CN100573086C - 全自动铁路货车轴承动态质量检测系统 - Google Patents

Abstract

全自动铁路货车轴承动态质量检测系统属于轴承振动检测及质量控制技术领域。前置放大器安装在传感器中；低、中、高频8挡程控放大器+低、中、高频高通滤波器制作在一个电路板A上；低、中、高频低通滤波器+I/O控制+多路A/D转换制作在电路板B上；3路信号发生器制作在线路板C上；I/O接口制作在线路板D上；电源+音量功率放大制作在E板上。系统由2个A板、2个B板、2个E板、1个C板、1个D板、2个E板共10个独立电路板和一台工控机组成。10个电路板安装在工控机主机箱中。本发明所达到的有益效果是：能够实时检测，实时质量分析。主要应用于轴承振动检测及质量控制领域。

Description

全自动铁路货车轴承动态质量检测系统

技术领域

本发明属于轴承振动检测及质量控制技术领域。

背景技术

随着铁路运输的一次次大提速，铁路轴承的动态质量就越显重要，而我国铁路货车轴承的动态质量一直没有手段检测。

双通道具有SPC功能的全自动轴承动态检测仪不但可以实时检测每一套轴承的动态质量，对轴承工作表面有缺陷的轴承予以诊断、剔除，还具有实时质量分析功能。此项内容填补国内轴承动态质量检测空白。

发明内容

本发明的目的就是提供一种实时检测，实时质量分析的全自动铁路货车轴承动态质量检测系统。

本发明的技术解决方案是，

硬件由双通道具有SPC功能安得鲁虚拟振动测量仪20、28、29、搬运机构9、25、26、27、两个轴向加载机构1、2、3、4、5、19、两个提升工作台12、14，两个主轴旋转机构30、31、15、翻转工位13、23、24、分选机构16、17、18、机械系统控制箱21、系统运行状况指示灯20组成。

搬运机构的构成：搬运汽缸25固定在床体31上，伸缩汽缸23和搬运机械手27固定在搬运汽缸运动系上。

轴向载荷机构构成：下移汽缸1固定在床体支架上，汽缸杆与组合体2固定，微提汽缸3、锁紧汽缸4、卡爪19、加载环5固定在组合体上。

提升工作台的构成：提升汽缸14通过支架固定在床体上，汽缸杆与滑动工作台12连接。

翻转机构构成：提升汽缸13固定在床体上，伸缩汽缸23通过支架固定在床体上，翻转机械手24与伸缩汽缸23杆相连。

分选机构构成：传送带16、感应传感器17、推出机械手18均通过支架固定在床体上。

前置放大器安装在传感器中；低、中、高频8挡程控放大器+低、中、高频高通滤波器制作在一个电路板A上；低、中、高频低通滤波器+I/O控制+多路A/D转换制作在电路板B上；3路信号发生器制作在线路板C上；I/O接口制作在线路板D上；电源+音量功率放大制作在E板上。

