基于移動平臺的軸承故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

李雨田

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

軸承作為一種典型的機械零件，被廣泛應(yīng)用在汽車、航空航天等多個領(lǐng)域。一旦軸承出現(xiàn)故障，將會給機械帶來極其嚴重的后果。因此，加強對軸承的在線故障監(jiān)測與診斷，對提高機械運行的安全性來講，具有非常重要的價值和意義。但是，傳統(tǒng)的軸承故障診斷來講，大部分都是基于PLC或PC機開發(fā)的，這種平臺在應(yīng)用中存在很大的束縛，不僅體積大，同時成本也高，面對野外測試效率低下。因此，開發(fā)更為方便的軸承故障診斷系統(tǒng)，對提高機械的安全性，以及故障診斷的便捷性，具有現(xiàn)實的價值和意義。但針對軸承故障的診斷中，目前大部分文獻都集中在對軸承故障特征信號的處理等方面。如雷文平[1]則提出一種基于采用SVM算法對小波信號進行識別，從而得出故障信號；李從志等的研究思路也主要集中在對故障信號進行識別[2]。但是，歸納上述的研究中發(fā)現(xiàn)，目前對于軸承故障信號的實用型系統(tǒng)研究還很少。鮮有學(xué)者提出一個比較實用和便捷的軸承診斷系統(tǒng)?；谝陨媳尘?，本文采用當前最為流行的Android體系架構(gòu)對軸承故障診斷系統(tǒng)進行開發(fā)，從而改變以往的有線故障診斷方法，實現(xiàn)更為便捷和靈活的軸承故障診斷。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)構(gòu)建的目的是構(gòu)建一個便捷型的軸承故障系統(tǒng)，而結(jié)合軸承故障診斷問題，本系統(tǒng)主要從硬件和軟件兩方面對軸承故障診斷系統(tǒng)進行構(gòu)建[3]。因此，按照上述的目的和設(shè)計思路，本文將該系統(tǒng)的整體方案設(shè)計為如圖1所示。本文所設(shè)計的軸承故障系統(tǒng)主要由四大部分構(gòu)成，分別為數(shù)據(jù)感知終端、無線傳輸層、手機終端和虛擬儀器。

圖1 基于 Android 的軸承故障診斷系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述的架構(gòu)看出，數(shù)據(jù)感知終端首先對傳感器信號進行調(diào)理與采集；在完成采集工作之后，借助無線模塊的藍牙、wifi、3G、4G等通信方式，將采集到的傳感器信號傳輸至手機終端中；最后，由手機虛擬儀器對接收數(shù)據(jù)開展分析與處理。虛擬儀器部分主要由四大功能模塊進行支持，分別為數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)模塊以及數(shù)據(jù)分析模塊。

2 系統(tǒng)硬件選型

在本系統(tǒng)的構(gòu)建中，硬件部分主要包括藍牙模塊、手持終端和信號采集部分。具體的硬件見表1。

表1 主要的硬件

3 軟件部分設(shè)計

3.1 軟件部分整體功能設(shè)計

軟件部分開發(fā)，采用開源軟件eclipse4.3作為開發(fā)工具。開源軟件eclipse具備大量的開發(fā)插件，能夠?qū)Ρ敬卧O(shè)計開發(fā)需求進行滿足。同時，開源軟件eclipse還能夠?qū)Ρ姸喑Ｓ玫拈_發(fā)語言進行支持，具體包括Java語言、C/C++語言等。在應(yīng)用開源軟件eclipse開展基于 Android 的軸承故障診斷儀開發(fā)工作時，開發(fā)人員僅需通過在eclipse中配置相應(yīng)的Android SDK，就能為系統(tǒng)開發(fā)構(gòu)建起編譯環(huán)境。對軟件部分的開發(fā)中，采用模塊化設(shè)計思想，目的是使系統(tǒng)在后續(xù)使用過程中具備較強的擴展性。整體功能組成部分見圖2。

圖2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

其中，數(shù)據(jù)采集主要是實現(xiàn)兩大功能：一是對Android 虛擬儀器設(shè)備傳送來的參數(shù)設(shè)置指令以及數(shù)據(jù)采集控制指令進行接收；二是向Android 虛擬儀器設(shè)備反饋傳感器采集數(shù)據(jù)；

Android虛擬儀器設(shè)備主要實現(xiàn)三項功能：一是利用無線傳輸方式向數(shù)據(jù)采集功能模塊發(fā)送相應(yīng)的指令；二是接收數(shù)據(jù)采集功能模塊反饋來的傳感器采集數(shù)據(jù)；三是開展數(shù)據(jù)點在線顯示及數(shù)據(jù)信號處理分析工作。

因此，根據(jù)以上分析，將Android程序的開發(fā)分為四大模塊：數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)模塊以及數(shù)據(jù)分析模塊。其中，數(shù)據(jù)傳輸模塊主要是對藍牙及wifi模塊讀寫操作進行實現(xiàn)；數(shù)據(jù)存儲模塊則負責對數(shù)據(jù)采樣點信息進行存儲，保障后續(xù)數(shù)據(jù)回放及信號處理；數(shù)據(jù)呈現(xiàn)模塊主要是對處理后信號結(jié)果進行顯示，實現(xiàn)系統(tǒng)與用戶之間的交互；數(shù)據(jù)分析模塊是整個故障診斷系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，主要是對數(shù)據(jù)點信號進行時域分析與頻域分析[4]。

