专利名称：一种便携式齿轮传动噪声测试系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及ー种便携式齿轮传动噪声测试系统，用于配合齿轮滚动检查机对齿轮生产过程中的齿轮质量进行检測，属于检测设备技术领域。
背景技术：
齿轮的传动噪声和振动信号中含有丰富的啮合状态信息，通过分析齿轮的传动噪声来判定齿轮是否合格已成为齿轮检测ー种非常重要的手段。国内生产的齿轮滚动检查机没有相配套的噪声信号分析仪器，国外相应的产品(如格里森)价格又比较昂贵；国内齿轮 生产厂家仍依赖工人凭借经验去“听”齿轮的传动噪声，来判定齿轮是否合格，这种方法受人为因素的影响较大。国外埃及阿勒旺大学Sameh M. Metwalley等人利用传声器完成对齿轮箱噪声信号的測量；他们设计的系统可以完成6路信号的噪声测量，但是该系统仍然需要上位机对齿轮传动噪声信号进行分析，没有便携式的功能。国内一般使用振动信号代替噪声信号进行测量，计算声压级来分析齿轮箱体的制造误差。中国专利文献200910250322. 0公开的ー种适用于控制锥齿轮啮合质量的便携式传动噪声测试仪，包括噪声探头、CPU中央处理器、滤波放大电路、模数转换(AD)电路、显示电路和键盘、时序控制电路、存储器电路、串行总线接ロ电路；主要用于锥齿轮生产过程中的质量控制。这种方法通过对一路噪声信号进行采集，并进行数据分析来检测锥齿轮的质量；该系统的显示部分用的是LCD液晶屏，屏幕在对测量结果的数据进行图形显示时，不能将采集的全部数据点直观的显示出来。系统通过串ロ将数据传输到上位机进行数据处理，没有彻底摆脱对微机的依赖。该系统只是将这种方法应用到锥齿轮质量检测中，没有涉及圆柱齿轮的检測。
发明内容为了开发ー套普遍适用于齿轮加工行业的便携式齿轮测试系统，彻底摆脱对上位机的依赖，本实用新型提出了一种便携式齿轮传动噪声测试系统。为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案一种用于齿轮生产过程中质量检测的便携式齿轮噪声测试系统，包括传声器及与传声器相连配套的前置放大器、滤波电路、放大电路、AD转换电路、DSP模块电路、ARM处理模块；传声器与进行阻抗变换的前置放大器连接，前置放大器的输出接ロ与滤波模块相连，滤波模块的输出接电压跟随器，电压跟随器的输出与同时进行AD转换的AD芯片的输入接ロ相连，AD的输出数据线与进行地址译码的FPGA连接，FPGA模块与进行数据处理的DSP数据总线相连接，同时DSP的数据总线与地址总线与外扩的SDRAM连接，DSP的SCI接ロ通过MAX3232芯片与进行命令控制的主控ARM芯片连接，ARM模块的数据总线与地址总线与外扩的RAM连接，ARM的数据总线和触摸屏连接。所述的传声器及与其相连配套的前置放大器为三路，三路前置放大器均与进行AD转换的AD芯片相连，可以实现三路传声器对齿轮传动噪声信号的同步采样；使用低通滤波电路滤除齿轮传动噪声信号中的无效高频成分。该系统为双CPU设计，使用主从机的连接模式，其中ARM作为主机，DSP作为从机。 其中信号传感器包括三个传声器及三个配套的前置放大器，对三路齿轮噪声信号的采集后使用，前置放大器进行阻抗变换，提高输入阻杭，降低输出阻抗；滤波电路部分采用巴特沃斯低通滤波器，其主要优势在于在通带内非常平坦，适用于齿轮噪声信号的检测；滤波后的信号由AD芯片进行AD转换后，由高速并行接ロ经FPGA的地址译码后与DSP的数据总线相连。DSP对采集的16进制数字信号进行转换，并计算出与其相对应的电压值，并在DSP内部进行FFT变换与功率谱谱分析，将分析后的数据与原始数据一起传给ARM模块进行进一步数据分析包括细化谱和倒频谱分析，由三路信号综合分析得出最后的结论。本实用新型的存储器主要包括DSP模块中的外扩SDRAM与FLASH主要完成程序与数据存储，为DSP进行数据的预处理提供存储空间；DSP模块通过对USB芯片驱动程序的编写实现U盘的存储功能；ARM模块中外扩SDRAM作为缓存空间。同时设计了 SD卡存储电路，可实现大量数据的存储，方便对齿轮传动噪声信号的溯源。