基于Labview和Matlab的變速器診斷系統(tǒng)開發(fā)*

趙 磊

(蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

汽車變速器是將發(fā)動機(jī)動力傳遞到車輪的重要部件，同時變速器工況惡劣載荷沖擊力極大，變速器的齒輪、軸承、軸系、同步器等極易受損。隨著變速器性能的不斷完善，結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步復(fù)雜，依靠工程人員經(jīng)驗(yàn)的聽、摸、看診斷已遠(yuǎn)不能適應(yīng)要求，此外要真正達(dá)到可重復(fù)的、客觀一致的準(zhǔn)確診斷，必須用電腦判斷代替人為判斷。因此，有必要開發(fā)變速器故障診斷系統(tǒng)，且診斷系統(tǒng)要具有良好的人機(jī)交互界面、圖形化顯示以及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理分析能力。針對上述要求，筆者基于Labview和Matlab進(jìn)行變速器故障診斷系統(tǒng)開發(fā)。利用Matlab Script節(jié)點(diǎn)技術(shù)［1］混合編程將Labview和Matlab二者優(yōu)勢互補(bǔ)，由Labview實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)界面、信號采集、信號存儲和查詢，Matlab調(diào)用等功能;由Matlab實(shí)現(xiàn)信號降噪、提取、處理、返回Labview顯示等功能。由于變速器軸承故障所引起振動信號是非平穩(wěn)、非線性的調(diào)制信號，信號中還包含了噪聲等干擾信號［2］，因此在診斷系統(tǒng)信號處理模塊中設(shè)置了多種高級信號處理方法，先用小波變換對信號進(jìn)行降噪處理［3］，再對降噪后的信號進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解［4］(Empirical Mode Decomposition，簡稱EMD)和包絡(luò)譜［5］分析。通過實(shí)例采集某汽車變速器軸承故障振動信號，診斷結(jié)果表明所開發(fā)的診斷系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確地提取出故障故障信號，具有良好的人機(jī)交互界面和強(qiáng)大的圖形化顯示功能。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件系統(tǒng)即下位機(jī)是以信號采集為核心，負(fù)責(zé)對變速器振動信號分通道采集、采樣參數(shù)配置、信號調(diào)理、向上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)等。因此先要選擇傳感器測取變速器的振動信號，然后選擇數(shù)據(jù)采集卡，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再選擇信號調(diào)理卡，對信號進(jìn)行濾波和放大等處理，最后傳到計算機(jī)診斷系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫。其硬件系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 傳感器選擇

一般有3種基本的振動傳感器，即速度傳感器、位移傳感器和加速度傳感器，不同的傳感器其特性及使用范圍也不同。筆者選用加速度傳感器，在測試時直接完全接觸安裝在變速器軸承端外殼X，Y方向處，其有效頻率范圍在1 510 kHz以上，在采樣頻率范圍內(nèi)具有線性度和動態(tài)性能。

轉(zhuǎn)速信號是通過安裝在軸端的編碼器獲取，編碼器的精度達(dá)到360脈沖/轉(zhuǎn)。相比與1脈沖/轉(zhuǎn)的精度，不需要經(jīng)過轉(zhuǎn)速插值處理就可以獲得每度轉(zhuǎn)過相應(yīng)的時間點(diǎn)。

