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设备运行状态监测系统

时间:2019-03-20 13:59 来源:中泰联创 作者:中泰联创 阅读:

l 测试背景 机械状态监测,对运行中的机械设备整体或其零部件的工作状态进行检查监测,以判断其运转是否正常,有无异常与劣化的征兆,或对异常情况进行跟踪,预测其劣化的趋势,确定其劣化及磨损的程度等,这种方法就称为机械状态监测。 机械状态监测的目的

l 测试背景

机械状态监测,对运行中的机械设备整体或其零部件的工作状态进行检查监测,以判断其运转是否正常,有无异常与劣化的征兆,或对异常情况进行跟踪,预测其劣化的趋势,确定其劣化及磨损的程度等,这种方法就称为机械状态监测。

机械状态监测的目的在于掌握设备发生故障之前的异常征兆与劣化信息,以便事前采取针对性措施控制和防止故障的发生,从而减少故障停机时间与因停机而造成的损失,降低维修费用和提高设备有效利用率。对于在使用状态下的设备进行不停机或在线监测,能够确切掌握设备的实际特性有助于判定需要修复或更换的零部件和元器件,充分利用设备和零件的潜力,避免过剩维修,节约维修费用,减少停机损失。特别是对自动线、程式、流水式生产线或复杂的关键设备来说,意义更为突出。

 

l 系统描述

此设备状态监测系统北京中泰联创科技有限公司北京某自动化研究所提供的技术解决方案为监测直升机发动机的机匣和齿轮两条生产线的主要加工设备运行状态,实现制造数据的实时同步采集与监控,进而针对基于多传感器融合的生产线主要加工设备运行状态实时监测大数据平台”、“基于制造大数据的生产线关键加工设备健康预警与远程智能维护生产线主要加工设备加工效率和能耗评估”的相关研究提供数据支撑。利用传感器信号及数控系统内部信号,提取能够反应性能、故障、健康等指标的敏感特征,探采集到的数据与运行状态之间的映射关系,进而对生产线的主要加工设备的健康状况进行预测和分析。

硬件方面工控机、微型振动传感器振动信号采集模块)组成。其中采用我公司EM9000系列多功能数据采集设备(EM9118B-6/ICP)负责完成振动信号的数据采集与处理可以保证所有数据量同步采集,最大采集频率为450KHz。另外,软件系统是基于LabView编程语言,采用了先进的虚拟仪器技术,把计算机强大的计算能力和仪器设备的测试测量、控制能力结合在一起,通过软件实现对试验的实时控制以及数据采集,还可以完成数据的运算、分析、处理、显示、打印及存储,使系统功能远远超过一般仪器的简单组合,特别是在结果保存、波形存储、同步测量、试验报告生成、系统的扩性、多功能等方面体现的优越性是传统手动试验台无法比拟的。
 

l 系统特点

 

u 选用具有误差小、精确度高、重量小的振动传感器

u 数据采集设备工作电压、接口电路、抗干扰能力、快速响应特性、提供IEPE激励等性能符合整体设计,以便作为整体硬件系统搭建的组成部分

u 数据采集模块精度为1/1000,采样周期为10微妙,测量点不少于4个

u 系统软件界面简洁,操作简便。对数据库录入人员、日常检验人员、数据查询人员或非检验人员要有各自权限设置

u 提供软件可实现单路采集、多路采集和特定通道数采集的灵活切换,并根据采集数据转化为可视化图形

u 提供软件可根据每次实验数据按不同自定义正常区间要求进行判定

u 提供软件可根据实验数据生成测试报告与绘制接受曲线 

 

状态监控_预测可能出现的机器故障

 

l 软件功能概述

 

拟收集的数据主要包括两大部分:数控系统内部采集数据数采系统采集的机床数据

数控系统内部采集数据主要包括:机床开停状态(如:运行、停机、空闲、报警等)、机床加工零件的状态信息(如:当前加工零件的程序名称、程序启动时间、程序停止时间、工件实际加工时间、当前零件的加工完成量等)、机床的运行状态信息(如:主轴转速、电机温度、主轴负载、进给速度等)等信息。

数采系统采集的机床数据主要通过多传感器融合的方式,在能够反映机床设备运行状态特征的敏感位置布置相应类型的传感器






多通道振动信号波形图

 

l 硬件功能概述

 

