CN218444469U - 一种智能回转支承采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能回转支承采集装置，包括：上位机；安装在回转支承上的数据采样模块、数据处理模块和数据传输模块；数据采样模块用于采集回转支承的特征参数，数据处理模块用于对特征参数进行处理，数据传输模块用于将处理后的特征参数发送给上位机；数据采样模块包括多个采集单元，每个采集单元用于采集一种特征参数，采集单元分布在设定的测点处，且每一测点处设置有至少一种采集单元。本实用新型能够实时的对回转支承装置的特征参量进行监测与反馈，为主动维护策略提供可靠的技术支撑。

Description

一种智能回转支承采集装置

技术领域

本实用新型涉及数据采集领域，更具体地，涉及一种智能回转支承采集装置。

背景技术

回转支承装置一种能够承受综合载荷的大型轴承，利用齿轮传动，主要作相对回转运动，工作时不但要承受轴向、径向力还要承受倾覆力，是几乎所有需要相对回转装备中不可或缺的一部分，被广泛应用于工况复杂恶劣的工作环境，一旦出现故障，将严重影响整个机械结构的运转，甚至会引起设备损坏。

随着工业智能化的不断发展，国内企业普遍开始通过计算机实现对现场生产情况及机器运作情况的监视控制，以达到减轻工作量、提高生产率及安全可靠性的目的。但目前市场上缺乏灵活可靠的数据采集节点装置，难以为分析与预测提供有效的数据来源。

因此，期待一种智能回转支承采集装置，能够实时的对回转支承的特征参量进行监测与反馈，为主动维护策略提供可靠的技术支撑。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种智能回转支承采集装置，能够实时的对回转支承的特征参量进行监测与反馈。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种智能回转支承采集装置，包括：

上位机；

安装在所述回转支承上的数据采样模块、数据处理模块和数据传输模块；

所述数据采样模块用于采集所述回转支承的特征参数，所述数据处理模块用于对所述特征参数进行处理，所述数据传输模块用于将处理后的所述特征参数发送给所述上位机；

所述数据采样模块包括多个采集单元，每个所述采集单元用于采集一种所述特征参数，所述采集单元分布在设定的测点处，且每一测点处设置有至少一种采集单元。

可选方案中，所述采集单元包括温度传感器、加速度传感器、位移传感器和应变测量模块。

可选方案中，所述测点为四个，平均周向分布在所述回转支承的外周。

可选方案中，顺时针方向，所述测点依次包括第一测点、第二测点、第三测点和第四测点；

所述第一测点处设置有所述温度传感器、所述位移传感器和所述加速度传感器；

所述第二测点处设置有所述温度传感器、所述位移传感器和所述加速度传感器；

所述第三测点处设置有所述应变测量模块；

所述第四测点处设置有两个所述温度传感器；

其中所述第一测点处和所述第二测点处的所述温度传感器用于测量所述回转支承的润滑脂温度，所述第三测点处的两个温度传感器中一个用于测量所述回转支承的润滑脂温度，另一个用于测量环境温度。

可选方案中，所述数据处理模块包括顺序连接的模数转换单元和主控芯片，所述数据采集模块的输出与所述数据模数转换单元的输入连接。

可选方案中，所述应变测量模块包括由3个电阻和1个电阻应变片构成的惠斯通电桥以及为所述惠斯通电桥提供输入电压并放大所述惠斯通电桥输出电压的调理电路。

可选方案中，所述装置还包括数据采集板，所述采集单元的接口、所述数据传输模块的接口均集成在所述数据采集板上，所述数据处理模块集成在所述数据采集板上。

可选方案中，所述特征参数包括：所述回转支承内外圈的相对径向位移、轴向振动、润滑脂温度和应变。

可选方案中，所述模数转换单元和所述主控芯片通过SPI协议通信。

可选方案中，所述加速度传感器和所述位移传感器安装在所述回转支承的外圈表面，所述温度传感器安装在所述回转支承的滚道内，所述电阻应变片安装在所述回转支承的外圈侧面上边缘。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型能够实时的对回转支承装置的特征参量进行监测与反馈，为主动维护策略提供可靠的技术支撑。

