CN103048130A - 基于虚拟仪器的回转支承质量检测及评估系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于虚拟仪器的回转支承质量检测及评估系统，属于回转支承的检测技术领域。它包括依次连接的电源模块、采集模块、数据采集卡、工控机和打印机，所述的采集模块包括差动位移传感器、扭矩传感器、加速度传感器及所述的各传感器对应的信号调理电路，所述的差动位移传感器、扭矩传感器、加速度传感器与它们各自的信号调理电路连接，所述的工控机中包括质量检测模块、质量评估模块及历史数据查询模块。本发明的基于虚拟仪器的回转支承质量检测及评估系统可以采集、处理、显示并存储回转支承的多个参数数据，并实现测试报表打印，回转支承质量的评估及历史数据查询，为回转支承质量的检测和评估提供科学依据。
Description
技术领域
本发明属于回转支承的检测技术领域，更具体地说，涉及一种基于虚拟仪器的回转支承质量检测及评估系统。
背景技术
回转支承是两物体之间需作相对回转运动且同时需承受轴向力、径向力、倾翻力矩的机械所必需的重要传动部件。回转支承在船舶设备、工程机械、轻工机械、冶金机械、医疗机械、工业机械等行业有重要的应用。
国外在回转支承的检测领域的研究起步较早，因而在产品的技术含量、可靠性和稳定性上略好于国内。如IMO公司，罗特艾德等，有回转支承的测试系统和生产规格参数来保证生产高品质的回转支承，产品现已销量全球；德国罗特艾德公司开发了一套Integrate
Wear Measuring Device，简称（IWM）的系统装置，针对于回转支承的各种状态的检测研究，并且达到了相当高的精度水平，但价格昂贵，且侧重于状态检测。
国内在回转支承的检测领域的研究起步较晚，相关领域如港口、风电站、工程机械的技术人员对此做了很多的研究与测试。如徐大伟等人对应用于港口工程机械中的回转支承的状态检测和提高其安装可靠性反复做了实验。
王兴东等人论述了超声波位移传感器测距的基本原理及其在大型回转支承运行状态监测中的应用。针对回转支承运行特点，利用超声波传感器对其轴向位移进行了测量。对现场测试数据进一步处理得到了回转支承的动态轴向磨损量，为评估其运行状态提供了定量的依据。
由于回转支承进行故障检测需要较高采样频率和大容量存储的信号检测仪，而一般的信号采集仪无法同时满足两种需求，为此袁泉等人对回转支承故障检测仪若干关键技术及其实现做了分析研究，介绍了一种能满足这两种需求的故障检测仪，并分析了其实现的若干关键技术。实际使用说明，该检测仪满足了回转支承故障信号采集分析的需求。
武汉理工大学的肖汉斌等人运用有限元分析软件对工作状态下双排异径球形回转支承发生故障前后的外圈应力分布及其表面应力变化的规律进行分析，他们认为基于对计算结果的数值分析提出回转支承局部损伤类故障可以通过监测回转支承外圈表面应力的变化来诊断。
综合来看，虽然国内外针对回转支承的单个状态或多个状态的检测进行了研究，并生产了相应的回转支承检测设备，但是国内外对回转支承的单个状态或多个状态的检测，更多是为了对回转支承进行故障诊断，对关系回转支承质量的多个性能参数的检测进行的研究却比较少，进而不能对生产的回转支承的质量进行有效的检测和评估。
中国专利申请号：CN200710023026.8，申请日：20070601的专利文件，公开了一种数字式回转支承滚道直径检测装置。该装置的不足之处在于，仅能检测回转支承滚道的直径参数，功能单一。中国专利申请号：200910251609.5，申请日：20091228的专利文件公开了一种风力发电机回转支承的装配检测台。该检测台仅能对回转支承360°范围内的回转阻力矩进行各种转速的连续测量。中国专利申请号：201110173343.4，申请日：20110626的专利文件，公开了回转支承齿圈圆度的检测校正装置。该校正装置仅能检测回转支承的齿圈圆度。上述三份现有技术的专利技术文献都仅能对回转支承的某一技术参数进行检测，功能单一且效率低。