Ø 数据采集模块选型

EM9118B系列数据采集设备,支持以太网接口和USB 接口,它是高速并行、高精度数据采集设备,带有模拟输入、数字量输入、数字量输出、计数、测频、离线采集等功能。本产品可以测量工业现场的电压、电流、频率、基于桥路的传感器、扭矩、IEPE 等信号。A/D分辨率:16位,双端18CH,独立并行采集。转换速率:450KHz/CH,64MB缓冲区。输入范围:±5V、±10V、0~20mA(定制),支持外时钟,外触发;同时支持开关量输入: 4CH;开关量输出:2CH;计数器输入:4路可测频编码器输入:2路PWM输出:2路可设定步数用于控制步进电机ICP: 4路(可选)加速度。本设备使用ARM核心板作为主控单元,它使用以太网接口和上位机连接,为了保证定时采集的精确性,本设备使用FPGA作为采集控制单元,它内部实现了本设备的所有数字逻辑,并且提供了AD转换所需要的组合逻辑。

 


 

★EM9118B数据采集设备,具有离线采集功能,可以脱机使用。可将采集的数据实时存储在EM9118B上的U盘或SD卡内,此产品可脱离计算机独立工作。提高了系统的可靠性,降低了使用成本,可用于恶劣环境下的无人值守及远程监控系统中。
 
  ★EM9118B数据采集设备,具有Web服务器功能。为方便用户使用,EM9118B开通了web服务器功能,主机只要有web浏览器,就可以对EM9118B进行监控,不需要编写任何程序。用户可通过PC端或手机端的web浏览器设置各项参数、查看状态以及查看实时数据。手机或移动设备可通过Wi-Fi与EM9118B直接通讯。
 
★EM9118B产品具有双看门狗:硬件看门狗防止下位机程序进入死锁状态,通讯看门狗防止通讯中断。
 
★EM9118B数据采集设备使用实时嵌入式操作系统linux,资深用户可以自己编写程序完成定制功能,从而完全脱离PC机单独使用。


EM9118B数据采集设备结构
结构材料:ABS757K阻燃,抗振动:17~500Hz,1G PTP
抗冲击: 10G/PEAK(11m ,sec)
工作温度: 0℃~+55℃
存储温度:-20℃~+70℃
净重:385g

Ø 传感器选型及安装

本项目包含了齿轮和机匣两条生产线,生产线主要加工设备来自不同厂家:大连科德、秦川机床、昆明机床等。考虑到大数据平台建设的需求以及预算,在保证数据监测对象类型全覆盖基础上,兼顾设备故障诊断、健康预警、加工效率和能耗评估等智能化提升关键技术顺利研究所需的数据量,拟选取四台设备进行监测,拟选取监测设备如下:

机匣生产线中五轴立式车铣复合加工中心五轴卧式加工中心

齿轮生产线中滚齿机蜗杆磨

机床的振动是影响加工精度的重要因素,而振动信号中往往富含丰富的状态信息基于振动信号的故障检测健康预警广泛应用于机床轴承、丝杠、电机等关键零部件和整机

 

1、传感器选型

为了实现特殊位置的安装,采用微型或超微型振动传感器。根据机床结构和其振动特性,建议采用东华测试公司的三轴及单轴加速度传感器。相关传感器型号及主要参数如下表所示:

品牌

描述

型号

频响范围

量程

灵敏度

质量

安装

东华测试

单轴

1A116E

0.5~10000 Hz

±50g

100mV/g

5.5g

M5螺纹

三轴

1A314E

0.5~7000Hz

±50g

100mV/g

15g

M5螺纹

1 振动传感器主要性能参数

 

2、传感器安装位置

主轴轴承:机床主轴的运行状态往往直接影响到整台机器的加工精度、运行可靠性及使用寿命,其中主轴轴承的健康状况直接影响机床主轴的工作性能,由于轴承频发的故障大部分以局部缺陷形式存在于轴承工作周期的早期,而且大多是潜在故障。因此,对滚动轴承的早期状态监测与故障诊断具有重要意义。

如图所示,在对滚动轴承进行信号采集时,测点位置应选在轴承座上;轴承座装在内部的,监测位置应在与轴承座联接刚性高的部分或基础上。如图1所示,测点有水平(X)、垂直(Y)、轴向(Z)3个方向可供选择,一般情况下优先选择在垂直方向(Y)或水平方向(X)上进行测量,因为该方向便于传感器的安装。
 


