1、 （ 20_ _届） 本科毕业 设计 基于 ARM 的精密机床故障诊断系统 所在学院 专业班级 测控技术与仪器 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 精密机床作为精密零件加工设备，体现了一个国家制造业的发展水平。其加工产品的优劣又直接影响到其他机械的加工精度，最终会影 响到整个加工制造业。本文建立了基于 ARM的精密机床故障信号的采集系统，对运行中的机床进行故障信号的采集。然后对采集的故障信号进行分析，通过与正常数据和故障数据的对比的得出了机床存在不对中故障的判断，通过现场观察，是由于三爪卡盘脱落引起的。 本文先分析了基于 ARM 系统相对于 PC 系统的优势，设计了基
2、于 ARM 的精密机床故障诊断系统的硬件平台，通过振动理论的分析，建立了失衡故障的数学模型，推导了失衡故障的频率特征，并例举了常见故障的频率特征，采用傅里叶变换和小波变换对故障信号进行分析，通过故障信号与正常数信号的对比 ，论证了两种方法的有效性，通过现场检验，找到了故障的原因，并排除了故障。 关键词 故障诊断； ARM；精密机床； FFT；小波变换 II ARM-based fault diagnosis system for precision machine tools Abstract Precision machine tools is machining equipment for
3、 precision parts, reflecting the level of a countrys manufacturing industry. The quality of its product is very important. It influents the other machinerys precision directly. Finally, it will influence the precision of the whole manufacturing industry. In this article, a fault signal system based
4、on ARM is designed and used collecting the fault signal of machine under working condition .Then the fault signal collected is analyzed by comparing with normal signal data, the machine failure of center not symmetrical is diagnosed. Through the observation by field, finding out the cause of the fau
5、lt is the due to three claws chuck. The article analysis the advantage of ARM based system compared to PC based system, designed the hardware platforms of ARM system. Though the analysis of the vibration theory, the mathematical model of unbalanced fault. is established, the frequency feature of imb
6、alance is found. The common faults frequency is affirmed. Fourier transformation and wavelet transformation are used to analysis. Through the comparison of the fault signal and normal signal number, demonstrates the effectiveness of the two methods. Though the field inspection, the cause of fault is
7、 found, and solved the problem. Keywords: fault Diagnosis, ARM, precision machine tools, FFT, Wavelet Transform III 目 录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1课题研究的意义 . 1 1.2 机床故障诊断国内外研究现状 . 2 1.3 论文的内容安排 . 4 2故障机理研究 . 5 2.1简谐振动 . 5 2.2 单自由度自由振动 . 7 2.3单自由度强迫振动 . 10 2.3.1 稳态阶段 . 10 2.3.2 过渡阶段 . 11 2.4 故障