本实用新型具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本实用新型的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本实用新型示例性实施例进行更详细的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。

图1示出了根据本实用新型一实施例的智能回转支承采集装置测点分布示意图。

图2为根据本实用新型一实施例的加速度传感器安装位置示意图。

图3为根据本实用新型一实施例的位移传感器安装位置示意图。

图4为根据本实用新型一实施例的温度传感器安装位置示意图。

图5为根据本实用新型一实施例的应变片安装位置示意图。

图6为根据本实用新型一实施例的数据采集板的结构示意图。

标号说明

1-加速度传感器接口；2-位移传感器接口；3-应变测量模块接口；4-模数转换单元空闲通道接口；5-温度传感器接口；6-供电电源接口；7-CAN通信总线接口；8-回转支承；10-外圈；11-内圈；12-钢球；20-加速度传感器；21-位移传感器；22-温度传感器；23-应变片。

具体实施方式

下面将更详细地描述本实用新型。虽然本实用新型提供了优选的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本实用新型更加透彻和完整，并且能够将本实用新型的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型的目的在于设计一种智能回转支承采集装置，通过在回转支承上嵌入微型模块，建立嵌入式健康监测系统，使其能够实时的对回转支承的局部振动、润滑脂温度、内外圈相对位移及局部应变在内的特征参量进行监测与反馈，为主动维护策略提供可靠的技术支撑。

本实用新型提供了一种智能回转支承采集装置，请参照图1至图6，该装置包括：

上位机；

安装在所述回转支承8上的数据采样模块、数据处理模块和数据传输模块；

所述数据采样模块用于采集所述回转支承8的特征参数，所述数据处理模块用于对所述特征参数进行处理，所述数据传输模块用于将处理后的所述特征参数发送给所述上位机；

所述数据采样模块包括多个采集单元，每个所述采集单元用于采集一种所述特征参数，所述采集单元分布在设定的测点处，且每一测点处设置有至少一种采集单元。

本实施例中，所述数据处理模块包括顺序连接的模数转换单元和主控芯片，所述数据采集模块的输出与所述数据模数转换单元的输入连接。

本实施例中，所述特征参数包括：所述回转支承内外圈的相对径向位移、轴向振动、润滑脂温度和应变。所述采集单元包括温度传感器、加速度传感器、位移传感器和应变测量模块。所述温度传感器选用型号为DS18B20。所述加速度传感器选用型号为CA-DR-001单轴电容式加速度传感器。所述位移传感器选用型号为YDYT9800一体化电涡流传感器。所述应变测量模块包括由3个电阻和1个电阻应变片构成的惠斯通电桥以及为所述惠斯通电桥提供输入电压并放大所述惠斯通电桥输出电压的调理电路。具体地，所述应变片选用型号为BF350的电阻应变片，调理电路选用型号为SG-3016隔离式应变片输入模块。通过搭建惠斯通电桥进行应变测量，将其中一个电阻替换为电阻应变片，当应变片产生形变时，电桥平衡状态被打破，产生输出电压。所述调理电路用于为惠斯通电桥提供输入电压，并将电桥输出电压放大。设置电桥输入信号量程为-30～+30mV，输出信号量程为0～5V。与所述应变片电路连接如下：INPUT+、INPUT-分别用于接入电桥应变产生的电压；EXCI+、EXCI-用于电桥供电；OUT+、OUT-输出模拟量差分信号，连接模数转换单元；PWR+、PWRCOM连接电源。除温度传感器，其他采集单元均输出模拟信号量，采用差分方式连接模数转换单元。所述温度传感器输出量为数字信号，与主控芯片直接连接。

