一種減速器振動監測系統的設計

王美思

（南京農業大學，江蘇 南京210031）

0 引言

減速器在機械傳動中發揮著至關重要的作用。在實際使用過程中，減速器的振動直接影響著傳動軸、發動機或電機等動力設備的安全運行，甚至可能產生嚴重后果［1］，因而對減速器的振動量進行監測與故障分析對預防傳動系統故障、降低故障損失有重要意義。振動信號作為檢測分析對象，對其進行敏感而精確的檢測是后續處理的重要前提。

本文采用加速度傳感器和高性能處理器構建了一套減速器振動監測系統，通過對傳感器輸出的加速度信號進行濾波處理，獲得準確的加速度輸出信號，計算完成后經串口打印輸出。

1 方案設計

監測系統由加速度傳感器、處理器、電源模塊、LCD顯示模塊和串行接口電路組成，系統采用數字式加速度傳感器，安裝在減速器主軸上，系統由電源模塊給處理器和加速度傳感器供電，上電初始化完成后，處理器即以固定的掃描頻率f周期檢測加速度傳感器的輸出，并通過濾波處理提高檢測精度，實時計算減速器的X、Y、Z三相加速度和瞬時速度，通過串行接口電路予以輸出，并在液晶模塊上實時顯示。

2 硬件

監測系統以ST公司Cortex M3內核的32位STM32F103系列低功耗處理器為核心，配以3.2英寸液晶LCD模塊和一路串行接口電路。STM32F103ZET6擁有512kB Flash、64kB RAM、多路RS232串口和ADC轉換功能等豐富的外設及接口資源，外部采用8MHz晶振，可提供高達72MHz頻率的時鐘，滿足系統實時性需求［2］。串行接口電路基于MAX3232串行芯片進行設計，可支持雙工串行通信，具有良好的經濟實用性。

液晶模塊采用基于ILI9320芯片的3.2英寸LCD模塊，與處理器之間采用SPI接口連接，通過01h和03h寄存器來控制GRAM的刷新方向，設置AM＝1，ID＝01，輸入地址更新方向為垂直方向。

加速度傳感器采用ADLX345芯片的加速度傳感器模塊，ADXL345是ADI公司推出的采用MEMS技術具有SPI和IIC數字輸出功能的三軸加速度傳感器芯片［3］，具有小巧輕薄、低功耗、量程可變和高分辨率等特點，可選量程為±2g、±4g、±8g、±16g（g為重力加速度），可采用固定的4mg／LSB分辨率模式，可測量靜態重力加速度，也可測量運動或振動總的動態加速度，在手機等移動設備上應用廣泛。

本系統中處理器采用IIC接口與ADXL345通信連接，進行數據讀取。使用時，CS引腳連接至 VDDI／O，ALT ADDRESS引腳接任一VDDI／O或接地，SCL時鐘設置輸入設為400kHz，此時最大輸出數據速率為800Hz，ADXL345還支持多種中斷處理方式，可通過數據更新中斷讀取加速度值，也可定周期讀寄存器查詢加速度輸出值，本文采用定周期讀取方式實時讀取加速度傳感器值，周期設為2s。

3 軟件

3.1 模塊及功能

MCU設定定時中斷采樣，采樣頻率為100Hz，即每秒進行100次采樣，采樣數據均存在數據緩沖區Buffer內，采樣完成后調用濾波算法對采樣數據進行濾波處理以減小偶然誤差，緊接著再利用處理后的均值計算速度值并在LCD上予以顯示。STM32程序采用MDK 4.0開發環境以C語言進行開發，主要包括以下功能模塊：

（1）Initial＿device（）：硬件資源（如時鐘、定時器、I／O 口等）、串行接口和ADXL345加速度傳感器等的初始化。

（2）Multiple＿Read＿ADXL345（）：連續讀取 ADXL345的數據并進行數據校驗，確保數據的正確性。

（3）Value＿Convert（）：加速度值轉換函數，將讀取的三軸加速度值進行高斯濾波處理，然后對每組加速度值求均值，分別記為aX、aY、aZ，并計算 X、Y、Z 方向的速度值vX、vY、vZ。速度按式（1）計算：

由于每秒的加速度均值分別為aX、aY、aZ，所以式（1）中的Δt＝1s，每秒的瞬時速度vX＝aX、vY＝aY、vZ＝aZ。

（4）LCD＿Display（）：LCD顯示函數，每次LCD顯示均調用該函數3次，分別顯示X、Y、Z三軸的加速度值和速度值。

（5）USART＿Send（）：串口打印輸出函數，調用該函數將計算得到的速度和加速度數據通過串口予以輸出。

3.2 高斯濾波

將連續采集的100個加速度數據a1，a2，…，a100按式（2）和（3）求得樣本均值μ和樣本方差σ2：

本研究中將概率密度f（x）≥0.8的數據認為是大概率事件，即有效數據，將此類數據保留，其他數據認為是擾動數據，予以刪除。求取有效數據的樣本均值，即可得到高斯濾波后的優化值［4］。

系統上電后即對時鐘及外部電路包括加速度傳感器進行初始化，初始化完成后，開啟10ms定時器中斷，即每10ms采樣一次，每秒采樣100次；完成100次采樣后進行一次高斯濾波處理，并根據濾波后的數據計算速度和加速度值，然后調用液晶顯示程序，在液晶模塊上予以顯示，并通過串口打印輸出。

4 試驗結論

對設計的硬件和軟件系統進行融合，并對集成的監測系統進行性能測試。選擇一臺MX18微型行星齒輪減速器（電機）來測試，減速器規格：外徑180mm，速比1∶5～1∶180 75，噪音55dB，效率70%，轉矩20mN·m～2N·m［5］。試驗中采用筆記本電腦的Access Port調試助手對系統的振動信息進行監測，記錄10s內減速器加速度輸出值，并在第5秒后加大減速器的輸入功率，對試驗記錄數據進行曲線擬合，得到加速度與時間的時域關系如圖1所示。

圖" 加速度時域關系圖

由于每兩次采樣時間間隔為1s，因而圖1未完全反映減速器運行過程中的完整振動響應關系。但從圖中趨勢可以看出，第5秒后加速度輸出幅值有明顯變化，達到試驗預期效果。

5 結語

本系統采用嵌入式處理器和數字式加速度傳感器設計實現了減速器振動監測系統，系統對減速器主軸的三軸加速度和瞬時速度以固定周期進行掃描，并通過LCD液晶予以顯示，同時通過串行接口電路予以輸出。試驗表明，該系統對減速器的振動監測效果良好，是一種經濟方便的監測方案。

［1］殷芬.3R02型減速器箱體振動特性的數值模擬分析［J］.價值工程，2012，31（11）：22－23.

［2］薛延華，王志廣，邵濱，等.齒輪箱箱體結構對其振動模態的影響研究［J］.機械傳動，2008，32（6）：107－109.

［3］沈克偉.大型汽輪機組遠程振動監測系統研究［D］.華北電力大學，2013.

［4］盧文龍，王建軍，劉曉軍.基于CUDA的高速并行高斯濾波算法［J］.華中科技大學學報：自然科學版，2011，39（5）：10－13.

［5］劉明紅.邊緣傳動磨機減速器振動監測及振動限值［J］.四川水泥，2014（3）：146－150.