《基于LabVIEW的回转支承测试系统设计》（工程机械，第40卷2009年3月，朱飞，洪荣晶，高学海；南京工业大学机械与动力工程学院），该文献以回转支承寿命测试试验为研究课题，采用振动检测方法，构建以信号调理器、数据采集片和工控机为系统硬件、LabV1E
W8.2为软件平台的虚拟仪器测试系统，并介绍其硬件构成、传感器安装布置及采用结构化和模块化的软件编程方法等，主要包括数据采集、数据处理、数据读取、数据存储和数据打印等模块。数据处理部分采用以小波分析为主，时域统计分析和频域傅立叶变换为辅的分析方法，提取回转支承在强噪声等复杂背景下的局部损伤及缺陷类故障信号。该文献的研究不足之处在于，该文献是模拟回转支承的转动情况和受载情况，以回转支承的寿命测试试验为目的，进行故障诊断；该文献的数据采集、存储的是单一的振动的信号，不足以反映回转支承的全面的位移、振动、扭矩信息；该文献打印的是单一的振动波形，不是回转支承的综合测试信息生成的测试报表；该文献缺少回转支承质量参数的数据查询功能，不能对已存储的生产的回转支承各个参数的历史记录进行查询；该文献不能对回转支承的质量进行有效的评估。
总之，国内用于回转支承的出厂检测设备多为针对回转支承的单个性能参数（如位移、扭矩、振动）而开发的专用检测设备，使得检测工序多、检测效率低、测量设备多而带来管理不便；此外，对于现有的回转支承的检测设备，回转支承的测试数据是以文件格式或波形文件进行存储的，不便于大量存储；回转支承当前多个参数的测试值不能生成测试报表；不能对回转支承质量参数的历史数据进行查询，不便于对已生产的回转支承的质量进行检测和评估。
发明内容
本发明要解决的问题
针对回转支承的质量检测手段复杂、质量评估困难的不足，本发明提供了一种基于虚拟仪器的回转支承质量检测及评估系统，它可以采集、处理、显示并存储回转支承的多个参数数据，并实现测试报表打印、回转支承质量的评估及历史数据查询，为回转支承质量的检测和评估提供科学依据。
技术方案
本发明的原理：当电机带动回转支承运转时，本发明技术方案中的各个传感器将位移、振动、扭矩信号转换成电压信号。电压信号经过信号调理电路的放大、滤波处理后转换成标准电压信号。标准电压信号经数据采集卡后转换成计算机可以识别的数字信号，该信号进入编写的DAQmx数据采集程序，经过编写的数值换算、滤波的数据处理程序后，在测试界面中实时显示出来。同时，回转支承质量参数的测试数据存储在已连接的数据库中，并生成测试报表供打印，对回转支承的质量进行评估和对已存储的回转支承质量参数的历史数据进行查询，为回转支承质量的检测和评估提供科学依据。
为解决公知技术中存在的技术问题，本发明所采取的技术方案如下：
本发明的基于虚拟仪器的回转支承质量检测及评估系统，包括依次连接的电源模块、采集模块、数据采集卡和工控机，所述的采集模块包括差动位移传感器、扭矩传感器、加速度传感器及所述的各传感器对应的信号调理电路，所述的差动位移传感器、扭矩传感器、加速度传感器与它们各自的信号调理电路连接。所述的信号调理电路用于对各传感器提取的信号进行放大、滤波。所述的电源模块为系统的各个传感器及相应的信号调理电路提供不同电压值的稳定、低压电源。
进一步地，它还包括打印机，所述的打印机与所述的工控机的输出端连接。
进一步地，所述的差动位移传感器共计7个，其中3个差动位移传感器沿着回转支承的定圈均匀布置，提取回转支承各个测点的轴向位移信号，并通过编程对三个检测值进行平均和差值分析；另外4个差动位移传感器分别用于提取齿间跳动、定位跳动、端面跳动、径向间隙的位移信号。
进一步地，所述的工控机包括质量检测模块、质量评估模块及历史数据查询模块。
在本发明的所述的工控机中，质量检测模块完成回转支承质量参数的采集、处理、显示、存储和报表打印, 所述的质量检测模块实现的具体流程是：