整个系统由2个A板、2个B板、2个E板、1个C板、1个D板、2个E板共10个独立电路板和一台工控机组成。10个电路板安装在工控机主机箱中。

软件构成：

1.绘制刷新主测量界面模块

2.闲置测量模块：由信号采集、数据处理、测量结果刷新和波形显示子模块构成。

3.测量模块：由信号采集、数据处理、测量结果刷新和波形显示、输出判定、显示质量统计结果和判定结果、更新质量趋势图和测量结果存储子模块构成。

4.其它功能模块：

1)设置测量参数

2)设置门限

3)设置系数

4)提取数据

5)校对仪器

6)清零

7)清最后一次测量数据

8)打印分析图形

9)→←选择表盘

10)↑↓增大减小量程

(一)、开机后，绘制刷新主测量界面程序模块绘制出图3所示主测量界面；该界面分有以下16个区域：

1.其它测量参数区：分别显示前后(I、II)工位所测量的峰值因子和峭度值

2.质量统计区：分别显示总测量个数、总合格率和A1组、A2、A3H和A4组合格率。

3.门限区：显示低、中、高频门限值。

4.前(I)工位质量水平判定区：根据前工位测量结果显示所达到的质量水平。

5.后(II)工位质量水平判定区：根据后工位测量结果显示所达到的质量水平。

6.高频质量趋势图：将最近50件样本的高频振动质量结果显示在该区域。

7.P/R阈值区：显示预先设置的峰值(P)/有效值(R)超过设定阈值的计数值。

8.文件名称显示区：显示测量结果将要存储的文件名称

9.前(I)工位振动波形显示区：实时显示前工位振动波形

10.后(II)工位振动波形显示区：实时显示后工位振动波形

11.功能键提示区：提示各项功能操作热键

12.后(II)工位振动测量结果显示区：实时显示后工位低、中、高频测量结果。

13.前(I)工位振动测量结果显示区：实时显示前工位低、中、高频测量结果。

14.量程指示区：分别指示低、中、高频满刻度量程。

15.低频质量趋势图：将最近50件样本的低频振动质量结果显示在该区域。

16.中频质量趋势图：将最近50件样本的中频振动质量结果显示在该区域。

系统完成主测量界面绘制后，程序从门限文件中调出门限、阈值对图4中的3区和7区进行更新显示；程序根据系统日期确定的文件名称对8区更新显示，同时根据该文件名调出历史测量数据，更新显示6、15、16区的三个频段质量趋势图；根据上一次关机前存储的量程状态设置量程。

(二)、系统在没有接到PLC开始测量指令时，程序循环运行空闲测量模块。在这一阶段运行中，通过信号采集、数据处理、测量结果刷新和波形显示子程序的运行，使系统处于循环测量状态。在这一过程中可以测量机械系统基础振动、外部校对和观察系统运行状态等操作。

(三)、系统接到PLC开始测量信号后，立即进入测量模块：由信号采集、数据处理、测量结果刷新和波形显示、输出判定、显示质量统计结果和判定结果、更新质量趋势图和测量结果存储子模块构成一个测量循环。然后系统再次进入空闲测量模块进行循环运行，等待下一次PLC发出的开始测量指令。质量趋势图采用“平均值与极差”X-R模式。

(四)、其它功能模块的实施

在空闲测量模块循环运行过程中，如果有功能键按下，则程序开始调用以下专用功能子程序：

F1：进入设置测量参数：这是一个文档界面，在这里可以设置：零件类型、测量延时、测量日期、测量单位、验收门限、P/R阈值、测量平均次数和输出延时。按Esc键返回。

F2：设置门限：这是一个文档界面，在这里可以设置：A、A1、A2、A3、A4组门限。按Esc键返回。

F3：设置系数：这是一个文档界面，在这里可以设置：传感器灵敏度和用户修整系数。按Esc键返回。

F4：清零：按下F4键后，程序将图4中8区确定的文件内容清空；图4中的2、6、15、16区清空。

F5：提示其它功能热键：图4的11区只提示三个功能热键，按F5键后，程序在图4界面上弹出一个窗口，提示其它热键功能。按Esc键返回。

F6：清最后一次测量：按F6键后，程序将清除最后一次测量结果，在图4中刷新2、6、15、16区。

F7：提取数据：按F7键后，程序在图4界面上弹出一个对话框，提示你想查看的历史文件；文件内容可以屏幕输出或打印机输出。按Esc键返回。

F8：校对仪器：系统进入校对模式，这时程序启动图2中程控开关，断开前置放大器输出，接通三路信号发生器，将低、中、高频校准信号依次输入主测量电路，程序依次扫描三个频带的八挡程控放大电路，同时采集输入和输出信号，通过对输入、输出信号的差值计算得出每个挡位修整系数，存储在系统文件中，用以修整仪器的测量结果。按Esc键返回。

F10：工序能力分析：按F10键，程序弹出图5界面，根据最后50件样本的质量水平，画出三个频段的直方图，计算并显示出各频段的平均值、最大值、最小值、50件样本合格率、Cp值，总合格率、A组、A1组、A2组、A3组、A4组合格率。图5可以打印。按Esc键返回。

