论文总字数：13657字

摘 要

现今机械设备越来越复杂，自动化水平也越来越高，广泛的应用于各种工业活动和家庭生活中。但是在长期的使用过程中，机械设备的状态会逐渐恶化。据调查显示系统故障中60％以上是机械故障。因此，如何在最短的时间内用简单的操作即可鉴别出发生的机械故障，是系统故障诊断的关键。本课题研究并设计了一种可以方便快捷检测出机械故障的系统。主要从动平衡原理，信号处理和数据采集，故障推理研究等方面展开设计。全面阐述了产品设计的基本原理、初步方案提出、硬件装置介绍、方案进一步改进、完善、制作和调试等关键步骤。其中还着重分析讲解了本课题的重点模块数据采集而且记录了本课题在实验过程中出现的问题及其解决方法。有助于大家对动平衡故障诊断有更深一层的理解。

关键词：机电系统；信号处理；动平衡；故障诊断

Balancing troubleshooting hardware design

Abstract

Today more and more complex machinery and equipment, automation levels are increasing, widely used in various industrial activities and family life. But in the long-term use, the state of the mechanical equipment will gradually deteriorate. According to the survey, 60% or more of system failure is mechanical failure. So, how to use simple operation can identify mechanical failure in the shortest possible time, it is the key to the system fault diagnosis. The research and design of a quick and easy detection of mechanical failure of the system. Unfolding mainly in terms of balancing principle, signal processing and data acquisition, fault reasoning research. A comprehensive exposition of the basic principles of product design, initial program proposed introduction of hardware devices, programs to further improve and perfect the key steps to create and debug. It also focuses on explaining the focus of this issue of data acquisition module and record this topic appeared in the experiment problems and their solutions. Balancing troubleshooting help everyone have a deeper understanding.

Keywords: Mechanical and electrical systems; signal processing; Dynamic equilibrium; fault diagnosis

目录

摘 要 I

Abstract II

目录 III

第一章 引言 1

1.1课题目的及意义 1

1.2课题发展现状及存在问题 1

1.3课题指导思想及相关理论 1

1.4课题应解决的主要问题 2

第二章 动平衡故障诊断设计流程 3

2.1动平衡原理及分析方法 3

2.2动平衡故障诊断硬件总体设计流程 3

2.2.1初步设想 3

2.2.2 主芯片的选择 3

2.2.4 总设计流程 4

第三章 重要元件分析 5

3.1 LTC6912 5

3.2 MF10 5

3.3 CD4046 6

第四章 动态平衡故障诊断硬件设计 7

4.1 动态平衡故障诊断硬件设计原理图 7

4.2 难点模块分析 7

4.2.1 积分选择模块 7

4.2.3 驱动模块 9

4.3 创新扩展模块 9

4.3.1 电流源模块 9

4.3.2 LED灯 9

4.3.3 SPI 接口 10

4.4 重点模块数据采集详细分析 10

第五章 动态平衡故障检测的调试 13

5.1 与软件结合的调试过程 13

5.2调试阶段出现的问题及其解决 13

5.2.1 接口问题 13

5.2.2 显示问题 13

5.2.3 故障排除 13

5.3 调试结果与改进 14

第六章 结论 15

6.1 课题总结 15

6.2 经验归纳 15

致谢 16

参考文献 17

附录 18

第一章 引言

1.1课题目的及意义

近些年随着科技的进步，机械渐渐取代了人工劳动走进了工厂、公司以及千家万户。机械工作量大且耗时少，操作简单方便，应用省时省力。但令人遗憾的是一旦机械出现故障，这个庞然大物就立刻瘫痪在原地停止工作，让生产生活陷入不便，委实让人头疼。由于大型机械的笨重和复杂给检测工作带来不小的麻烦。怎样才能减少这种既浪费人力又浪费时间的检测工作，使我们能在机械出现故障时既不用千里迢迢找专家检修又不用大费周折的对庞大的机器进行检查，而是轻松通过一个系统找到出现故障原因甚至精准的定位到故障点，从而使机械的应用更加方便，尽善尽美。基于如此背景下，我们选择这个实用性很强的课题“动平衡故障诊断硬件设计”希望能通过此课题解决这个实际问题。

