基于ZigBee无线通信技术的机械主轴轴承振动检测_徐艳.pdf

第4 1卷 第1期2 0 2 3年1月MA CH I N E R Y&E L E C T R ON I C SV o l.4 1N o.1J a n.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2 0 1 1 0作者简介:徐 艳(1 9 8 1-),女,江苏宿迁人,硕士,工程师,研究方向为电子测量仪器及通信工程。基于Z i g B e e无线通信技术的机械主轴轴承振动检测徐 艳(西安交通大学城市学院电气与信息工程系,陕西 西安7 1 0 0 1 8)摘 要:为了明确当前机械运转过程中可能出现故障的位置和危险程度,提出了基于Z i g B e e无线通信技术的机械主轴轴承振动检测方法。将采集的现场信号转为电信号,使用内核型号为5 1的C C 2 4 3 0异步串行端口进行逐字传输,结合C语言建立无线传感循环传输通信基站。使用时域指标方式计算峭度指标、裕度指标和有效值,利用结构参数和几何模型提取振动特征频率,针对不同频率下振动信号,使用小波分组和小波重构方程组消除噪声,借助频带运行能值判断当前振动类型。对比实验通过分析小波分解功率值与能值,验证所构模型的自适应能力,结果表明,提出的检测方法从主轴振动频谱入手,能够准确找出故障原因,具有较高的可行性。关键词:机械主轴轴承;Z i g B e e无线通信;振动检测;小波分解;网络协议中图分类号:TH 1 1 3.1 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 1 2 2 5 7(2 0 2 3)0 1 0 0 7 0 0 5V i b r a t i o nD e t e c t i o no fM e c h a n i c a l S p i n d l eB e a r i n gB a s e do nZ i g B e eW i r e l e s sC o mm u n i c a t i o nT e c h n o l o g yX UY a n(D e p a r t m e n to fE l e c t r i c a l a n dI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g,X ia nJ i a o t o n gU n i v e r s i t yC i t yC o l l e g e,X ia n7 1 0 0 1 8,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t oc l a r i f yt h el o c a t i o na n dr i s kd e g r e eo fp o s s i b l ef a u l t s i nt h ec u r r e n tm e c h a n i c a lo p e r a t i o n,am e c h a n i c a l s p i n d l eb e a r i n gv i b r a t i o nd e t e c t i o nm e t h o db a s e do nZ i g B e ew i r e l e s s c o mm u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i sp r o p o s e d.T h e c o l l e c t e d f i e l ds i g n a l s a r e c o n v e r t e d i n t oe l e c t r i c a l s i g n a l s a n d t r a n s m i t t e dw o r db yw o r du s i n gt h eC C 2 4 3 0a s y n c h r o n o u ss e r i a lp o r tw i t hc o r em o d e l 5 1,c o m b i n e dw i t hCl a n g u a g et oe s-t a b l i s haw i r e l e s ss e n s i n g l o o pt r a n s m i s s i o nc o mm u n i c a t i o nb a s es t a t i o n.T h ek u r t o s i s i n d e x,m a r g i ni n d e xa n de f f e c t i v ev a l u ea r ec a l c u l a t e db y t i m e d o m a i n i n d e xm e t h o d,a n d t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c f r e q u e n c yi se x t r a c t e db ys t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n dg e o m e t r i cm o d e l.F o rv i b r a t i o ns i g n a l sa td i f f e r e n tf r e q u e n c i e s,w a v e l e tg r o u p i n ga n dw a v e l e tr e c o n s t r u c t i o ne q u a t i o n sa r eu s e dt oe l i m i n a t en o i s e,a n dt h ec u r r e n tv i b r a-t i o nt y p e i s j u d g e db yf r e q u e n c yb a n do p e r a t i n ge n e r g yv a l u