P：打印分析图形：按P键，程序自动打印图4中的质量趋势图。

S：保存数据文件：通常程序每测量五个样本就自动保存一次数据。当按S键后，程序立即将当前测量数据予以保存。

←→：通过按←→键可以选择图4中14区低、中、高频满刻度量程显示框，被选中的量程显示字母和边框将改变颜色。这时图4中的9、10区显示的是与之对应的振动波形。

↑↓：通过按↑↓键可以改变被选中的频段满刻度量程大小。

Esc：在图4界面下，按Esc键退出全部运行程序。

本发明所达到的有益效果是：能够实时检测，实时质量分析。

1)前置放大器采用差动输入，提高信噪比。

2)8挡程控放大器放大量分别为2⁰～2⁷，用以扩大仪器动态量程，提高A/D采样精度。

3)高通滤波器和低通滤波器均采用阻带衰减大于40dB的切比雪夫有源滤波器，满足JB/T5313-2001要求。

4)A/D转换精度为12位；数模转换频率大于80KHz，满足最大测量频率为10KHz的需要。

5)I/O系统采用8255并行可编程芯片，可提供24路输入/输出接口；与PLC通讯接口采用光电隔离技术。

6)为减少电源波动的影响，模拟电路采用独立的直流稳压电源供电。

7)内部程控信号发生器分别提供200HZ、1KHz和3KHz交流正弦信号，作为标准信号源对仪器进行自校准。

8)所有硬件均装在一台工控机中，通过微机接口插槽完成与微机的通讯联系。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

图1是本发明的主视图。

图2是本发明的右视图。

图3是本发明的总程序框图。

图4是开机后，程序按预定方案绘制出主测量界面图。

图5是本发明的最后50件样本的质量水平界面图。

图6是本发明的1、2通道框图。

图7是本发明的硬件系统框图。

具体实施方式

为使硬件开展工作，用C语言编写应用程序，总程序框图见图3；

1)、开机后，程序按预定方案绘制出主测量界面，见图4；

主界面分16个区域，各区域功能如下：

1.其它测量参数区：分别显示前后(I、II)工位所测量的峰值因子和峭度值

2.质量统计区：分别显示总测量个数、总合格率和A1组、A2、A3H和A4组合格率。

3.门限区：显示低、中、高频门限值。

4.前(I)工位质量水平判定区：根据前工位测量结果显示所达到的质量水平。

5.后(II)工位质量水平判定区：根据后工位测量结果显示所达到的质量水平。

6.高频质量趋势图：将最近50件样本的高频振动质量结果显示在该区域。

7.P/R阈值区：显示预先设置的峰值(P)/有效值(R)超过设定阈值的计数值。

8.文件名称显示区：显示测量结果将要存储的文件名称

9.前(I)工位振动波形显示区：实时显示前工位振动波形

10.后(II)工位振动波形显示区：实时显示后工位振动波形

11.功能键提示区：提示各项功能操作热键

12.后(II)工位振动测量结果显示区：实时显示后工位低、中、高频测量结果。

13.前(I)工位振动测量结果显示区：实时显示前工位低、中、高频测量结果。

14.量程指示区：分别指示低、中、高频满刻度量程。

15.低频质量趋势图：将最近50件样本的低频振动质量结果显示在该区域。

16.中频质量趋势图：将最近50件样本的中频振动质量结果显示在该区域。

系统完成主测量界面绘制后，程序从门限文件中调出门限、阈值对图4中的3区和7区进行更新显示；程序根据系统日期确定的文件名称对8区更新显示，同时根据该文件名调出历史测量数据，更新显示6、15、16区的三个频段质量趋势图；并根据上一次关机前存储的量程状态设置量程。

2)、程序开始查询PLC是否发出开始测量信号，如果没有，就开始以下工作：

3)、程序进入信号采集工作，采集过程中A/D转换时间小于10微秒，每次对每个频段的采样个数不少于2000个。

4)、程序进入数据处理工作：首先利用(1)式对三个频段进行有效值计算。

$X=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Xi}}{N}}---\left(1\right)$

式中：X：为有效值

      Xi：为单个采样值

      N：为样本个数

利用(2)式进行峰值因子计算：

$Y=\frac{P}{X}---\left(2\right)$

式中：Y：峰值因子

      X：为有效值

      P：为在N个样本中的峰值

利用(3)计算峰值计数S值。

S＝[Y＞阈值，S+1]        -------(3)

