摘要：介紹了滾動軸承加速度強化壽命試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)，分析了VC++程序設計中的關鍵問題,，并給出了軟件設計中定時數(shù)據(jù)采集的步驟,。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過查詢采集卡內(nèi)部緩存的數(shù)據(jù)長度，在硬件沒有提供可供用戶使用的中斷源情況下,，通過控制用戶緩存中的數(shù)據(jù)長度，實現(xiàn)了定時自動數(shù)據(jù)存儲功能,。
關鍵詞：軸承故障診斷,；數(shù)據(jù)采集；AC6622,；定時功能

    滾動軸承是旋轉(zhuǎn)機械的重要零部件之一,，其工作狀態(tài)直接決定機械系統(tǒng)的性能及運行情況。在工程實踐中,，滾動軸承的一個微小故障都可能導致生產(chǎn)線的停機或損壞設備,，造成嚴重的經(jīng)濟損失。因而對滾動軸承工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測,，及時發(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蝕故障,，再測量缺陷軸承的振動加速度數(shù)據(jù),。而滾動軸承的疲勞失效是長期漸變過程，點蝕故障與軸承疲勞剝落的機理不同,，也難以模擬性能失效的緩慢變化過程,。因傳統(tǒng)滾動軸承壽命試驗方法具有周期長、費用高且試驗結(jié)果可靠性差等缺陷,。文中采用能在保持疲勞失效機理一致的前提下,，大大縮短試驗時間、降低試驗成本的滾動軸承強化壽命試驗方法,。國內(nèi)滾動軸承數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多數(shù)是芯片級的連續(xù)實時采集和保存的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),。這類采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性需要反復測試、存儲數(shù)據(jù)量大,。而軸承強化壽命試驗也是耗時長,、數(shù)據(jù)采集量大。為了準確可靠檢測疲勞失效,，要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時多點檢測,，在連續(xù)采集數(shù)據(jù)的同時還能以固定時間間隔存儲固定時間長度的數(shù)據(jù),。試驗采集系統(tǒng)應節(jié)約存儲空間，并能有效提取滾動軸承疲勞失效漸變過程數(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,。文中設計的采集系統(tǒng)為板卡級，具有抗干擾力強,、性能穩(wěn)定的優(yōu)點,。在滿足系統(tǒng)設計要求的前提下，采用國產(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)有著較大的價格優(yōu)勢。并在精確定時定量保存數(shù)據(jù)方面作了改進,，彌補了一般軸承故障診斷采集系統(tǒng)不具備在連續(xù)采集的同時進行精確定時定量的數(shù)據(jù)保存工作,，因而大大節(jié)省了存儲空間，并能有效提取有用信息,。文中設計的采集系統(tǒng)在軸承強化壽命試驗中成功采集到了有效振動數(shù)據(jù),。

1 系統(tǒng)硬件設計
    根據(jù)上述要求文中設計的采集系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

    滾動軸承強化壽命試驗是在杭州軸承測試中心ABLT-1型試驗機上進行的,，如圖2所示,。

1．1 加速度傳感器
    滾動軸承的振動信號屬于高頻信號，因此采用加速度傳感器進行信號的拾取,。壓電加速度傳感器是利用壓電效應原理,，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)過電荷放大,、變換成輸出電壓信號,。考慮到本系統(tǒng)的頻率在4kHz以下,，軸承載荷負載的加速度不會超過10g,，采集工作現(xiàn)場環(huán)境溫度高、試驗環(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。該型號傳感器具有測量信號質(zhì)量好,、噪聲小,、抗外界干擾能力強、輸出電壓范圍為±5V等優(yōu)點,。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)要求實時快速多通道數(shù)據(jù)采集，且滾動軸承的失效是個慢變化的信號，所以要求A／D轉(zhuǎn)換的分辨率高,，以提高檢測數(shù)據(jù)的精度,。鑒于以上要求，本系統(tǒng)選用北京雙諾測控公司生產(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,，支持全速實時不間斷采集。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)軟件設計
    本系統(tǒng)要求界面友好、操作方便,、實時多通道采集大量數(shù)據(jù),，特別是為了準確測定失效時間和故障的診斷和預測提供可靠的數(shù)據(jù)，要求準確記錄數(shù)據(jù)及時間,。根據(jù)以前統(tǒng)計經(jīng)驗一般一次實驗持續(xù)約為30天,，連續(xù)采樣數(shù)據(jù)達幾百GB，所以準確記錄數(shù)據(jù)及時間是本系統(tǒng)設計的關鍵技術,。
    系統(tǒng)在Windows XP下采用VC++6．0軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,。Microsoft Visual C++是一款功能強大的可視化應用程序開發(fā)工具。憑借其強大的功能和易學等特點受到了廣大程序員的歡迎,，在數(shù)據(jù)采集和工業(yè)控制領域得到了廣泛應用,。雖然VC++自身無法對計算機的底層硬件進行訪問以及利用各種接口板進行數(shù)據(jù)采集和時間控制，但是通過調(diào)用驅(qū)動程序提供的動態(tài)鏈接庫函數(shù),，就可以實現(xiàn)對I／O口的訪問和控制,。
    AC6622采集卡以動態(tài)鏈接庫的方式封裝了用戶在Windows環(huán)境下編程需要的函數(shù)，無需用戶編寫驅(qū)動程序,，這樣就大大縮短了整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)周期,。在這些函數(shù)中，幾個重要的函數(shù)如表2所示,。

