接于自激振动器上，打开电荷放大器，校正传感器，观察程序上所显示的时域信号，调整到使幅值为1。4.将校正好的传感器放在一边，并将调节好的通道的灵敏度锁住。5.再校正其它几个传感器，重复3、4步骤，直到所有传感器校正结束。6.选择试验台上所要检测的点，将传感器和所测点上涂上松脂，把传感器紧贴在所测点处。(3)测试实验台的振动和噪声步骤。实验步骤：1.首先在虚拟仪器程序里，将DAQ中的测噪声传感器通道打开。2.将传感器接在精密声级计倍频程滤波器上。3.再将声级计与数据采集卡上的通道相连接。4.把校正传感器的仪器接在声级计上，观察程序上所显示的时域信号，调整到使幅值为1。5.将声级计放在离声源一米内，与声源平行即可。下图为数据保存程序：(4)处理实验数据。1.电机200转测得的数据：1通道波形2通道波形3通道波形4通道波形声通道波形10.500075-0.46875010.500075-0.08544910.5000750.00488310.5000750.14648410.5000750.09033210.921775-0.62988310.921775-0.10986310.921775-0.03418010.9217750.13427710.9217750.10253911.5000500.49072311.500050-0.17578111.5000500.00488311.5000500.16845711.5000500.13916011.968650-0.18310511.968650-0.15625011.9686500.01464811.9686500.08056611.9686500.07080112.500000-1.25976612.500000-0.07080112.5000000.00732412.500000-0.01953112.5000000.03662112.9999000.48828112.9999000.03662112.999900-0.00976612.999900-0.03662112.999900-0.07812513.500000-0.30761713.500000-0.05615213.500000-0.03662113.500000-0.00732413.500000-0.13183613.9999000.04150413.999900-0.02197313.999900-0.02197313.999900-0.18066413.999900-0.15869114.5156251.12548814.5156250.21484414.515625-0.00488314.515625-0.11230514.515625-0.07568415.015525-0.78857415.0155250.02685515.015525-0.02441415.015525-0.04150415.015525-0.080566分析：以上是五个通道传感器所测得的波形图和每个0.5秒截取的信号数据，从上面的波形我们可以看出，试验台电机为200转低速旋转时，每个通道的情况如下：一通道检测电机，其时域出现周期变化，引起原因可能是由于电机转子不平衡所引起的，从而导致时域波形出现周期变化；其频域波形在500Hz左右时出现了一个较大值，这也可能是由于转子不平衡引起的而通道检测齿轮传动的高速端，其时域也出现了同电机一样的周期变化，其原因是因为电机转子的不平衡以及转子在连接过程中不对中引起；其频域在1800Hz时有较大值出现，原因同上。三通道检测扭矩处，其时域波形变化较为集中，有效值为0.0707，产生的变化可能是有齿轮传动中，齿轮误差、齿轮与内孔不同心、各部分轴线不对中、不平衡等原因造成；其频域变化范围同样也相对集中，所以扭矩处工作情况较为正常。四通道检测齿轮传动的低速端，其时域有突发性较大值出现，产生的变化同样可能是有齿轮传动中，齿轮误差、齿轮与内孔不同心、各部分轴线不对中、不平衡等原因造成；其频域变化同样有影响。声通道检测的情况中，我们可以看到有突发性的较大值出现，由于声通道距离电机所产生的声源最近，所以其主要原因可能是电机转子不平衡造成的。总的说来，试验所检测的仪器情况都在允许的范围之内，所以试验台在200转的速转动是运行情况还算良好。2.电机800转测得的数据：1通道波形2通道波形3通道波形4通道波形声通道