基于arm的精密機(jī)床故障診斷系統(tǒng)【畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p><b>　?。?0_ _屆）</b></p><p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　基于ARM的精密機(jī)床故障診斷系統(tǒng)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 測控技術(shù)與

2、儀器 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></

3、p><p>　　精密機(jī)床作為精密零件加工設(shè)備，體現(xiàn)了一個(gè)國家制造業(yè)的發(fā)展水平。其加工產(chǎn)品的優(yōu)劣又直接影響到其他機(jī)械的加工精度，最終會影響到整個(gè)加工制造業(yè)。本文建立了基于ARM的精密機(jī)床故障信號的采集系統(tǒng)，對運(yùn)行中的機(jī)床進(jìn)行故障信號的采集。然后對采集的故障信號進(jìn)行分析，通過與正常數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)的對比的得出了機(jī)床存在不對中故障的判斷，通過現(xiàn)場觀察，是由于三爪卡盤脫落引起的。</p><p>　　本

4、文先分析了基于ARM系統(tǒng)相對于PC系統(tǒng)的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了基于ARM的精密機(jī)床故障診斷系統(tǒng)的硬件平臺，通過振動理論的分析，建立了失衡故障的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了失衡故障的頻率特征，并例舉了常見故障的頻率特征，采用傅里葉變換和小波變換對故障信號進(jìn)行分析，通過故障信號與正常數(shù)信號的對比，論證了兩種方法的有效性，通過現(xiàn)場檢驗(yàn)，找到了故障的原因，并排除了故障。</p><p>　　關(guān)鍵詞 故障診斷；ARM；精密機(jī)床；FFT；小波變

5、換 </p><p>　　ARM-based fault diagnosis system for precision machine tools</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Precision machine tools is machining equipment for precision p

6、arts, reflecting the level of a country's manufacturing industry. The quality of its product is very important. It influents the other machinery’s precision directly. Finally, it will influence the precision of the w

7、hole manufacturing industry. In this article, a fault signal system based on ARM is designed and used collecting the fault signal of machine under working condition .Then the fault signal collected is analyzed by compari

8、ng</p><p>　　The article analysis the advantage of ARM based system compared to PC based system, designed the hardware platforms of ARM system. Though the analysis of the vibration theory, the mathematical mo

9、del of unbalanced fault. is established, the frequency feature of imbalance is found. The common faults frequency is affirmed. Fourier transformation and wavelet transformation are used to analysis. Through the compariso

10、n of the fault signal and normal signal number, demonstrates the effectiveness of the</p><p>　　Keywords: fault Diagnosis, ARM, precision machine tools, FFT, Wavelet Transform</p><p><b>　　目

11、 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1課題研究的意義1</p><p>　　1.2機(jī)床故障診斷國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2&l

12、t;/p><p>　　1.3論文的內(nèi)容安排4</p><p><b>　　2故障機(jī)理研究5</b></p><p><b>　　2.1簡諧振動5</b></p><p>　　2.2單自由度自由振動7</p><p>　　2.3單自由度強(qiáng)迫振動10</p>

13、<p>　　2.3.1 穩(wěn)態(tài)階段10</p><p>　　2.3.2過渡階段11</p><p>　　2.4 故障特征11</p><p>　　2.4.1 失衡故障分析11</p><p>　　2.4.2 其他故障13</p><p>　　3基于ARM的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)15</p>&l

14、t;p>　　3.1總體方案的選擇15</p><p>　　3.1.1 基于PC的故障診斷系統(tǒng)15</p><p>　　3.1.2 基于ARM的故障診斷系統(tǒng)16</p><p>　　3.2傳感器的選擇17</p><p>　　3.3硬件電路設(shè)計(jì)19</p><p>　　3.3.1 信號調(diào)理電路19<

15、;/p><p>　　3.3.2 ARM最小系統(tǒng)21</p><p>　　3.3.3鍵盤電路24</p><p>　　3.3.4 通信接口電路25</p><p>　　3.3.5 觸摸屏驅(qū)動電路26</p><p>　　4故障信號分析27</p><p>　　4.1時(shí)域與包絡(luò)分析27<

16、;/p><p>　　4.1.1 時(shí)域分析27</p><p>　　4.1.2 包絡(luò)分析28</p><p>　　4.2傅里葉變換頻譜分析28</p><p>　　4.2.1 傅里葉變換28</p><p>　　4.2.2 快速傅里葉變換30</p><p>　　4.2.3 數(shù)據(jù)分析結(jié)果3

17、1</p><p>　　4.3小波變換頻譜分析32</p><p>　　4.3.1 小波變換32</p><p>　　4.3.2 離散小波變換33</p><p>　　4.3.3 數(shù)據(jù)分析結(jié)果34</p><p><b>　　5結(jié)論37</b></p><p>　

18、　參 考 文 獻(xiàn)38</p><p>　　致 謝錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　附 錄40</b></p><p>　　附圖I ML-36銑床圖40</p><p>　　附圖II 電荷放大器錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　附圖III 基于PC的機(jī)密機(jī)床故障診斷系統(tǒng)

19、42</p><p>　　附圖IV 傳感器分布圖43</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1課題研究的意義</p><p>　　精密機(jī)床（如圖1-1所示）作為精密零件的加工機(jī)械，為各行各業(yè)提供所需的精密部件，尤其是我國現(xiàn)在大力發(fā)展的航空航天事業(yè)，其每個(gè)零件都需要精密加工，任何一個(gè)小零

20、件的不合格都將存在巨大的安全隱患。為了保證機(jī)床的正常運(yùn)行，需要對運(yùn)行中的機(jī)床實(shí)行監(jiān)測，實(shí)時(shí)檢測其運(yùn)行時(shí)的各個(gè)部位的性態(tài)參數(shù)。近年來，由于許多的科研單位和企業(yè)致力于微處理器的發(fā)展，促使了以專用為目的的嵌入式系統(tǒng)得到前所未有的發(fā)展。傳統(tǒng)的基于PC的儀器，由于體積大，成本高，且資源浪費(fèi)嚴(yán)重等原因，其應(yīng)用領(lǐng)域正在被更高效，便攜，且相對廉價(jià)的嵌入式系統(tǒng)占領(lǐng)。所以將傳統(tǒng)的基于PC的精密機(jī)床故障診斷系統(tǒng)改進(jìn)為基于ARM的精密機(jī)床故障診斷系統(tǒng)具有深遠(yuǎn)的

21、意義。</p><p><b>　　圖1-1 精密機(jī)床</b></p><p>　　精密機(jī)床作為精密零件的加工機(jī)械，標(biāo)志著一個(gè)國家的制造業(yè)水平。其加工產(chǎn)品的優(yōu)劣又直接影響到其他機(jī)械的加工精度，最終會影響到整個(gè)加工制造業(yè)。因此，作為一個(gè)產(chǎn)業(yè)的源頭，保證其正常的運(yùn)行具有深遠(yuǎn)的意義。</p><p>　　(a)保證精密機(jī)床的正常運(yùn)行，即保證了加工零件

