滾動軸承強(qiáng)化壽命試驗的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

摘要：介紹了滾動軸承加速度強(qiáng)化壽命試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)，分析了VC++程序設(shè)計中的關(guān)鍵問題，并給出了軟件設(shè)計中定時數(shù)據(jù)采集的步驟。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過查詢采集卡內(nèi)部緩存的數(shù)據(jù)長度，在硬件沒有提供可供用戶使用的中斷源情況下，通過控制用戶緩存中的數(shù)據(jù)長度，實現(xiàn)了定時自動數(shù)據(jù)存儲功能。
關(guān)鍵詞：軸承故障診斷；數(shù)據(jù)采集；AC6622；定時功能

    滾動軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的重要零部件之一，其工作狀態(tài)直接決定機(jī)械系統(tǒng)的性能及運(yùn)行情況。在工程實踐中，滾動軸承的一個微小故障都可能導(dǎo)致生產(chǎn)線的停機(jī)或損壞設(shè)備，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因而對滾動軸承工作狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)故障并制定可靠的維修策略具有重要意義。
    為獲得不同故障程度的數(shù)據(jù)，通常先用電火花加工不同直徑的點蝕故障，再測量缺陷軸承的振動加速度數(shù)據(jù)。而滾動軸承的疲勞失效是長期漸變過程，點蝕故障與軸承疲勞剝落的機(jī)理不同，也難以模擬性能失效的緩慢變化過程。因傳統(tǒng)滾動軸承壽命試驗方法具有周期長、費(fèi)用高且試驗結(jié)果可靠性差等缺陷。文中采用能在保持疲勞失效機(jī)理一致的前提下，大大縮短試驗時間、降低試驗成本的滾動軸承強(qiáng)化壽命試驗方法。國內(nèi)滾動軸承數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多數(shù)是芯片級的連續(xù)實時采集和保存的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這類采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性需要反復(fù)測試、存儲數(shù)據(jù)量大。而軸承強(qiáng)化壽命試驗也是耗時長、數(shù)據(jù)采集量大。為了準(zhǔn)確可靠檢測疲勞失效，要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時多點檢測，在連續(xù)采集數(shù)據(jù)的同時還能以固定時間間隔存儲固定時間長度的數(shù)據(jù)。試驗采集系統(tǒng)應(yīng)節(jié)約存儲空間，并能有效提取滾動軸承疲勞失效漸變過程數(shù)據(jù)。這樣就提出了比一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更高的要求。文中設(shè)計的采集系統(tǒng)為板卡級，具有抗干擾力強(qiáng)、性能穩(wěn)定的優(yōu)點。在滿足系統(tǒng)設(shè)計要求的前提下，采用國產(chǎn)采集卡和傳感器，縮減了采集系統(tǒng)的成本，較之同類數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有著較大的價格優(yōu)勢。并在精確定時定量保存數(shù)據(jù)方面作了改進(jìn)，彌補(bǔ)了一般軸承故障診斷采集系統(tǒng)不具備在連續(xù)采集的同時進(jìn)行精確定時定量的數(shù)據(jù)保存工作，因而大大節(jié)省了存儲空間，并能有效提取有用信息。文中設(shè)計的采集系統(tǒng)在軸承強(qiáng)化壽命試驗中成功采集到了有效振動數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    根據(jù)上述要求文中設(shè)計的采集系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

    滾動軸承強(qiáng)化壽命試驗是在杭州軸承測試中心ABLT-1型試驗機(jī)上進(jìn)行的，如圖2所示。

1．1 加速度傳感器
    滾動軸承的振動信號屬于高頻信號，因此采用加速度傳感器進(jìn)行信號的拾取。壓電加速度傳感器是利用壓電效應(yīng)原理，將作用于其上的加速度轉(zhuǎn)換為與之成正比的電荷量，再經(jīng)過電荷放大、變換成輸出電壓信號。考慮到本系統(tǒng)的頻率在4kHz以下，軸承載荷負(fù)載的加速度不會超過10g，采集工作現(xiàn)場環(huán)境溫度高、試驗環(huán)境惡劣、要求精度高等因素，所以本系統(tǒng)選用上海北智公司100系列15117型壓電式加速度傳感器。該型號傳感器具有測量信號質(zhì)量好、噪聲小、抗外界干擾能力強(qiáng)、輸出電壓范圍為±5V等優(yōu)點。其主要性能參數(shù)如表1所示。