利用本实用新型设计的一种便携式齿轮噪声测试系统，在配合齿轮滚动检查机检测时，使用方法如下所示I)用声校准器校准传声器的灵敏度；2)将三路传声器安装在齿轮滚动检查机上距齿轮啮合点50cm处；3)打开仪器的电源开关，进入开机登录界面，输入登陆密码；4)输入齿轮的各个基本參数主动轮齿数、从动轮齿数、主动轮转速、模数等；5)在不安装齿轮副时进行一次測量作为背景噪声，将采集的信号保存；6)安装被测齿轮副后，启动滚动检查机，采集三路信号并保存；7)采集完成后，将所采集齿轮传动噪声信号进行差分处理，从而分析出被测齿轮是否合格；本实用新型利用ARM芯片和触摸屏对齿轮噪声信号进行图形显示，可以直观的反映出齿轮传动噪声信号的频率特征；ARM芯片中进行了 ZFFT算法的编写，使的仪器摆脱了对上位机的依赖。三通道噪声信号采样的设置，可以用互相关函数来进行噪声源的定位。本实用新型可以配合齿轮滚动检查机使用，通过对多路齿轮噪声信号的分析，对齿轮质量进行检測。本实用新型设置了 SD卡存储与U盘存储模块，可以对实验数据进行存储，以便以后对噪声信号进行溯源。本实用新型作为双核嵌入式系统，使用主从机的控制模式，大大的提高了对噪声信号的处理速度，同时它具有体积小，重量轻，采集速率快，数据存储量大，数据分析准确可信等优点。在实际生产中，配合齿轮滚动检查机使用时将会极大的提高工人的工作效率与准确度，具有很强的实用价值。
图I为本系统的外形示意图(正视图)；图2为本系统的整体结构框图；图3为本系统模数转换电路原理图；图4为本系统USB存储与通讯模块原理图；[0025]图5为本系统SD卡存储电路原理图；图6为本系统ARM与触摸屏接ロ电路原理图；图I中1、传声器，2、前置放大器，3、BNC接头，4、电源插头、5、电源开关，6、触摸显示屏，7、SD卡插槽，8、USB接ロ，9、串行通讯接ロ，10、电源指示灯。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型进行详细说明如图I所示为，本实用新型的外形示意图；图中I作为本系统的“耳朵”，是获取噪声信号的关键ー环，它的性能高低将直接影响本系统测量结果的正确性，整个系统的采样精度不会高于传声器的精度。本系统采用的传声器为浙江爱华的AWA14423型电容式传声器。图中2所示为与传声器配套的前置放大器，其主要作用是提高输入阻杭，降低输出阻 杭。图中3，所示的接ロ是BNC接ロ，它可以方便的和传声器的信号线链接。图中4为电源插头，考虑到现场的通用性，我们选择的电源是220V转24V的直流电源为本系统供电；24V的电压可以为传声器及ARM模块供电，系统的电路板上设置有电压转换模块，可以将24V的电压转换为±12V和±5V的电压。其中±12V电压为AD7656进行供电；±5V的电压为滤波芯片进行供电；5V电压转换为3. 3V为DSP，FPGA芯片进行供电。图中5和图中10为本系统的电源开关和电源指示灯，用来控制整个系统的电源。图中6所示为触摸屏，负责參数输入与分析结果的图形显示。图中7是SD卡存储插槽，主要负责试验数据的存储；图中8是USB接ロ，用来进行USB通讯及U盘存储。图中9是串ロ，可以实现本仪器与电脑间的通讯，满足不同场合的工作需求。在仪器的地面布有通风孔，仪器的后面板安装有风扇，主要负责当仪器长时间开启时的散热；防止由于温度过高而影响测量结果的准确性。本实用新型实例是双CPU搭建的主从机结构，用到的CPU芯片是TI公司的TMS320F2812和三星公司的ARMS3C2440。DSP子系统由电源电路、JTAG仿真电路、外扩SDRAM、扩展IO ロ、晶振电路和复位电路等组成。ARM子系统由电源转换电路、时钟电路、存储电路、标准RS232接ロ电路、标准RS485接ロ电路、触摸屏控制电路等部分组成。整个系统的框图如图2所示，三路传声器采集齿轮传动过程中的噪声信号，经过前置放大器后的信号送给滤波电路进行滤波处理，低通滤波后的信号经过AD转换的数字信号在FPGA中进行地址译码，由DSP对采样的数据进行初步的算法分析，并经SCI接ロ将数据传给ARM模块进行进ー步的处理，并进行结果显示。三路传声器中有两个放置在卩齿合齿轮的上下各50cm处，另外一个放置在卩齿合齿轮ー侧50cm处。这样放置可減少由于操作人员或者机器设备对噪声的反射对测量结果产生的影响。除此之外，一般齿轮的检测室墙壁上都装有石棉等吸音材质来減少回声对测量结果的影响。