CN112254956B - 磁电一体式塑性微传动系统故障检测装置及其检测方法 - Google Patents

磁电一体式塑性微传动系统故障检测装置及其检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于机械故障诊断领域，具体涉及一种磁电一体式塑性微传动系统故障检测装置，该装置包括：底座、工作电压调理装置、故障检测装置、感应电压调理装置、数据采集卡以及数据分析系统；所述工作电压调理装置、故障检测装置、感应电压调理装置、数据采集卡以及数据分析系统均设置在底座上；本发明通过机械原理和电磁理论设计了一种磁电一体式塑性微传动系统故障检测装置，提高了塑性微传动系统的故障检测效率和准确率。

Description

磁电一体式塑性微传动系统故障检测装置及其检测方法
技术领域
本发明属于机械故障诊断领域，具体涉及一种磁电一体式塑性微传动系统故障检测装置及其检测方法。
背景技术
电磁学是研究电和磁的相互作用现象及其规律和应用的物理学分支学科。目前电磁学理论发展迅速，广泛应用于航空航天、信号传输、机械故障诊断等领域。随着科学技术的快速发展，塑性材料以其质量轻、价格低廉的优点，在工业产线中越来越受到重视；在机电一体化设备中，越来越多的以金属材料为主的传统机械传动系统被由塑性材料构成的微传动系统所取代。但是由于塑性材料的强度低，使得采用该材料生产零件时存在各种缺陷，从而导致塑性微传动系统出现故障。在现有技术中，对塑性微传动系统的故障检测仍以人工听力分析的方法为主，该方法对工人的经验要求较高并且准确率低，这极大地限制了人工听力分析方法在塑性微传动系统故障诊断中的应用，因此急需一种能检测塑性微传动系统故障的检测装置。
发明内容
为解决以上问题，本发明设计了一种磁电一体式塑性微传动系统故障检测装置，该装置包括：底座1、工作电压调理装置3、故障检测装置5、感应电压调理装置7、数据采集卡8以及数据分析系统9；所述工作电压调理装置3、故障检测装置5、感应电压调理装置7以及数据采集卡8均设置在底座1上；
所述工作电压调理装置3与放置在故障检测装置5中待检测的塑性微传动系统导通，工作电压调理装置3外接稳压直流电源2；所述稳压直流电源2为故障检测装置5中待检测的塑性微传动系统供电，所述工作电压调理装置3还与数据采集卡8连通；所述故障检测装置5与所述感应电压调理装置7连通，形成回路；所述感应电压调理装置7与数据采集卡8连通；数据采集卡8与数据分析系统9连通，构成磁电一体式塑性微传动系统故障检测装置。
优选的，工作电压调理装置3中设置有工作电压调理电路，所述工作电压调理电路包括按钮开关和电阻分压电路，所述按钮开关和所述电阻分压电路串联；所述按钮开关用于控制塑性微传动系统上电运行，电阻分压电路用于保护塑性微传动系统以及输出分压值，对塑性微传动系统实现非介入式的检测。
优选的，故障检测装置5包括绝缘夹持装置50和感应线圈52，所述感应线圈缠绕在绝缘夹持装置50上。
进一步的，绝缘夹持装置50为柱体结构，绝缘夹持装置50上设置有圆柱形凹槽501，所述圆柱形凹槽501用于缩短感应线圈52和被检塑性微传动系统的间距且有利于固定感应线圈52；在绝缘夹持装置50的中心设置有第一通孔503，所述第一通孔503用于放置塑性微传动系统。
进一步的，绝缘夹持装置50的前后平面上设置有螺柱502，故障检测装置5通过该螺柱502固定在底座1上。
进一步的，第一通孔503中设置有卡扣，该卡扣用于固定塑性微传动系统。
优选的，感应电压调理装置7中设置有感应电压调理电路，所述感应电压调理电路包括电压放大器和低通滤波电路，电压放大器和低通滤波电路串联；所述电压放大器用于放大感应电压，使感应电压信号处于数据采集卡量程内，所述低通滤波电路用于消除感应电压信号的高频干扰。
优选的，数据采集卡8用于采集工作电压调理装置3和感应电压调理装置7输出的工作电压信号和感应电压信号；数据采集卡将采集的信号进行A/D转换；将转换后的信号输入到计算机9中。