2.2 采集卡和計數(shù)器及信號調(diào)理卡選擇

對于振動信號采集，采樣率［6］為:2.56×最高計算階次×最高轉(zhuǎn)速/60;而轉(zhuǎn)速計脈沖的采樣頻率為:4×2.56×最高計算階次×最高轉(zhuǎn)速/60。因此選擇采集卡為NI公司的NI-6512數(shù)據(jù)采集卡，允許IEPE供電，即向壓電傳感器提供電源;選用計數(shù)器為NI-6605，轉(zhuǎn)速信息經(jīng)編碼器獲得后輸入到此計數(shù)器，檔位等數(shù)字量信號通過NI-6605的I/O擴(kuò)展口讀入;信號調(diào)理為DBK45調(diào)理卡，可程控增益，輸入電壓范圍-10～+10 V，巴特沃斯帶通濾波。各路信號由板卡之間的RTSI數(shù)據(jù)線保證同步。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)是以Labview 2010和Matlab 7.0混合編程實(shí)現(xiàn)的，包括信號采集、數(shù)據(jù)庫、信號處理等模塊。主要任務(wù)是驅(qū)動下位機(jī)，接收下位機(jī)傳送過來的信號保存到數(shù)據(jù)庫，從數(shù)據(jù)庫調(diào)用信號，對信號進(jìn)行處理提取故障信息，圖形化顯示處理結(jié)果等。其中信號采集用Labview提供的DAQ以及各子VI完成信號采集參數(shù)配置和多通道采集;數(shù)據(jù)庫模塊利LabSQL［7］ADO Functions中的VI與Office自帶的Microsoft Access數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接，可以完成數(shù)據(jù)寫入、查詢、調(diào)用。軟件系統(tǒng)的核心是信號處理，信號處理方法需要根據(jù)測試對象的信號特征來選擇，具體有:小波變換，EMD包絡(luò)譜分析等。而實(shí)現(xiàn)信號處理的關(guān)鍵技術(shù)是通過Matlab Script節(jié)點(diǎn)技術(shù)將Labview和Matlab相結(jié)合。圖2(a)是診斷系統(tǒng)主界面，圖2(b)是系統(tǒng)子模塊界面。

圖2 系統(tǒng)主界面和子模塊界面

3.1 EMD包絡(luò)譜算法

變速器軸承故障振動信號是非線性，非平穩(wěn)的調(diào)制信號。傳統(tǒng)的傅里葉分析無法有效提取出故障信息，因此采用EMD包絡(luò)譜方法。EMD基于如下假設(shè):信號具有相同數(shù)量的極值點(diǎn)和過0點(diǎn)，或最多相差一個;由所有極大值極小值點(diǎn)確定的上下包絡(luò)線關(guān)于時間軸局部對稱，即均值為0。對信號x(t)的進(jìn)行EMD包絡(luò)譜分析的具體步驟如下。

(1)用三次樣條曲線連接信號x(t)所有局部極大值點(diǎn)和所有局部極小值點(diǎn)形成上下包絡(luò)線，求上下包絡(luò)線平均值記為m1(t)，令:

如果h1(t)是滿足IMF分量要求，則循環(huán)停止。

(2)若不滿足，則返回以h1(t)為原始信號按第1步繼續(xù)求上下包絡(luò)線以及平均值m2(t)，令:

判斷h2(t)是否滿足IMF分量要求，如此循環(huán)n次，直到式中hn(t)滿足IMF分量要求為止:

(3)將hn(t)分離出來，記c1(t)=hn(t)為信號x(t)的第一層IMF分量，得到:

(4)再重復(fù)以上步驟n次，得到信號x(t)所有層次

IMF分量為止，即:

(5)那么原始信號x(t)組成如下:

式中:rn(t)為殘余函數(shù)，代表信號平均趨勢。

(6)對分解得到的每一層IMF分量ci(t)做Hilbert變換得到:

(7)構(gòu)造解析函數(shù)wi(t):

(8)求每一層IMF分量ci(t)的包絡(luò)譜:

依據(jù)上述算法在Matlab中進(jìn)行EMD包絡(luò)譜程序編寫，并利用仿真信號進(jìn)行驗(yàn)證程序是否正確。

3.2 Matlab Script節(jié)點(diǎn)技術(shù)

Matlab Script節(jié)點(diǎn)技術(shù)的實(shí)質(zhì)是將Matlab當(dāng)作一個ActiveX服務(wù)器。運(yùn)行時Labview將命令通過ActiveX通道發(fā)送給Matlab，由Matlab在后臺執(zhí)行，執(zhí)行完后在Labview前面板顯示。

打開Labview2010，按數(shù)學(xué)/腳本與公式/腳本節(jié)點(diǎn)/Matlab腳本創(chuàng)建Matlab Script節(jié)點(diǎn)。已預(yù)先在Matlab 7.0中編寫、調(diào)試好程序，只需導(dǎo)入腳本節(jié)點(diǎn)，分析時按照不同的信號選擇不同的EMD分解層數(shù)。Labview與Matlab Script節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換通過右鍵單擊節(jié)點(diǎn)框，選擇“添加輸入”或“添加輸出”來實(shí)現(xiàn)，需要注意的是數(shù)據(jù)類型的匹配。圖3中添加了輸入信號“A”，數(shù)據(jù)類型是一維數(shù)組，采樣頻率“B”，采樣點(diǎn)數(shù)“C”，頻率起點(diǎn)和終點(diǎn)“E”和“F”，數(shù)據(jù)類型均為實(shí)數(shù)。