滤波电路是利用MAX274设置的低通滤波器。齿轮滚动检查机齿轮的主动轮的转速为700 1500转每分钟，变位齿轮的齿数可能为8个齿，这时齿轮的啮合频率为93Hz，随着齿轮齿数和转速的増加，齿轮的啮合频率也在増加，但是齿轮的啮合频率一般在IKHz以下；分析的有用信号为啮合频率的2 5倍频处，因此设置的低通滤波器的截止频率为6KHz。如图3所示，本实用新型的AD转换部分是由DSP控制外扩的AD来实现的。主要完成三路信号的同步采样及数据的传输。AD转换后的信号经过FPGA的地址译码后传送给DSP,并在DSP中实现FFT算法。要实现三路信号的同步采样，AD芯片的CONVSTA、CONVSTB需同时置高或置低；其中CONVSTA负责第1、2通道的同步采样，CONVSTB负责第3通道。AD采样的范围由RANGE引脚控制，我们可以根据需求将该位置高或置低来实现输入电压范围在±10V和±5V之间转换。[0035]图4和图5是本实用新型的数据存储部分。图4为USB通讯模块的电路设计。该电路主要实现功能是U盘存储及USB通讯，主要完成本实用新型与其他系统之间的通信。图5为SD卡存储模块，满足在现场测试条件下，大量数据的存储的要求。现场测得的数据可以直接存储到SD卡中，而不用传到上位机中；减少对上位机的依赖，彻底实现本实用新型的便携式的功能。图6所示为ARM与触摸屏的原理结构图，其中XM、YM、XP、YP是触摸屏位置控制信号；LED1+、LED1-、LED0+、LED0-是触摸屏的LED电源信号；LCD_PWREN是触摸屏的使能控制信号；VD0 VD23是ARM与触摸屏通讯的数据线；VCLK是IXD控制器与驱动器的像素时钟信号，IXD控制器在VCLK上升沿的时候将数据送出；VFRAM是垂直同步信号(帧同步信号)，用来指示新的一帧图像的开始；VLINE是水平同步信号，用来表示新的一行扫描信号的开始；LEND是行扫描结束信号，用来表示LCD驱动器一行像素扫描结束；VM是数据使能信号。
权利要求1.一种便携式齿轮传动噪声测试系统，包括传声器及与传声器相连配套的前置放大器、滤波电路、放大电路、AD转换电路、DSP模块电路、ARM处理模块；其特征在于传声器与进行阻抗变换的前置放大器连接，前置放大器的输出接口与滤波模块相连，滤波模块的输出接电压跟随器，电压跟随器的输出与同时进行AD转换的AD芯片的输入接口相连，AD的输出数据线与进行地址译码的FPGA连接，FPGA模块与进行数据处理的DSP数据总线相连接，同时DSP的数据总线与地址总线与外扩的SDRAM连接，DSP的SCI接口通过MAX3232芯片与进行命令控制的主控ARM芯片连接，ARM模块的数据总线与地址总线与外扩的RAM连接，ARM的数据总线和触摸屏连接。
2.如权利要求I所述的一种便携式齿轮传动噪声测试系统，其特征在于所述的传声器及与其相连配套的前置放大器为三路，三路前置放大器均与进行AD转换的AD芯片相连。
3.如权利要求2所述的一种便携式齿轮传动噪声测试系统，其特征在于可以实现三路传声器对齿轮传动噪声信号的同步采样；使用低通滤波电路滤除齿轮传动噪声信号中的无效高频成分。
4.如权利要求I所述的一种便携式齿轮传动噪声测试系统，其特征在于该系统为双CPU设计，使用主从机的连接模式，其中ARM作为主机，DSP作为从机。
专利摘要一种便携式齿轮传动噪声测试系统，属于检测设备技术领域，传声器与进行阻抗变换的前置放大器连接，前置放大器的输出接口与滤波模块相连，滤波模块的输出接电压跟随器，电压跟随器的输出与AD芯片的输入接口相连，AD的输出数据线与进行地址译码的FPGA连接，FPGA模块与进行数据处理的DSP数据总线相连接，同时DSP的数据总线与地址总线与外扩的SDRAM连接，DSP的SCI接口通过MAX3232芯片与进行命令控制的主控ARM芯片连接，ARM模块的数据总线与地址总线与外扩的RAM连接，ARM的数据总线和触摸屏连接。本实用新型体积小，重量轻，采集速率快，数据存储量大，数据分析准确可信等优点。
文档编号G01M13/02GK202403791SQ20112052147
公开日2012年8月29日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者杨森元, 石照耀, 陈洪芳 申请人:北京工业大学