一种磁电一体式塑性微传动系统故障检测方法，所述方法包括：将塑性微传动系统固定在故障检测装置5的第一通孔503中；将工作电压调理装置3与塑性微传动系统连接；磁电一体式塑性微传动系统故障检测装置外接稳压直流电源2进行供电；当塑性微传动系统的电机运行时，故障检测装置5的感应线圈52产生感应电压；将感应电压输入感应电压调理装置7进行处理；将处理后的感应电压和工作电压调理装置3输出的工作电压输入到数据采集卡8中进行进行A/D转换；将A/D转换后的信号输入到数据分析系统(9)中处理并显示；根据检测结果完成塑性微传动系统的故障检测并预测其服役寿命。
有益效果：
1、感应线圈通过电机运行时产生的磁场变化输出感应电压，受塑性微传动系统内电机影响，感应电压体现系统的输出结果反馈，它包含电机运行状态信息；而工作电压体现系统的输入反馈，它包含控制电路和传动系统的运行状态信息。工作电压和感应电压之间的优势互补可以对整个塑性微传动系统的零件、电路、运行状态进行更加全面地诊断，且可由检测结果预测服役寿命，以此提升塑性微传动系统的品质管理；
2、两个调理装置的设计均实现了非介入式测量，使塑性微传动系统严格按照原定工况运行，同时感应线圈的磁化过程也不会干扰塑性微传动系统的运行。这一方面对塑性微传动系统的实际质量状况无要求，又不会损伤塑性微传动系统，另一方面非介入式的检测方式可提高检测效率，实现塑性微传动系统的快速诊断。
附图说明
图1为本发明的磁电一体式塑性微传动系统故障检测装置的结构示意图；
图2为本发明的底座结构示意图；
图3为本发明的检测装置结构示意图；
图4为本发明的塑性微传动系统的工作电压信号时域图；
图5为本发明的塑性微传动系统的工作电压信号频域图；
图6为本发明的塑性微传动系统的感应电压信号时域图；
图7为本发明的塑性微传动系统的感应电压信号频域图；
其中，1、底座，101、支撑脚，102、小孔，103固定柱，2、稳压直流电源，3、工作电压调理装置，5、故障检测装置，50、绝缘夹持装置，501、圆柱形凹槽，502、螺柱，503、第一通孔，52、感应线圈，7、感应电压调理装置，8、数据采集卡，9、数据分析系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
当今电磁学理论发展迅速，在塑性微传动系统中，感应电压与工作电压本质是相同的，都是反应机械设备运行的状态。塑性微传动系统的体积小，内部难以设置传感器，在外部放置线圈可以获得塑性微传动系统运行过程中的感应电压，此外电机本身具有传感器的特性，其工作电压可以良好的反映电机所驱动的控制电路故障和传动系统故障。
一种磁电一体式塑性微传动系统故障检测装置，如图1所示，所述装置包括：底座1、工作电压调理装置3、故障检测装置5、感应电压调理装置7、数据采集卡8以及数据分析系统9；所述工作电压调理装置3、故障检测装置5、感应电压调理装置7、数据采集卡8以及数据分析系统9均设置在底座1上；
所述工作电压调理装置3与设置在故障检测装置5中待检测的塑性微传动系统导通，所述工作电压调理装置3还与数据采集卡8导通；所述故障检测装置5与所述感应电压调理装置7导通，形成回路；所述感应电压调理装置7与数据采集卡8导通；数据采集卡8与数据分析系统9导通，构成磁电一体式塑性微传动系统故障检测装置。
整个装置外接稳压直流电源2，通过外接稳压直流电源2为故障检测装置5中待检测的塑性微传动系统供电。
如图2所示，底座1为长方体结构，其作用是固定其他器件并进行电学导通。
优选的，所述底座1的内部中空，底座1的顶部设置有小孔102，小孔102中覆盖有金属贴膜，每一排的小孔102中，小孔与小孔之间通过导线进行电学导通；所述其他器件的引脚插入小孔中，实现器件之间的导通。