1．2 數(shù)據(jù)采集卡
    由于采集系統(tǒng)要求實時快速多通道數(shù)據(jù)采集，且滾動軸承的失效是個慢變化的信號，所以要求A／D轉(zhuǎn)換的分辨率高，以提高檢測數(shù)據(jù)的精度。鑒于以上要求，本系統(tǒng)選用北京雙諾測控公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡AC6622，AC6622其是一款基于PCI總線中速采集卡，支持全速實時不間斷采集。主要性能參數(shù)如下：
    (1)16路單端輸入。輸入電壓：5／10 V、±5 V，軟件控制。
    (2)A／D轉(zhuǎn)換器：16位A／D，采樣頻率可達(dá)250 kHz。
    (3)通道輸入阻抗：10 MΩ。
    (4)輸入通道支持任意起始到任意結(jié)束通道的自動掃描。
    (5)系統(tǒng)精度：0．02％FSR。
    (6)卡上內(nèi)置4 kB采樣FIFO緩沖器。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    本系統(tǒng)要求界面友好、操作方便、實時多通道采集大量數(shù)據(jù)，特別是為了準(zhǔn)確測定失效時間和故障的診斷和預(yù)測提供可靠的數(shù)據(jù)，要求準(zhǔn)確記錄數(shù)據(jù)及時間。根據(jù)以前統(tǒng)計經(jīng)驗一般一次實驗持續(xù)約為30天，連續(xù)采樣數(shù)據(jù)達(dá)幾百GB，所以準(zhǔn)確記錄數(shù)據(jù)及時間是本系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。
    系統(tǒng)在Windows XP下采用VC++6．0軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。Microsoft Visual C++是一款功能強(qiáng)大的可視化應(yīng)用程序開發(fā)工具。憑借其強(qiáng)大的功能和易學(xué)等特點受到了廣大程序員的歡迎，在數(shù)據(jù)采集和工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。雖然VC++自身無法對計算機(jī)的底層硬件進(jìn)行訪問以及利用各種接口板進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和時間控制，但是通過調(diào)用驅(qū)動程序提供的動態(tài)鏈接庫函數(shù)，就可以實現(xiàn)對I／O口的訪問和控制。
    AC6622采集卡以動態(tài)鏈接庫的方式封裝了用戶在Windows環(huán)境下編程需要的函數(shù)，無需用戶編寫驅(qū)動程序，這樣就大大縮短了整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)周期。在這些函數(shù)中，幾個重要的函數(shù)如表2所示。

    數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計的關(guān)鍵問題是在實現(xiàn)連續(xù)采集的同時以固定時間間隔保存固定時間長度的振動數(shù)據(jù)。AC6622采集卡是在FIFO半滿時產(chǎn)生一次中斷，驅(qū)動接收中斷后自動將2 kB數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部緩沖中，而后用戶通過調(diào)用Read_A／D()函數(shù)讀取內(nèi)部緩沖中的采集數(shù)據(jù)。采集卡沒有提供用戶使用的中斷源，要實現(xiàn)精確定時寫入定量的數(shù)據(jù)到存儲設(shè)備中，無法通過采集卡硬件中斷實現(xiàn)。
    實現(xiàn)定時數(shù)據(jù)存儲有兩種方案，第1種方案是利用Windows下提供直接使用的定時器函數(shù)控制數(shù)據(jù)采集卡定時自動保存數(shù)據(jù)。第2種方案是根據(jù)采樣率一定情況下，每個采樣點所用時間是固定的，通過查詢采集卡讀回數(shù)據(jù)的長度進(jìn)行時間換算，進(jìn)而通過控制每次讀回數(shù)據(jù)的長度進(jìn)行時間上的定時。
    第1種方案雖然有編程簡單，容易實現(xiàn)的優(yōu)點，但是利用VC6++編程時，Windows下提供直接使用的定時器函數(shù)SetTimer()、KillTimer()和()nTimer()函數(shù)的定時精度只有55 ms，而且通過SetTimer()函數(shù)設(shè)置的常規(guī)定時器的定時事件是由消息引發(fā)的，而Windows是一個多任務(wù)的操作系統(tǒng)，在其消息隊列中的定時器消息WM_TIMER的優(yōu)先級很低，所以較難保證所發(fā)出的定時消息能及時得到響應(yīng)和處理。此外Windows的工作方式為搶占式，其內(nèi)部的時間管理函數(shù)并不能實現(xiàn)等間隔的時間控制。因此第1種方案只適用于定時精度不高的地方，這樣就不能滿足本系統(tǒng)精確定時的要求。
    第2種方案在編程上較第一種方案稍復(fù)雜，通過查詢采集卡讀回數(shù)據(jù)的長度實現(xiàn)定時功能，而該方式的定時依賴于采集卡硬件自身的時鐘系統(tǒng)，較第1種方案定時更加精確，在200 kHz的采樣率下定時精度能達(dá)到5μs。因此文中采用第2種定時方案。系統(tǒng)流程框圖，如圖3所示。

