基于信號提純的機械故障檢測系統設計

鄭勇 楊小蘭

關鍵詞： 信號提純; 機械故障; 檢測系統; 主控單元; PC104總線; 數據采集

中圖分類號： TN911.23?34; TP06 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）04?0049?04

Design of mechanical fault detection system based on signal purification

ZHENG Yong， YANG Xiaolan

（School of Mechanics， Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China）

Abstract： The channel signals are not separated and purified when the traditional mechanical fault detection system is used to conduct machinery detection， resulting in big errors in detection results. Therefore， a mechanical fault detection system based on signal purification is designed. The system mainly includes the master control unit， signal purification module and man?machine interface. The PC104 control bus， information acquisition card and signal conversion conditioner of the master control unit are used to obtain the initial operation signals which conform to the electrical standard. The real?time control， signal management， computing control， storage control and other functions of the signal purification module are used to separate and purify the initial operation signals. During the data acquisition process of the system software design， the basic data of the fault detection process is obtained by means of the data acquisition card initialization， A/D alteration and simulation input channel establishment. On this basis， the mechanical fault detection is realized by using the dynamic detection method of the fault detection process. The experimental results show that the errors of fault signals obtained by the designed system are between 0.08 and 0.34， and the detection accuracy rates of different faults are all above 97%， which indicates that the system has a high stability and practicability.

Keywords： signal purification; mechanical fault; detection system; master control unit; PC104 bus; data acquisition

0 ?引 ?言

一般情況下，機械運行過程中所形成的信號發生驟變表示機械設備出現故障[1]，例如：軸承、齒輪出現損毀情況會形成沖擊信號。因此，對機械故障實施檢測時，檢測機械部件運行過程中是否形成驟變信號，如果出現驟變信號則說明機械出現故障。而對機械故障進行準確判斷的前提是要對這類能夠體現機械故障的沖擊信號實施全面、準確的檢測[2]。

傳統機械故障檢測方法存在很多弊端。文獻[3]通過引入四元數來耦合4個通道信號，并且利用四元數乘方的性質對數據進行增廣處理實現機械故障的檢測;但是其對信號分析提取特征參數的分類效果受噪聲影響較大，導致檢測結果誤差較大。文獻[4]利用Hilbert變換得到原始振動信號的解析信號，經過迭代運算自適應地檢測出原信號各分量的時頻信息;該方法運算量較大，檢測時間較長。文獻[5]提出一種增量式LLE算法用于柴油機機械故障特征壓縮與診斷;該方法需綜合考慮故障類內和類間的離散度，因此檢測時能耗大，效率差。為了解決上述問題，提出基于信號提純的機械故障檢測系統，結合數據采集思想，利用信號提純技術，在實現機械故障檢測的同時，降低故障檢測的誤差，提高故障檢測的效率。

1 ?基于信號提純的機械故障檢測系統

本文設計的機械故障檢測系統共分為主控單元、信號提純模塊和人機界面三個部分。其中，主控單元由CPU主板、信息采集卡和信號轉換調理器組成。CPU主板的主要功能是對信息采集卡的運行進行管理[6]。通過信息采集卡實現被測信號的采集，信號轉換調理器對信號進行轉換。信號提純模塊的主要功能為對信息采集模塊獲取的信號進行分離、提純、分析等處理，并通過人機界面將得到的故障情況和解決方案進行顯示。

1.1 ?主控單元設計

機械故障檢測系統的主要功能是對機械故障進行檢測[7]，這就要求其必須具備良好的穩定性;所以，主控單元需處于可封閉式機箱內，其器件的擇取同樣很關鍵。

PC104總線是一種較為常見的工業控制總線，其CPU主板和信息采集卡的安裝方法為疊加方式。這樣的安裝方式能夠縮小系統體積，適用于任何故障檢測系統，包括設計密度高、體積小的便攜式系統。本文的機械故障檢測系統采用PC104總線構建硬件結構：

1） 機械故障檢測系統的主控計算機采用PC104SCM/LX?3160主板和AMDGeode LX 800CPU，工作頻率為500 MHz，兼容PC/AT標準。

2） SEM/ADT?620模擬量采集卡獲取單端輸入模量的極限為16路，主要功能是實現A/D采集的變更。

3） CDT2000數字量采集卡具備48通道，基于TTL/CMOS71055的可編程數字量I/O，可以實現開關量的獲取。

模擬量采集卡和數字量采集卡同主板一起構建了一個具有較高性能的信息采集、控制、檢測系統。經信號電纜導出的初始運行信號不符合采集卡的規范。因此，通過信號轉換調理器對初始運行信號進行轉換，使其達到符合規范的電氣標準，再進入采集卡。

1.2 ?信號提純模塊設計

系統利用信號提純模塊對主控單元獲取的符合電氣標準的信號進行分離和提純。信號提純模塊采用理論結合算法的控制方式，實現對機械的實時管控、信號管理、運算控制、存儲控制等功能，提高系統信號的分離和提純性能。