8、特征 . 11 2.4.1 失衡故障分析 . 11 2.4.2 其他故障 . 13 3 基于 ARM 的数据采集系统 . 15 3.1总体方案的选择 . 15 3.1.1 基于 PC 的故障诊断系统 . 15 3.1.2 基于 ARM 的故障诊断系统 . 16 3.2 传感器的选择 . 17 3.3硬件电路设计 . 19 3.3.1 信号调理电路 . 19 3.3.2 ARM 最小系统 . 21 3.3.3 键盘电路 . 24 IV 3.3.4 通信接口电路 . 25 3.3.5 触摸屏驱动电路 . 26 4 故障信号分析 . 27 4.1时域与包络分析 . 27 4.1.1 时域分析 . 2
9、7 4.1.2 包络分析 . 28 4.2傅里叶变换频谱分析 . 28 4.2.1 傅里叶变换 . 28 4.2.2 快速傅里叶变换 . 30 4.2.3 数据分析结果 . 31 4.3小波变换频谱分析 . 32 4.3.1 小波变换 . 32 4.3.2 离散小波变换 . 33 4.3.3 数据分析结果 . 34 5 结论 . 37 参 考 文 献 . 38 致 谢 . 错误 !未定义书签。 附 录 . 40 附图 I ML-36铣床图 . 40 附图 II 电荷放大器 . 错误 !未定义书签。 附图 III 基于 PC的机密机床故障诊断系统 . 42 附图 IV 传感器分布图 . 43 基
10、于 ARM 的精密机床故障诊断系统 1 1 绪论 1.1 课题研究的意义 精密机床（如图 1-1 所示）作为精密零件的加工机械，为各行各业提供所需的精密部件，尤其是我国现在大力发展的 航空航天事业，其每个零件都需要精密加工，任何一个小零件的不合格都将存在巨大的安全隐患。为了保证机床的正常运行，需要对运行中的机床实行监测，实时检测其运行时的各个部位的性态参数。近年来，由于许多的科研单位和企业致力于微处理器的发展，促使了以专用为目 的 的嵌入式系统得到前所未有的发展。传统的基于 PC 的仪器，由于体积大，成本高，且资源浪费严重等原因，其应用领域正在被更高效，便携，且相对廉价的嵌入式系统占领。所以将
11、传统的基于 PC 的精密机床故障诊断系统改进为基于 ARM 的精密机床故障诊断系统具有深远的意义。 图 1-1 精密机床 精密机床作为精密零件的加工机械，标志着一个国家的制造业水平。其加工产品的优劣又直接影响到其他机械的加工精度，最终会影响到整个加工制造业。因此，作为一个产业的源头，保证其正常的运行具有深远的意义。 (a)保证精密机床的正常运行，即保证了加工零件的质量，减少了次品，这样一来，基于 ARM 的精密机床故障诊断系统 2 节省了资源，提高了效率。 (b) 在精密机床出现故障之前通过故障征兆发现故障，并及时解决，能够保证机床的正常运行，避免出现巨大的故障而损坏机床，减少经济损失。 (c
12、) 通过故障诊断系统实现了故障自动监视，自动报警，自动诊断，自 动处理等一系列功能，节省了劳动力资源，提高了生产的效率。 (d) 故障诊断减少了维修次数，降低了维修费用，提高了经济效益。 1.2 机床故障诊断国内外研究现状 故障诊断技术随着历史不断发展，经历了从手 摸，眼看，耳听到现代故障诊断系统的发展。 20 世纪 60 年代计算机技术得到了飞速发展，伴随之出现 了快速傅里叶变换（ FFT），从而把信号处理和分析技术的软件和硬件 推向了一个新的高度。设备系统和零部件的可靠性工程的发展及对零件失效分析 机理的研究等，推动了诊断技术的飞速发展。从开发技术诊断的方法上看，国内、国外 其他领域中的
13、诊断方法、理论和各种现代化仪器的最新成就都保持高度敏感性，凡是成 熟的可借用的拿来就用，不成熟的也拿来完善它，使它适用于诊断领域。像信号处理技 术、声发射技术、红外测温技术、油液分析技术及各种无损检测技术，都是被借用于诊 断目的，成为设备诊断技术的重要内容。两种以上的方法的综合诊断具有较高的确诊率 ，像振声诊断 1就是其中最活跃的代表。 诊断技术是根据机械设备运转过程中也就是工 艺过程运行中发生的各种各样的信息来识别和进行诊断的，或者对结构、机构零 部件进行激励使之产生各种不同的信息来诊断其损伤。信息的多样性使诊断技 术的理论基础非常广泛，已经应用到自然科学 的各个学科。涉及最多的学科有高等数
