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1、主轴振动动测量系系统的设设计方案案主轴组件件是机床床中的一一个关键键组件，在在主轴的的动态参参数中，振振动是最最重要的的问题之之一，包包含了丰丰富的运运行状态态信息，是是一个动动态状态态信息库库。检测测主轴的的振动可可以了解解主轴的的动态运运行情况况，对其其进行综综合分析析评估和和诊断。主轴的振振动受制制造、结结构、安安装及机机床整体体装配等等很多因因素影响响。不同同故障会会在振动动信号以以不同的的形式中中体现出出来。主轴组件件在运转转时，有有很多信信息通过过振动、温温度状态态等表现现出来，研研究这些些信息可可以认识识其运行行特征。利利用一系系列的传传感器接接收其动动态信息息并将其其转化为为电
2、信号号，输入入到信号号采集模模块，经经过处理理后，再再输入到到PC机机或专用用的分析析设备，利利用轴心心轨迹图图、轴心心位置图图、振动动波形图图、频谱谱图等方方式显示示出来，可可对其状状态进行行分析评评估。虚拟仪器器是电子子测量技技术和计计算机测测控技术术的前沿沿技术，它它将计算算机的采采集、测测试、分分析与处处理引入入到电子子测试领领域，利利用数字字化技术术和软件件技术极极大地提提高了测测试系统统的灵活活性和可可扩展性性。设备状态态检测及及诊断技技术的实实施，主主要包括括三个环环节:一一是信息息的采集集，为分分析诊断断提供依依据;二二是信号号处理，将将杂乱无无章的信信号去伪伪存真，并并根据分
3、分析要求求进行相相应的转转换(变变换)，以以获得对对诊断工工作的既既敏感又又直观的的信息;三是通通过信号号处理得得到的信信息对设设备的状状态(含含故障状状态)进进行识别别、判断断和评估估。其实实施过程程如图11所示。检测对象象的实施施过程主轴组件件运行时时可表述述其特征征的信息息主要是是:振动动、温度度、转速速等，本本课题主主要研究究主轴的的振动。结果输出数据处理数据采集涡流前置器涡流传感器主轴振动信息图2系统统总体结结构设计计目前检测测领域多多是利用用一系列列的传感感器接收收此类信信息并将将其转化化为电信信号，将将其进行行一系列列的处理理之后，利利用图形形或软件件等方式式分析这这些信息息后提
4、供供给研究究人员，以以供其参参考或进进一步研研究。采采用一系系列的传传感器检检测主轴轴的振动动、温度度、转速速等，将将测得的的信息变变换成电电信号后后，输入入到信号号采集模模块，经经过处理理后，再再输入到到PC机机或专用用的分析析设备，利利用轴心心轨迹图图、轴心心位置图图、振动动波形图图、频谱谱图等方方式显示示出来，对对其状态态进行分分析评估估。振动信息息的测量量可检测振振动信号号的传感感器主要要有:电电涡流式式位移传传感器、电电容式位位移传感感器、加加速度传传感器，其其中可进进行非接接触式测测量的主主要是:电涡流流式位移移传感器器、电容容式位移移传感器器。电容容式传感感器的后后续电路路复杂，
5、在在存在较较强电磁磁干扰的的现场，使使用的电电缆较长长，杂散散电容对对测量结结果产生生影响，成成本较高高。不适适合对机机床主轴轴的振动动。电涡流传传感器可可以实现现非接触触式测量量，且有有灵敏度度高、抗抗干扰能能力强、低低频特性性好、响响应速度度快、工工作稳定定可靠等等优点，具具有很宽宽的使用用范围(0一110000OHZZ)和线线形范围围，在旋旋转类机机械设备备振动信信号采集集中得到到广泛的的应用，技技术比较较成熟。本本文拟采采用电涡涡流式传传感器完完成对主主轴的振振动信号号的采集集。传感器的的位置振动监测测和故障障诊断的的核心问问题是适适当的选选择及安安装传感感器，以以便能获获得机械械振动