e.C o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t sv e r i f yt h ea d a p t i v ea b i l i t yo f t h em o d e lb ya n a l y z i n gt h ep o w e rv a l u ea n de n e r g yv a l u eo fw a v e l e td e c o m p o s i t i o n.T h er e s u l t ss h o wt h a t t h ed e t e c t i o nm e t h o dc a nf i n do u t t h e f a u l t c a u s ea c c u r a t e l yw i t hh i g hf e a s i b i l i t y.K e yw o r d s:m e c h a n i c a l s p i n d l eb e a r i n g;Z i g B e ew i r e l e s s c o mm u n i c a t i o n;v i b r a t i o nd e t e c t i o n;w a v e l e t d e-c o m p o s i t i o n;n e t w o r kp r o t o c o l0 引言机械设备在运行过程中不可避免地会发生一定频率振动,振动加速度是衡量设备是否正常运转的重要指标。若设备出现故障加速度就会发生改变,导致设备振动幅度加大,振动频率也会随之升07徐 艳:基于Z i g B e e无线通信技术的机械主轴轴承振动检测机电一体化高。如果能实时测量机械运行中的振动加速度幅值,就可以更好地掌握设备的工作状态,第一时间检测出故障部位,及时停止设备进行检修,消除人员工作中的威胁。由于加速度频率变化区间较大,无法进行物理布线,导致有线数据传输质量较差。如果采用蓝牙等传统的无线通信方式,存在通信距离短和能效耗费高问题。同时在工业领域,尤其是石油化工方面的无线通信工作,需格外重视无线频率防爆安全,必须限制网络中节点的频率传送功率,节点间的无线通信距离也被缩短,加大了机械振动加速度信号的全频域采集难度,提高了振动检测的实时要求。为提高机械主轴轴承检测的可信度,本文使用Z i g B e e的新型无线传输技术进行短距离、高效数据传输,节点与节点间信息交换更加安全和稳定,且具备高容量性的特点。1 Z i g B e e无线通信结构原理无线通信技术的工作原理,就是将收集的现场信号通过传感器形成电信号,经由A D转换器取得样本,量化处理后进行编码转化为数字信号。将形成的电信号和数字信号储存到数据库中,再传输至尾端接收器。该技术采用基于8 0 2.1 5.4规范的网络协议,工作频率在2.4 0 52.4 8 0GH z之间,将直接序列扩频作为通信方式,传输速度为2 2 0k b i t/s。Z i g B e e通信技术的工作运行结构如图1所示。ZigBee?ZigBeeA?ZigBeeC?ZigBeeE?ZigBeeB?ZigBeeD?ZigBeeF?PC?图1 Z i g B e e无线通信结构本文在Z i g B e e基础站上增加嵌入式系统,用于整合各传感器通信设备,使彼此间能够获得联系。嵌入式系统由多个Z i g B e e节点组成,各节点均可采集机械主轴轴承的振动数据,与其他节点和外部通信设备交互信息。Z i g B e e无线通信结构采用低速、短距离传输特性的无线网上协议,使得多个传感器能够互相协作,以获得高品质、高容错率的采集信息。开放系统的直连式存储模块主要用于收集信号并与外界保持通信,将得到的数据传送至各节点形成的通信基站。Z i g B e e无线通信技术能够完成收集、计算、传输数据等工作,传感器节点主要由接收发送、数据处理、传感器、存储和电源模块构成。2 基于Z i g B e e无线通信技术的振动数据传输 为提高软件性能和开发效果,结合C语言设计通信程序,主要分为2部分:一部分是使用C C 2 4 3 0异步串行端口,方便数据传送至主机;另一部分是利用串口整合接收到的数据,随后传送至主机。功能主要包括:调试发生中断的服务程序、处理和传输接收到的数据。完整的数据是串口子程序运行的基础,子程序传输至Z i g B e e基站缓存器中,由C语言通信将数据再传送至各Z i g B e e节点中,确定待运行串口,便于传输时不需要再考虑其他因素,节省决策时间。由于C C 2 4 3 0内核型号是5 1,因此,本文利用逐字传输方式对轴承信号进行检测。通信时需等待中断提醒,即每当用缓冲器传输1个字节,等待出现中断标志才能继续进行操作。发生中断时,表示Z i g B e e串口节点中的数据已完成发送,在继续发送之前,必须清除中断标志。如果需要接收或传输1组数据,则必须一直调用中断函数,直到整个阵列中的数据传输完成为止,数据接收和发送模块主要工作是采集区域内的信号,计算实时数据,传感器节点在完成处理、定位后,在节点间进行无线数据转换,通过常用的串行通信接口,传输主轴轴承的振动信号。传输主轴轴承振动信号过程中,首先传送函数字符组,随后删除已完成数据,再对等待字符组行进传输处理,具体传输流程如图2所示。?()?a?YYNN?0?()b?YN?/,?I O0图2 基于Z i g B e e通信技术的振动信号传输流程172 0 2 3(1)通信系统的另一部分,利用串口在中断模式中接收字符并进行相关处理,如果收到的字符长度大于2 8,或收到结束符,则停止无线传输,将得到的字符串反向传输至客户端。3 机械主轴轴承振动数据检测方法主轴是机械器件的关键组成部分,承担载荷和扭矩作用,故障生成多由轴承引起。面向普通标准的滚动轴承,当滚动体内圈或外圈发生磨损、锈蚀、断裂和扭曲等现象时,均会产生较大的摩擦力,出现异常振动信号,降低设备安全1。3.1 机械主轴轴承振动时域指标当机械发动机运行状态异常时,因存在周期性冲撞振动信号,原始周期振动信号的振幅和信号的能量分布将发生明显变化。所以可直接检测采集的