所述模数转换单元选用功能芯片ADS1256，参考电压由基准源芯片REF2925提供，将5V转换为2.5V，功能芯片ADS1256和基准源芯片REF2925均采用5V供电，选用芯片MP2359将外接12V电源降至5V作为供电电压。加速度传感器、位移传感器、应变片对应连接所述功能芯片的第1、2、3通道，第4通道浮空。

本实施例中所述模数转换单元(功能芯片ADS1256)和所述主控芯片通过SPI协议通信。所述主控芯片选用型号STM32F407ZGT6。选用提供电源电压的芯片为AMS1117-3.3，将5V转换为3.3V。所述数据传输模块采用CAN通信，CAN通信集成于主控芯片内部，一帧可以传输8个字节数据。

本实施例中，所述测点为四个，平均周向分布在所述回转支承的外周。具体地，顺时针方向，所述测点依次包括第一测点、第二测点、第三测点和第四测点；所述第一测点处设置有所述温度传感器、所述位移传感器和所述加速度传感器；所述第二测点处设置有所述温度传感器、所述位移传感器和所述加速度传感器；所述第三测点处设置有所述应变测量模块；所述第四测点处设置有两个所述温度传感器；其中所述第一测点处和所述第二测点处的所述温度传感器用于测量所述回转支承的润滑脂温度，所述第三测点处的两个温度传感器中一个用于测量所述回转支承的润滑脂温度，另一个用于测量环境温度。

本实施例中，所述装置还包括数据采集板，所述采集单元的接口、所述数据传输模块的接口均集成在所述数据采集板上，所述数据处理模块直接集成在所述数据采集板上。工作时，数据采集板自动判断是否从串口接收到信息，并通过信息调整可接受数据的主机和自身工作模式，复位时自动读取。根据传感器分布，将测量程序分为三种工作模式。在工作模式1下，节点包含1个温度传感器，1个加速度传感器，采样速率为900SPS，1个位移传感器，采样速率为100SPS，每10次采样后开启CAN传输功能，10次采样中，包含第1通道9次，第2通道1次，温度传感器每1秒读取一次数据；在工作模式2下，节点包含2个温度传感器，每1秒各读取一次数据；在工作模式3下，节点包含一个应变传感器，采样速率为50SPS。

本实用新型选用ADS1256模数转换芯片采集传感器信号，其拥有23位无噪声分辨率和1位符号位，采样精度高，单通道采样速率最高可达30KSPS，可以快速进行通道切换，能保证采样数据的实时传输，达到实时监测回转支承健康状况的效果。本实用新型选用CAN总线进行监测数据传输，实时性强、检错能力强、传输距离较远、抗电磁和噪声干扰能力强、成本低、可靠性强。其自身具有可靠的错误处理和检错机制，发送的信息遭到破坏后，可自动重发，并且信息不会丢失，当发生错误严重的情况时，节点具有自动退出总线的功能，适合工业过程监控设备的互连。芯片ADS1256通过SPI协议与主控芯片通信，高速高效，简单易用，并且CAN通信由所述主控芯片内部高度集成，由此节省本实用新型布局空间，使之能够作为微型模块嵌入回转支承，而避免对回转支承的结构和功能造成影响。本实用新型可随时依据需求方便地更换感知元件和节点工作模式，而不用对本实用新型整体结构和植入代码作出更改，并且可以自定义节点工作模式。

下面以一个具体的实例描述本实用新型。

如图1所示，A、B、C、D为回转支承外圈上四个测点，B点始终朝向挖掘机操控室正前方向，安装一支电涡流位移传感器和一支加速度传感器，分别测量此处的内外圈相对径向位移和轴向振动；与B位置互成90°的C位置同样安装一支电涡流位移传感器和一支加速度传感器作为正交组收集运行参数；D处安装应变片测量局部应变，需确保BD方向倾覆力矩最大，径向力最大，且D处受轴向力和倾覆力矩叠加作用承受载荷最高；A点与BD呈垂直，同时A、B、C处还各安装一个温度传感器测量润滑脂温度，A处多安装一个温度传感器采集环境温度作为对照。共需加速度传感器2个，温度传感器4个，应变片1个，位移传感器2个。