6、及及其它状状态数据据。对于于旋转设设备来说说，径向向的振动动的测量量多是在在长y方方向上安安装两个个非接触触式的涡涡流传感感器;对对于主轴轴组件来来说，其其径向是是振动的的敏感方方向，可可在主轴轴的径向向安装两两个互为为90。的涡流流传感器器，以获获取主轴轴的振动动信息。振动信息息的读取取振动信息息读取的的传感器器选用江江阴盈誉誉科技有有限公司司生产的的S一DDW一AA0088一BOOI一CCOI一一Doll型涡流流传感器器。其线线性范围围为Illnlnn，灵敏敏度为SSV/mmm。（1）涡涡流传感感器检测测原理电涡流位位移传感感器的工工作原理理是电涡涡流效应应。当接接通传感感器系统统电源时时
7、，在前前置器内内会产生生一个高高频电流流信号，该该信号通通过电缆缆送到探探头的内内部，在在头部周周围产生生交变磁磁场Hll。如图图3所示。如如果在磁磁场Hll的范围围内没有有金属导导体材料料接近，则则发射到到这一范范围内的的能量会会全部释释放;反反之，如如果有金金属导体体材料接接近探头头头部，则则交变磁磁场Hll将在导导体的表表面产生生电涡流流场，该该电涡流流场也会会产生一一个方向向与Hll相反的的交变磁磁场场。由由于丛的的反作用用，就会会改变探探头头部部线圈高高频电流流的幅度度和相位位，即改改变了线线圈的有有效阻抗抗。假定定金属导导体是均均质的，则则线圈一一金属导导体系统统的物理理性能通通常
8、可由由金属导导体的磁磁导率夕夕、电导导率占、尺尺寸因子子;、线线圈与金金属导体体距离dd、线圈圈激励电电流强度度I和频频率f等等参数来来描述。因此线圈圈的阻抗抗可用如如下函数数来表示示：对于特定定的传感感器，线线圈的尺尺寸因子子;、线线圈的激激励电流流强度II和频率率f恒定定不变;对一于于特定的的测试对对象，金金属导体体的磁导导率户、电电导率沙沙值定不不变，那那么阻抗抗Z就成成为距离离d的单单值函数数。由麦麦克斯韦韦尔公式式可以求求得此函函数为一一非线性性函数，其其曲线为为“S形曲曲线，在在一定范范围内可可以近似似为一线线性函数数。图3涡流流效应示示意图（2）检检测电路路线圈密封封在探头头中，
9、线线圈阻抗抗的变化化通过封封装在前前置器中中的电子子线路处处理后转转换成电电压或电电流输出出。如图图3.66。采用用并联谐谐振法，由由前置器器中一个个固定电电容COO和探头头线圈LL、并联联与晶体体管T一一起构成成一个振振荡器，振振荡器的的振荡幅幅度Uxx与线圈圈阻抗成成比例，因因此振荡荡器的振振荡幅度度Ux会会随探头头与被测测间距dd改变。UUx经检检波滤波波、放大大，非线线性修正正后输出出电压UU0。电涡流传传感器检检测电路路（3）灵灵敏度影影响因素素被测物体体表面尺尺寸的影影响探头头线圈产产生的磁磁场范围围是一定定的，在在被测物物体表面面形成的的涡流场场也是一一定的。试试验表明明，当被被
10、测面为为平面时时，以正正对探头头中心线线的点为为中心，被被测面直直径应当当大于探探头头部部直径11.5倍倍以上;当被测测体为圆圆轴而且且探头中中心线与与轴心线线正交时时，一般般要求被被测轴直直径为探探头头部部直径的的3倍以以上，否否则灵敏敏度就会会下降36。本课课题的研研究对象象直径为为叻888.8882mmm，探头头的直径径为功SSlnlln，其其比值大大于1.5倍，符符合检测测要求。被测物体体表面加加工状况况的影响响不规则则的被测测体表面面会给实实际的测测量造成成附加误误差，特特别是对对于振动动测量，这这个附加加误差信信号与实实际的振振动信号号叠加在在一起，很很难进行行分离，因因此被测测表
11、面应应该光洁洁。通常常，对于于振动测测量表面面粗糙度度Ra要要求在00.4一一 0.8omm之间(AP116700标准推推荐值)，一般般需要对对被测面面进行衍衍磨或抛抛光1336】;本课题题研究对对象的表表面粗糙糙度为 Ra=O.55um，符符合检测测要求。被测物体体材料的的影响传传感器特特性与被被测体的的电导率率和磁导导率有关关，当被被测体为为导磁材材料(如如结构钢钢等)时时，由于于磁效应应和涡流流效应同同时存在在，而且且磁效应应与涡流流效应相相反，要要抵消部部分涡流流效应，使使得传感感器感应应灵敏度度低;而而当被测测体为非非导磁或或弱导磁磁材料(如铜、铝铝、合金金钢等)时，由由于磁效效应弱