优选的，底座1中间位置的两边分别设置有支撑架，所述支撑架用于固定故障检测装置5。所述支撑架的底部设置有固定销，该固定销用于将支撑架固定在底座1上；所述支撑架的顶部设置有半圆形凹槽的块状结构，所述半圆形凹槽的大小与故障检测装置5的大小相匹配，在固定故障检测装置5时，将故障检测装置5放置在半圆形凹槽中固定。
优选的，底座1的中间位置设置有至少两根固定柱103，固定柱103均匀的设置在底座小孔的两端；所述固定柱103用于固定故障检测装置5，防止故障检测装置滑动。最优的，所述固定柱103为四根，其中两根固定柱103位于底座1的前部，另外两根固定柱位于底座1的后部，位于同侧的固定柱的距离与故障检测装置5的宽度相同。
优选的，所述固定柱103的顶部为半圆柱体，其中心设置有通孔，该通孔用于固定故障检测装置5。
优选的，所述底座1的底部设置有支撑脚101，该支撑脚用于支撑整个器件离开地面。
一种工作电压调理装置3包括封装外壳和内部工作电压调理电路，所述工作电压调理电路包括按钮开关以及电阻分压电路；所述按钮开关与所述电阻分压电路串联，形成工作电压调理电路。所述按钮开关用于控制塑性微传动系统上电运行，电阻分压电路用于保护塑性微传动系统以及输出分压值，实现非介入式的检测。
一种故障检测装置，如图3所示，该装置包括：绝缘夹持装置50和感应线圈52，所述感应线圈缠绕在缘夹持装置50上。
绝缘夹持装置50为柱体结构，其中部设置有圆柱形凹槽501，所述感应线圈52缠绕在圆柱形凹槽501上。所述绝缘夹持装置50的中心位置设置有第一通孔503，所述第一通孔用于放置塑性微传动系统。当塑性微传动系统内的电机运行时，其内部磁场受电机结构和系统运行状态影响而产生改变，在气隙中形成变化的磁场；根据电磁感应定律，在感应线圈上形成感应电压。
优选的，所述圆柱形凹槽501用于缩短感应线圈52和被检塑性微传动系统的间距并固定感应线圈52。
优选的，所述第一通孔503为矩形通孔；所述矩形通孔能更稳定地放置塑性微传动系统。
优选的，所述第一通孔503内部设置有卡扣，将塑性微传动系统放置在第一通孔503内部后，用卡扣将其固定。通过卡扣固定的塑性微传动系统能减弱塑性微传动系统内的电机在运行时造成的震动，从而减轻对感应线圈52的感应电压大小的影响。
优选的，所述绝缘夹持装置50的前部和后部分别设置有两个螺柱502，两个螺柱之间的距离与底座1的同侧的两根固定柱103之间的距离相同。
一种感应电压调理装置7，所述装置包括封装外壳和感应电压调理电路；所述感应电压调理电路包括：电压放大器和低通滤波电路，电压放大器和低通滤波电路串联；所述电压放大器用于放大感应电压，使感应电压信号处于数据采集卡量程内，所述低通滤波电路用于消除感应电压信号的高频干扰。
一种数据采集卡8，所述数据采集卡8用于获取工作电压调理装置3和感应电压调理装置7输出的工作电压和感应电压；数据采集卡将采集的信号进行A/D转换；将转化后的信号输入到数据分析系统9中。
一种数据分析系统9，该系统用于分析数据采集卡8输出的信号，检测塑性微传动系统是否存在故障。
采用数据分析系统9对信号进行分析的过程包括：时域分析和频谱分析。利用时域判断塑性微传动系统整体的运行状态；再利用常规频谱诊断方法，分析信号在不同频率下的信息并以此判断具体零件的故障类型；将本装置诊断的塑性微传动系统的时域分析结果和频谱分析结果与正常塑性微传动系统的时域图和频谱图分析结果进行对比，提高本发明装置的故障诊断准确率；将其故障特征进行提取，分析故障特征的幅值和均值等参数对塑性微传动系统进行服役寿命的预测。
如图4~5所示，塑性微传动系统的工作电压受控制电路和负载的影响，其信号包含控制电路和齿轮传动系统的运行状态信息。如图6~7所示，采集的感应电压信号为电机径向方向的感应电压。由于径向电磁力是影响电机振动的主要因素，塑性微传动系统的感应电压信号包含电机的振动和电磁方面的运行状态信息。