加速度传感器与位移传感器采取表面固定安装，温度传感器采取嵌入式安装。所述加速度传感器与位移传感器的安装靶面可选择转动外圈侧面或下端面；所述温度传感器监测滚道内润滑脂温度，探测面需要嵌入安装至滚道内，选择0度角开孔，孔径控制在10mm以内。加速度传感器20、位移传感器21、温度传感器22安装分别如图2、图3、图4所示，图中的数字为尺寸，回转支撑包括内圈11、外圈10和钢球12。应变片23安装位置在转盘轴承滚道外圈侧面上边缘，如图5所示。要求铣出一小块光滑平面区域满足应变片粘贴即可，对表面进行清洁处理，使用应变片粘贴剂黏接应变片。

如图6所示，所述加速度传感器的信号线和地线分别连接加速度传感器接口1的AIN0、AIN1；位移传感器的信号线和地线分别连接位移传感器接口2的AIN2、AIN3；应变调理电路差分输出正负极分别连接应变测量模块接口3的AIN4、AIN5；模数转换单元空闲通道接口4中，AIN6、AIN7作为差分通道4的正负极，作为备用传感器接口使用。温度传感器连接温度传感器接口5。通过CAN通信总线接口7将节点挂载到CAN总线上进行数据传输。

温度传感器输出为数字信号量，数据直接传输给主控芯片，配置为12位分辨率，包括5个符号位，7个整数位，4个小数位，程序读取温度值满足下述公式：

温度＝符号位+整数位+小数位×0.0625

加速度传感器输出为模拟信号量，连接模数转换单元，输出信号量满足下述公式：

式中，V_out为输出电压，单位为V；V_S为电源电压(5V)，单位为V；灵敏度为1；a为加速度值，单位为g。

根据法拉第电磁感应定律和楞次定律，所述位移传感器内部电涡流的磁场方向与线圈磁场相反，探头内线圈阻抗值的变化与线圈到被测物体之间的距离直接相关，由此为依据转换为电压值输出，所述位移传感器输出为模拟信号量，连接模数转换单元。

搭建惠斯通电桥测量应变，调理电路为电桥供电，并对电桥输出电压进行放大。惠斯通电桥选用各电阻阻值为350Ω，并将其中一个电阻替换为电阻应变片，当回转支承产生应变时，电桥产生输出电压满足如下公式：

式中，K为比例常数(应变片常数)；E为电桥输入电压；e为电桥输出电压；ε为应变程度。

模数转换单元选用芯片ADS1256，配置为4路差分通道，PGA＝1，最高有效位优先输出，开启自校准，关闭输入缓冲，关闭时钟输出，关闭传感器检测电流源，配置采样通道为4路差分通道。对加速度传感器、位移传感器、应变片地采样速率分别配置为900SPS、100SPS、50SPS，对应连接功能芯片的第1、2、3通道，第4通道浮空，转换出电压数字量满足如下公式：

式中，V为转换电压数字量；V_ref为参考电压；AD为通道扫描数据，当AD<0时，采用补码方式，AD＝7FFFFFH-(通道缓冲区数据-800000H)+1。

CAN总线传输速率为1Mbps/s，过滤器为标识符列表模式，设置宽度为32位。CAN通信帧格式为：第1字节为帧头，固定格式为0xFA；第2字节为节点ID，CAN通信ID范围为0x00～0xFF，其中0x00～0x3F为工作模式1(一个加速度传感器、一个位移传感器、一个温度传感器)；0x40～0x7F为工作模式2(两个温度传感器)；0x80～0xBF：模式3(一个应变传感器)；0xC0～0xFF：其它模式；第3字节为帧类型，表示传感器类型：0x01表示加速度传感器；0x02表示位移传感器；0x03表示应变传感器；0x04表示温度传感器1；0x05表示温度传感器2；第4～7字节为数据区，即为传感器采集的数据；第8字节为校验位，即从帧头到数据区的所有字节累加和的低8位。CAN通信能够通过更改本机和可接收主机的CAN通信ID更改工作模式或接收两个主机发送的命令，并将其存放在外接EEPROM种以便下次上电读取，所选芯片为24C02。

