一種嵌入式變轉速軸承故障診斷裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種嵌入式變轉速軸承故障診斷裝置，包括信號輸入模塊、轉速調理模塊、核心運算模塊、核心控制模塊以及電源模塊。本發明使用了FPGA+DSP+ARM結構：轉速調理模塊采用FPGA，對于變轉速條件下采得的振動信號轉換為等角度采樣的結果，從而適應了變轉速條件下軸承故障診斷的要求；核心運算模塊采用運算速度高和片上外設多的DSP，可以很好地完成對采樣結果的數據分析；核心控制模塊以ARM為核心，附加外圍的LCD觸摸屏等硬件設備，完成對數據分析結果的診斷、存儲、人機交互等功能；核心運算模塊上采用基于經驗模態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，提高了軸承故障診斷的準確性和快速性。
【專利說明】一種嵌入式變轉速軸承故障診斷裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種軸承故障診斷裝置，尤其是基于數字信號處理技術和嵌入式技術的變轉速軸承故障診斷裝置。
【背景技術】
[0002]眾所周知，由軸承故障導致的旋轉機械不能正常工作的現象屢見不鮮(比如由通用電器和IEEE工業應用學會聯合主持的電機可靠性學習中發現由軸承引起的問題占了整個機器故障的40%以上)。因而與此相對應的各種軸承故障診斷系統的開發與研究得到工業界和學術界的普遍關注。傳統上的軸承故障診斷系統基于經典傅里葉分析，通過對測得的信號進行傅里葉變換后獲得振幅、相位等特征頻譜來對故障進行檢測與診斷。由于軸承故障在形成與發展過程中產生的振動信號具有瞬態性和非平穩性，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成，并需要假定信號在整個時間軸上是平穩的)，它不能反映出信號在局部時間區域內的頻譜特征。而各種非平穩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，因此研究與開發基于非平穩信號處理的軸承故障診斷系統對于幫助提高診斷準確率具有重要意義。然而，現有的軸承故障診斷系統一般要求設備轉速恒定或接近恒定，并不適用于變轉速條件下軸承的故障診斷。對于這個問題，當前沒有公開的解決辦法。
【發明內容】
[0003]技術問題:本發明提供了一種嵌入式變轉速軸承故障診斷裝置。
[0004]技術方案:本發明的嵌入式變轉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、轉速調理模塊、核心運算模塊、核心控制模塊，以及分別與信號輸入模塊、轉速調理模塊、核心運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轉換模塊，以及轉速傳感器，A/D轉換模塊的輸出端和轉速傳感器的輸出端分別與轉速調理模塊輸入端相連，A/D轉換模塊將采集到的振動信號x(t)傳輸至轉速調理模塊，轉速傳感器將轉速信號傳輸至轉速調理模塊，其中t表示采樣時間點，t=l，2，…，N，N為信號長度；
[0006]轉速調理模塊為現場可編輯邏輯門陣列，對輸入的振動信號x(t)進行等角度采樣，得到等角度采樣序列{X (I)，X (2)，…，X (t)，…，X (N)}并傳輸至核心運算模塊；
[0007]核心運算模塊為數字信號處理模塊，運用經驗模態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)}進行分析，得到階比譜數據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算模塊的輸出端連接，嵌入式微處理器模塊根據輸入的階比譜數據作出階比譜圖形，并利用階比譜圖形進行軸承故障診斷。
[0009]本發明優選方案中，核心運算模塊運用經驗模態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)}所有的極大值點和極小值點，采用三次樣條插值函數擬合所有極大值點，得到上包絡線，采用三次樣條插值函數擬合所有極小值點，得到下包絡線，然后求出上包絡線和下包絡線的均值M1 (t)，得到均值序列(M1(IhM1Q),…，M1 (t)，…，M1 (N)}，將每個等角度采樣數據X (t)對應減去均值M1 (t)，得到新的采樣數據IM1W，組成一個新的采樣數據序列UM1(I), MJ2)，…，M1U),…，IM1 (N)}，并初始化計數器參數j=l ；
[0011]2)找出新的采樣數據序列UM1(I), IM1⑵，…，IM1⑴，…，IM1(N)I所有的極大值點和極小值點，采用三次樣條插值函數擬合所有極大值點，得到新的上包絡線，采用三次樣條插值函數擬合所有極小值點，得到新的下包絡線，然后求出新的上包絡線和新的下包絡線的均值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，則將新的采樣數據序列UM1(I),
