一种嵌入式变转速轴承故障诊断装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种嵌入式变转速轴承故障诊断装置，包括信号输入模块、转速调理模块、核心运算模块、核心控制模块以及电源模块。本发明使用了FPGA+DSP+ARM结构：转速调理模块采用FPGA，对于变转速条件下采得的振动信号转换为等角度采样的结果，从而适应了变转速条件下轴承故障诊断的要求；核心运算模块采用运算速度高和片上外设多的DSP，可以很好地完成对采样结果的数据分析；核心控制模块以ARM为核心，附加外围的LCD触摸屏等硬件设备，完成对数据分析结果的诊断、存储、人机交互等功能；核心运算模块上采用基于经验模态分解阶比谱分析算法，这是该算法第一次在嵌入式硬件上实现，提高了轴承故障诊断的准确性和快速性。
【专利说明】一种嵌入式变转速轴承故障诊断装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种轴承故障诊断装置，尤其是基于数字信号处理技术和嵌入式技术的变转速轴承故障诊断装置。
【背景技术】
[0002]众所周知，由轴承故障导致的旋转机械不能正常工作的现象屡见不鲜(比如由通用电器和IEEE工业应用学会联合主持的电机可靠性学习中发现由轴承引起的问题占了整个机器故障的40%以上)。因而与此相对应的各种轴承故障诊断系统的开发与研究得到工业界和学术界的普遍关注。传统上的轴承故障诊断系统基于经典傅里叶分析，通过对测得的信号进行傅里叶变换后获得振幅、相位等特征频谱来对故障进行检测与诊断。由于轴承故障在形成与发展过程中产生的振动信号具有瞬态性和非平稳性，所以傅里叶变换对于这类信号的分析是傅里叶变换对信号在整个时间段内的一种平均化的频率特征表示(即它是从全局角度看信号的频谱构成，并需要假定信号在整个时间轴上是平稳的)，它不能反映出信号在局部时间区域内的频谱特征。而各种非平稳信号处理方法如时频分析、小波变换和希尔伯特-黄变换等可用于轴承振动信号的分析，因此研究与开发基于非平稳信号处理的轴承故障诊断系统对于帮助提高诊断准确率具有重要意义。然而，现有的轴承故障诊断系统一般要求设备转速恒定或接近恒定，并不适用于变转速条件下轴承的故障诊断。对于这个问题，当前没有公开的解决办法。
【发明内容】
[0003]技术问题:本发明提供了一种嵌入式变转速轴承故障诊断装置。
[0004]技术方案:本发明的嵌入式变转速轴承故障诊断装置，包括按信号传输方向依次连接的信号输入模块、转速调理模块、核心运算模块、核心控制模块，以及分别与信号输入模块、转速调理模块、核心运算模块和核心控制模块连接的电源模块；
[0005]信号输入模块包括按信号传输方向依次连接的振动传感器、信号放大器、低通滤波器和A/D转换模块，以及转速传感器，A/D转换模块的输出端和转速传感器的输出端分别与转速调理模块输入端相连，A/D转换模块将采集到的振动信号x(t)传输至转速调理模块，转速传感器将转速信号传输至转速调理模块，其中t表示采样时间点，t=l，2，…，N，N为信号长度；
[0006]转速调理模块为现场可编辑逻辑门阵列，对输入的振动信号x(t)进行等角度采样，得到等角度采样序列{X (I)，X (2)，…，X (t)，…，X (N)}并传输至核心运算模块；
[0007]核心运算模块为数字信号处理模块，运用经验模态分解阶比谱方法对输入的等角度采样序列{X (I)，X (2)，…，X (t)，…，X (N)}进行分析，得到阶比谱数据并输入核心控制模块；
[0008]核心控制模块包括嵌入式微处理器模块、分别与嵌入式微处理器模块的输出端连接的触摸显示模块和存储器模块，嵌入式微处理器模块的输入端与核心运算模块的输出端连接，嵌入式微处理器模块根据输入的阶比谱数据作出阶比谱图形，并利用阶比谱图形进行轴承故障诊断。
[0009]本发明优选方案中，核心运算模块运用经验模态分解阶比谱方法对输入的等角度采样序列{X(1)，X⑵，…，X(t)，…，X(N)}进行分析的具体步骤为:
[0010]I)找出等角度采样序列{X⑴，X⑵，…，X(t)，…，X(N)}所有的极大值点和极小值点，采用三次样条插值函数拟合所有极大值点，得到上包络线，采用三次样条插值函数拟合所有极小值点，得到下包络线，然后求出上包络线和下包络线的均值M1 (t)，得到均值序列(M1(IhM1Q),…，M1 (t)，…，M1 (N)}，将每个等角度采样数据X (t)对应减去均值M1 (t)，得到新的采样数据IM1W，组成一个新的采样数据序列UM1(I), MJ2)，…，M1U),…，IM1 (N)}，并初始化计数器参数j=l ；
[0011]2)找出新的采样数据序列UM1(I), IM1⑵，…，IM1⑴，…，IM1(N)I所有的极大值点和极小值点，采用三次样条插值函数拟合所有极大值点，得到新的上包络线，采用三次样条插值函数拟合所有极小值点，得到新的下包络线，然后求出新的上包络线和新的下包络线的均值M2⑴，得到新的均值序列{M2⑴，M2⑵，…，M2⑴，…，M2 (N)}；
[0012]3)判断是否满足?Μ#) = 0，如是，则将新的采样数据序列UM1(I),