14、学和现代数 学各个分支，电子计算机计算方法，物理学中的热学、光学、声学及力学、化学等。 就像对人体诊断疾病一样，这些数学、物理、 力学和化学等方法为人们对机械设备、工艺过程和生产系统的正确诊断提供了各方面的 信息，为人们由局部推测整体、由现象判断本质和用当前预见未来建立可靠地依据。出 现了统计诊断、分析诊断、模糊诊断、灰色诊断、神经网络诊断、小波诊断等理论和方 法。 机床故障诊断是伴随着电子技术、计算机应用技术、传感器技术、现代控制理论、现代 信号处理、人工智能技术、现代测试理论等发展而发展的 2。机床故障诊断包括 机基于 ARM 的精密机床故障诊断系统 3 床状态信号的采集，故障信号的分析，
15、机床故障诊断。 状态信号是故障特征信息的载体，因此在故障诊断中及时、准确地获得状态信号是十分必要的。在采集故障状态时，传感器作为前端装置就显得尤为重要了。传感器的发展经历了从最初的聋哑传感器发展成现代智能传感器。如最初的振动传感器只是一块应变片，或压电陶瓷，为了能正常测量需要很复杂的外围调理电路，这样的传感器体积臃肿，受温度等外围因素影响大，信号常常湮没在噪声中。现代的智能传感器伴随着集成电路和芯 片技术的发展，传感器已经是一块集成电路板，甚至一块芯片，且里面集成了许多的功能模块，像数据存储模块，通信模块等。有的已经开发成产品，在生产实践中广泛应用。这样的传感器具有体积小，抗干扰能力强，稳定性
16、好等特点。正是由于传感器技术的这些发展促进了故障诊断技术的发展。 在故障诊断理论和方法方面，国内屈梁生 3教授带领的西安交通大学制造系统工程国家重点实验室，在国内处于领先的地位。屈梁生 4教授 长期从事机械质量控制与监测诊断领域的基础性、开拓性研究，提出 “诊断是以机械学和信息论为依托，多学科融合的技术，本质 是模式识别 ”的学术思想。首创全息谱技术，全面集成机器振动的幅、频、相信息，显著提高了机器运行中稳差故障的识别率，在此基础上开发完成了轴系全息动平衡技术，有主要改善了现有移子现场动平衡方法。其所研制的多机组在线监测网络，具有预警、故障追忆、远程和智能诊断功能。运用和发展机械信号处理技术，
17、从发动机噪音中成功地提取了故障特征、揭示了机器声悦耳感的机理、提高了多种机电产品的传动精度。 屈梁生 5教授带领他的学生将近年理论成果，如小波变换 6，全息谱分析， Boosttrap 方法，盲源分离分析，支持向量机分析，进化算 法等等理论应用于故障诊断，形成了比较成熟的故障诊断理论方法。为国家培养了一大批这方面的人才。然而，目前的故障诊断技术通常只分析振动信号，而忽略了其他类型的信号。机床故障诊断应该从多个方面下手，诸如振动，温度，声音，扭矩，压力等。在这方面有很多的工作要做 7。 国外较早进行机床故障诊断。尤其是振动法的故障诊断技术，已经非常成熟。美国的 J.H.金斯伯格教授在机械与结构振
18、动 理论与应用中详细的讲解了振动的知识，是关于振动的一本很好的教科书 8。在国外许多的机床公司为他们的产品给提供在线故障监测和诊断。 这是基于 internet网络的故障诊断新技术（图 1-2），这一技术的基于 ARM 的精密机床故障诊断系统 4 应用，可以提高故障诊断的效率，节约了专家资源 9。 图 1-2 基于 Internet 的故障诊断系统 1.3 论文的内容安排 本文按以下几章对基于 ARM 的精密机床故障诊断进行设计： 第一章 主要介绍嵌入式系统、机床故障诊断技术的发展状况等。 第二章 主要介绍了振动基础知识，通过建模分析了失衡故障的机理和机床的常见故障的频率特征。 第三章 主要介
19、绍了基于 ARM的故障诊断系统的前端硬件设计， 包括传感器的选择，信号调理电路的选择， ARM最小系统，和人机交互接口。 第四章 主要介绍了故障信号的几种常用分析，包括时域分析，频域分析和时频分析，并用 FFT和小波变换对采集来的的故障数据进行了分析。通过现场检查发现了故障。 第五章 总结了该系统的优缺点，并展望了该系统的应用前景。 精密机床 精密机床 精密机床 精密机床 设备信息数据 设备诊断 服务器 远程诊断专家 局域网 Internet 异地专家 基于 ARM 的精密机床故障诊断系统 5 2 故障机理 研究 2.1 简谐振动 简谐振动是最简单的周期振动，其位移方程可以用正弦或余弦函数描述
20、为（图 2-1） tAx sin (2-1) 0 20 40 60 80 100 120-1- 0 . 8- 0 . 6- 0 . 4- 0 . 200 . 20 . 40 . 60 . 81图 2-1 简谐振动曲线 其振动参量如下： x 振动任一瞬时的位移（线位移或角位移），单位为 mm或 rad； t 时间（ time），单位为 s； A 振幅（ amplitude），最大振动位移； T 振动周期，振动一次（一周）所需的时间，单位为 s； 圆周率（ angular frequency，又称角频率），表示振动快慢，单位为 rad/s f 每秒钟振动次数，单位为周 /s (Hz、次 /s),它们之间的关系如下：