启动所述的工控机的回转支承质量检测及评估系统主界面，判断是否进行质量检测，如为否，则返回主界面；如为是，则进入质量检测界面，设置采集参数（即输入接线端配置，最小值，最大值，物理通道，每通道采样数，采样模式，采样率），开始采集后，采集到的信号进入用DAQmx中的函数编写的数据采集程序，再经过编写的数值换算、滤波的数据处理程序后，将回转支承质量的各参数实时显示，停止采集后，数据存储按钮模块动作，各参数存入数据库中，且该数据库通过labview软件调用，报表打印按钮模块动作，各参数生成的excel测试报表进行打印；然后，判断是否继续测试，如为是，则返回质量检测界面的设置采集参数处，如为否，则退出质量检测界面，返回回转支承质量检测及评估系统主界面；其中轴向间隙参数在存储和报表打印环节取3个差动位移传感器所采集的数据的平均值。
优选地，在所述的工控机中，所述质量评估模块用于对生产的回转支承的质量进行评估，并将产品进行分类, 所述的质量评估模块实现的具体流程是：
启动所述的工控机的回转支承质量检测及评估系统主界面，判断是否进行质量评估，如为否，则返回主界面；如为是，则进入质量评估界面，设置采集参数（即输入接线端配置，最小值，最大值，物理通道，每通道采样数，采样模式，采样率），开始采集后，采集到的信号进入用DAQmx中的函数编写的数据采集程序，再经过编写的数值换算、滤波的数据处理程序后，质量评估按钮模块动作，则信号进入支持向量机系统，输出评估结果；然后，判断是否继续评估，如为是，则返回质量评估界面的设置采集参数处，如为否，则退出质量评估界面，返回回转支承质量检测及评估系统主界面。
优选地，所述的工控机中质量评估模块的支持向量机系统的输入参数是采集到的回转支承质量的各参数，输出的评估结果是优质品、一等品、合格品或次品；所述的支持向量机系统采用在Labview开发平台中通过函数库中的CIN节点调用根据支持向量机算法编写的C程序的方法实现；其中，输入支持向量机系统的轴向间隙参数取3个差动位移传感器所采集的数据的平均值。
优选地，在所述的工控机中，所述历史数据查询模块供对回转支承的质量参数数据进行查询, 所述的历史数据查询模块实现的具体流程是：
启动所述的工控机的回转支承质量检测及评估系统主界面，判断是否进行历史数据查询，如为否，则返回主界面；如为是，则进入历史数据查询界面，选择需查询的项目名称和其所对应数值起始范围的查询条件后，查询按钮模块动作，则访问存储历史数据的数据库，并将符合条件的查询结果显示在历史数据查询界面上；然后，判断是否继续查询，如为是，则返回历史数据查询界面的选择查询项目处，如为否，则退出历史数据查询界面，返回回转支承质量检测及评估系统主界面。
有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
（1）本发明的基于虚拟仪器的回转支承质量检测及评估系统，采用不同的传感器采集回转支承的各项参数信息，如位移、扭矩、振动参数信息，一次性完成回转支承多项参数的信息采集，采集的数据全面、快速、准确，更能反映回转支承工件质量的综合信息，克服了现有技术存在的功能单一的缺陷；
（2）相比较于文献《基于Labview的回转支承测试系统设计》（工程机械，第40卷2009年3月，朱飞，洪荣晶，高学海；南京工业大学机械与动力工程学院）公开的技术内容，本发明用于工业现场回转支承的数据采集，进而对生产的回转支承进行质量检测和评估，而不是模拟回转支承的转动情况和受载情况，以回转支承的寿命测试试验为目的进行故障诊断；本发明数据采集、存储的不是单一的振动的信号，而是更全面的位移、振动、扭矩信息；本发明打印的是回转支承的综合参数信息生成的测试报表，而不是单一的振动波形；本发明多了一个数据查询模块，便于对已存储的生产的回转支承各个参数的历史记录进行查询；本发明多了一个质量评估模块，便于对回转支承的质量进行有效的评估；
（3）本发明的基于虚拟仪器的回转支承质量检测及评估系统，采用labview开发的界面作为人机交互界面，操作简便、可读性强、界面美观，同时，也降低了购买设备的成本。