12、，相相对来说说涡流效效应要强强，因此此传感器器感应灵灵敏度要要高;被测体表表面残磁磁效应的的影响电电涡流效效应主要要集中在在被测体体表面，由由于加工工过程中中形成的的残磁效效应，以以及淬火火不均匀匀，硬度度不均匀匀，结晶晶结构不不均匀等等都会影影响传感感器特性性，”16770标准准推荐被被测体表表面残磁磁不超过过 0.5pTT。当需需要更高高的测量量精度时时，应该该用实际际被测体体进行校校准;各探头间间的距离离探头头头部线圈圈中的电电流会在在头部周周围会产产生磁场场，因此此在安装装时要注注意两个个探头的的安装距距离不能能太近，否否则两探探头之间间会互相相干扰，在在输出信信号上叠叠加两探探头的差
13、差频信号号，造成成测量结结果的失失真，这这种情况况称之为为相令区区干扰。相邻干扰扰与被测测体的形形状，探探头的头头部直径径以及安安装方式式等有关关。通常常情况下下探头之之间的最最小距离离见表各种型号号探头之之间的最最小距离离探头之间间的距离离探头与安安装面之之间的距距离探头头头部发发射的磁磁场在径径向和轴轴向都有有一定的的扩散。因因此在安安装时，就就必须考考虑安装装面金属属导体材材料的影影响，应应保证探探头头部部与安装装面之间间不小于于一定的的距离，工工程塑料料头部体体要完全全露出安安装面，否否则应将将安装面面加工成成平底孔孔或倒角角。信号预处处理实际工程程应用中中的信号号往往是是复杂多多变的
14、，信信号中通通常存在在又各种种干扰，例例如振动动干扰及及电气、电电磁干扰扰等。数数据预处处理的目目的是为为了提高高数据的的可靠性性和数据据分析的的精度，提提高分析析的灵敏敏度及准准确性。其其核心是是采用各各种滤波波技术提提高信号号的信噪噪比，做做到去伪伪存真、去去芜存蔷蔷。数据预处处理通常常采用以以下方法法和途径径 ：（1） 异常数据据的剔除除在采样过过程中，由由于突然然发生传传感器失失灵、线线路抖动动、噪声声干扰等等偶然影影响，信信号中有有时会混混进一些些杂乱值值，产生生过高或或过低的的突变点点异常点点。如果果这些异异常不预预先剔除除，将会会歪曲分分析结果果。通过过时间波波形、数数据列表表或
15、画出出图形目目视检查查等手段段发现异异常点的的存在并并剔除。本本系统按按统计概概率理论论将大于于3以上的的数据剔剔除。（2） 趋势项的的提取或或去除在信号分分析过程程中，通通常把周周期大于于记录长长度的频频率成分分称为趋趋势项，它它代表数数据缓慢慢变化的的趋势。产产生趋势势项的原原因大致致有两类类：（一） 测量系统统或采样样系统仪仪器仪表表的性能能漂移、环环境温度度等条件件的变化化造成的的，由于于趋势项项在时间间上表现现为线性性的、缓缓慢变化化的趋势势误差，它它的存在在可能会会使低频频的谱分分析出现现较大的的畸变，甚甚至完全全失去真真实性，严严重影响响检测分分析结果果，在信信号分析析前应从从样
16、本一一记录中中将这类类趋势项项消除;（二） 原始信号号中本来来包含的的成分，包包含了机机器的状状态信息息，对分分析信号号非常有有用，应应加以提提取利用用而不能能消除。在信号进进行A/D变换换之前，即即对模拟拟信号去去除提取取趋势项项可以使使用模拟拟电路 (去除除趋势项项用高通通滤波器器;提取取趋势项项用低通通滤波器器)。在在数据离离散化之之后，对对数字信信号去除除或提取取趋势项项则采用用数字处处理方法法。（3）信信噪比的的提高在采得的的信号中中，总是是混有千千扰成分分的，此此即所谓谓的噪声声，噪声声过大，有有用的信信号不突突出，便便难以做做出准确确的分析析。在技技术上用用信噪比比来衡量量信号和