22、的質(zhì)量，減少了次品，這樣一來，節(jié)省了資源，提高了效率。</p><p>　　(b) 在精密機(jī)床出現(xiàn)故障之前通過故障征兆發(fā)現(xiàn)故障，并及時(shí)解決，能夠保證機(jī)床的正常運(yùn)行，避免出現(xiàn)巨大的故障而損壞機(jī)床，減少經(jīng)濟(jì)損失。</p><p>　　(c) 通過故障診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了故障自動監(jiān)視，自動報(bào)警，自動診斷，自動處理等一系列功能，節(jié)省了勞動力資源，提高了生產(chǎn)的效率。</p><p>

23、;　　(d) 故障診斷減少了維修次數(shù)，降低了維修費(fèi)用，提高了經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　1.2機(jī)床故障診斷國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　故障診斷技術(shù)隨著歷史不斷發(fā)展，經(jīng)歷了從手摸，眼看，耳聽到現(xiàn)代故障診斷系統(tǒng)的發(fā)展。20世紀(jì)60年代計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，伴隨之出現(xiàn)了快速傅里葉變換（FFT），從而把信號處理和分析技術(shù)的軟件和硬件推向了一個(gè)新的高度。設(shè)備系統(tǒng)和零部件的可靠性工程的

24、發(fā)展及對零件失效分析機(jī)理的研究等，推動了診斷技術(shù)的飛速發(fā)展。從開發(fā)技術(shù)診斷的方法上看，國內(nèi)、國外其他領(lǐng)域中的診斷方法、理論和各種現(xiàn)代化儀器的最新成就都保持高度敏感性，凡是成熟的可借用的拿來就用，不成熟的也拿來完善它，使它適用于診斷領(lǐng)域。像信號處理技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、紅外測溫技術(shù)、油液分析技術(shù)及各種無損檢測技術(shù)，都是被借用于診斷目的，成為設(shè)備診斷技術(shù)的重要內(nèi)容。兩種以上的方法的綜合診斷具有較高的確診率，像振聲診斷[]就是其中最活躍的代表。&

25、lt;/p><p>　　診斷技術(shù)是根據(jù)機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中也就是工藝過程運(yùn)行中發(fā)生的各種各樣的信息來識別和進(jìn)行診斷的，或者對結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)零部件進(jìn)行激勵(lì)使之產(chǎn)生各種不同的信息來診斷其損傷。信息的多樣性使診斷技術(shù)的理論基礎(chǔ)非常廣泛，已經(jīng)應(yīng)用到自然科學(xué)的各個(gè)學(xué)科。涉及最多的學(xué)科有高等數(shù)學(xué)和現(xiàn)代數(shù)學(xué)各個(gè)分支，電子計(jì)算機(jī)計(jì)算方法，物理學(xué)中的熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)及力學(xué)、化學(xué)等。</p><p>　　就像對人體診斷

26、疾病一樣，這些數(shù)學(xué)、物理、力學(xué)和化學(xué)等方法為人們對機(jī)械設(shè)備、工藝過程和生產(chǎn)系統(tǒng)的正確診斷提供了各方面的信息，為人們由局部推測整體、由現(xiàn)象判斷本質(zhì)和用當(dāng)前預(yù)見未來建立可靠地依據(jù)。出現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)診斷、分析診斷、模糊診斷、灰色診斷、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷、小波診斷等理論和方法。</p><p>　　機(jī)床故障診斷是伴隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、傳感器技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、現(xiàn)代信號處理、人工智能技術(shù)、現(xiàn)代測試?yán)碚摰劝l(fā)展而發(fā)展的[]。機(jī)床

27、故障診斷包括機(jī)床狀態(tài)信號的采集，故障信號的分析，機(jī)床故障診斷。</p><p>　　狀態(tài)信號是故障特征信息的載體，因此在故障診斷中及時(shí)、準(zhǔn)確地獲得狀態(tài)信號是十分必要的。在采集故障狀態(tài)時(shí)，傳感器作為前端裝置就顯得尤為重要了。傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了從最初的聾啞傳感器發(fā)展成現(xiàn)代智能傳感器。如最初的振動傳感器只是一塊應(yīng)變片，或壓電陶瓷，為了能正常測量需要很復(fù)雜的外圍調(diào)理電路，這樣的傳感器體積臃腫，受溫度等外圍因素影響大，信號

28、常常湮沒在噪聲中?，F(xiàn)代的智能傳感器伴隨著集成電路和芯片技術(shù)的發(fā)展，傳感器已經(jīng)是一塊集成電路板，甚至一塊芯片，且里面集成了許多的功能模塊，像數(shù)據(jù)存儲模塊，通信模塊等。有的已經(jīng)開發(fā)成產(chǎn)品，在生產(chǎn)實(shí)踐中廣泛應(yīng)用。這樣的傳感器具有體積小，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。正是由于傳感器技術(shù)的這些發(fā)展促進(jìn)了故障診斷技術(shù)的發(fā)展。</p><p>　　在故障診斷理論和方法方面，國內(nèi)屈梁生[]教授帶領(lǐng)的西安交通大學(xué)制造系統(tǒng)工程國家重

29、點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在國內(nèi)處于領(lǐng)先的地位。屈梁生[]教授長期從事機(jī)械質(zhì)量控制與監(jiān)測診斷領(lǐng)域的基礎(chǔ)性、開拓性研究，提出“診斷是以機(jī)械學(xué)和信息論為依托，多學(xué)科融合的技術(shù)，本質(zhì)是模式識別”的學(xué)術(shù)思想。首創(chuàng)全息譜技術(shù)，全面集成機(jī)器振動的幅、頻、相信息，顯著提高了機(jī)器運(yùn)行中穩(wěn)差故障的識別率，在此基礎(chǔ)上開發(fā)完成了軸系全息動平衡技術(shù)，有主要改善了現(xiàn)有移子現(xiàn)場動平衡方法。其所研制的多機(jī)組在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，具有預(yù)警、故障追憶、遠(yuǎn)程和智能診斷功能。運(yùn)用和發(fā)展機(jī)械信號處理

30、技術(shù)，從發(fā)動機(jī)噪音中成功地提取了故障特征、揭示了機(jī)器聲悅耳感的機(jī)理、提高了多種機(jī)電產(chǎn)品的傳動精度。屈梁生[]教授帶領(lǐng)他的學(xué)生將近年理論成果，如小波變換[]，全息譜分析，Boosttrap方法，盲源分離分析，支持向量機(jī)分析，進(jìn)化算法等等理論應(yīng)用于故障診斷，形成了比較成熟的故障診斷理論方法。為國家培養(yǎng)了一大批這方面的人才。然而，目前的故障診斷技術(shù)通常只分析振動信號，而忽略了其他類型的信號。機(jī)床故障診斷應(yīng)該從多個(gè)方面下手，諸如振動，溫度，聲音

31、，扭矩，壓力等。在這方面有很多的工作要做</p><p>　　國外較早進(jìn)行機(jī)床故障診斷。尤其是振動法的故障診斷技術(shù)，已經(jīng)非常成熟。美國的J.H.金斯伯格教授在《機(jī)械與結(jié)構(gòu)振動——理論與應(yīng)用》中詳細(xì)的講解了振動的知識，是關(guān)于振動的一本很好的教科書[]。在國外許多的機(jī)床公司為他們的產(chǎn)品給提供在線故障監(jiān)測和診斷。這是基于internet網(wǎng)絡(luò)的故障診斷新技術(shù)（圖1-2），這一技術(shù)的應(yīng)用，可以提高故障診斷的效率，節(jié)約了專家

