主轴振动测量系统的设计方案解析

主轴振动测量系统的设计方案

主轴组件是机床中的一个关键组件，在主轴的动态参数中，振动是最重要的问题之一，包含了丰富的运行状态信息，是一个动态状态信息库。检测主轴的振动可以了解主轴的动态运行情况，对其进行综合分析评估和诊断。

主轴的振动受制造、结构、安装及机床整体装配等很多因素影响。不同故障会在振动信号以不同的形式中体现出来。

主轴组件在运转时，有很多信息通过振动、温度状态等表现出来，研究这些信息可以认识其运行特征。利用一系列的传感器接收其动态信息并将其转化为电信号，输入到信号采集模块，经过处理后，再输入到PC机或专用的分析设备，利用轴心轨迹图、轴心位置图、振动波形图、频谱图等方式显示出来，可对其状态进行分析评估。

虚拟仪器是电子测量技术和计算机测控技术的前沿技术，它将计算机的采集、测试、分析与处理引入到电子测试领域，利用数字化技术和软件技术极提高了测试系统的灵活性和可扩展性。

设备状态检测及诊断技术的实施，主要包括三个环节:一是信息的采集，为分析诊断提供依据;二是信号处理，将杂乱无章的信号去伪存真，并根据分析要求进行相应的转换(变换)，以获得对诊断工作的既敏感又直观的信息;三是通过信号处理得到的信息对设备的状态(含故障状态)进行识别、判断和评估。其实施过程如图1所示。

检测对象的实施过程

主轴组件运行时可表述其特征的信息主要是:振动、温度、转速等，本课题主要研究主轴的振动。

图2系统总体结构设计

目前检测领域多是利用一系列的传感器接收此类信息并将其转化为电信号，将其进行一系列的处理之后，利用图形或软件等方式分析这些信息后提供给研究人员，以供其参考或进一步研究。采用一系列的传感器检测主轴的振动、温度、转速等，将测得的信息变换成电信号后，输入到信号采集模块，经过处理后，再输入到PC 机或专用的分析设备，利用轴心轨迹图、轴心位置图、振动波形图、频谱图等方式显示出来，对其状态进行分析评估。

振动信息的测量

可检测振动信号的传感器主要有:电涡流式位移传感器、电容式位移传感器、加速度传感器，其中可进行非接触式测量的主要是:电涡流式位移传感器、电容式位移传感器。电容式传感器的后续电路复杂，在存在较强电磁干扰的现场，使用的电缆较长，杂散电容对测量结果产生影响，成本较高。不适合对机床主轴的振动。

主轴振动

信

涡流传感器 涡流前置器 数据采集 数据处理 结

果

输

出

电涡流传感器可以实现非接触式测量，且有灵敏度高、抗干扰能力强、低频特性好、响应速度快、工作稳定可靠等优点，具有很宽的使用围(0一1000OHZ)和线形围，在旋转类机械设备振动信号采集中得到广泛的应用，技术比较成熟。本文拟采用电涡流式传感器完成对主轴的振动信号的采集。

传感器的位置

振动监测和故障诊断的核心问题是适当的选择及安装传感器，以便能获得机械振动及其它状态数据。对于旋转设备来说，径向的振动的测量多是在长y方向上安装两个非接触式的涡流传感器;对于主轴组件来说，其径向是振动的敏感方向，可在主轴的径向安装两个互为90。的涡流传感器，以获取主轴的振动信息。振动信息的读取

