一种减速器振动监测系统的设计

一种减速器振动监测系统的 王美思 （南京农业大学，江苏南京210031） 摘要：减速器振动对机械传动危害巨大，现采用高性能处理器STM32F103ZET6和数字加速度传感器ADXL345设计了一套减速器振动监测系统，用于对减速器振动量进行快速检测，并运用高斯滤波算法对检测数据进行滤波处理，提高测量精度。实时计算X、Y、Z三轴方向的加速度和瞬时速度并在LCD液晶上予以显示，给出减速器当前的振动信息。试验表明，该系统响应速度快，测量精度较高，有良好的应用效果。 关键词 ：减速器；振动；加速度；监测 0引言 减速器在机械传动中发挥着至关重要的作用。在实际使用过程中，减速器的振动直接影响着传动轴、发动机或电机等动力设备的安全运行，甚至可能产生严重后果［1］，因而对减速器的振动量进行监测与故障对预防传动系统故障、降低故障损失有重要意义。振动信号作为检测分析对象，对其进行敏感而精确的检测是后续处理的重要前提。 本文采用加速度传感器和高性能处理器构建了一套减速器振动监测系统，通过对传感器输出的加速度信号进行滤波处理，获得准确的加速度输出信号，计算完成后经串口打印输出。 1设计 监测系统由加速度传感器、处理器、电源模块、LCD显示模块和串行接口电路组成，系统采用数字式加速度传感器，安装在减速器主轴上，系统由电源模块给处理器和加速度传感器供电，上电初始化完成后，处理器即以固定的扫描频率f周期检测加速度传感器的输出，并通过滤波处理提高检测精度，实时计算减速器的X、Y、Z三相加速度和瞬时速度，通过串行接口电路予以输出，并在液晶模块上实时显示。 2硬件 监测系统以ST公司CortexM3内核的32位STM32F103系列低功耗处理器为核心，配以3.2英寸液晶LCD模块和一路串行接口电路。STM32F103ZET6拥有512kBFlash、64kBRAM、多路RS232串口和ADC转换功能等丰富的外设及接口资源，外部采用8MHz晶振，可提供高达72MHz频率的时钟，满足系统实时性需求［2］。串行接口电路基于MAX3232串行芯片进行设计，可支持双工串行通信，具有良好的经济实用性。 液晶模块采用基于ILI9320芯片的3.2英寸LCD模块，与处理器之间采用SPI接口连接，通过01h和03h寄存器来控制GRAM的刷新方向，设置AM=1，ID=01，输入地址更新方向为垂直方向。 加速度传感器采用ADLX345芯片的加速度传感器模块，ADXL345是ADI公司推出的采用MEMS技术具有SPI和IIC数字输出功能的三轴加速度传感器芯片［3］，具有小巧轻薄、低功耗、量程可变和高分辨率等特点，可选量程为±2g、±4g、±8g、±16g（g为重力加速度），可采用固定的4mg/LSB分辨率模式，可测量静态重力加速度，也可测量运动或振动总的动态加速度，在手机等移动设备上应用广泛。 本系统中处理器采用IIC接口与ADXL345通信连接，进行数据读取。使用时，CS引脚连接至VDDI/O，ALTADDRESS引脚接任一VDDI/O或接地，SCL时钟设置输入设为400kHz，此时最大输出数据速率为800Hz，ADXL345还支持多种中断处理方式，可通过数据更新中断读取加速度值，也可定周期读寄存器查询加速度输出值，本文采用定周期读取方式实时读取加速度传感器值，周期设为2s。 3软件 3.1模块及功能 MCU设定定时中断采样，采样频率为100Hz，即每秒进行100次采样，采样数据均存在数据缓冲区Buffer内，采样完成后调用滤波算法对采样数据进行滤波处理以减小偶然误差，紧接着再利用处理后的均值计算速度值并在LCD上予以显示。STM32程序采用MDK4.0开发环境以C语言进行开发，主要包括以下功能模块： （1）Initial_device（）：硬件资源（如时钟、定时器、I/O口等）、串行接口和ADXL345加速度传感器等的初始化。 （2）Multiple_Read_ADXL345（）：连续读取ADXL345的数据并进行数据校验，确保数据的正确性。 （3）Value_Convert（）：加速度值转换数，将读取的三轴加速度值进行高斯滤波处理，然后对每组加速度值求均值，分别记为aX、aY、aZ，并计算X、Y、Z方向的速度值vX、vY、vZ。速度按式（1）计算： 本研究中将概率密度f（x）≥0.8的数据认为是大概率事件，即有效数据，将此类数据保留，其他数据认为是扰动数据，予以删除。求取有效数据的样本均值，即可得到高斯滤波后的优化值［4］。 系统上电后即对时钟及外部电路包括加速度传感器进行初始化，初始化完成后，开启10ms定时器中断，即每10ms采样一次，每秒采样100次；完成100次采样后进行一次高斯滤波处理，并根据滤波后的数据计算速度和加速度值，然后调用液晶显示程序，在液晶模块上予以显示，并通过串口打印输出。 4试验结论 对设计的硬件和软件系统进行融合，并对集成的监测系统进行性能测试。选择一台MX18微型行星齿轮减速器（电机）来测试，减速器规格：外径180mm，速比1∶5～1∶18075，噪音55dB，效率70%，转矩20mN·m～2N·m［5］。试验中采用笔记本电脑的AccessPort调试助手对系统的振动信息进行监测，记录10s内减速器加速度输出值，并在第5秒后加大减速器的输入功率，对试验记录数据进行曲线拟合，得到加速度与时间的时域关系如图1所示。 由于每两次采样时间间隔为1s，因而图1未完全反映减速器运行过程中的完整振动响应关系。但从图中趋势可以看出，第5秒后加速度输出幅值有明显变化，达到试验预期效果。 5结语 本系统采用嵌入式处理器和数字式加速度传感器设计实现了减速器振动监测系统，系统对减速器主轴的三轴加速度和瞬时速度以固定周期进行扫描，并通过LCD液晶予以显示，同时通过串行接口电路予以输出。试验表明，该系统对减速器的振动监测效果良好，是一种经济方便的监测方案。 ［参考文献］ ［1］殷芬.3R02型减速器箱体振动特性的数值模拟分析［J］.价值，2012，31（11）：22?23. ［2］薛延华，王志广，邵滨，等.齿轮箱箱体结构对其振动模态的影响研究［J］.机械传动，2008，32（6）：107?109. ［3］沈克伟.大型汽轮机组远程振动监测系统研究［D］.华北电力大学，2013. ［4］卢文龙，王建军，刘晓军.基于CUDA的高速并行高斯滤波算法［J］.华中科技大学学报：自然科学版，2011，39（5）：10?13. ［5］刘明红.边缘传动磨机减速器振动监测及振动限值［J］.四川水泥，2014（3）：146?150. 收稿日期：2015?07?21 作者简介：王美思（1993—），女，辽宁人，本科在读，研究方向：机电。 1