信號分離平臺和信號提純平臺通過信號提純模塊分別獲取了信號管理、運算控制的功能和存儲控制、進程休眠控制的功能。對整體模塊實施管理和控制的是信號提純模塊的實時管控功能[8]，此功能主要是針對機械故障檢測系統網絡節點實施全面、實時的監控，同時改進信號分離平臺和信號提純平臺中發生偏差的進程;信號管理功能和運算控制功能的主要功能分別是構建信號分離平臺拓撲結構并對其進行后期調整，以及控制信號分離平臺的計算過程以降低計算誤差;存儲控制功能和進程休眠控制功能的主要功能分別是對信號提純平臺傳感器電路內緩沖器與存儲器進行過量控制，以及對信號提純平臺內BP神經網絡的提前運行實施中斷處理。

1.3 ?軟件設計

1.3.1 ?數據采集流程設計

機械故障檢測系統的軟件采用Visual C++開發工具進行設計。該開發工具擁有集成開發環境，可以進行C語言編輯，能夠實現清晰、友好的人機界面。利用程序語言進行系統軟件設計，結合類和對象，分別對硬件驅動模塊與故障檢測定位模塊進行封裝產生硬件操作類及故障檢測類。

系統數據采集流程如圖1所示。

系統給電之后進行自檢，對數據采集卡驅動文件進行加載，加載內容包括端口地址資源和動態鏈接庫資源等[9]。對硬件控制進行封裝時，按照盛博科技提供的參照程序將其封裝到最底層，并對硬件控制類進行設計。完成上述數據采集卡的初始化后，進行A/D變更并對仿真輸入通道實施確立，保存A/D值于仿真輸入通道內，獲取故障檢測流程的初始信息。

1.3.2 ?故障檢測流程設計

數據采集流程成功獲取初始信息后，系統利用故障檢測流程實現機械故障的檢測，機械故障檢測系統軟件設計的重點就是故障判斷定位功能，對故障判斷定位功能進行科學合理的設計，可提高機械故障檢測系統的整體性能。因為故障判斷定位功能是依照信號的驟變進行機械故障位置的確認，所以機械故障檢測與機械運行需要同時進行，因此機械故障檢測流程的設計運用了動態檢測方法。Visual C++開發程序的主要特點為消息映射，消息隊列內故障檢測等以消息的形式存在[10]，系統通過定時查詢消息的方法結合采集卡上的硬件時鐘和信號響應時間獲取處理信息，并在極短的時間內實現多路信息的準確獲取、變更以及讀取。

2 ?實驗分析

為驗證本文設計基于信號提純的機械故障檢測系統在進行信號分離提純時誤差較小，以某型號車輛機械為實驗對象，分別采用本文系統、基于改進的希爾伯特振動分解的機械故障檢測系統和基于四元數理論與流形學習的多通道機械故障檢測系統對實驗對象的故障信號進行采集，將不同系統獲取的故障信號誤差曲線進行對比，曲線變化越平穩，誤差值越小穩定，系統的準確度越高，結果如圖2所示。

對圖2進行分析可知，基于改進的希爾伯特振動分解的機械故障檢測系統獲取的故障信號誤差曲線波動較大，誤差范圍在0.23～0.59之間。基于四元數理論與流形學習的多通道機械故障檢測系統獲取的故障信號誤差曲線波動同樣較大，誤差范圍在-0.28～0.57之間。相較于其他兩個系統，本文系統獲取的故障信號誤差曲線波動較平穩，誤差范圍僅在0.08～0.34之間。實驗結果表明，使用本文系統進行機械故障檢測時獲取的信號誤差較小，準確率較高。

為測試本文系統的穩定性，以軸承為實驗對象，將基于改進的希爾伯特振動分解的機械故障檢測系統（傳統系統）與本文系統一同進行軸承故障的檢測，實驗次數為100次。分別記錄不同機械故障檢測系統獲取的檢測結果如表1所示。

對表1進行分析可知：使用本文系統進行實驗對象的故障檢測時，正常狀態故障檢測的準確率為100%，內圈磨損和外圈磨損故障檢測的準確率分別為98%和97%;使用傳統系統進行實驗對象的故障檢測時，正常狀態、內圈磨損和外圈磨損故障檢測的準確率在85%左右。實驗結果表明，本文系統進行機械故障檢測具有較好的穩定性。

3 ?結 ?論

本文設計基于信號提純的機械故障檢測系統，系統主控單元為縮小系統體積，采用疊加安裝的PC104控制總線，設計信息提純模塊采用理論結合算法的控制方式，實現對機械的實時管控、信號管理、運算控制、存儲控制等功能，提高了信號的分離和提純性能。軟件方面設計數據采集流程和故障檢測流程實現基于信號提純的機械故障檢測。經實驗證明，使用本文系統獲取的故障信號誤差為0.08～0.34之間，并且使用該系統對機械不同故障檢測的準確率均在97%以上，說明使用所提系統進行故障檢測時穩定性較高。

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