基于數(shù)據(jù)采集卡AC6622和VC++6實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)軸承數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

滾動(dòng)軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的重要零部件之一，其工作狀態(tài)直接決定機(jī)械系統(tǒng)的性能及運(yùn)行情況。在工程實(shí)踐中，滾動(dòng)軸承的一個(gè)微小故障都可能導(dǎo)致生產(chǎn)線的停機(jī)或損壞設(shè)備，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因而對(duì)滾動(dòng)軸承工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并制定可靠的維修策略具有重要意義。

為獲得不同故障程度的數(shù)據(jù)，通常先用電火花加工不同直徑的點(diǎn)蝕故障，再測(cè)量缺陷軸承的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)。而滾動(dòng)軸承的疲勞失效是長(zhǎng)期漸變過(guò)程，點(diǎn)蝕故障與軸承疲勞剝落的機(jī)理不同，也難以模擬性能失效的緩慢變化過(guò)程。因傳統(tǒng)滾動(dòng)軸承壽命試驗(yàn)方法具有周期長(zhǎng)、費(fèi)用高且試驗(yàn)結(jié)果可靠性差等缺陷。文中采用能在保持疲勞失效機(jī)理一致的前提下，大大縮短試驗(yàn)時(shí)間、降低試驗(yàn)成本的滾動(dòng)軸承強(qiáng)化壽命試驗(yàn)方法。國(guó)內(nèi)滾動(dòng)軸承數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多數(shù)是芯片級(jí)的連續(xù)實(shí)時(shí)采集和保存的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這類采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性需要反復(fù)測(cè)試、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大。而軸承強(qiáng)化壽命試驗(yàn)也是耗時(shí)長(zhǎng)、數(shù)據(jù)采集量大。為了準(zhǔn)確可靠檢測(cè)疲勞失效，要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)多點(diǎn)檢測(cè)，在連續(xù)采集數(shù)據(jù)的同時(shí)還能以固定時(shí)間間隔存儲(chǔ)固定時(shí)間長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)采集系統(tǒng)應(yīng)節(jié)約存儲(chǔ)空間，并能有效提取滾動(dòng)軸承疲勞失效漸變過(guò)程數(shù)據(jù)。這樣就提出了比一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更高的要求。文中設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)為板卡級(jí)，具有抗干擾力強(qiáng)、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。在滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的前提下，采用國(guó)產(chǎn)采集卡和傳感器，縮減了采集系統(tǒng)的成本，較之同類數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有著較大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。并在精確定時(shí)定量保存數(shù)據(jù)方面作了改進(jìn)，彌補(bǔ)了一般軸承故障診斷采集系統(tǒng)不具備在連續(xù)采集的同時(shí)進(jìn)行精確定時(shí)定量的數(shù)據(jù)保存工作，因而大大節(jié)省了存儲(chǔ)空間，并能有效提取有用信息。文中設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)在軸承強(qiáng)化壽命試驗(yàn)中成功采集到了有效振動(dòng)數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述要求文中設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

滾動(dòng)軸承強(qiáng)化壽命試驗(yàn)是在杭州軸承測(cè)試中心ABLT-1型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，如圖2所示。

1．1 加速度傳感器

滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)屬于高頻信號(hào)，因此采用加速度傳感器進(jìn)行信號(hào)的拾取。壓電加速度傳感器是利用壓電效應(yīng)原理，將作用于其上的加速度轉(zhuǎn)換為與之成正比的電荷量，再經(jīng)過(guò)電荷放大、變換成輸出電壓信號(hào)?？紤]到本系統(tǒng)的頻率在4kHz以下，軸承載荷負(fù)載的加速度不會(huì)超過(guò)10g，采集工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度高、試驗(yàn)環(huán)境惡劣、要求精度高等因素，所以本系統(tǒng)選用上海北智公司100系列15117型壓電式加速度傳感器。該型號(hào)傳感器具有測(cè)量信號(hào)質(zhì)量好、噪聲小、抗外界干擾能力強(qiáng)、輸出電壓范圍為±5V等優(yōu)點(diǎn)。其主要性能參數(shù)如表1所示。