32、資源[]。</p><p>　　圖1-2 基于Internet的故障診斷系統(tǒng)</p><p>　　1.3論文的內(nèi)容安排</p><p>　　本文按以下幾章對基于ARM的精密機(jī)床故障診斷進(jìn)行設(shè)計(jì)：</p><p>　　第一章 主要介紹嵌入式系統(tǒng)、機(jī)床故障診斷技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r等。</p><p>　　第二章 主要介紹了振動基

33、礎(chǔ)知識，通過建模分析了失衡故障的機(jī)理和機(jī)床的常見故障的頻率特征。</p><p>　　第三章 主要介紹了基于ARM的故障診斷系統(tǒng)的前端硬件設(shè)計(jì)，包括傳感器的選擇，信號調(diào)理電路的選擇，ARM最小系統(tǒng)，和人機(jī)交互接口。</p><p>　　第四章 主要介紹了故障信號的幾種常用分析，包括時(shí)域分析，頻域分析和時(shí)頻分析，并用FFT和小波變換對采集來的的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。通過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)了故障。&l

34、t;/p><p>　　第五章 總結(jié)了該系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，并展望了該系統(tǒng)的應(yīng)用前景。</p><p><b>　　2故障機(jī)理研究</b></p><p><b>　　2.1簡諧振動</b></p><p>　　簡諧振動是最簡單的周期振動，其位移方程可以用正弦或余弦函數(shù)描述為（圖2-1）</p>

35、<p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　圖2-1 簡諧振動曲線</p><p><b>　　其振動參量如下：</b></p><p>　　——振動任一瞬時(shí)的位移（線位移或角位移），單位為mm或rad；</p><p>　　——時(shí)間（time），單位為s；</p&g

36、t;<p>　　——振幅（amplitude），最大振動位移；</p><p>　　——振動周期，振動一次（一周）所需的時(shí)間，單位為s；</p><p>　　——圓周率（angular frequency，又稱角頻率），表示振動快慢，單位為rad/s</p><p>　　——每秒鐘振動次數(shù)，單位為周/s (Hz、次/s),它們之間的關(guān)系如下：</

37、p><p>　　，， (2-2)</p><p>　　間歇振動的三要素是振幅、圓周率及初相角。</p><p>　　振動位移、速度、加速度之間的關(guān)系如下：</p><p>　?。?）振動位移（displacement）</p><p><b>　　(2-3)</b&g

38、t;</p><p>　　(2) 速度（velocity）</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　(3)加速度（acceleration）</p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>　　位移、速度、加速度都是同頻率的簡諧波，

39、三者幅值依次為、、。相位關(guān)系是加速度領(lǐng)先速度，速度領(lǐng)先位移。</p><p>　　三個(gè)參量之間的關(guān)系如圖2-2所示.</p><p>　　圖2-2 位移、速度、加速度關(guān)系圖</p><p>　　兩個(gè)同頻率不同相位的簡諧振動可以表示如下：</p><p>　　為初相位（時(shí)的相位） (2-6)</p><p>

40、　?。ū瘸跋辔唬?(2-7)</p><p>　　2.2單自由度自由振動</p><p>　　質(zhì)點(diǎn)在三維空間中有三個(gè)自由度，如果限定質(zhì)點(diǎn)只能在一個(gè)方向上運(yùn)動則該質(zhì)點(diǎn)只有一個(gè)自由度。單自由度系統(tǒng)是指只能在一個(gè)方向運(yùn)動的可以簡化為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動系統(tǒng)。簡化為多個(gè)質(zhì)點(diǎn)的系統(tǒng)是多自由度系統(tǒng)。工程上許多問題通過簡化，用單自由度系統(tǒng)的振動理論就能得到滿意的結(jié)果，因此研究單自

41、由度系統(tǒng)的振動具有工程意義[]。</p><p>　　單自由度無阻尼系統(tǒng)：</p><p><b>　　(2-8)</b></p><p><b>　　其中，</b></p><p><b>　　方程的通解為：</b></p><p><b>

42、　　(2-9)</b></p><p>　　式中的和是由初始條件確定的任意常數(shù)，設(shè)</p><p>　　， (2-10)</p><p>　　那么通解也可以表示為：</p><p><b>　　(2-11)</b></p><p>　　由前述

43、論述可知，上式中的，和即為確定正弦運(yùn)動的三要素，對應(yīng)振幅、振動圓頻率，和初始相位。可以發(fā)現(xiàn)，振動圓頻率和系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)動狀態(tài)的初始條件無關(guān)，一旦系統(tǒng)的剛度和質(zhì)量確定，振動頻率也隨之確定。對某一系統(tǒng)而言，振動頻率也隨之確定。對某一系統(tǒng)而言，振動頻率與彈簧剛度的平方根成正比，與質(zhì)量的平方根成反比。振動圓頻率對應(yīng)的振動頻率為：</p><p><b>　　(2-12)</b></p>&

44、lt;p>　　通常將稱為系統(tǒng)的固有頻率或自振頻率。</p><p>　　為了求解零時(shí)刻的初始條件，假設(shè)時(shí)有：</p><p>　　， (2-13)</p><p>　　那么根據(jù)（2-11）有：</p><p><b>　　(2-14)</b></p>

45、<p>　　方程（2-11）對求導(dǎo)，那么有：</p><p><b>　　(2-15)</b></p><p>　　式（2-15）的結(jié)果表明無阻尼狀態(tài)下彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)的自由振動為正弦運(yùn)動。但在實(shí)際情況下，工程中的機(jī)械系統(tǒng)總是存在各種各樣的阻尼因素，如摩擦阻尼、電磁阻尼、介質(zhì)阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼。粘性阻尼是最常用的一種阻尼力學(xué)模型，在流體中低速運(yùn)動或沿潤滑表面滑動

46、的物體，通常認(rèn)為受到粘性阻尼，考慮粘性阻尼系統(tǒng)的運(yùn)動方程可以表達(dá)為：</p><p><b>　　(2-16)</b></p><p>　　方程（2-16）中的即為粘性阻尼系數(shù)，簡稱為阻尼系數(shù)，單位為。</p><p>　　設(shè)，那么方程（2-16）可以表達(dá)為：</p><p><b>　　(2-17)</

47、b></p><p>　　求解方程（2-17）二次線性齊次方程，設(shè)，帶入方程（2-20）可以得到：</p><p><b>　　(2-18)</b></p><p>　　方程（2-18）的特征根為：</p><p><b>　　(2-19)</b></p><p>&l

48、t;b>　　設(shè)</b></p><p><b>　　(2-20)</b></p><p>　　可以得到動力學(xué)方程（2-17）的通解為：</p><p><b>　　(2-21)</b></p><p>　　其中，由初始條件決定。</p><p>　　當(dāng)阻尼系

49、數(shù)時(shí)為欠阻尼狀態(tài)，時(shí)為臨界阻尼狀態(tài)，為過阻尼狀態(tài)。欠阻尼狀態(tài)在工程實(shí)踐中較為常見，因此選取該狀態(tài)討論。設(shè)初始條件，，，有方程（2-21）可求的通解：</p><p><b>　　(2-22)</b></p><p><b>　　設(shè)，，則可得：</b></p><p><b>　　(2-23)</b>&