IM1 (2)，…，IM1 ⑴，...,IM1 (N)}作為第 j 個本征模態函數 IMFj= {IMFj (I)，IMFj (2)，...，IMFj (t)，...，IMFj (N)}并進入步驟 4)，其中有 IMFj (t) =IM1 (t);否則根據 IM1 (t) =IM1 (t)—M2⑴更新IM1 (t)，得到新的采樣數據序列UM1(I)，頂“2)，…，頂“t)，…，M1(N)I后返回步驟2)；
[0013]4)判斷是否滿足
【權利要求】
1.一種嵌入式變轉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)、轉速調理模塊(2)、核心運算模塊(3)、核心控制模塊(4)，以及分別與所述信號輸入模塊(I)、轉速調理模塊(2)、核心運算模塊(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轉換模塊(15)，以及轉速傳感器(11)，所述A/D轉換模塊(15)的輸出端和轉速傳感器(11)的輸出端分別與轉速調理模塊(2)輸入端相連，A/D轉換模塊(15)將采集到的振動信號x(t)傳輸至轉速調理模塊(2)，轉速傳感器(11)將轉速信號傳輸至轉速調理模塊(2)，其中t表示采樣時間點，t=l,2,…，N，N為信號長度；所述轉速調理模塊(2)為現場可編輯邏輯門陣列，對輸入的振動信號x(t)進行等角度采樣，得到等角度采樣序列{Χ(1)，Χ(2)，...，Χα)，...，Χ(Ν)}并傳輸至核心運算模塊(3)； 所述核心運算模塊(3)為數字信號處理模塊，運用經驗模態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)}進行分析，得到階比譜數據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 運算模塊(3)的輸出端連接，嵌入式微處理器模塊(41)根據輸入的階比譜數據作出階比譜圖形，并利用階比譜圖形進行軸承故障診斷。
2.根據權利要求1所述的嵌入式變轉速軸承故障診斷裝置，其特征在于，所述核心運算模塊(3)運用經驗模態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)}所有的極大值點和極小值點，采用三次樣條插值函數擬合所有極大值點，得到上包絡線，采用三次樣條插值函數擬合所有極小值點，得到下包絡線，然后求出上包絡線和下包絡線的均值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據X (t)對應減去均值M1 (t)，得到新的采樣數據IM1 (t)，組成一個新的采樣數據序列UM1 (I)，IM1 (2)，…，IM1 (t)，…，IM1 (N)}，并初始化計數器參數j=l ; 2)找出新的采樣數據序列UM1(I)，IM1 (2)，...，IM1 (t)，...，IM1 (N)}所有的極大值點和極小值點，采用三次樣條插值函數擬合所有極大值點，得到新的上包絡線，采用三次樣條插值函數擬合所有極小值點，得到新的下包絡線，然后求出新的上包絡線和新的下包絡線的均值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，則將新的采樣數據序列UM1(I),M1 (2)，...t^l，IM1 ⑴，...,IM1 (N)}作為第 j 個本征模態函數 IMFj= {IMFj (I)，IMFj (2)，...，IMFj ⑴，...,IMFj(N)I并進入步驟4)，其中有MFj (O=M1 (t);否則根據IM1 (t) =IM1 (t) — M2⑴更新IM1 (t)，得到新的采樣數據序列(IM1(I), 11^2),..., IM1U),..., IM1 (N)}后返回步驟2)； 4)判斷是否滿足j=k，k為設定的本征模態函數運算次數，k>2，如是，則進入步驟5);否貝幡據
3.根據權利要求1所述的嵌入式變轉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)利用階比譜圖形進行軸承故障診斷的方法為:根據階比譜數據Z(f)，以階比f為橫坐標，階比譜數據Z(f)為縱坐標，作出二維圖形，在所述二維圖形當中找出階比譜數據Z(f)的每個高峰點所對應的階比f，然后將其分別與軸承的轉動階比、理論軸承轉動體故障階比、理論軸承外圈故障階比、理論軸承內圈故障階比進行比較，按照以下判斷條件得到故障診斷結果: 如果所述的三個理論軸承故障階比均不與任一階比譜數據Z(f)高峰點所對應的階比f相等，則判定軸承不存在故障； 如果存在一個階比譜數據Z (f)高峰點所對應的階比f等于理論軸承轉動體故障階比，則判定軸承存在轉動體故障； 如果存在一個階比譜數據Z (f)高峰點所對應的階比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據Z(f)高峰點所對應的階比f等于理論軸承內圈故障階比，則判定軸承存在內圈故障。
【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 優先權日:2014年3月26日
【發明者】嚴如強, 錢宇寧, 徐偉 申請人:東南大學
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