1．2 數(shù)據(jù)采集卡

由于采集系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)快速多通道數(shù)據(jù)采集，且滾動(dòng)軸承的失效是個(gè)慢變化的信號(hào)，所以要求A／D轉(zhuǎn)換的分辨率高，以提高檢測(cè)數(shù)據(jù)的精度。鑒于以上要求，本系統(tǒng)選用北京雙諾測(cè)控公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡AC6622，AC6622其是一款基于PCI總線中速采集卡，支持全速實(shí)時(shí)不間斷采集。主要性能參數(shù)如下：

（1）16路單端輸入。輸入電壓：5／10 V、±5 V，軟件控制。

（2）A／D轉(zhuǎn)換器：16位A／D，采樣頻率可達(dá)250 kHz。

（3）通道輸入阻抗：10 MΩ。

（4）輸入通道支持任意起始到任意結(jié)束通道的自動(dòng)掃描。

（5）系統(tǒng)精度：0．02％FSR。

（6）卡上內(nèi)置4 kB采樣FIFO緩沖器。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)要求界面友好、操作方便、實(shí)時(shí)多通道采集大量數(shù)據(jù)，特別是為了準(zhǔn)確測(cè)定失效時(shí)間和故障的診斷和預(yù)測(cè)提供可靠的數(shù)據(jù)，要求準(zhǔn)確記錄數(shù)據(jù)及時(shí)間。根據(jù)以前統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)一般一次實(shí)驗(yàn)持續(xù)約為30天，連續(xù)采樣數(shù)據(jù)達(dá)幾百GB，所以準(zhǔn)確記錄數(shù)據(jù)及時(shí)間是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

系統(tǒng)在Windows XP下采用VC++6．0軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。Microsoft Visual C++是一款功能強(qiáng)大的可視化應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具。憑借其強(qiáng)大的功能和易學(xué)等特點(diǎn)受到了廣大程序員的歡迎，在數(shù)據(jù)采集和工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。雖然VC++自身無(wú)法對(duì)計(jì)算機(jī)的底層硬件進(jìn)行訪問(wèn)以及利用各種接口板進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和時(shí)間控制，但是通過(guò)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)I／O口的訪問(wèn)和控制。

AC6622采集卡以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的方式封裝了用戶在Windows環(huán)境下編程需要的函數(shù)，無(wú)需用戶編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序，這樣就大大縮短了整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期。在這些函數(shù)中，幾個(gè)重要的函數(shù)如表2所示。

數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題是在實(shí)現(xiàn)連續(xù)采集的同時(shí)以固定時(shí)間間隔保存固定時(shí)間長(zhǎng)度的振動(dòng)數(shù)據(jù)。AC6622采集卡是在FIFO半滿時(shí)產(chǎn)生一次中斷，驅(qū)動(dòng)接收中斷后自動(dòng)將2 kB數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部緩沖中，而后用戶通過(guò)調(diào)用Read_A／D（）函數(shù)讀取內(nèi)部緩沖中的采集數(shù)據(jù)。采集卡沒(méi)有提供用戶使用的中斷源，要實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)寫(xiě)入定量的數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)設(shè)備中，無(wú)法通過(guò)采集卡硬件中斷實(shí)現(xiàn)。

實(shí)現(xiàn)定時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有兩種方案，第1種方案是利用Windows下提供直接使用的定時(shí)器函數(shù)控制數(shù)據(jù)采集卡定時(shí)自動(dòng)保存數(shù)據(jù)。第2種方案是根據(jù)采樣率一定情況下，每個(gè)采樣點(diǎn)所用時(shí)間是固定的，通過(guò)查詢采集卡讀回?cái)?shù)據(jù)的長(zhǎng)度進(jìn)行時(shí)間換算，進(jìn)而通過(guò)控制每次讀回?cái)?shù)據(jù)的長(zhǎng)度進(jìn)行時(shí)間上的定時(shí)。