50、lt;/p><p>　　那么在欠阻尼狀態(tài)下，阻尼固有頻率和自由振動周期分別為：</p><p><b>　　(2-24)</b></p><p><b>　　(2-25)</b></p><p>　　欠阻尼狀態(tài)下的自由振動的模型及其曲線如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-

51、3欠阻尼自由振動模型和曲線</p><p>　　2.3單自由度強(qiáng)迫振動</p><p>　　單自由度系統(tǒng)在持續(xù)激勵(lì)時(shí)的振動為強(qiáng)迫振動。按照其激勵(lì)來源可以分為兩類：一類是激勵(lì)，例如旋轉(zhuǎn)機(jī)械中不平衡質(zhì)量，或者作用在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的電磁力激勵(lì)；另一類是由于支撐運(yùn)動而導(dǎo)致的激勵(lì)，例如由于熱狀態(tài)改變而引起的軸承坐標(biāo)高標(biāo)準(zhǔn)。按照時(shí)間變化規(guī)律，激勵(lì)可以分為簡諧激勵(lì)、周期激勵(lì)和任意激勵(lì)。典型的簡諧激勵(lì)如回轉(zhuǎn)機(jī)

52、械不平衡質(zhì)量激勵(lì)，簡諧激勵(lì)的系統(tǒng)響應(yīng)由初始條件引起的自由振動、伴隨強(qiáng)迫振動發(fā)生的自由振動以及等幅的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動組合。前兩部分受系統(tǒng)阻尼影響，將逐步衰減的瞬態(tài)振動，被稱為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。在回轉(zhuǎn)機(jī)械的起停車過程中就是一個(gè)典型的例子，在啟停車過程中的振動是自由振動與強(qiáng)迫振動合成的效果，當(dāng)?shù)竭_(dá)工作轉(zhuǎn)速并穩(wěn)定一段時(shí)間，自由振動衰減到一定程度后，只有強(qiáng)迫振動，選取強(qiáng)迫振動數(shù)據(jù)作為不平很響應(yīng)是現(xiàn)場動平衡中應(yīng)該注意的問題。</p><p&

53、gt;　　2.3.1 穩(wěn)態(tài)階段</p><p><b>　　設(shè)有簡諧激振力：</b></p><p><b>　　(2-26)</b></p><p>　　其中，為激振力振幅，為激振頻率。則可得運(yùn)動方程：</p><p><b>　　(2-27)</b></p>

54、<p>　　由常微分方程理論知道，方程（2-27）的通解由相應(yīng)的齊次方程的通解 和非齊次方程的任一特解兩部分組成，即：</p><p><b>　　(2-28)</b></p><p>　　當(dāng)阻尼為欠阻尼時(shí)，即為有阻尼自由振動（見公式（2-22）），它的特點(diǎn)是振動頻率為阻尼固有頻率，振幅按指數(shù)規(guī)律衰減，稱為瞬態(tài)振動或瞬態(tài)響應(yīng)。是持續(xù)的穩(wěn)態(tài)振動，在間隔充分長時(shí)

55、間后考慮的振動就是這種穩(wěn)態(tài)振動，而在剛受到外界激勵(lì)時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)則是兩種振動之和?？梢?，系統(tǒng)受簡諧激勵(lì)后的響應(yīng)可以分為兩個(gè)階段，一開始的過程稱為過度階段，經(jīng)過充分長的時(shí)間后，瞬態(tài)響應(yīng)消失，這時(shí)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段。</p><p>　　將方程兩端通除以質(zhì)量，并且令，，其中為相應(yīng)的阻尼系數(shù)，為相應(yīng)的無阻尼系統(tǒng)的固有頻率。則方程（2-27）為：</p><p><b>　　(2-29)<

56、;/b></p><p>　　方程（2-29）的特解： </p><p><b>　　(2-30)</b></p><p>　　式中：為振幅，為相位差。</p><p><b>　　2.3.2過渡階段</b></p><p>　　在給定初始條件下有運(yùn)動的微分方程為：&l

57、t;/p><p><b>　　(2-31)</b></p><p><b>　　其全解為：</b></p><p><b>　　(2-32)</b></p><p>　　式中右端前兩項(xiàng)即無激勵(lì)時(shí)的自由振動，又稱為系統(tǒng)對初始擾動的響應(yīng)；第三項(xiàng)為伴隨激勵(lì)而產(chǎn)生的自由振動，稱為自由伴隨振

58、動，其特點(diǎn)是振動頻率為系統(tǒng)的固有頻率，但振幅與系統(tǒng)本身的性質(zhì)及激勵(lì)因素都有關(guān)；第四項(xiàng)則為穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動。對于存在阻尼的實(shí)際系統(tǒng)，自由振動和自由伴隨振動的振幅都將隨時(shí)間逐漸衰減，因此它們都是瞬態(tài)響應(yīng)。</p><p><b>　　2.4 故障特征</b></p><p>　　振動是機(jī)械工作過程中的常見現(xiàn)象。由于振動信號便于測量和后續(xù)分析，機(jī)械振動測量和分析是機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測和

59、故障診斷中常用的手段。機(jī)械振動的頻率特診往往與機(jī)械內(nèi)在因素相關(guān)。當(dāng)機(jī)械出現(xiàn)故障時(shí)，相應(yīng)的振動特征也會發(fā)生變化。這里的特征可以是震動幅度的變化、頻率的變化、相位的變化、調(diào)制參數(shù)的變化等多種形式[]。</p><p>　　2.4.1 失衡故障分析[]</p><p>　　如圖2-4所示是一單盤轉(zhuǎn)子模型，設(shè)轉(zhuǎn)子總質(zhì)量為，轉(zhuǎn)子的偏心質(zhì)量為，偏心距為，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角速度為。</p>&l

60、t;p>　　圖2-4 單盤轉(zhuǎn)子模型</p><p>　　如圖2-4所示，用坐標(biāo)表示轉(zhuǎn)子離開平衡位置的垂直位移，那么偏心質(zhì)量的垂直位移，得到運(yùn)動方程為：</p><p><b>　　(2-33)</b></p><p>　　式中，被稱為不平衡量，；則是不平衡量產(chǎn)生的離心力在</p><p>　　軸上的投影，相當(dāng)于方

61、程（2-26）中的簡諧激振力。</p><p>　　則簡諧振動下強(qiáng)迫振動響應(yīng)為：</p><p><b>　　(2-34)</b></p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　， (2-35)</p><p>　　不平衡引起的強(qiáng)迫振動具有以

62、下特點(diǎn)[]：</p><p>　　線性系統(tǒng)對簡諧激勵(lì)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)是頻率等于激振頻率而相位滯后于激振力的簡諧振動。</p><p>　　穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的振幅及相位差只取決于系統(tǒng)本身的物理特性（質(zhì)量、剛度和阻尼）和激振的頻率及振幅，而與系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)動的初始條件無關(guān)。</p><p>　　轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)小于臨界轉(zhuǎn)速時(shí)振幅接近系統(tǒng)靜剛度的彈性形變，大于臨界轉(zhuǎn)速后趨于常數(shù)。</p>