附图说明
图1是本发明的基于虚拟仪器的回转支承质量检测及评估系统的结构示意图；
图2是实施例的基于虚拟仪器的回转支承质量检测及评估系统的结构示意图；
图3是基于虚拟仪器的回转支承质量检测及评估系统软件实现流程图。
图中：1、电源模块；2、采集模块；3、数据采集卡；4、工控机；5、打印机。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作详细说明，但本发明的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
实施例
图1是基于本发明的思路的基于虚拟仪器的回转支承质量检测及评估系统的结构示意图。图2是本实施例的基于虚拟仪器的回转支承质量检测及评估系统的结构示意图，该系统具体组成包括依次连接的电源模块1、各个传感器及相应的信号调理电路、数据采集卡3和工控机4，各个传感器及相应的信号调理电路组成采集模块2，所述的传感器包括差动位移传感器、扭矩传感器、加速度传感器。信号调理电路用于对各传感器提取的信号进行放大、滤波。电源模块1为系统的各个传感器及相应的信号调理电路提供不同电压值的稳定、低压电源。打印机5与工控机4的输出端连接。其中，差动位移传感器共计7个，其中3个差动位移传感器沿着回转支承的定圈均匀布置，提取回转支承各个测点的轴向位移信号，并通过编程对三个检测值进行平均和差值分析；另外4个差动位移传感器分别用于提取齿间跳动、定位跳动、端面跳动、径向间隙的位移信号。回转支承质量信息的9路信号，以差分输入的方法采集到工控机4的labview界面中去。工控机4包括质量检测模块、质量评估模块及历史数据查询模块；所述的工控机4的各模块均是用Labview软件自行开发。
结合图2，本实施例的基于虚拟仪器的回转支承质量检测及评估系统的各个硬件为：工控机4：IPC-510机箱/AIMB-562主板/E5300/1G/320G/DVD/键盘鼠标，提供2串1并，4USB，显卡、声卡、网卡集成。数据采集卡NI PCI 6221：16位，250 kS/s，16路模拟输入。差动位移传感器：ZKL-W-G-C-V2-1-B-φ15；扭矩传感器：单法兰动态扭矩传感器5000Nm；加速度传感器：8315A2D0B0ACSPL=4，电容式加速度计，±2g，0-250Hz，2.5±2V 输出，强阳极化铝外壳，12克重，固装电缆K-Beam®。
结合图3，本实施例的基于虚拟仪器的回转支承质量检测及评估系统的实现具体流程如下：
本发明的所述的工控机4中，质量检测模块完成回转支承质量参数的采集、处理、显示、存储和报表打印，所述的工控机4中质量检测模块实现的具体流程是：
启动回转支承质量检测及评估系统主界面，判断是否进行质量检测，如为否，则返回主界面；如为是，则进入质量检测界面，设置采集参数（即输入接线端配置，最小值，最大值，物理通道，每通道采样数，采样模式，采样率），采集到的信号进入用DAQmx中的函数编写的数据采集程序，经过编写的数值换算、滤波的数据处理程序后，将回转支承质量的各参数实时显示，停止采集后，数据存储按钮模块动作，将各参数存入Access数据库中，且Access数据库通过labview软件调用，同时，报表打印按钮模块动作，对各参数生成的excel测试报表进行打印；然后，判断是否继续测试，如为是，则返回质量检测界面的设置采集参数处，如为否，则退出质量检测界面，返回回转支承质量检测及评估系统主界面；其中轴向间隙参数的存储和报表打印环节取3个差动位移传感器采集到数据的平均值。
在工控机4的质量检测模块中，回转支承质量参数实时显示时，采集到的扭矩信号和加速度信号均显示最大值和实时波形图；回转支承的齿间跳动、定位跳动、端面跳动、径向间隙，显示4个差动位移传感器采集到的实时数值；回转支承的轴向间隙，显示另外3个差动位移传感器采集到的实时位移信号，并实时显示回转支承轴向间隙的位移平均值，当采集到的3个轴向间隙位移中的任意两个间的差值大于0.01毫米时，则表明回转支承的质量不合格，并进行指示灯报警提示。