一种磁电一体式塑性微传动系统故障检测方法，所述方法包括：将塑性微传动系统固定在故障检测装置5的第一通孔503中；将工作电压调理装置3的输出端与塑性微传动系统连接；磁电一体式塑性微传动系统故障检测装置外接稳压直流电源2进行上电运行；当塑性微传动系统的电机运行时，故障检测装置5的感应线圈52产生感应电压；将感应电压输入感应电压调理装置7进行处理；将处理后的感应电压和工作电压调理装置3的输出的工作电压输入到数据采集卡8中进行A/D转换；将A/D转换后的信号输入到数据分析系统9中处理并显示；根据检测结果完成塑性微传动系统的故障检测并预测其服役寿命。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种磁电一体式塑性微传动系统故障检测装置，其特征在于，所述装置包括：底座(1)、工作电压调理装置(3)、故障检测装置(5)、感应电压调理装置(7)、数据采集卡(8)以及数据分析系统(9)；所述工作电压调理装置(3)、故障检测装置(5)、感应电压调理装置(7)、数据采集卡(8)以及数据分析系统(9)均设置在底座(1)上；
所述工作电压调理装置(3)与设置在故障检测装置(5)中待检测的塑性微传动系统导通，所述工作电压调理装置(3)还与数据采集卡(8)导通；所述故障检测装置(5)与所述感应电压调理装置(7)导通，形成回路；所述感应电压调理装置(7)与数据采集卡(8)导通；数据采集卡(8)与数据分析系统(9)导通，构成磁电一体式塑性微传动系统故障检测装置；
所述故障检测装置(5)包括绝缘夹持装置(50)和感应线圈(52)，所述感应线圈(52)缠绕在绝缘夹持装置(50)上；其中绝缘夹持装置(50)为柱体结构，绝缘夹持装置(50)上设置有圆柱形凹槽(501)，所述圆柱形凹槽(501)用于缩短感应线圈(52)和被检塑性微传动系统的间距并固定感应线圈(52)；在绝缘夹持装置(50)的中心设置有第一通孔(503)，所述第一通孔(503)用于放置塑性微传动系统。
2.根据权利要求1所述的一种磁电一体式塑性微传动系统故障检测装置，其特征在于，工作电压调理装置(3)中设置有工作电压调理电路，所述工作电压调理电路包括按钮开关和电阻分压电路，所述按钮开关和所述电阻分压电路串联；所述按钮开关用于控制塑性微传动系统上电运行，电阻分压电路用于保护塑性微传动系统以及输出分压值，实现非介入式的检测。
3.根据权利要求1所述的一种磁电一体式塑性微传动系统故障检测装置，其特征在于，在绝缘夹持装置(50)的前后平面上设置有螺柱(502)，故障检测装置(5)通过该螺柱(502)固定在底座(1)上。
4.根据权利要求1所述的一种磁电一体式塑性微传动系统故障检测装置，其特征在于，所述第一通孔(503)中设置有卡扣，该卡扣用于固定塑性微传动系统。
5.根据权利要求1所述的一种磁电一体式塑性微传动系统故障检测装置，其特征在于，所述感应电压调理装置(7)中设置有感应电压调理电路，所述感应电压调理电路包括电压放大器和低通滤波电路，电压放大器和低通滤波电路串联；所述电压放大器用于放大感应电压，使感应电压信号处于数据采集卡量程内，所述低通滤波电路用于消除感应电压信号的高频干扰。
6.一种磁电一体式塑性微传动系统故障检测方法，其特征在于，该方法采用基于权利要求1~5任意一项所述 磁电一体式塑性微传动系统故障检测装置，所述方法包括：将塑性微传动系统固定在故障检测装置(5)的第一通孔(503)中；将工作电压调理装置(3)与塑性微传动系统连接；磁电一体式塑性微传动系统故障检测装置外接稳压直流电源(2)进行供电；当塑性微传动系统的电机运行时，故障检测装置(5)的感应线圈(52)产生感应电压；将感应电压输入感应电压调理装置(7)进行处理；将处理后的感应电压和工作电压调理装置(3)的输出的工作电压输入到数据采集卡(8)中进行A/D转换；将A/D转换后的信号输入到数据分析系统(9)中处理并显示；根据检测结果完成塑性微传动系统的故障检测并预测其服役寿命。
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