利用(4)式计算峭度值

$K=\frac{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(\mathrm{Xi}-\stackrel{\‾}{X})}^4}{{\left[\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(\mathrm{Xi}-\stackrel{\‾}{X})}^2\right]}^2}---\left(4\right)$

式中：X：件样本平均值

5)、测量结果刷新和波形显示：根据第2)步计算结果对图4中的1、12、13区进行更新显示；根据前、后通道采集的样本，刷新显示振动波形。

6)、程序查询是否有功能键按下，如没有则转入第2)步重新开始下一轮运行。

7)、如果程序在第2)步查询到有开始测量信号，则在完成第3)、4)、5)步后，开始以下工作：

8)、输出判定信号：将测量结果和门限、P/R阈值比较，将比较结果发给PLC。

9)、显示质量统计结果和判定结果：根据测量结果和判定结果更新图4中1、2、4、5区。

10)、更新质量趋势图：根据测量结果更新图4中6、15、16区。质量趋势图采用“平均值与极差”X-R模式。

11)、测量结果存储：将测量结果存储在图4中8区显示的文件中。

12)、程序再次进入第6)步，查询是否有功能键按下，如没有则转入第2)步重新开始下一轮运行。如果有功能键按下，则程序开始调用以下专用功能子程序：

F1：进入设置测量参数：这是一个文档界面，在这里可以设置：零件类型、测量延时、测量日期、测量单位、验收门限、P/R阈值、测量平均次数和输出延时。按Esc键返回。

F2：设置门限：这是一个文档界面，在这里可以设置：A、A1、A2、A3、A4组门限。按Esc键返回。

F3：设置系数：这是一个文档界面，在这里可以设置：传感器灵敏度和用户修整系数。按Esc键返回。

F4：清零：按下F4键后，程序将图4中8区确定的文件内容清空；图4中的2、6、15、16区清空。

F5：提示其它功能热键：图4的11区只提示三个功能热键，按F5键后，程序在图4界面上弹出一个窗口，提示其它热键功能。按Esc键返回。

F6：清最后一次测量：按F6键后，程序将清除最后一次测量结果，在图4中刷新2、6、15、16区。

F7：提取数据：按F7键后，程序在图4界面上弹出一个对话框，提示你想查看的历史文件；文件内容可以屏幕输出或打印机输出。按Esc键返回。

F8：校对仪器：系统进入校对模式，这时程序启动图2中程控开关，断开前置放大器输出，接通三路信号发生器，将低、中、高频校准信号依次输入主测量电路，程序依次扫描三个频带的八挡程控放大电路，同时采集输入和输出信号，通过对输入、输出信号的差值计算得出每个挡位修整系数，存储在系统文件中，用以修整仪器的测量结果。按Esc键返回。

F10：工序能力分析：按F10键，程序弹出图5界面，根据最后50件样本的质量水平，画出三个频段的直方图，计算并显示出各频段的平均值、最大值、最小值、50件样本合格率、Cp值，总合格率、A组、A1组、A2组、A3组、A4组合格率。图5可以打印。按Esc键返回。50件样本的Cp值可用(5)式求得：

$\mathrm{Cp}=\frac{\stackrel{\‾}{X}-T}{3S}---\left(5\right)$

式中：X：50件样本平均值

      T：门限

      S：标准差

标准差S可用(6)式求得：

$S=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(\mathrm{Xi}-\stackrel{\‾}{X})}^2}{N-1}}---\left(6\right)$