在工控机4的质量检测模块中，回转支承质量参数报表打印时，所生成的回转支承质量excel测试报表中，回转支承质量的齿间跳动、定位跳动、端面跳动、径向间隙的实时位移数值直接插入excel报表中，3个差动位移传感器采集到的轴向间隙数值的平均值直接插入到excel报表；回转支承质量的扭矩和加速度数值，均插入测试的最大值和生成的图形；此外，回转支承质量的excel测试报表中，还包含产品型号、生产日期、测试日期、测试人员信息。
本发明的所述的工控机4中质量评估模块用于对生产的回转支承的质量进行评估，并将产品进行分类，所述的工控机4中质量评估模块实现的具体流程是：
启动回转支承质量检测及评估系统主界面，判断是否进行质量评估，如为否，则返回主界面；如为是，则进入质量评估界面，设置采集参数（即输入接线端配置，最小值，最大值，物理通道，每通道采样数，采样模式，采样率），采集到的信号进入用DAQmx中的函数编写的数据采集程序，经过编写的数值换算、滤波的数据处理程序后，质量评估按钮模块动作，进入支持向量机系统，输出评估结果；如为否，则退出质量评估界面，返回回转支承质量检测及评估系统主界面。
本发明的质量评估模块采用基于支持向量机算法的质量评估方法，利用其优良的小样本学习和预测能力建立回转支承检测参数与回转支承质量状态的数学模型，实现回转支承的产品分类。本发明一共测取了回转支承质量参数的9路信号，但由于输入支持向量机系统的轴向间隙参数取3个差动位移传感器采集到数据的平均值，因此支持向量机系统有7个输入端口分别接输入的7路信号。回转支承质量的评估结果有优质品、一等品、合格品或次品，（本实施例中的回转支承的产品质量划分综合考虑回转支承所检测的位移、扭矩、振动参数。其中位移参数是一个重要的参数，位移越大，说明回转支承运转时抖动的幅度越大。）因此支持向量机系统一共设置了4个输出端口，作为回转支承质量评估结果的输出。所述的支持向量机系统采用在Labview开发平台中通过函数库中的CIN节点调用根据支持向量机算法编写的C程序的方法实现。
本发明的质量评估模块包括多个支持向量机，分别针对不同类型的回转支承，构造相应类型的回转支承检测参数与回转支承质量状态的非线性关系。支持向量机选用具有良好性态的RBF核函数。应用K折交叉验证法选择支持向量机的模型参数：不敏感损失函数的宽度、核函数参数σ、惩罚参数C。通过运行支持向量机算法学习输入/输出映射，得到输入到输出的函数对应关系。将所测得的回转支承质量的参数信息作为输入进入支持向量机系统，就可以获得回转支承质量状态的信息，并将评估结果进行输出。
本发明的工控机4中历史数据查询模块供对回转支承的质量参数数据进行查询, 所述的工控机4中历史数据查询模块实现的具体流程是：启动回转支承质量检测及评估系统主界面，判断是否进行历史数据查询，如为否，则返回主界面；如为是，则进入历史数据查询界面，选择需查询的项目名称和其所对应数值起始范围的查询条件后，查询按钮模块动作，则访问存储历史数据的数据库，并将符合条件的查询结果显示在历史数据查询界面上；然后，判断是否继续查询，如为是，则返回历史数据查询界面的选择查询项目处，如为否，则退出历史数据查询界面，返回回转支承质量检测及评估系统主界面。
Claims (8)
1..基于虚拟仪器的回转支承质量检测及评估系统，包括依次连接的电源模块（1）、采集模块（2）、数据采集卡（3）和工控机（4），其特征在于，所述的采集模块（2）包括差动位移传感器、扭矩传感器、加速度传感器及所述的各传感器对应的信号调理电路，所述的差动位移传感器、扭矩传感器、加速度传感器与它们各自的信号调理电路连接，所述的信号调理电路用于对各传感器提取的信号进行放大、滤波。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的回转支承质量检测及评估系统，其特征在于，它包括打印机（5），所述的打印机（5）与所述的工控机（4）的输出端连接。