1.2课题发展现状及存在问题

故障机理的研究是故障诊断中一个非常艰难且重要的基础工程，正如病理研究对于医疗领域一样。美国学者John·Sohre，于1968年在美国机械工程研究所石油机械工程发表了“高速涡轮机械操作问题（失败）的原因及处理”一文，对典型的症状和可能引起机械故障的原因给出了一个清晰、简明的描述。他建议，典型故障可分为9个类型，37种。之后的上世纪60年代至70年代期间，日本的Shiraki对故障机理的研究工作做了很多研究，总结了丰富的现场故障排除经验，以支持故障机制的理论。本特利内华达公司以转子-轴承系统的故障机制也进行了一系列实验研究。在中国，大量的相关研究工作也已完成。高等人研究了高速涡轮机械振动的故障机理,探讨了振动频率和振动之间的关系,并分析出关于振动故障的原因制成表,基于此表对次同步,同步和超同步振动的机制和识别特性。依据表格他们提出典型故障应分为10类、58种,并相应的在机器设计和制造、安装、维护、操作、机械降解等方面提供预防和维护。徐等人总结了旋转机的常见故障。他们建立了发电机转子非线性动态模型，全面探讨在不同转子动态行为的影响,并提出了一个有效的解决方案,防止转子故障。杨等人采用振动分析方法，研究了一系列的柴油发动机的故障机制。在1980年代以来，其他研究人员做了很多有关机械的故障机制的研究，并出版了许多有价值的论文，在故障诊断系统的应用中提供了理论和技术支持。然而，大部分的故障诊断研究还仅仅处于定性分析和理论模拟阶段，要使其在实际工程中实现是很难的。此外，机电系统的故障信息有较强的非线性，非高斯特性和非平稳性，这就使其仿真测试不能很准确的反映出系统的某些特性。导致诊断结果和应用性能受到很大的影响。因此，故障诊断技术的发展仍然面临巨大困难。  

1.3课题指导思想及相关理论

信号是随时间或空间变化的携带信息的物理量或物理现象，是信息的载体与表现形式。电信号是所有信号中最便于传输、处理、控制和重现的信号。所以可以通过适当的传感器将许多非电信号转换成电信号。通常，信号的特性可以从时域和频域两方面来描述。信号分析通过研究信号的有关描述、运算以及信号发生某些变化时其特性相应的变化，来揭示信号自身的时域、频域特性。

旋转机械的振动噪声增大是一种故障状态，与生产，生活，环境保护等关系密切。可以通过对振动噪声信号的数据采集，分析，来了解引起故障的原因，作为设备检修的依据。

1.4课题应解决的主要问题

使单片机控制显示部分，数据进行A/D转换器转换后进行数据显示，通过量化过程将量程确定的连续电压信号转换为字长有限的数字信号。同时，还可以将连续的时间信号转换为一系列离散时间点上的信号。在一定的精度条件下，A/D转换器转换后得到的数字量与输入的模拟电压成正比。随着送入信号大小变换，显示屏曲线也变化显示。这样就可以把机械振动及其噪声转换为频谱进行分析。

第二章 动平衡故障诊断设计流程

2.1动平衡原理及分析方法

工业中转子加工不好，不对称，造成旋转不平衡，出现振动。通过传感器把要检测的机械的振动转化为电信号，送到设计好的硬件系统上与软件结合对振动信号采集、波形画图、然后利用FFT提取频率分量进行频谱分析。最后把得到的数据传输出去，经专家系统做出判断，从振动信号的谐波分量和相位信息中找到不对称的位置，进行加工修理。

2.2动平衡故障诊断硬件总体设计流程

2.2.1初步设想

图 2.1 动平衡故障检测硬件设计初步设想框图

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