17、和噪声的的比例关关系，用用符号SS/N表表示。在在做信号号分析前前，设法法减小噪噪声干扰扰的影响响，提高高别是是信号预预处理的的一项主主要内容容。提高信噪噪比的途途径主要要是时域域平均和和滤波两两种方法法。本文文采用滤滤波法设设法使噪噪声与有有用信号号分离，并并予以抑抑制和消消除。在信号凋凋理环节节，可选选用模拟拟滤波电电路对采采集到的的信号进进行初步步处理。模模拟滤波波是由电电路实现现的滤波波方法。在在采样前前先用模模拟滤波波器进行行滤波，可可以改善善信号质质量，减减少后续续数据处处理的工工作量和和困难。数字滤波波法精度度高、可可靠性好好、灵活活、易于于改变滤滤波特性性，得到到广泛的的应用。
18、数数字滤波波法实质质上是对对采集到到的离散散数据进进行运算算，增强强或提升升所需要要的信号号，压低低或滤掉掉干扰成成分。本本文在分分析软件件的编制制中采用用数字滤滤波方法法对信号号进行进进一步处处理。测试系统统的抗干干扰设计计测量中会会遇到各各种各样样的干扰扰，它们们使仪器器不能正正常工作作。这些些干扰有有外部的的，如:环境中中存在的的电磁波波干扰等等。测量量仪器内内部，由由于元件件的热噪噪声、晶晶体管的的低频噪噪声、在在外部触触发下产产生自激激等也将将产生干干扰。被被测信号号通常是是直流信信号或变变化缓慢慢的交流流信号，而而干扰噪噪声是较较快的杂杂乱交变变信号，被被测信号号和干扰扰噪声之之和
19、为计计算机的的输入信信号。从信号预预处理的的角度可可以在信信号的输输入阶段段消除部部分干扰扰，剔除除部分异异常信号号。而在在电气角角度采用用抑制、切切断祸合合通道方方法消除除或减小小外界因因素对测测量电路路的影响响。本文文选用接接地和屏屏蔽方法法减小周周围环境境干扰的的影响，提提高信号号质量。（1） 干扰产生生的机理理干扰可分分为串模模干扰和和共模干干扰两种种。串模干扰扰是使计计算机的的一个输输入端相相对于另另一个输输入端在在电位上上发生变变化的一一种干扰扰，是叠叠加在被被测信号号上的干干扰噪声声。干扰电压压同时作作用于计计算机两两个输入入端上，叫叫做共模模干扰。在在测试系系统中，传传感器、被
20、被控对象象和计算算机之间间有一定定的距离离，被测测信号的的参考接接地点和和计算机机输入信信号的参参考接地地点之间间往往存存在一定定的电位位差，这这个电位位差是计计算机两两个输入入端共有有的干扰扰电压，故故叫做共共模干扰扰。共模模干扰比比串模干干扰更为为严重。（2）抗抗干扰措措施干扰的祸祸合方式式主要有有四种方方式:(l)静静电藕合合经杂散散电容祸祸合到电电路中去去;(2)电电磁藕合合经互感感藕合到到电路中中去;(3)共共阻抗祸祸合电流流经两个个以上电电路之间间的公共共阻抗藕藕合到电电路中去去;(4)漏漏电流藕藕合由于于绝缘不不良由流流经绝缘缘电阻的的电流祸祸合到电电路中去去。抑制或切切断藕合合
21、通道是是抑制干干扰的主主要措施施，两个个主要方方法是接接地和屏屏蔽被测信号号的双端端输入存在共模模干扰的的场合，采采用单端端对地输输入方式式将使共共模干扰扰电压全全部成为为串模干干扰电压压叠加到到被测信信号上。而而对于双双端不对对地输入入方式存存在共模模干扰电电压阮mm的情况况，仅考考虑直流流共模干干扰电压压。因此此本系统统的被测测信号的的输入采采取双端端不对地地输入。被测信号号的输入入方式采用屏蔽蔽技术信号传输输采用带带屏蔽层层的同轴轴电缆，其其它易产产生电磁磁干扰的的组件、器器件如交交流电源源线、直直流电源源放大器器等加屏屏蔽罩。采用接地地技术接地线会会产生共共模干扰扰电压，采采用正确确的接地地方法可可以抑制制共模干干扰电压压。本系系统包括括下述几几种接地地线:信信号源地地线、信信号地线线、交流流供电电电源地线线;机架架、机壳壳、屏蔽蔽层、屏屏蔽线、计计算机壳壳保护接接地线。使使用时将将以上地地线各自自分别引引出，连连接在一一起形成成一个系系统接地地点，再再将系统统接地点点通过单单线接地地接在埋埋在地下下的铜板板或接地地棒上，形形成单点点接地。