    數(shù)據(jù)采集程序設計的關鍵問題是在實現(xiàn)連續(xù)采集的同時以固定時間間隔保存固定時間長度的振動數(shù)據(jù),。AC6622采集卡是在FIFO半滿時產(chǎn)生一次中斷，驅(qū)動接收中斷后自動將2 kB數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部緩沖中，而后用戶通過調(diào)用Read_A／D()函數(shù)讀取內(nèi)部緩沖中的采集數(shù)據(jù),。采集卡沒有提供用戶使用的中斷源,，要實現(xiàn)精確定時寫入定量的數(shù)據(jù)到存儲設備中，無法通過采集卡硬件中斷實現(xiàn),。
    實現(xiàn)定時數(shù)據(jù)存儲有兩種方案,，第1種方案是利用Windows下提供直接使用的定時器函數(shù)控制數(shù)據(jù)采集卡定時自動保存數(shù)據(jù)。第2種方案是根據(jù)采樣率一定情況下,，每個采樣點所用時間是固定的,，通過查詢采集卡讀回數(shù)據(jù)的長度進行時間換算，進而通過控制每次讀回數(shù)據(jù)的長度進行時間上的定時,。
    第1種方案雖然有編程簡單,，容易實現(xiàn)的優(yōu)點，但是利用VC6++編程時,，Windows下提供直接使用的定時器函數(shù)SetTimer(),、KillTimer()和()nTimer()函數(shù)的定時精度只有55 ms，而且通過SetTimer()函數(shù)設置的常規(guī)定時器的定時事件是由消息引發(fā)的,，而Windows是一個多任務的操作系統(tǒng),，在其消息隊列中的定時器消息WM_TIMER的優(yōu)先級很低，所以較難保證所發(fā)出的定時消息能及時得到響應和處理,。此外Windows的工作方式為搶占式,，其內(nèi)部的時間管理函數(shù)并不能實現(xiàn)等間隔的時間控制。因此第1種方案只適用于定時精度不高的地方,，這樣就不能滿足本系統(tǒng)精確定時的要求,。
    第2種方案在編程上較第一種方案稍復雜，通過查詢采集卡讀回數(shù)據(jù)的長度實現(xiàn)定時功能,，而該方式的定時依賴于采集卡硬件自身的時鐘系統(tǒng),，較第1種方案定時更加精確，在200 kHz的采樣率下定時精度能達到5μs,。因此文中采用第2種定時方案,。系統(tǒng)流程框圖，如圖3所示,。

    數(shù)據(jù)定時方面,，對于因調(diào)用Read_A／D()函數(shù)的時間間隔不能嚴格相等，導致Read_A／D()函數(shù)每次返回的數(shù)據(jù)長度可能會不相等,，致使無法準確定時的問題,。解決方法是開辟一個用戶緩存區(qū)作為數(shù)據(jù)緩沖池，每次從數(shù)據(jù)緩沖池獲取定長數(shù)據(jù)量,。具體實現(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型數(shù)據(jù)寫入文本文件所占用的時間遠遠超過了調(diào)用Read_A／D()函數(shù)允許的最長時間間隔，導致內(nèi)部緩存溢出。于是提出將采樣數(shù)據(jù)放到臨時開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)寫入到文本文件中,，具體實現(xiàn)的部分代碼如下

    通過以上關鍵技術能很好解決精確定時和多條通道數(shù)據(jù)實時采集。

3 試驗結(jié)果
    為防止出現(xiàn)因追加保存數(shù)據(jù)操作的時間過長而影響采集系統(tǒng)的實時性,，所以每分鐘采集數(shù)據(jù)保存一個文件,。兩次數(shù)據(jù)采集共持續(xù)了24天14時25分，占用209 GB的存儲空間,，如果使用普通的連續(xù)采集系統(tǒng)需要占用2 508 GB存儲空間,。應用文中設計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對ABLT-1型滾動軸承強化壽命試驗機進行數(shù)據(jù)采集。采集結(jié)果如表3所示,。

    實際采集結(jié)果表明文中設計的采集系統(tǒng)能夠較好地實現(xiàn)連續(xù)采集和定時數(shù)據(jù)存盤,，并且較普通連續(xù)采集系統(tǒng)能節(jié)約更多存儲空間，實現(xiàn)精確定時,。文中設計的采集系統(tǒng)適用于需要長時間連續(xù)采集,，精確定時存儲和大量數(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軸承振動信號波形圖,。

    由上述結(jié)果看出,，采集數(shù)據(jù)能實時準確記錄滾動軸承振動信號，達到系統(tǒng)設計要求,。

4 結(jié)束語
    文中提出的基于工業(yè)PC機和數(shù)據(jù)采集卡的連續(xù)數(shù)據(jù)采集定時自動存儲的采集系統(tǒng),，通過循環(huán)檢測用戶緩存是否裝滿以實現(xiàn)采集卡的定時數(shù)據(jù)保存功能，能實現(xiàn)精確定時并具有良好的實時性,。該系統(tǒng)應用于滾動軸承強化壽命試驗數(shù)據(jù)采集，能記錄漫長失效過程的有效信息,，且節(jié)約存儲空間并降低采集系統(tǒng)成本,。