CN109870305A - 一种伺服电机试验台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种伺服电机试验台，包括试验台硬件模块、试验台监测分析模块。本发明通过更换不同故障类别和故障程度的轴承，可以用于对伺服电机轴承不同故障类别和故障程度进行模拟；通过对电机进行加载，可以用于模拟实际电机工作带负荷情况下的工作状况，模拟不同负载对电机运行状态的影响，进而通过不同类别传感器来完成在电机运转过程中不同故障类别和故障程度的轴承在不同加载状态下的加速度、电流物理量的采集，通过对采集的物理量转变成数字量后进行分析判断伺服电机故障类型及故障程度，该种方式下通过多种物理量的采集能够提高电机轴承故障诊断准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种伺服电机试验台，属于设备维护和故障诊断领域。
背景技术
伺服电机在机电设备中具有重要的地位，其应用场合几乎遍及社会的各个领域。伺服电机随着使用时间的增长，逐渐出现不同程度的故障，直至不能胜任生产工作。伺服电机试验台可以模拟实际生产工作中的伺服电机轴承状态，并采集其多物理量信号，用于分析判断其运行状态。伺服电机作为多数机器系统运行的关键部位，其性能状态的好坏直接影响着机器系统是否能够良好地运行，而轴承是伺服电机日常工作时最关键的部位之一，同时也是极容易损坏的。
目前国内外的电机试验台设备以电机为主要构件，或是不兼顾多种轴承故障类型，或是不能模拟不同的加载量对电机运行状态的影响，亦或是不进行多物理量的同时采集，有相似功能的试验台大多价格相当昂贵，很难进行推广使用。
传统的电机试验台以电机或电机轴承为核心部件，但其故障类型及物理量的采集类型单一，导致其输出信号单一和故障类型单一，结果不能多方对比分析和横向比较，结果精度、灵活性和扩展性差。当试验内容发生改变时，往往要对试验台进行较大改动甚至是重新搭建试验台。加载量的机动改变为试验台带来更多的可选择性，使得试验台的试验条件的灵活性得到提升。
发明内容
本发明提供了一种伺服电机试验台，以用于实现通过不同类别传感器来完成在电机运转过程中不同故障类别和故障程度的轴承在不同加载状态下的加速度、电流物理量的采集，通过对采集的物理量转变成数字量后进行分析判断伺服电机故障类型及故障程度。
本发明的技术方案是：一种伺服电机试验台，包括试验台硬件模块1、试验台监测分析模块2；
所述试验台硬件模块1包括交流伺服电机3、电机伺服单元4、机械效率仪5、扭矩仪6、齿轮减速箱7、磁粉制动器8、相关传感器9、配套采集卡10、可更换轴承11、总电源16、智能伺服变压器17、NI c-DAQ9178采集箱22、计算机23，相关传感器9包括电流传感器18和加速度传感器19，配套采集卡10包括NI9215采集卡20、NI9234采集卡21；其中机械效率仪5通过电缆连接扭矩仪6、磁粉制动器8、总电源16、智能伺服变压器17，机械效率仪5用于显示扭矩仪6测得的扭矩大小，用于控制磁粉制动器8的加载量，智能伺服变压器17将输入的360V-420V的三相四线电输出为200V-220V的三相三线电并将三相三线电输送给电机伺服单元4，交流伺服电机3通过电缆与电机伺服单元4连接，连接交流伺服电机3和电机伺服电元4的电缆穿过电流传感器18，两个加速度传感器19沿交流伺服电机3输出端可更换轴承11径向垂直布置，电流传感器18连接NI9215采集卡20，加速度传感器19连接NI9234采集卡21，NI9215采集卡20、NI9234采集卡21经NI c-DAQ9178采集箱22连接计算机23，计算机23通过网线连接电机伺服电元4，交流伺服电机3通过联轴器与扭矩仪6连接，扭矩仪6通过联轴器与齿轮减速箱7连接，齿轮减速箱7通过联轴器与磁粉制动器8相连，磁粉制动器8提供的力作用于齿轮减速箱7，齿轮减速箱7通过减速比变化改变力的大小作用于扭矩仪6，扭矩仪6作用于交流伺服电机3实现加载；