P：打印分析图形：按P键，程序自动打印图4中的质量趋势图。

S：保存数据文件：通常程序每测量五个样本就自动保存一次数据。当按S键后，程序立即将当前测量数据予以保存。

←→：通过按←→键可以选择图4中14区低、中、高频满刻度量程显示框，被选中的量程显示字母和边框将改变颜色。这时图4中的9、10区显示的是与之对应的振动波形。

↑↓：通过按↑↓键可以改变被选中的频段满刻度量程大小。

Esc：在图4界面下，按Esc键退出全部运行程序。

操作步骤：

1.当第一套轴承运动到分料器9处时，PLC根据装配线运行状况发出继续等待还是进行下一步指令，如果发出进行下一步指令，系统将进行下一步操作。

2.分料器9缩回，搬运机械手24在搬运汽缸23的拖动下，将轴承移动到1工位，然后分料器复位，将第二套轴承挡住，1工位开始测量程序。

3.提升汽缸214动作，工作台12下降，将被测轴承引导到芯轴15上→在下移气缸1的推动下，轴向加载系统整体下降至待测轴承外圈10端面处，压紧轴承外圈施加轴向载荷→卡爪17在锁紧汽缸4带动下夹紧轴承隔圈8→微提汽缸3上移，通过卡爪17将轴承隔圈连同上内组件提升，使之脱离下内组件→传感器伸缩气缸26推动传感器25前进至测定位置→电机27驱动轴承内圈旋转，当转速达到测量速度时，PLC向振动测量仪18发出测量开始信号，振动测量仪接收到测量开始信号后开始采样测量，根据测量结果发出判定信号给PLC系统，这时，1工位的测量结束，电机27停止旋转→传感器25后退→卡爪17放松→微提汽缸3复位，→下移汽缸1上升→工作台12上升，完成轴承的第一面测量。

4.完成第一套轴承1工位的测量后，搬运机械手21先向左移动再向前移动，将第一套轴承和被分料器9挡住的第二套轴承叉住，重复上述第2条的动作，将第一轴承和第二套轴承分别送到翻转工位和测量工位，完成被测轴承的移动。

5.第1工位重复上述第3条动作，完成第2套轴承的第一面测量。

6.与此同时，翻转工位将第一套轴承翻转，工作流程如下：提升气缸11推动推杆使轴承上升→气缸13将翻转机械手14推至轴承处，此时，轴承处于翻转机械手14中→翻转机械手14将轴承夹紧→气缸12将推杆下降至原处→翻转机械手旋转180度后停止→气缸12推动推杆上升至轴承处→翻转机械手14放松，缩回→气缸12使轴承下降至平台处，完成翻转。

7.重复第2步工作，将第三套轴承移动至1工位，第二套轴承移动至翻转工位，第一套轴承移动至2工位，第四套轴承被挡住。

8.1工位和2工位重复第3步完成测量，如果1工位测量结果被判定不合格，2工位就不予测量；翻转工位按第6步完成轴承的翻转。

9.重复第2步工作，将第四套轴承移动至1工位，第三套轴承移动至翻转工位，第二套轴承移动至2工位，下一套轴承被挡住，PLC根据检测结果推出机械手16对第一套轴承进行放行或剔除处理。

重复上述工作即可以实现连续检测。各工位每一个动作均可以通过操作箱19实现单步动作，当系统在运行过程中任何一个工位出现异常故障时，PLC就会发出整机停止命令，同时使指示灯19红灯闪烁。

Claims (1)

1.全自动铁路货车轴承动态质量检测系统，其特征在于，由硬件和软件两部分组成；

a.硬件部分：前置放大器安装在传感器中；低、中、高频各有的8挡程控放大器和低、中、高频高通滤波器制作在一个电路板A上；低、中、高频低通滤波器、I/O控制和多路A/D转换制作在电路板B上；3路信号发生器制作在电路板C上；I/O接口制作在电路板D上；电源和音量功率放大制作在电路板E上；整个系统由2个A板、2个B板、2个E板、1个C板、1个D板、2个E板共10个独立电路板和一台工控机组成；10个电路板安装在工控机主机箱中；