1 主轴轴承振动传感器安装示意图
 

 

滚珠丝杠副:滚珠丝杠传动作为数控机床进给系统的重要组成部分,在整个进给传动链中起着将旋转运动转化为直线运动的重要作用,滚珠丝杠副及其支撑系统由于长时间的运行会产生机械磨损,直接影响数控机床的加工质量。因此,对滚珠丝杠副的监测与预警同样重要。
如图2所示为实验室滚珠丝杠副试验台上的振动传感器安装位置,拟在滚珠丝杠副螺母座一侧安装加速度传感器,检测机床滚珠丝杠副振动信号。实际机床上螺母部分会与工作台配合,建议安装在图中红色圈位置,或其他位于滚珠丝杠副装置上的位置,尽量避免在工作台上加装(由于工作台本身刚性会造成振动信号的衰减)。建议对工作强度大、使用频率高的滚珠丝杠副进行重点监测。考虑到滚珠丝杠副运动形式及运动方向相对单一,仅需要单轴传感器就能满足检测需求。

 


 

2滚珠丝杠副振动传感器安装示意图

 

兼顾预算成本,振动传感器数采通道拟采用4个,可加装4个单轴传感器,或1个单轴传感器加1个三轴传感器振动传感器,因此振动传感器安装方案如下:

 

(1) 针对齿轮生产线秦川的滚齿机和蜗杆磨机床:为实现对滚动轴承的早期状态监测与故障诊断,需要测量主轴轴承振动信号。拟在每台设备的主轴轴承座上,以螺纹方式分别沿着垂直方向(Y)和水平方向(X)加装2个单轴加速度传感器并配备BNC接头的低噪声线缆(9米)2根。为实现对滚动滚珠丝杠副的早期状态监测与故障诊断,需要滚珠丝杠副振动信号。拟在每台设备的进给轴X轴和Z轴丝杠螺母座连接件上,以螺纹方式分别加装1个单轴加速度传感器,还需要配备BNC接头的低噪声线缆(9米)2根。

                         

a)主轴轴承座测点                (b)Z轴丝杠螺母座连接件测点

图3滚齿机和蜗杆磨机床传感器安装示意图

 

 

(2) 针对机匣生产线科德提供的五轴卧式加工中心

考虑到机床主轴为外购产品,不便加装传感器,经与科德技术人员协商,选择在机床摆头支撑轴承的轴承座安装1个三轴加速度传感器,并配备BNC接头的三轴低噪声线缆(9米)1根。剩余的一个通道用于1个单轴加速度传

感器,相应的传感器加装在机床X轴的滚珠丝杠副螺母座上,并配备BNC接头的单轴低噪声线缆(9米)1根。

 

        

a)摆头支撑轴承的轴承座测点              (b)X轴丝杠螺母座测点

 

4五轴卧式加工中心传感器安装示意图

 

 

(3) 针对机匣生产线科德提供的五轴立式车铣复合加工中心:

 

拟在机床主轴轴承座安装1个三轴加速度传感器并配备BNC接头的三轴低噪声线缆(9米)1根。剩余的一个通道用于1个单轴加速度传感器,相应的传感器加装在机床X轴的滚珠丝杠螺母副上,并配备BNC接头的单轴低噪声线缆(9米)1根。

因此,六台机床设备加速度传感器的安装方式如下所示:

生产线

机床类型

测量位置

三轴振动

传感器

单轴振动

传感器

齿轮生产线

滚齿机

主轴轴承;X、Z轴丝杠

 

4

蜗杆磨

主轴轴承;X、Z轴丝杠

 

4

机匣生产线

五轴卧加

摆头支撑轴承;X轴丝杠

1

1

五轴立加

主轴轴承;X轴丝杠

1

1

2 振动传感器安装数量及对应机床

l 虚拟仪器软件

 

如使用PC机操作EM9000系列数据采集设备,我公司还可免费提供上位机虚拟仪器分析软件(基于LabVIEW)。

      
 

虚拟仪器软件主要功能:

 

实时波形显示:在采集过程中实时显示数据曲线波形图。

实时数值显示:在采集过程中实时显示所采集数值的结果。

数据存储与回放:对采集的信号进行存储与回放及分析。

显示及打印报表:以曲线或图表的形式打印报表。

图形分析功能:对数据曲线进行缩放、平移、定位(游标)、对比。



 

 

 

 

 

 

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