IM1 (2)，…，IM1 ⑴，...,IM1 (N)}作为第 j 个本征模态函数 IMFj= {IMFj (I)，IMFj (2)，...，IMFj (t)，...，IMFj (N)}并进入步骤 4)，其中有 IMFj (t) =IM1 (t);否则根据 IM1 (t) =IM1 (t)—M2⑴更新IM1 (t)，得到新的采样数据序列UM1(I)，頂“2)，…，頂“t)，…，M1(N)I后返回步骤2)；
[0013]4)判断是否满足
【权利要求】
1.一种嵌入式变转速轴承故障诊断装置，其特征在于，该装置包括按信号传输方向依次连接的信号输入模块(I)、转速调理模块(2)、核心运算模块(3)、核心控制模块(4)，以及分别与所述信号输入模块(I)、转速调理模块(2)、核心运算模块(3)和核心控制模块(4)连接的电源模块(5)； 所述信号输入模块(I)包括按信号传输方向依次连接的振动传感器(12)、信号放大器(13)、低通滤波器(14)和A/D转换模块(15)，以及转速传感器(11)，所述A/D转换模块(15)的输出端和转速传感器(11)的输出端分别与转速调理模块(2)输入端相连，A/D转换模块(15)将采集到的振动信号x(t)传输至转速调理模块(2)，转速传感器(11)将转速信号传输至转速调理模块(2)，其中t表示采样时间点，t=l,2,…，N，N为信号长度；所述转速调理模块(2)为现场可编辑逻辑门阵列，对输入的振动信号x(t)进行等角度采样，得到等角度采样序列{Χ(1)，Χ(2)，...，Χα)，...，Χ(Ν)}并传输至核心运算模块(3)； 所述核心运算模块(3)为数字信号处理模块，运用经验模态分解阶比谱方法对输入的等角度采样序列{X (I)，X (2)，…，X (t)，…，X (N)}进行分析，得到阶比谱数据并输入核心控制丰旲块(4)； 所述核心控制模块(4)包括嵌入式微处理器模块(41)、分别与所述嵌入式微处理器模块(41)的输出端连接的触摸显示模块(42)和存储器模块(43)，所述嵌入式微处理器模块(41)的输入端与核心 运算模块(3)的输出端连接，嵌入式微处理器模块(41)根据输入的阶比谱数据作出阶比谱图形，并利用阶比谱图形进行轴承故障诊断。
2.根据权利要求1所述的嵌入式变转速轴承故障诊断装置，其特征在于，所述核心运算模块(3)运用经验模态分解阶比谱方法对输入的等角度采样序列{Χ(1)，Χ(2)^..，X(t)，…，X(N)}进行分析的具体步骤为: O找出等角度采样序列{X(1)，X(2)，…，X(t)，一，X(N)}所有的极大值点和极小值点，采用三次样条插值函数拟合所有极大值点，得到上包络线，采用三次样条插值函数拟合所有极小值点，得到下包络线，然后求出上包络线和下包络线的均值M1 (t)，得到均值序列(M1 (I)，M1 (2)，…，M1 (t)，…，M1 (N)}，将每个等角度采样数据X (t)对应减去均值M1 (t)，得到新的采样数据IM1 (t)，组成一个新的采样数据序列UM1 (I)，IM1 (2)，…，IM1 (t)，…，IM1 (N)}，并初始化计数器参数j=l ; 2)找出新的采样数据序列UM1(I)，IM1 (2)，...，IM1 (t)，...，IM1 (N)}所有的极大值点和极小值点，采用三次样条插值函数拟合所有极大值点，得到新的上包络线，采用三次样条插值函数拟合所有极小值点，得到新的下包络线，然后求出新的上包络线和新的下包络线的均值M2 (t)，得到新的均值序列{M2 (I)，M2 (2)，…，M2 (t)，…，M2 (N)}； 3)判断是否满足?Μ:⑴=0，如是，则将新的采样数据序列UM1(I),M1 (2)，...t^l，IM1 ⑴，...,IM1 (N)}作为第 j 个本征模态函数 IMFj= {IMFj (I)，IMFj (2)，...，IMFj ⑴，...,IMFj(N)I并进入步骤4)，其中有MFj (O=M1 (t);否则根据IM1 (t) =IM1 (t) — M2⑴更新IM1 (t)，得到新的采样数据序列(IM1(I), 11^2),..., IM1U),..., IM1 (N)}后返回步骤2)； 4)判断是否满足j=k，k为设定的本征模态函数运算次数，k>2，如是，则进入步骤5);否贝幡据
3.根据权利要求1所述的嵌入式变转速轴承故障诊断装置，其特征在于，所述嵌入式微处理器模块(41)利用阶比谱图形进行轴承故障诊断的方法为:根据阶比谱数据Z(f)，以阶比f为横坐标，阶比谱数据Z(f)为纵坐标，作出二维图形，在所述二维图形当中找出阶比谱数据Z(f)的每个高峰点所对应的阶比f，然后将其分别与轴承的转动阶比、理论轴承转动体故障阶比、理论轴承外圈故障阶比、理论轴承内圈故障阶比进行比较，按照以下判断条件得到故障诊断结果: 如果所述的三个理论轴承故障阶比均不与任一阶比谱数据Z(f)高峰点所对应的阶比f相等，则判定轴承不存在故障； 如果存在一个阶比谱数据Z (f)高峰点所对应的阶比f等于理论轴承转动体故障阶比，则判定轴承存在转动体故障； 如果存在一个阶比谱数据Z (f)高峰点所对应的阶比f等于理论轴承外圈故障阶比，则判定轴承存在外圈故障； 如果存在一个阶比谱数据Z(f)高峰点所对应的阶比f等于理论轴承内圈故障阶比，则判定轴承存在内圈故障。
【文档编号】G01M13/04GK103868694SQ201410115079
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月26日 优先权日:2014年3月26日
【发明者】严如强, 钱宇宁, 徐伟 申请人:东南大学