通过串口设置相应节点CAN通信ID。若设置本机ID，则需在串口输入“ID_SLAVE＝xx#”；若设置当前节点可接受的主机ID，则需在串口输入“ID_HOST1＝xx#”或“ID_HOST2＝xx#”表示两个不同主机。其中xx为所需设置ID的十进制数，命令需以“#”结尾。每次通过串口发送数据时，采集板会自动保存相应ID，并在每次上电时自动读取，系统会对存储与读取的成功与否做出反馈。当程序死机超过32秒时，程序会自动复位。

以上已经描述了本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种智能回转支承采集装置，其特征在于，包括：

上位机；

安装在所述回转支承上的数据采样模块、数据处理模块和数据传输模块；

所述数据采样模块用于采集所述回转支承的特征参数，所述数据处理模块用于对所述特征参数进行处理，所述数据传输模块用于将处理后的所述特征参数发送给所述上位机；

所述数据采样模块包括多个采集单元，每个所述采集单元用于采集一种所述特征参数，所述采集单元分布在设定的测点处，且每一测点处设置有至少一种采集单元。

2.根据权利要求1所述的智能回转支承采集装置，其特征在于，所述采集单元包括温度传感器、加速度传感器、位移传感器和应变测量模块。

3.根据权利要求2所述的智能回转支承采集装置，其特征在于，所述测点为四个，平均周向分布在所述回转支承的外周。

4.根据权利要求3所述的智能回转支承采集装置，其特征在于，顺时针方向，所述测点依次包括第一测点、第二测点、第三测点和第四测点；

所述第一测点处设置有所述温度传感器、所述位移传感器和所述加速度传感器；

所述第二测点处设置有所述温度传感器、所述位移传感器和所述加速度传感器；

所述第三测点处设置有所述应变测量模块；

所述第四测点处设置有两个所述温度传感器；

其中所述第一测点处和所述第二测点处的所述温度传感器用于测量所述回转支承的润滑脂温度，所述第四测点处的两个温度传感器中一个用于测量所述回转支承的润滑脂温度，另一个用于测量环境温度。

5.根据权利要求1所述的智能回转支承采集装置，其特征在于，所述数据处理模块包括顺序连接的模数转换单元和主控芯片，所述数据采样模块的输出与所述模数转换单元的输入连接。

6.根据权利要求2所述的智能回转支承采集装置，其特征在于，所述应变测量模块包括由3个电阻和1个电阻应变片构成的惠斯通电桥以及为所述惠斯通电桥提供输入电压并放大所述惠斯通电桥输出电压的调理电路。

7.根据权利要求1所述的智能回转支承采集装置，其特征在于，所述装置还包括数据采集板，所述采集单元的接口、所述数据传输模块的接口均集成在所述数据采集板上，所述数据处理模块集成在所述数据采集板上。

8.根据权利要求1所述的智能回转支承采集装置，其特征在于，所述特征参数包括：所述回转支承内外圈的相对径向位移、轴向振动、润滑脂温度和应变。

9.根据权利要求5所述的智能回转支承采集装置，其特征在于，所述模数转换单元和所述主控芯片通过SPI协议通信。

10.根据权利要求6所述的智能回转支承采集装置，其特征在于，所述加速度传感器和所述位移传感器安装在所述回转支承的外圈表面，所述温度传感器安装在所述回转支承的滚道内，所述电阻应变片安装在所述回转支承的外圈侧面上边缘。

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