    數(shù)據(jù)定時方面，對于因調(diào)用Read_A／D()函數(shù)的時間間隔不能嚴(yán)格相等，導(dǎo)致Read_A／D()函數(shù)每次返回的數(shù)據(jù)長度可能會不相等，致使無法準(zhǔn)確定時的問題。解決方法是開辟一個用戶緩存區(qū)作為數(shù)據(jù)緩沖池，每次從數(shù)據(jù)緩沖池獲取定長數(shù)據(jù)量。具體實現(xiàn)的部分代碼如下
   
   
    數(shù)據(jù)保存方面，因每秒鐘需將大量浮點型數(shù)據(jù)寫入文本文件所占用的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了調(diào)用Read_A／D()函數(shù)允許的最長時間間隔，導(dǎo)致內(nèi)部緩存溢出。于是提出將采樣數(shù)據(jù)放到臨時開辟足夠大的用戶緩存中，然后調(diào)用fwrite()函數(shù)一次性將用戶緩存中的數(shù)據(jù)寫入到文本文件中，具體實現(xiàn)的部分代碼如下

    通過以上關(guān)鍵技術(shù)能很好解決精確定時和多條通道數(shù)據(jù)實時采集。

3 試驗結(jié)果
    為防止出現(xiàn)因追加保存數(shù)據(jù)操作的時間過長而影響采集系統(tǒng)的實時性，所以每分鐘采集數(shù)據(jù)保存一個文件。兩次數(shù)據(jù)采集共持續(xù)了24天14時25分，占用209 GB的存儲空間，如果使用普通的連續(xù)采集系統(tǒng)需要占用2 508 GB存儲空間。應(yīng)用文中設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對ABLT-1型滾動軸承強(qiáng)化壽命試驗機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集結(jié)果如表3所示。

    實際采集結(jié)果表明文中設(shè)計的采集系統(tǒng)能夠較好地實現(xiàn)連續(xù)采集和定時數(shù)據(jù)存盤，并且較普通連續(xù)采集系統(tǒng)能節(jié)約更多存儲空間，實現(xiàn)精確定時。文中設(shè)計的采集系統(tǒng)適用于需要長時間連續(xù)采集，精確定時存儲和大量數(shù)據(jù)保存的數(shù)據(jù)采集工作。圖4為系統(tǒng)單通道在50 kHz采樣頻率下所采集的滾動軸承振動信號波形圖。

    由上述結(jié)果看出，采集數(shù)據(jù)能實時準(zhǔn)確記錄滾動軸承振動信號，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計要求。

4 結(jié)束語
    文中提出的基于工業(yè)PC機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡的連續(xù)數(shù)據(jù)采集定時自動存儲的采集系統(tǒng)，通過循環(huán)檢測用戶緩存是否裝滿以實現(xiàn)采集卡的定時數(shù)據(jù)保存功能，能實現(xiàn)精確定時并具有良好的實時性。該系統(tǒng)應(yīng)用于滾動軸承強(qiáng)化壽命試驗數(shù)據(jù)采集，能記錄漫長失效過程的有效信息，且節(jié)約存儲空間并降低采集系統(tǒng)成本。