所述计算机23中设置试验台监测分析模块2，试验台监测分析模块2包括在线采集模块13、数据存储模块14、数据分析模块15，在线采集模块13用于收集NI c-DAQ9178采集箱22传回的加速度、电流物理量信号，数据存储模块14用于存储在线采集模块13收集到的多物理量信号，数据分析模块15用于分析处理NI c-DAQ9178采集箱22传回的多物理量信号得到相应结果。
所述线采集模块13包括硬件配置模块24、波形实时显示模块25、采样时长设置模块12，硬件配置模块24用于进行传感器通道选择、通道类型设置，确定采集范围、采样率、每个通道的采样数、灵敏度设置、耦合方式和IEPE选择；波形实时显示模块25显示NI c-DAQ9178采集箱22回传的实时时域波形；采样时长设置模块12用于定时长采集时预采集时间的确定。
所述数据分析模块15用于通过时间波形分析方法、频谱分析方法、时频分析方法、包络分析方法、过零分析方法或性能退化评估方法分析NI c-DAQ9178采集箱22回传的信号判断伺服电机故障类型及故障程度。
本发明的有益效果是：通过更换不同故障类别和故障程度的轴承，可以用于对伺服电机轴承不同故障类别和故障程度进行模拟；通过对电机进行加载，可以用于模拟实际电机工作带负荷情况下的工作状况，模拟不同负载对电机运行状态的影响，进而通过不同类别传感器来完成在电机运转过程中不同故障类别和故障程度的轴承在不同加载状态下的加速度、电流物理量的采集，通过对采集的物理量转变成数字量后进行分析判断伺服电机故障类型及故障程度，该种方式下通过多种物理量的采集能够提高电机轴承故障诊断准确性。
附图说明
图1为本发明的伺服电机试验台整体示意图；
图2为本发明的试验台硬件模块连接示意图；
图3为本发明的试验台硬件模块示意图；
图中各标号为：试验台硬件模块-1，试验台监测分析模块-2，交流伺服电机-3，电机伺服单元-4，机械效率仪-5，扭矩仪-6，齿轮减速箱-7，磁粉制动器-8，相关传感器-9，配套采集卡-10，可更换轴承-11，采样时长设置模块-12，在线采集模块-13，数据存储模块-14，数据分析模块-15，总电源-16，智能伺服变压器-17，电流传感器-18，加速度传感器-19，NI9215采集卡-20，NI9234采集卡-21，NI c-DAQ9178采集箱-22，电子计算机-23，硬件配置模块-24，波形实时显示模块-25。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
实施例1：如图1-3所示，一种伺服电机试验台，包括试验台硬件模块1、试验台监测分析模块2；
所述试验台硬件模块1包括交流伺服电机3、电机伺服单元4、机械效率仪5、扭矩仪6、齿轮减速箱7、磁粉制动器8、相关传感器9、配套采集卡10、可更换轴承11、总电源16、智能伺服变压器17、NI c-DAQ9178采集箱22、计算机23，相关传感器9包括电流传感器18和加速度传感器19，配套采集卡10包括NI9215采集卡20、NI9234采集卡21；其中机械效率仪5通过电缆连接扭矩仪6、磁粉制动器8、总电源16、智能伺服变压器17，机械效率仪5用于显示扭矩仪6测得的扭矩大小，用于控制磁粉制动器8的加载量，智能伺服变压器17将输入的360V-420V的三相四线电输出为200V-220V的三相三线电并将三相三线电输送给电机伺服单元4，交流伺服电机3通过电缆与电机伺服单元4连接，连接交流伺服电机3和电机伺服电元4的电缆穿过电流传感器18，两个加速度传感器19沿交流伺服电机3输出端可更换轴承11径向垂直布置，电流传感器18连接NI9215采集卡20，加速度传感器19连接NI9234采集卡21，NI9215采集卡20、NI9234采集卡21经NI c-DAQ9178采集箱22连接计算机23，计算机23通过网线连接电机伺服电元4，交流伺服电机3通过联轴器与扭矩仪6连接，扭矩仪6通过联轴器与齿轮减速箱7连接，齿轮减速箱7通过联轴器与磁粉制动器8相连，磁粉制动器8提供的力作用于齿轮减速箱7，齿轮减速箱7通过减速比变化改变力的大小作用于扭矩仪6，扭矩仪6作用于交流伺服电机3实现加载；
