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DSP滚动轴承实时故障诊断系统设计方案解析
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2017-11-03
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1．引言
滚动轴承是各种旋转机械中应用最广泛的一种通用机械部件，它的运行状态是否正常往往直接影响到整台机器的性能。据统计，在使用滚动轴承的旋转机械中，由于滚动轴承损坏而引起的故障约占30％［1］。由此可见，滚动轴承的故障诊断在工程中还是有其重要意义的。
一方面国内企业的重要大型设备往往采用在线系统对设备的工况进行监测，但是在线系统价格高昂、通用性差、安装和维护不便，不适用于大量的中小型设备。另一方面小型的振动检测仪只是起到对数据采集和存储的作用，而且数据的分析需要有丰富经验的人去从事，难以实现实时诊断的要求。本文设计的以TI公司生产的TMS320C6713为数字信号处理器的滚动轴承实时故障诊断系统，就可以满足中小型设备实时智能故障诊断的需要［2］。
2．滚动轴承实时故障诊断系统原理
滚动轴承实时故障诊断系统主要包括硬件部分和软件部分两个方面：
（1） 硬件部分：主要用模拟电路实现共振解调技术［3-4］和数字信号处理电路设计。故障产生的冲击信号使得硬件谐振器发生共振，通过谐振器的共振响应将微弱的冲击信号调制到高频的共振信号中去，再用解调的办法对高频信号处理，进而获得一种剔除了低频振动干扰的共振解调波，由此达到精确诊断的目的。最后信号通过A/D转换后，再送入DSP进行FFT变换。
（2） 软件部分：主要是基于DSP对共振解调后的振动信号进行故障特征的识别与诊断。DSP对AD传送来的数字信号进行时频转换，得到振动信号的频谱图，系统能自动分析频谱，得出故障位置、故障类型、严重程度等结论并通过LCD显示出来。
3．系统的硬件结构
本系统采用的是硬件共振解调技术来实现轴承的故障诊断，它比软件共振解调技术的优点是可以有效的提取机械早期故障的微冲击信号，在故障早期实现预知维修［5］，此外用硬件实现比用软件实现运算速度快，更好的体现了实时诊断的要求。
系统硬件设计的主要原理：
（1） 振动信号处理电路，它主要包括振动信号预处理电路及共振解调处理电路部分，如图2所示：
① 前端振动传感器检测到轴承的振动信号（其中包含谐振器的共振信号）。
滚动轴承是各种旋转机械中应用最广泛的一种通用机械部件，它的运行状态是否正常往往直接影响到整台机器的性能。据统计，在使用滚动轴承的旋转机械中，由于滚动轴承损坏而引起的故障约占30％［1］。由此可见，滚动轴承的故障诊断在工程中还是有其重要意义的。
一方面国内企业的重要大型设备往往采用在线系统对设备的工况进行监测，但是在线系统价格高昂、通用性差、安装和维护不便，不适用于大量的中小型设备。另一方面小型的振动检测仪只是起到对数据采集和存储的作用，而且数据的分析需要有丰富经验的人去从事，难以实现实时诊断的要求。本文设计的以TI公司生产的TMS320C6713为数字信号处理器的滚动轴承实时故障诊断系统，就可以满足中小型设备实时智能故障诊断的需要［2］。
2．滚动轴承实时故障诊断系统原理
滚动轴承实时故障诊断系统主要包括硬件部分和软件部分两个方面：
（1） 硬件部分：主要用模拟电路实现共振解调技术［3-4］和数字信号处理电路设计。故障产生的冲击信号使得硬件谐振器发生共振，通过谐振器的共振响应将微弱的冲击信号调制到高频的共振信号中去，再用解调的办法对高频信号处理，进而获得一种剔除了低频振动干扰的共振解调波，由此达到精确诊断的目的。最后信号通过A/D转换后，再送入DSP进行FFT变换。
（2） 软件部分：主要是基于DSP对共振解调后的振动信号进行故障特征的识别与诊断。DSP对AD传送来的数字信号进行时频转换，得到振动信号的频谱图，系统能自动分析频谱，得出故障位置、故障类型、严重程度等结论并通过LCD显示出来。
3．系统的硬件结构
本系统采用的是硬件共振解调技术来实现轴承的故障诊断，它比软件共振解调技术的优点是可以有效的提取机械早期故障的微冲击信号，在故障早期实现预知维修［5］，此外用硬件实现比用软件实现运算速度快，更好的体现了实时诊断的要求。
系统硬件设计的主要原理：
（1） 振动信号处理电路，它主要包括振动信号预处理电路及共振解调处理电路部分，如图2所示：
① 前端振动传感器检测到轴承的振动信号（其中包含谐振器的共振信号）。
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