第1種方案雖然有編程簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但是利用VC6++編程時(shí)，Windows下提供直接使用的定時(shí)器函數(shù)SetTimer（）、KillTimer（）和（）nTimer（）函數(shù)的定時(shí)精度只有55 ms，而且通過(guò)SetTimer（）函數(shù)設(shè)置的常規(guī)定時(shí)器的定時(shí)事件是由消息引發(fā)的，而Windows是一個(gè)多任務(wù)的操作系統(tǒng)，在其消息隊(duì)列中的定時(shí)器消息WM_TIMER的優(yōu)先級(jí)很低，所以較難保證所發(fā)出的定時(shí)消息能及時(shí)得到響應(yīng)和處理。此外Windows的工作方式為搶占式，其內(nèi)部的時(shí)間管理函數(shù)并不能實(shí)現(xiàn)等間隔的時(shí)間控制。因此第1種方案只適用于定時(shí)精度不高的地方，這樣就不能滿足本系統(tǒng)精確定時(shí)的要求。

第2種方案在編程上較第一種方案稍復(fù)雜，通過(guò)查詢采集卡讀回?cái)?shù)據(jù)的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能，而該方式的定時(shí)依賴于采集卡硬件自身的時(shí)鐘系統(tǒng)，較第1種方案定時(shí)更加精確，在200 kHz的采樣率下定時(shí)精度能達(dá)到5μs。因此文中采用第2種定時(shí)方案。系統(tǒng)流程框圖，如圖3所示。

數(shù)據(jù)定時(shí)方面，對(duì)于因調(diào)用Read_A／D（）函數(shù)的時(shí)間間隔不能嚴(yán)格相等，導(dǎo)致Read_A／D（）函數(shù)每次返回的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可能會(huì)不相等，致使無(wú)法準(zhǔn)確定時(shí)的問(wèn)題。解決方法是開(kāi)辟一個(gè)用戶緩存區(qū)作為數(shù)據(jù)緩沖池，每次從數(shù)據(jù)緩沖池獲取定長(zhǎng)數(shù)據(jù)量。具體實(shí)現(xiàn)的部分代碼如下

數(shù)據(jù)保存方面，因每秒鐘需將大量浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)寫(xiě)入文本文件所占用的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了調(diào)用Read_A／D（）函數(shù)允許的最長(zhǎng)時(shí)間間隔，導(dǎo)致內(nèi)部緩存溢出。于是提出將采樣數(shù)據(jù)放到臨時(shí)開(kāi)辟足夠大的用戶緩存中，然后調(diào)用fwrite（）函數(shù)一次性將用戶緩存中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到文本文件中，具體實(shí)現(xiàn)的部分代碼如下

通過(guò)以上關(guān)鍵技術(shù)能很好解決精確定時(shí)和多條通道數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。

3 試驗(yàn)結(jié)果

為防止出現(xiàn)因追加保存數(shù)據(jù)操作的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而影響采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，所以每分鐘采集數(shù)據(jù)保存一個(gè)文件。兩次數(shù)據(jù)采集共持續(xù)了24天14時(shí)25分，占用209 GB的存儲(chǔ)空間，如果使用普通的連續(xù)采集系統(tǒng)需要占用2 508 GB存儲(chǔ)空間。應(yīng)用文中設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)ABLT-1型滾動(dòng)軸承強(qiáng)化壽命試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集結(jié)果如表3所示。

實(shí)際采集結(jié)果表明文中設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)連續(xù)采集和定時(shí)數(shù)據(jù)存盤(pán)，并且較普通連續(xù)采集系統(tǒng)能節(jié)約更多存儲(chǔ)空間，實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)。文中設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)適用于需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)采集，精確定時(shí)存儲(chǔ)和大量數(shù)據(jù)保存的數(shù)據(jù)采集工作。圖4為系統(tǒng)單通道在50 kHz采樣頻率下所采集的滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)波形圖。

由上述結(jié)果看出，采集數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確記錄滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中提出的基于工業(yè)PC機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡的連續(xù)數(shù)據(jù)采集定時(shí)自動(dòng)存儲(chǔ)的采集系統(tǒng)，通過(guò)循環(huán)檢測(cè)用戶緩存是否裝滿以實(shí)現(xiàn)采集卡的定時(shí)數(shù)據(jù)保存功能，能實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)并具有良好的實(shí)時(shí)性。該系統(tǒng)應(yīng)用于滾動(dòng)軸承強(qiáng)化壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，能記錄漫長(zhǎng)失效過(guò)程的有效信息，且節(jié)約存儲(chǔ)空間并降低采集系統(tǒng)成本。

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