63、<p>　　當(dāng)轉(zhuǎn)速等于臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生共振，振幅急劇增大。該轉(zhuǎn)速下振動的大小與阻尼成反比，當(dāng)阻尼趨于0時(shí)振動趨向于無窮大。同時(shí)，相位在該轉(zhuǎn)速附近發(fā)生180°左右翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)角度大小與阻尼成反比。</p><p>　　總結(jié)失衡故障的振動特征：在轉(zhuǎn)速不變的情況下，失衡故障產(chǎn)生振動主要表現(xiàn)為幅值和相位均比較穩(wěn)定轉(zhuǎn)頻振動。轉(zhuǎn)速變化時(shí)振幅、相位會隨轉(zhuǎn)速變化。振動幅值在臨界轉(zhuǎn)速前隨轉(zhuǎn)速升高，在臨界轉(zhuǎn)

64、速后隨轉(zhuǎn)速升高降低[]。</p><p>　　2.4.2 其他故障[]</p><p><b>　　1不對中故障</b></p><p>　　轉(zhuǎn)子不對中指多根轉(zhuǎn)子通過聯(lián)軸節(jié)相連，由于安裝時(shí)的轉(zhuǎn)子中心誤差或在運(yùn)轉(zhuǎn)中轉(zhuǎn)子支承基座受熱發(fā)生大小不一的標(biāo)高變化時(shí)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子中心不共線。轉(zhuǎn)子不對中，可以分為平行不對中、交角不對中以及混合不對中三種形式。轉(zhuǎn)子由

65、于不對中激發(fā)的振動中含有轉(zhuǎn)頻、二倍轉(zhuǎn)頻、三倍轉(zhuǎn)頻以及高倍轉(zhuǎn)頻分量，并且一般都伴有較明顯的軸向振動。</p><p><b>　　2裝配松動故障</b></p><p>　　由機(jī)器裝配松動產(chǎn)生的振動，其振動幅值和相位往往不穩(wěn)定，軸心軌跡紊亂。當(dāng)機(jī)組逐漸停止時(shí)由松動產(chǎn)生的振動會減小或停止。松動產(chǎn)生振動以轉(zhuǎn)頻振動為主，同時(shí)伴有低于或高于轉(zhuǎn)頻的振動分量。</p>

66、<p>　　3油膜渦動和油膜振蕩故障</p><p>　　油膜渦動是由滑動軸承支撐的轉(zhuǎn)子中心繞著軸承中心轉(zhuǎn)動的亞同步振動現(xiàn)象，其回轉(zhuǎn)頻率約為轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)頻率的一半（0.42～0.48倍回轉(zhuǎn)頻率），因此通常又稱為半速渦動。</p><p>　　一旦產(chǎn)生油膜渦動，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高油膜渦動的頻率也升高。當(dāng)轉(zhuǎn)頻達(dá)到一階固有頻率的兩倍時(shí)，渦動頻率不在隨著轉(zhuǎn)頻的升高而升高。這時(shí)油膜渦動與系統(tǒng)

67、共振共同作用，使轉(zhuǎn)子出現(xiàn)強(qiáng)烈的振動，及產(chǎn)生了油膜振蕩。油膜渦動和油膜振蕩的產(chǎn)生和消失均具有突發(fā)性的特點(diǎn)，并且具有一定的慣性效應(yīng)。油膜振蕩是一種非線性的油膜共振，激勵(lì)頻率包括了油膜振蕩頻率和轉(zhuǎn)頻。油膜振蕩是一種非線性的油膜共振，激振頻率包括油膜振蕩頻率和轉(zhuǎn)頻。油膜振蕩時(shí)轉(zhuǎn)子的撓曲呈一階振型。當(dāng)產(chǎn)生激烈的油膜振蕩時(shí)，會導(dǎo)致油膜破裂而引發(fā)摩擦，損傷軸承和密封。</p><p><b>　　4裂紋故障</

68、b></p><p>　　轉(zhuǎn)子產(chǎn)生裂紋故障的原因主要是疲勞、蠕變、和腐蝕開裂。轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，裂紋會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子剛度的周圍變化。裂紋軸的振動響應(yīng)除了一倍頻分量外，還有二倍、三倍等高倍分量。升速過程中裂紋轉(zhuǎn)子在二分之一、三分之一的臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，其相應(yīng)的二倍、三倍頻率分量會被共振放大，形成次諧共振現(xiàn)象。在很恒定速下裂紋軸振動的各階諧波幅值及其相位不穩(wěn)定。</p><p>　　3基于ARM的數(shù)據(jù)

69、采集系統(tǒng)</p><p>　　3.1總體方案的選擇</p><p>　　3.1.1 基于PC的故障診斷系統(tǒng)</p><p>　　基于PC的故障診斷系統(tǒng)如圖3-1所示，由傳感器，數(shù)據(jù)采集卡PC組成。PC機(jī)中安裝了強(qiáng)大的軟件，其界面可以從圖3-1中看出。它可以完成數(shù)據(jù)的采集，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并用友好的界面顯示。這一切強(qiáng)大的功能來自于PC機(jī)強(qiáng)大的硬件資源，和安裝在其中豐

70、富的軟件資源，如基于Matlab的數(shù)據(jù)處理，Labview開發(fā)的虛擬儀器界面等。但是，基于PC的故障診斷系統(tǒng)具有致命的缺點(diǎn)，那就是它不可避免的龐大的體積，而這在某些應(yīng)用場合是不允許的。</p><p>　　圖3-1 基于PC的精密機(jī)床故障診斷系統(tǒng)</p><p>　　3.1.2 基于ARM的故障診斷系統(tǒng)</p><p>　　經(jīng)過多年的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在我們的生產(chǎn)

71、生活中扮演重要的角色。從數(shù)字電視到移動電話，從智能玩具到汽車發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)，這樣的成就不得不說是嵌入式系統(tǒng)選擇做“專用開發(fā)”的成功。</p><p>　　與PC相比，嵌入式系統(tǒng)具有以下的優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　1嵌入式系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是體積小。由于嵌入式系統(tǒng)是以專用為目的的，可以根據(jù)功能的需要選擇硬件。所以其硬件結(jié)構(gòu)往往比較精簡。</p><p>　　2嵌入式系統(tǒng)

72、功耗低，使其可以采用電池供電成為便攜式產(chǎn)品，并且可以應(yīng)用到許多惡劣的環(huán)境中[]。</p><p>　　3嵌入式產(chǎn)品一般運(yùn)行于無人或環(huán)境惡劣的環(huán)境，不能像PC“死機(jī)”后可以有人重啟，所以一般都有能自監(jiān)測和自啟動的功能，比如看門狗工具。</p><p>　　綜上所述：基于嵌入式系統(tǒng)的巨大的發(fā)展前景以及嵌入式系統(tǒng)廉價(jià)、體積小、方便攜帶性等諸多優(yōu)勢是普通PC所無法相比的。對于嵌入式系統(tǒng)的這些優(yōu)勢，

73、把目前基于PC機(jī)的故障診斷系統(tǒng)改進(jìn)為基于嵌入式系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)是可行也是發(fā)展的必然。</p><p>　　ARM作為嵌入式系統(tǒng)的杰出代表，有自身獨(dú)特的優(yōu)勢。ARM最初是Acorn Risc Machine 的簡稱，后來改名為Advanced RISC Machine.是由Acore計(jì)算機(jī)公司研發(fā)的。ARM公司以IP（Intelligent Patent）提供者的身份向各大半導(dǎo)體制造商出售知識產(chǎn)權(quán)，而自己從不介入芯片的生