圖3 EMD包絡(luò)譜混合編程面板

4 實(shí)例應(yīng)用及分析

對某汽車變速器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證本文開發(fā)的診斷系統(tǒng)的有效性。當(dāng)加速度傳感器在輸入轉(zhuǎn)速為1 800 r/min、空擋的情況下測取第一軸前軸承(6205-Z)振動信號，采樣頻率為12 K，采樣點(diǎn)數(shù)為10 240。分別設(shè)置了軸承正常和外圈單點(diǎn)點(diǎn)蝕故障，點(diǎn)蝕直徑為0.18 mm，深度為0.2 mm。通過式(10)計算軸承外圈故障特征頻率為107.5 Hz。

圖4(a)是軸承正常時候的振動信號時域波形，圖4(b)是外圈故障時候的振動信號時域波形。由于信號帶有大量噪聲等干擾信號，故對信號進(jìn)行sym8小波降噪處理，從而減少由多次EMD分解帶來的端點(diǎn)效應(yīng)累積誤差。圖4(c)顯示外圈故障信號經(jīng)小波降噪后信號光滑，既去除了部分噪聲又較好的保留了故障信息。

圖4 振動信號

再對降噪后的正常和外圈故障信號信號進(jìn)行6層EMD包絡(luò)譜分析，由于軸承故障特征頻率一般在中高頻，故選取前3分量。圖5(a)、(b)是正常和外圈故障信號前3分量時域波形，可見在外圈故障時前2個分量存在明顯的周期性沖擊，并且各分量之間的頻率成分逐漸下降。經(jīng)過分析選擇第2分量進(jìn)行包絡(luò)譜分析，包絡(luò)譜分析結(jié)果如圖6所示。

圖5 正常及外圈故障EMD分解前3分量

(1)軸承正常時從圖6(a)可知第2分量包絡(luò)譜中有30.03 Hz的輸入軸轉(zhuǎn)頻，以及其2倍頻60.06 Hz，均接近理論計算的30 Hz。此外包絡(luò)譜峰值遞減趨于平穩(wěn)。

圖6 正常及外圈故障EMD分解第2分量包絡(luò)譜

(2)軸承外圈故障時從圖6(b)可知第2分量包絡(luò)譜存在輸入軸轉(zhuǎn)頻30.03 Hz及其2倍頻，外圈故障特征頻率107.7 Hz的最高峰值，非常接近(10)式計算的107.5 Hz，以及2倍頻、3倍頻分別為215.3 Hz，323 Hz。說明軸承外圈故障時起了故障特征頻率的倍頻。

(3)通過正常和外圈故障EMD包絡(luò)譜比較，筆者所開發(fā)的診斷系統(tǒng)能有效識別出非平穩(wěn)、非線性軸承振動信號中的故障特征頻率，且系統(tǒng)操作簡單，反應(yīng)快速準(zhǔn)確，具有良好的人機(jī)交互和強(qiáng)大的圖形化顯示界面。

5 結(jié)論

文章通過Matlab Script節(jié)點(diǎn)技術(shù)將Labview和Matlab優(yōu)勢互補(bǔ)，用混合編程方法開發(fā)了汽車變速器故障診斷系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:診斷系統(tǒng)能準(zhǔn)確、快速地完成信號采集、存儲、調(diào)用、分析，具有良好的人機(jī)交互界面和強(qiáng)大的圖形化顯示界面;利用小波變換降噪和EMD包絡(luò)譜能的有效地識別軸承故障時的故障特征頻率。此外系統(tǒng)還具有廣泛的適應(yīng)性，對不同的信號進(jìn)行EMD包絡(luò)譜分析時只需在圖3所示程序框圖中添加或減少以下語句:subplot(311);plot(t，imf(1，:));xlabel('t/s');ylabel('a/m.s2');title('IMF1時域波形圖');和subplot(311);hua_baol(imf(1，:)，fs，1，xf1，xf2);xlabel('f/Hz');ylabel('a/m.s2');title('IMF1包絡(luò)譜')即可。在工程中將Labview和Matlab結(jié)合開發(fā)診斷系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用價值。

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