所述计算机23中设置试验台监测分析模块2，试验台监测分析模块2包括在线采集模块13、数据存储模块14、数据分析模块15，在线采集模块13用于收集NI c-DAQ9178采集箱22传回的加速度、电流物理量信号，数据存储模块14用于存储在线采集模块13收集到的多物理量信号，数据分析模块15用于分析处理NI c-DAQ9178采集箱22传回的多物理量信号得到相应结果。
进一步地，可以设置所述线采集模块13包括硬件配置模块24、波形实时显示模块25、采样时长设置模块12，硬件配置模块24用于进行传感器通道选择、通道类型设置，确定采集范围、采样率、每个通道的采样数、灵敏度设置、耦合方式和IEPE选择；波形实时显示模块25显示NI c-DAQ9178采集箱22回传的实时时域波形；采样时长设置模块12用于定时长采集时预采集时间的确定。
进一步地，可以设置所述数据分析模块15用于通过时间波形分析方法、频谱分析方法、时频分析方法、包络分析方法、过零分析方法或性能退化评估方法分析NI c-DAQ9178采集箱22回传的信号判断伺服电机故障类型及故障程度。
具体来说：
所述试验台硬件模块1承担了伺服电机试验台的主要元件和架构(利用交流伺服电机3为试验台提供动力；利用转矩仪6测量电机扭矩；利用齿轮减速箱7进行速度比转换；利用磁粉制动器8为电机提供加载；利用相关传感器9和配套采集卡10完备信号采集硬件系统；利用可更换轴承11完成电机轴承各类故障的模拟)。所述的交流伺服电机3通过电缆与电机伺服单元4、相关传感器9、配套采集卡10等测量硬件相连接，通过联轴器与扭矩仪6相连，扭矩仪6通过联轴器与磁粉制动器8相连，其具备的功能是：为试验台提供动力；通过运行条件的改变模拟实际工作时的状况；作为试验台核心产生连续不断的信号；电机伺服单元4与交流伺服电机3、智能伺服变压器17、计算机23相连接，其主要功能是为伺服电机提供电源，与计算机23配合发送指令以控制伺服电机的运行参数，智能伺服变压器17改变机械效率仪5所连线缆的电压供给电机伺服单元4；齿轮减速箱7改变了交流伺服电机3输出轴到加载轴的转速并增大了实际扭矩，为大加载试验条件提供保障；通过磁粉制动器8为交流伺服电机3间接提供加载，磁粉制动器8与齿轮减速箱7实际连接通过联轴器的连接把加载间接施加在伺服电机上，其加载量通过机械效率仪5进行调节；相关传感器9包括了电流传感器18和加速度传感器19，电流传感器18置于电机伺服电元4和NI c-DAQ9178采集箱22之间的线缆上，其功能是采集电流的模拟信号传至NI9215采集卡20，两个加速度传感器19分别置于伺服电机径向垂直位置，其功能是采集加速度的模拟信号传至NI9234采集卡21；可更换轴承11包括了矩形槽故障和点蚀、裂纹等不同类型和尺寸的故障，为模拟不同故障类型提供保障；其它硬件12包括联轴器等小型部件，为实验台正常运行提供保障。
所述试验台监测分析模块2能收集储存相关传感器9和配套采集卡10所收集回传的信号并对其进行分析处理。其具备的功能有三点：一是配置在线采集的条件；二是对回传数据进行存储；三是对回传或存储的数据进行分析。
试验台监测分析模块2具备在线采集模块13，其包括了硬件配置模块24、波形实时显示模块25、采样时长设置模块12，硬件配置模块24包括但不限于传感器通道选择、通道类型设置，确定采集范围、采样率和每个通道的采样数、灵敏度设置以及耦合方式和IEPE的选择；波形实时显示模块25用坐标形式实时显示振动信号的时间波形，用户可以通过波形的变化初步了解伺服电机的运行状况；采样时长设置模块12有定时采样和连续采样两种形式供用户选择，定时采样用于采集符合相关条件的信号并以单个文件的形式储存于数据分析模块14内，连续采样可用于比如全寿命的信号采集。
试验台监测分析模块2具备数据存储模块14，其主要功能是收集NI c-DAQ9178采集箱22回传的数字信号并以单个文件的形式存储在计算机23内以便用户后续的使用，或被数据分析模块15调用用于数据分析。