74、產(chǎn)銷售。早在2000年ARM公司就已經(jīng)占據(jù)了32位RISC芯片出貨量的近3/4，而市場份額也幾乎占到一半。在低功耗、低成本的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域確定了其領(lǐng)導(dǎo)地位?，F(xiàn)在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)ARM芯片的國際大公司已超50多家，國內(nèi)中信和華為通信公司等也已購買ARM公司的芯核用于通信專業(yè)芯片設(shè)計(jì)。</p><p>　　相對于其他同樣主頻下的處理器ARM內(nèi)核的芯片具有如下優(yōu)勢[]：</p><p>　　（1）AR

75、M內(nèi)核的芯片面積是目前最小的</p><p>　?。?）ARM內(nèi)核的功耗是最低的</p><p>　　（3）ARM內(nèi)核是最便宜的</p><p>　　ARM體系的處理器擁有很好的性價(jià)比和性能比。ARM內(nèi)核采用的是相對簡單的3或5級流水線，使得芯片結(jié)構(gòu)變得簡單。ARM內(nèi)核還革命性的采用了Thumb 指令集。16位的Thumb 指令集是ARM指令的一個(gè)子集，它是32位指

76、令通過代碼壓縮得到的，這種經(jīng)過壓縮的代碼大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率，使得在相同的內(nèi)存和緩存中可以存放更多的指令，從而簡化了指令系統(tǒng)。ARM對WinCE、Vxwork、Linux[]等操作系統(tǒng)支持，使其開發(fā)環(huán)境大大改善，許多的源代碼經(jīng)過移植就能很好的在ARM上運(yùn)行。基于以上種種優(yōu)勢選擇基于ARM的故障診斷系統(tǒng)是必然的選擇。</p><p>　　該系統(tǒng)如圖3-2所示，由傳感器，信號調(diào)理電路，ARM處理單元，上位機(jī)組成。機(jī)

77、床的信息由置于系統(tǒng)最前端的傳感器采集，由于采集來的信號中夾雜著許多的噪聲需要經(jīng)過濾波電路過濾掉噪聲，又由于傳感器出來的信號一般都比較微弱需要經(jīng)放大電路放大。之后信號由ARM的AD口接入完成數(shù)據(jù)采樣，采集來的數(shù)據(jù)由ARM進(jìn)行簡單分析，如時(shí)域分析，和FFT分析。ARM還可以和上位機(jī)通信，由上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行更復(fù)雜的分析，并完成故障診斷。</p><p>　　圖3-2基于ARM的精密機(jī)床故障診斷系統(tǒng)</p>

78、<p><b>　　3.2傳感器的選擇</b></p><p>　　在機(jī)床運(yùn)行過程中，有許多的信號參量可以選擇。常見的有振動、溫度、壓力、噪聲、射線等等。傳感器的選擇以能反映機(jī)床狀態(tài)變化為原則，如果傳感器信號輸出不準(zhǔn)確，那后續(xù)的處理將失去意意思，因此，傳感器技術(shù)是狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)；另外，所采用的傳感器應(yīng)當(dāng)安裝方便，節(jié)約成本[]。</p><

79、p>　　圖3-3 YJ9A加速度傳感器</p><p>　　由于在機(jī)床的故障中有百分之七八十的故障是以振動信號反映出來的，且振動信號的研究開始的較早，目前的技術(shù)也比較完備，故本次研究主要采集機(jī)床的振動信號，并對之作分析。振動傳感器有位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器。它們有各自的特點(diǎn)和適用范圍。位移傳感器主要用在低頻領(lǐng)域內(nèi)的測量，而加速度傳感器用于高頻振動的測量。由于機(jī)床的許多故障都是在高頻下特征比較明顯

80、，故本次研究選用的傳感器如圖3-3所示，為一加速度傳感器。</p><p>　　YJ9A型壓電加速度傳感器可作為專門用于振動加速度信號 測量的傳感器，使用頻率范圍1Hz~10Hz，基座絕緣，適用于通用的振動和沖擊測量，它采用了先進(jìn)的三角剪</p><p>　　設(shè)計(jì)方式，相比壓縮式設(shè)計(jì)，它的體積更小、靈敏度更高、性能更加穩(wěn)定，更好的消除了外殼應(yīng)變導(dǎo)致的輸出誤差。其主要技術(shù)指標(biāo)見表3-1.&l

81、t;/p><p>　　表3-1YJ9A加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　傳感器在機(jī)床上的布局也很重要，傳感器布局的好，采集來的數(shù)據(jù)就能準(zhǔn)確的反映機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)。減少了故障診斷難度，增加了故障診斷的精確度。由于測的是床身的振動，所以在床身上一次布局傳感器如圖3-4所示.</p><p>　　圖3-4 傳感器布局</p><p><b&

82、gt;　　3.3硬件電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.3.1 信號調(diào)理電路</p><p>　　選用的振動傳感器是根據(jù)壓電效應(yīng)的原理制成的，其敏感元件是壓電材料。即當(dāng)壓電式傳感器中的壓電晶體承受被測機(jī)械應(yīng)力的時(shí)候時(shí)，它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。因此可以將壓電式傳感器看成一個(gè)靜電發(fā)生器。等效地看成一個(gè)電荷源 和一個(gè)電容器的串聯(lián)電路[]，如圖3-5所示。&l

83、t;/p><p>　　圖3-5壓電傳感器等效電路</p><p>　　由于傳感器的輸出很小，需要信號放大電路。這里采用電荷放大電路。</p><p>　　圖3-6 電荷放大電路</p><p>　　濾波電路采用如圖3-7所示的帶通濾波器，完成對噪聲信號的過濾。電路性能參數(shù)：</p><p>　　二階低通濾波器的帶通增益：&

84、lt;/p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　二階低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率：</p><p><b>　　（3-2）</b></p><p><b>　　品質(zhì)因數(shù)：</b></p><p><b>　?。?-3）&l

85、t;/b></p><p>　　由于采集的數(shù)據(jù)頻率在1000Hz左右，選用的參數(shù)如圖所示</p><p>　　圖3-7 二階低通濾波電路</p><p>　　3.3.2 ARM最小系統(tǒng)</p><p>　　(1)S3C2410芯片</p><p>　　S3C2410A是Sumsung公司推出的16、32位RISC

86、處理器（ARM920T內(nèi)核），適用于手持設(shè)備、POS機(jī)、數(shù)字多媒體播放設(shè)備等等，具有低價(jià)格、低功耗、高性能等特點(diǎn)。S3C2410提供了以下豐富的內(nèi)部設(shè)備：16KB的指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache，MMU虛擬存儲器管理，LCD控制器（支持STN&TFT），支持NAND Flash系統(tǒng)引導(dǎo)，系統(tǒng)管理器（片選邏輯和SDRAM控制器），3通道UART,4通道PWM定時(shí)器，I/O端口，RTC，8通道10位ADC和觸摸屏接口，I2C

87、總線接口，IIS總線接口，USB設(shè)備接口，SD卡&MMC卡接口，2個(gè)SPI總線接口以及內(nèi)部PLL時(shí)鐘倍增器。</p><p>　　S3C2410A采用了ARM920T內(nèi)核，0.18工藝的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲器單元。它的低功耗、精簡和出色的全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適用于對成本和功耗敏感的應(yīng)用。同時(shí)它還采用了Advanced Microcontroller Bus Architecture(AMBA)新型總線結(jié)構(gòu)。