振动信息读取的传感器选用江阴盈誉科技生产的S一DW一A008一BOI一COI一Dol型涡流传感器。其线性围为Ilnln，灵敏度为SV/mm。

（1）涡流传感器检测原理

电涡流位移传感器的工作原理是电涡流效应。当接通传感器系统电源时，在前置器会产生一个高频电流信号，该信号通过电缆送到探头的部，在头部周围产生交变磁场Hl。如图3所示。如果在磁场Hl的围没有金属导体材料接近，则发射到这一围的能量会全部释放;反之，如果有金属导体材料接近探头头部，则交变磁场Hl将在导体的表面产生电涡流场，该电涡流场也会产生一个方向与Hl 相反的交变磁场场。由于丛的反作用，就会改变探头头部线圈高频电流的幅度和相位，即改变了线圈的有效阻抗。假定金属导体是均质的，则线圈一金属导体系统的物理性能通常可由金属导体的磁导率夕、电导率占、尺寸因子;、线圈与金属导体距离d、线圈激励电流强度I和频率f等参数来描述。

因此线圈的阻抗可用如下函数来表示：

对于特定的传感器，线圈的尺寸因子;、线圈的激励电流强度I和频率f恒定不变;对一于特定的测试对象，金属导体的磁导率户、电导率沙值定不变，那么阻抗Z就成为距离d的单值函数。由麦克斯韦尔公式可以求得此函数为一非线性函数，其曲线为“S’’形曲线，在一定围可以近似为一线性函数。

图3涡流效应示意图

（2）检测电路

线圈密封在探头中，线圈阻抗的变化通过封装在前置器中的电子线路处理后转换成电压或电流输出。如图3.6。采用并联谐振法，由前置器中一个固定电容CO 和探头线圈L、并联与晶体管T一起构成一个振荡器，振荡器的振荡幅度Ux与线圈阻抗成比例，因此振荡器的振荡幅度Ux会随探头与被测间距d改变。Ux经检波滤波、放大，非线性修正后输出电压U0。

电涡流传感器检测电路

（3）灵敏度影响因素

被测物体表面尺寸的影响探头线圈产生的磁场围是一定的，在被测物体表面形成的涡流场也是一定的。试验表明，当被测面为平面时，以正对探头中心线的点为中心，被测面直径应当大于探头头部直径1.5倍以上;当被测体为圆轴而且探头中心线与轴心线正交时，一般要求被测轴直径为探头头部直径的3倍以上，否则灵敏度就会下降[36]。本课题的研究对象直径为叻88.882mm，探头的直径为功Slnln，其比值大于1.5倍，符合检测要求。

被测物体表面加工状况的影响不规则的被测体表面会给实际的测量造成附加误差，特别是对于振动测量，这个附加误差信号与实际的振动信号叠加在一起，很难进行分离，因此被测表面应该光洁。通常，对于振动测量表面粗糙度Ra要求在0.4一 0.8om之间(AP1670标准推荐值)，一般需要对被测面进行衍磨或抛光136】;本课题研究对象的表面粗糙度为 Ra=O.5um，符合检测要求。

被测物体材料的影响传感器特性与被测体的电导率和磁导率有关，当被测体为导磁材料(如结构钢等)时，由于磁效应和涡流效应同时存在，而且磁效应与涡流效应相反，要抵消部分涡流效应，使得传感器感应灵敏度低;而当被测体为非导磁或弱导磁材料(如铜、铝、合金钢等)时，由于磁效应弱，相对来说涡流效应要强，因此传感器感应灵敏度要高;

被测体表面残磁效应的影响电涡流效应主要集中在被测体表面，由于加工过程中形成的残磁效应，以及淬火不均匀，硬度不均匀，结晶结构不均匀等都会影响传感器特性，”1670标准推荐被测体表面残磁不超过 0.5pT。当需要更高的测量精度时，应该用实际被测体进行校准;

各探头间的距离探头头部线圈中的电流会在头部周围会产生磁场，因此在安装时要注意两个探头的安装距离不能太近，否则两探头之间会互相干扰，在输出信号上叠加两探头的差频信号，造成测量结果的失真，这种情况称之为相令区干扰。

相邻干扰与被测体的形状，探头的头部直径以及安装方式等有关。通常情况下探头之间的最小距离见表

各种型号探头之间的最小距离