3.2 功能詳細設(shè)計

3.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

在軸承故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能模塊中，主要采用C語言作為采集器Arduino ADK編程語言，以Arduino IDE作為其開發(fā)平臺，并以此實現(xiàn)對串口、I/O口的封裝。同時，由于Arduino在全世界具備頗多的愛好者，使數(shù)據(jù)采集模塊的開發(fā)工作將極為簡便。通過此方式構(gòu)建起的數(shù)據(jù)采集模塊開發(fā)環(huán)境，將實現(xiàn)對許多類的良好封裝，從而減少開發(fā)過程中不必要的開發(fā)工作量。數(shù)據(jù)采集模塊所需要的類主要包括Serial類、analogRead類以及Timer類。具體數(shù)據(jù)采集模塊工作流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊工作流程

3.2.2 數(shù)據(jù)傳輸功能模塊

數(shù)據(jù)傳輸功能模塊主要由藍牙無線通信模塊以及WiFi無線通信模塊構(gòu)成。其中，藍牙無線通信模塊的開發(fā)主要需要Bluetooth Adapter類、Bluetooth Device類、Bluetooth Socke類以及Bluetooth Server Socke類。藍牙無線通信模塊開發(fā)步驟主要包括以下6步[5]：

(1)Android手機服務(wù)器端與客戶端發(fā)起藍牙無線通信模塊開發(fā)權(quán)限申請；

(2)對本地藍牙適配器進行獲取；

(3)開打藍牙設(shè)備；

(4)對藍牙串口模塊進行搜索；

(5)建立起服務(wù)器端與客戶端之間的連接；

(6)借助inputStream及outputStream獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)流。

wifi無線通信模塊主要采用與Windows下socket通信流程所類似的HLK-RM04 wifi串口模塊[6]。在開發(fā)過程中主要借助socket.connect()方法構(gòu)建起采集器與手機虛擬儀器的連接；利用socket.getInputStream()實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置指令無線傳輸；以socket.getInputStream()獲取采集器反饋數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)傳輸功能模塊工作流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸功能模塊工作流程

3.2.3 數(shù)據(jù)存儲功能模塊

數(shù)據(jù)存儲功能模塊主要作用于對數(shù)據(jù)采樣點進行存儲，便于用戶后續(xù)對采樣數(shù)據(jù)的試用及分析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)回放功能。由于本文所設(shè)計的軸承故障診斷儀基于Android系統(tǒng)，因此數(shù)據(jù)存儲功能模塊將具備多種數(shù)據(jù)存儲方式，具體包括Share Preferences、文件存儲、SQLite數(shù)據(jù)庫等。具體存儲功能模塊的數(shù)據(jù)回放功能的數(shù)據(jù)回放流程如圖5所示。

3.2.4 數(shù)據(jù)呈現(xiàn)功能模塊

在數(shù)據(jù)呈現(xiàn)功能模塊的設(shè)計過程中，為了避免該功能模塊出現(xiàn)屏幕閃爍現(xiàn)象，本文將采用圖像雙緩沖繪圖技術(shù)開展數(shù)據(jù)呈現(xiàn)功能模塊的設(shè)計工作。數(shù)據(jù)呈現(xiàn)功能模塊在開發(fā)過程中所需的類包括Paint類、Surface View類以及Canvas 類。同時，考慮到系統(tǒng)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)功能模塊的師生顯示需求，本文將在數(shù)據(jù)呈現(xiàn)功能模塊中引入數(shù)據(jù)刷新機制。具體數(shù)據(jù)呈現(xiàn)功能模塊工作流程如圖6所示。

圖5 數(shù)據(jù)回放功能的數(shù)據(jù)回放流程

圖6 數(shù)據(jù)呈現(xiàn)功能模塊工作流程

3.2.5 數(shù)據(jù)分析功能模塊

數(shù)據(jù)分析功能模塊主要由三大模塊構(gòu)成，分別為數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、時域特征分析模塊以及頻域特征分析模塊。具體數(shù)據(jù)分析功能模塊結(jié)構(gòu)如圖7所示。

4 軸承故障診斷測試

為驗證上述上述方案的可行性，搭建如圖8所示的試驗平臺對軸承故障進行現(xiàn)場模擬診斷平臺。

軸承選擇UC201，具體參數(shù)為：鋼球個數(shù)8，鋼球內(nèi)直徑d=6.749 mm，外圓直徑D=28.5 mm;工作轉(zhuǎn)數(shù)為1 200 r/min，采樣頻率設(shè)定為20 480 Hz。依據(jù)對軸承故障特征頻率的特征，可以得到如圖9和圖10所示的軸承故障時域特征信號和頻域特征信號。

圖7 數(shù)據(jù)分析功能模塊結(jié)構(gòu)

圖8 軸承故障診斷現(xiàn)場實驗圖

圖9 頻域特征信號

同時為驗證上述結(jié)果的正確性，將結(jié)果與傳統(tǒng)的通過Lab VIEW虛擬儀器檢測的結(jié)果進行比較，得到表2所示的結(jié)果。

通過上述的部分指標對比看出，兩者采集到的軸承故障特征值的結(jié)果基本一致，說明本文采用的這種Android診斷方法與傳統(tǒng)的Lab VIEW虛擬儀器測量結(jié)果一致，但本文構(gòu)建的方法具有極大的便捷性。

圖10 頻域特征信號

表2 兩者特征值對比結(jié)果

5 結(jié) 語

通過上述的分析可知，本文構(gòu)建的Android軸承診斷方法，在很大程度上改變了以往傳統(tǒng)的Lab VIEW虛擬診斷方法，為機械軸承的故障診斷采集提供了更為簡單的方法。