88、</p><p><b>　?。?）系統(tǒng)電源電路</b></p><p>　　由于S3C2410A需要1.8v和3.3v兩組電源，而電池供電是5v的，所以需要使用LDO芯片穩(wěn)壓產(chǎn)生1.8V和3.3v電源。LDO芯片使用的是SPX1117-1.8和SPX1117-3.3。</p><p>　　SPX1117系列LDO芯片輸出電流可達(dá)800，輸出電

89、壓的精度在以內(nèi)，還具有電流限制和熱保護(hù)功能，廣泛用于手持式儀表、數(shù)字家電、工業(yè)控制領(lǐng)域。使用時(shí)，其輸出端需要一個(gè)至少10的膽電容來改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。電路圖如下。</p><p>　　圖3-8 3.3v電源原理圖</p><p>　　圖3-9 1.8v電源原理圖</p><p><b>　?。?）系統(tǒng)時(shí)鐘電路</b></p>

90、<p>　　S3C2410A可以使用外部晶振或外部時(shí)鐘輸入作為系統(tǒng)時(shí)鐘，外部晶振范圍是10MHz~20MHz。DeviceARM2410核心板采用了12MHz外部晶振，所以將OM2、OM3引腳接為低電平（即設(shè)置OM[3:2]=00b），將外部時(shí)鐘輸入引腳EXTCLK接為高電平（3.3），電路原理如圖所示。通過S3C2410A內(nèi)部的鎖相環(huán)，可以將時(shí)鐘倍頻至MHz，作為處理器的主時(shí)鐘（FCLK）。</p><p

91、>　　圖3-10 系統(tǒng)時(shí)鐘電路</p><p><b>　?。?）系統(tǒng)復(fù)位電路</b></p><p>　　由于ARM芯片的高速、低功耗、低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低，對電源的紋波、瞬態(tài)響應(yīng)性能、時(shí)鐘源的穩(wěn)定性、電源監(jiān)控可靠性等諸多方面也提出了更高的要求。DieviceARM2410核心板的復(fù)位電路使用了內(nèi)置的E2PROM存儲器的電源監(jiān)控復(fù)位芯片CAT1025JI

92、-30（復(fù)位門檻電壓為3.0~3.15V），提高了系統(tǒng)的可靠性，電路原理如圖所示。</p><p>　　圖3-11 系統(tǒng)復(fù)位電路</p><p>　　圖3-12 系統(tǒng)復(fù)位時(shí)序圖</p><p><b>　　3.3.3鍵盤電路</b></p><p>　　電路設(shè)計(jì)了具有8位動態(tài)LED數(shù)碼管和16個(gè)按鍵，使用了I2C接口的鍵

93、盤與LED驅(qū)動芯片ZLG7290進(jìn)行控制，電路如圖所示。ZLG7290是一款功能強(qiáng)大的鍵盤與LED驅(qū)動芯片，最大支持64個(gè)按鍵及8位共陰LED數(shù)碼管[]。</p><p>　　圖3-13 鍵盤原理圖</p><p>　　ZLG7290的電源采用3.3V，使用DeviceARM2410核心板的nRSTOUT信號（經(jīng)過驅(qū)動后的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號為nRST）控制ZLG7290復(fù)位，在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)將同時(shí)復(fù)位Z

94、LG7290。由于ZLG7290采用3.3V電源，為了提高數(shù)碼顯示亮度，LED限流電阻R148~R150、R153~R157的阻值選用220Ω。16個(gè)按鍵分別與ZLG7290的SEGA、SEGB引腳連接，這樣做的好處就是鍵盤中斷輸出信號與S3C2410A的中斷引腳EINT4相連，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，ZLG7290將會輸出中斷信號通知S3C2410A。</p><p>　　3.3.4 通信接口電路</p>

95、<p>　?。?）JTAG接口電路</p><p>　　采用20腳的JTAG仿真調(diào)試接口，JTAG信號的定義及與S3C2410A的連接如圖所示。在圖中，JTAG接口的J29上的信號nTRST連接到S3C2410芯片的引腳，達(dá)到控制S3C2410a內(nèi)部JTAG接口電路復(fù)位的目的。根據(jù)S3C2410數(shù)據(jù)手冊中說明，nTRST、TDI、TMS和TCK引腳上需要連接一個(gè)10KΩ的上拉電阻。</p>

96、<p>　　圖3-14 JTAK接口電路</p><p>　　3.3.5 觸摸屏驅(qū)動電路</p><p>　　S3C2410A內(nèi)置有液晶控制器，可以支持最大256K色TFT彩色液晶屏、最大4K色彩色液晶屏。如圖3-15為STN彩色液晶屏LFUBK9111的驅(qū)動電路，LFUBK9111液晶屏采用5V電源供電，由于電平匹配問題，所以使用了74HCT244芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換（次芯片的

97、最小值為2.0v）。驅(qū)動LFUBK9111只需要使用8根數(shù)據(jù)線VD0~VD7，控制信號VFRAME、VLINE、VCLK分別連接LFUBK9111的FRAME、LOAD、CP引腳，控制信號LCD_PWREN(網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號為LCD-PWR)用來控制液晶屏顯示/關(guān)閉。</p><p>　　圖3-15 觸摸屏驅(qū)動電路</p><p><b>　　4故障信號分析</b></

98、p><p>　　4.1時(shí)域與包絡(luò)分析</p><p>　　4.1.1 時(shí)域分析</p><p>　　信號的時(shí)域分析又稱為波形分析或時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析，它是通過信號的時(shí)域波形計(jì)算信號的均值、均方值、方差等統(tǒng)計(jì)參數(shù)。信號的時(shí)域分析很簡單，用示波器、萬用表等普通儀器就可以進(jìn)行分析。[]</p><p>　　信號的時(shí)域特征量有：</p><

99、p><b>　?。?）周期（）</b></p><p>　　對周期信號來說，可以用時(shí)域分析來確定信號的周期，也就是計(jì)算相鄰的兩個(gè)信號波峰的時(shí)間差。</p><p><b>　?。?）均值</b></p><p>　　均值表示集合平均值或數(shù)學(xué)期望值?；陔S機(jī)過程的各歷態(tài)經(jīng)歷性，可用時(shí)間間隔內(nèi)的幅值平均值表示，即<

100、/p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　（3）均方值</b></p><p>　　信號的均方值，或稱為平均功率，其表達(dá)式為</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　該值表達(dá)了信號的強(qiáng)弱，其正平方根

101、，又稱有效值，也是信號的平均能量的一種表示。在工程測量中一般儀器的表頭示值就是信號的均方值。</p><p><b>　?。?）方差</b></p><p><b>　　信號的方差定義為</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　方差反映了信號

102、繞均值的波動程度。</p><p>　　4.1.2 包絡(luò)分析</p><p>　　“包絡(luò)”譜和傳統(tǒng)的頻譜在外觀上（振幅和頻率）并沒有區(qū)別，只是表示不同的信息。包絡(luò)譜圖對正弦運(yùn)動不敏感，也不像FFT圖能用位移、速度和加速度參數(shù)確定簡單正弦運(yùn)動產(chǎn)生的復(fù)雜信號。</p><p>　　包絡(luò)譜對與沖擊力相關(guān)的事件敏感。量化沖擊頻率和強(qiáng)度對振動分析是非常有幫助的。盡管有些機(jī)器會