b.软件部分运行过程是：

(一)、开机后，绘制刷新主测量界面程序模块绘制出主测量界面；

该界面分有以下16个区域：

1)、其它测量参数区：分别显示前、后工位所测量的峰值因子和峭度值；

2)、质量统计区：分别显示总测量个数、总合格率和A、A1、A2、A3和A4组合格率；

3)、门限区：显示低、中、高频门限值；

4)、前工位质量水平判定区：根据前工位测量结果显示所达到的质量水平；

5)、后工位质量水平判定区：根据后工位测量结果显示所达到的质量水平；

6)、高频质量趋势图：将最近50件样本的高频振动质量结果显示在该区域；

7)、P/R阈值区：显示预先设置的峰值P/有效值R超过设定阈值的计数值；

8)、文件名称显示区：显示测量结果将要存储的文件名称；

9)、前工位振动波形显示区：实时显示前工位振动波形；

10)、后工位振动波形显示区：实时显示后工位振动波形；

11)、功能键提示区：提示各项功能操作热键；

12)、后工位振动测量结果显示区：实时显示后工位低、中、高频测显结果；

13)、前工位振动测量结果显示区：实时显示前工位低、中、高频测量结果；

14)、量程指示区：分别指示低、中、高频满刻度量程；

15)、低频质量趋势图：将最近50件样本的低频振动质量结果显示在该区域；

16)、中频质量趋势图：将最近50件样本的中频振动质量结果显示在该区域；

系统完成主测量界面绘制后，程序从门限文件中调出门限、阈值对第3)区和第7)区进行更新显示；程序根据系统日期确定的文件名称对第8)区更新显示，同时根据该文件名称调出历史测量数据，更新显示第6)、第15)、第16)区的三个频段质量趋势图；根据上一次关机前存储的量程状态设置量程；

(二)、系统在没有接到PLC开始测量指令时，程序循环运行空闲测量模块；在这一阶段运行中，通过信号采集、数据处理、测量结果刷新和波形显示子程序的运行，使系统处于循环测量状态；在这一过程中进行测量机械系统基础振动、外部校对和观察系统运行状态操作；

(三)、系统接到PLC开始测量指令后，立即进入测量模块：由信号采集、数据处理、测量结果刷新和波形显示、输出判定、显示质量统计结果和判定结果、更新质量趋势图和测量结果存储子模块构成一个测量循环；然后系统再次进入空闲测量模块进行循环运行，等待下一次PLC发出的开始测量指令；质量趋势图采用“平均值与极差”X-R模式；

(四)、其它功能模块的实施：

在空闲测量模块循环运行过程中，如果有功能键按下，则程序开始调用以下专用功能子程序：

F1：进入设置测量参数：这是一个文档界面，在这里设置：零件类型、测量延时、测量日期、测量单位、验收门限、P/R阈值、测量平均次数和输出延时；按Esc键返回；

F2：设置门限：这是一个文档界面，在这里设置：A、A1、A2、A3、A4组门限；按Esc键返回；

F3：设置系数：这是一个文档界面，在这里设置：传感器灵敏度和用户修整系数；按Esc键返回；

F4：清零：按下F4键后，程序将第8)区确定的文件内容清空；第2)、第6)、第15)、第16)区清空；

F5：提示其它功能热键：第11)区只提示三个功能热键，按F5键后，程序在界面上弹出一个窗口，提示其它热键功能；按Esc键返回；

F6：清最后一次测量：按F6键后，程序将清除最后一次测量结果，刷新第2)、第6)、第15)、第16)区；

F7：提取数据：按F7键后，程序在界面上弹出一个对话框，提示想查看的历史文件；文件内容屏幕输出或打印机输出；按Esc键返回；

F8：校对仪器：系统进入校对模式，这时程序启动程控开关，断开前置放大器输出，接通三路信号发生器，将低、中、高频校准信号依次输入主测量电路，程序依次扫描三个频带的八挡程控放大电路，同时采集输入和输出信号，通过对输入、输出信号的差值计算得出每个挡位修整系数，存储在系统文件中，用以修整仪器的测量结果；按Esc键返回；

F10：工序能力分析：按F10键，程序弹出界面，根据最近50件样本的质量水平，画出三个频段的直方图，计算并显示出各频段的平均值、最大值、最小值、50件样本合格率、50件样本的Cp值，计算并显示出总合格率、A组、A1组、A2组、A3组、A4组合格率；界面可以打印；按Esc键返回；

P：打印分析图形：按P键，程序自动打印质量趋势图；

S：保存数据文件：程序每测量五个样本就自动保存一次数据；当按S键后，程序立即将当前测量数据予以保存；

←→：通过按←→键选择第14)区低、中、高频满刻度量程显示框，被选中的量程显示字母和边框将改变颜色；这时第9)、第10)区显示的是与之对应的振动波形；

↑↓：通过按↑↓键改变被选中的频段满刻度量程大小；

Esc：在开机后，程序按预定方案绘制出主测量界面下，按Esc键退出全部运行程序。

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