试验台监测分析模块2具备数据分析模块15，其分析方法包括时间波形分析方法、频谱分析方法、时频分析方法、包络分析方法、过零分析方法、性能退化评估方法，时间波形分析方法生成的图分为上下两部分，上部分为趋势，将当前选择通道的变化趋势以趋势图的形式显示，用户可以移动光标选择需要查看的时间点，然后在下方的时间波形图中就可以查看到该时间点对应的波形数据，通过波形特征值就能够对选中时间点的状态进行分析；频谱分析方法能够对当前选中的波形数据进行分析，查找出被测对象的特征频率、转速频率以及相应的谐波成分，用于对电机试验台的状态进行分析与诊断；时频分析方法提供了时间域与频率域的联合分布信息，清楚地描述了信号频率随时间变化的关系；包络分析方法用以更简单便捷地凸出故障特征频率，使特殊频率更明地被用户观察；过零分析方法通过阈值过零方法提取轴承过零特征，缩短了特征提取时间；性能退化评估方法运用隐马尔科夫、神经网络和支持向量机以不同的评价指标对伺服电机的运行状态进行定量评估，为用户大致估量了电机实时运行状态。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (3)
1.一种伺服电机试验台，其特征在于：包括试验台硬件模块(1)、试验台监测分析模块(2)；
所述试验台硬件模块(1)包括交流伺服电机(3)、电机伺服单元(4)、机械效率仪(5)、扭矩仪(6)、齿轮减速箱(7)、磁粉制动器(8)、相关传感器(9)、配套采集卡(10)、可更换轴承(11)、总电源(16)、智能伺服变压器(17)、NI c-DAQ9178采集箱(22)、计算机(23)，相关传感器(9)包括电流传感器(18)和加速度传感器(19)，配套采集卡(10)包括NI9215采集卡(20)、NI9234采集卡(21)；其中机械效率仪(5)通过电缆连接扭矩仪(6)、磁粉制动器(8)、总电源(16)、智能伺服变压器(17)，机械效率仪(5)用于显示扭矩仪(6)测得的扭矩大小，用于控制磁粉制动器(8)的加载量，智能伺服变压器(17)将输入的360V-420V的三相四线电输出为200V-220V的三相三线电并将三相三线电输送给电机伺服单元(4)，交流伺服电机(3)通过电缆与电机伺服单元(4)连接，连接交流伺服电机(3)和电机伺服电元(4)的电缆穿过电流传感器(18)，两个加速度传感器(19)沿交流伺服电机(3)输出端可更换轴承(11)径向垂直布置，电流传感器(18)连接NI9215采集卡(20)，加速度传感器(19)连接NI9234采集卡(21)，NI9215采集卡(20)、NI9234采集卡(21)经NI c-DAQ9178采集箱(22)连接计算机(23)，计算机(23)通过网线连接电机伺服电元(4)，交流伺服电机(3)通过联轴器与扭矩仪(6)连接，扭矩仪(6)通过联轴器与齿轮减速箱(7)连接，齿轮减速箱(7)通过联轴器与磁粉制动器(8)相连，磁粉制动器(8)提供的力作用于齿轮减速箱(7)，齿轮减速箱(7)通过减速比变化改变力的大小作用于扭矩仪(6)，扭矩仪(6)作用于交流伺服电机(3)实现加载；
所述计算机(23)中设置试验台监测分析模块(2)，试验台监测分析模块(2)包括在线采集模块(13)、数据存储模块(14)、数据分析模块(15)，在线采集模块(13)用于收集NI c-DAQ9178采集箱(22)传回的加速度、电流物理量信号，数据存储模块(14)用于存储在线采集模块(13)收集到的多物理量信号，数据分析模块(15)用于分析处理NI c-DAQ9178采集箱(22)传回的多物理量信号得到相应结果。
2.根据权利要求1所述的伺服电机试验台，其特征在于：所述线采集模块(13)包括硬件配置模块(24)、波形实时显示模块(25)、采样时长设置模块(12)，硬件配置模块(24)用于进行传感器通道选择、通道类型设置，确定采集范围、采样率、每个通道的采样数、灵敏度设置、耦合方式和IEPE选择；波形实时显示模块(25)显示NI c-DAQ9178采集箱(22)回传的实时时域波形；采样时长设置模块(12)用于定时长采集时预采集时间的确定。
3.根据权利要求1所述的伺服电机试验台，其特征在于：所述数据分析模块(15)用于通过时间波形分析方法、频谱分析方法、时频分析方法、包络分析方法、过零分析方法或性能退化评估方法分析NI c-DAQ9178采集箱(22)回传的信号判断伺服电机故障类型及故障程度。
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