103、產(chǎn)生沖擊能量（如往復(fù)設(shè)備），但大多數(shù)機(jī)器不會。沖擊力是破壞性的，通常表明會發(fā)生故障。最典型的包絡(luò)譜應(yīng)用是檢測軸承缺陷。</p><p>　　4.2傅里葉變換頻譜分析</p><p>　　4.2.1 傅里葉變換</p><p>　　定義 給定信號，如果它滿足</p><p><b>　　（4-4）</b></p>

104、;<p>　　則定義的Fourier變換（Fourier transform,FT）為</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　其反變換：</b></p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　圖4-1 原

105、始時(shí)域信號</p><p>　　圖4-2 頻域變換后結(jié)果</p><p>　　從以上兩幅圖可以明顯看到傅里葉變換的優(yōu)越性。圖4-1中信號雜亂無章，看出不任何信息。而經(jīng)過時(shí)域變換后可以很清楚的看到兩個(gè)沖擊，即信號的能量主要分布在50Hz和100Hz。傅里葉變化完成了信號從時(shí)域到頻域的映射，被稱為“數(shù)學(xué)三棱鏡”。</p><p>　　4.2.2 快速傅里葉變換</

106、p><p>　　在實(shí)際工作中常常遇到非周期序列，他們可能是有限長的，也可能是無限長的，對這樣的序列作Fourier變換，理論上應(yīng)是作離散時(shí)間Fourier變換，得到周期的連續(xù)頻譜，然而不能直接在計(jì)算機(jī)上做數(shù)字運(yùn)算。常用的做法是，若是有限長序列，令其長度為N，若是無限長序列，我們可用矩形窗將其截成N點(diǎn)，然后把這N點(diǎn)序列視為一周期序列的一個(gè)周期。也就是說，是由做周期延拓形成的。對做傅里葉級數(shù)展開，得到的也是以N為周期的序

107、列，其一個(gè)周期為，因此，為了方便地在計(jì)算機(jī)上求任一有限長序列的一個(gè)周期，用如下的離散Fourier變換進(jìn)行分析：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　　其逆變換為</b></p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　

108、式中N為有限序列的長度。從從上式可以看出，求出N點(diǎn)的，需要復(fù)數(shù)乘法，當(dāng)N很大時(shí)，其計(jì)算量是相當(dāng)大的。</p><p>　　1965年，Cooley和Tukey提出了離散Fourier變換的快速算法，該算法使N點(diǎn)Fourier變換乘法計(jì)算量降為次。自Cooley-Tukey的算法提出之后，新的算法不斷涌現(xiàn)，總的來說，F(xiàn)FT的發(fā)展有兩個(gè)方向，一是針對N等于2的整數(shù)次冪的算法，如基2算法、基4算法、實(shí)因子算法和分裂基算

109、法等，另一個(gè)是N不等于2的整數(shù)次冪的算法，它是以Winograd為代表的一類算法（素因子算法、Winograd算法）。</p><p>　　快速Fourier變換是數(shù)字信號處理發(fā)展史上的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，也可以稱為一個(gè)里程碑。隨著超大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得數(shù)字信號處理理論在過去40年里獲得了迅猛得發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于眾多的技術(shù)領(lǐng)域[]。</p><p>　　4.2.3 數(shù)據(jù)分析結(jié)

110、果</p><p>　　圖4-3 信號的時(shí)域圖與頻域圖</p><p>　　數(shù)據(jù)采集于ML-360銑床的床身，采樣頻率為1000Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為4096。其時(shí)域和經(jīng)FFT變換后如上圖。從上圖中可以看出，機(jī)床正常運(yùn)行時(shí)在50Hz和100Hz處有兩個(gè)幅值為300左右的脈沖，這是正常的現(xiàn)象，在50Hz倍頻處會出現(xiàn)幅值減弱的沖擊。這是由于共振產(chǎn)生的結(jié)果。故障數(shù)據(jù)中在100Hz150Hz處出現(xiàn)了兩個(gè)

111、脈沖，且150Hz出的脈沖幅值大于100Hz處的脈沖，有前面故障機(jī)理中的分析可知，這很可能是由于主軸不對中引起的。</p><p>　　經(jīng)現(xiàn)場查看，發(fā)現(xiàn)故障原因是三爪卡盤由于松動，其中一個(gè)卡齒脫落。造成了故障信號圖類似于不對中。</p><p>　　4.3小波變換頻譜分析</p><p>　　4.3.1 小波變換</p><p>　　定義：設(shè)

112、，則該函數(shù)的小波變換定義為以函數(shù)族為積分核的積分變換，如下式所示</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　函數(shù)族由基小波函數(shù)通過伸縮和平移產(chǎn)生，如下式所示</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　式中是尺度參數(shù)，是定位參數(shù)，因子是歸一化常數(shù)，

113、用來保證變換的能量守恒，即</p><p><b>　　（4-11）</b></p><p>　　小波函數(shù)的頻域表示如下</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　可以看出，當(dāng)減小時(shí)，小波函數(shù)的時(shí)寬減小，頻寬增大，且的窗口中心向增大方向移動；當(dāng)增大時(shí)，小波函數(shù)的頻寬減小，

114、時(shí)寬增大，且的窗口中心向減小方向移動。這說明連續(xù)小波變換的局部化是變化的，在高頻處時(shí)域分辨率高，頻域分辨率低；而在低頻處時(shí)域分辨率低，頻域分辨率高，即具有“變焦”的性質(zhì)，這也正是我們追求的自適應(yīng)窗的性質(zhì)[]。</p><p>　　圖4-4 Morlet 小波函數(shù)圖</p><p>　　4.3.2 離散小波變換</p><p>　　離散二進(jìn)小波變換的 算法是由S.M

115、allat提出來的，他在小波變換中的作用類似于快速傅里葉變換在傅里葉分析中的作用。它是一種無冗余的迭代算法，計(jì)算速度快，占用存儲空間少，同時(shí)保存了信號原有的全部信息，因而可以通過逆變換完全恢復(fù)信號。</p><p>　　Mallat算法的基本概念</p><p>　　記的整數(shù)平移構(gòu)成了該尺度上的正交基。將信號在該正交基上展開，由于尺度函數(shù)的低通濾波作用，就得到了信號在該尺度上的近似值，即&

116、lt;/p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　類似地，記與的整數(shù)平移系也是該尺度上的正交基，同時(shí)與也相互正交。如果將信號在的整數(shù)平移系上展開，就得到了信號在該尺度上快速變化的信息，通常稱為細(xì)節(jié)（Detail）。</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>

117、;　　上式的計(jì)算是很不方便的，S.Mallat對此兩式進(jìn)行推導(dǎo)得到了以下遞推算法。 （4-15）</p><p>　　該算法所要處理的信號都是實(shí)際的連續(xù)信號經(jīng)過采樣得到的離散有限長度的信號，我們認(rèn)為該離散信號是實(shí)際的連續(xù)信號在該采樣尺度上的最好的近似，因此算法的起點(diǎn)為。</p><p>　　該算法僅對信號的近似部分進(jìn)行處理，將信號在小尺度上的近似部分分