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的回转支承质量检测及评估系统, 其特征在于，所述的差动位移传感器共计7个，其中，3个差动位移传感器沿着回转支承的定圈均匀布置，提取回转支承各个测点的轴向位移信号，并通过编程对三个检测值进行平均和差值分析；另外4个差动位移传感器分别用于提取齿间跳动、定位跳动、端面跳动、径向间隙的位移信号。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于虚拟仪器的回转支承质量检测及评估系统，其特征在于，所述的工控机（4）包括质量检测模块、质量评估模块及历史数据查询模块。
5.根据权利要求4所述的基于虚拟仪器的回转支承质量检测及评估系统，其特征在于，在所述的工控机（4）中，质量检测模块完成回转支承质量参数的采集、处理、显示、存储和报表打印，所述的质量检测模块实现的具体流程是：
启动所述的工控机（4）的回转支承质量检测及评估系统主界面，判断是否进行质量检测，如为否，则返回主界面；如为是，则进入质量检测界面，设置采集参数，开始采集后，采集到的信号进入用DAQmx中的函数编写的数据采集程序，再经过编写的数值换算、滤波的数据处理程序后，将回转支承质量的各参数实时显示，停止采集后，数据存储按钮模块动作，各参数存入数据库中，且该数据库通过labview软件调用，报表打印按钮模块动作，各参数生成的excel测试报表进行打印；然后，判断是否继续测试，如为是，则返回质量检测界面的设置采集参数处，如为否，则退出质量检测界面，返回回转支承质量检测及评估系统主界面；其中轴向间隙参数在存储和报表打印环节取3个差动位移传感器所采集的数据的平均值。
6.根据权利要求4所述的基于虚拟仪器的回转支承质量检测及评估系统，其特征在于，在所述的工控机（4）中，所述质量评估模块用于对生产的回转支承的质量进行评估，并将产品进行分类, 所述的质量评估模块实现的具体流程是：
启动所述的工控机（4）的回转支承质量检测及评估系统主界面，判断是否进行质量评估，如为否，则返回主界面；如为是，则进入质量评估界面，设置采集参数，开始采集后，采集到的信号进入用DAQmx中的函数编写的数据采集程序，再经过编写的数值换算、滤波的数据处理程序后，质量评估按钮模块动作，则信号进入支持向量机系统，输出评估结果；然后，判断是否继续评估，如为是，则返回质量评估界面的设置采集参数处，如为否，则退出质量评估界面，返回回转支承质量检测及评估系统主界面。
7.根据权利要求6所述的基于虚拟仪器的回转支承质量检测及评估系统，其特征在于，所述的工控机（4）中质量评估模块的支持向量机系统的输入参数是所采集到的回转支承的各参数，输出的评估结果是优质品、一等品、合格品或次品；所述的支持向量机系统采用在Labview开发平台中通过函数库中的CIN节点调用根据支持向量机算法编写的C程序的方法实现；其中，输入支持向量机系统的轴向间隙参数取3个差动位移传感器所采集到的数据的平均值。
8.根据权利要求4所述的基于虚拟仪器的回转支承质量检测及评估系统，其特征在于，在所述的工控机（4）中，所述历史数据查询模块供对回转支承的质量参数数据进行查询, 所述的历史数据查询模块实现的具体流程是：
启动所述的工控机（4）的回转支承质量检测及评估系统主界面，判断是否进行历史数据查询，如为否，则返回主界面；如为是，则进入历史数据查询界面，选择需查询的项目名称和其所对应数值起始范围的查询条件后，查询按钮模块动作，则访问存储历史数据的数据库，并将符合条件的查询结果显示在历史数据查询界面上；然后，判断是否继续查询，如为是，则返回历史数据查询界面的选择查询项目处，如为否，则退出历史数据查询界面，返回回转支承质量检测及评估系统主界面。
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