滾動軸承是旋轉機械的重要零部件之一，其工作狀態直接決定機械系統的性能及運行情況。在工程實踐中，滾動軸承的一個微小故障都可能導致生產線的停機或損壞設備，造成嚴重的經濟損失。因而對滾動軸承工作狀態進行實時監測，及時發現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據，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據。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。因傳統滾動軸承壽命試驗方法具有周期長、費用高且試驗結果可靠性差等缺陷。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。國內滾動軸承數據采集系統多數是芯片級的連續實時采集和保存的數據采集系統。這類采集系統的穩定性需要反復測試、存儲數據量大。而軸承強化壽命試驗也是耗時長、數據采集量大。為了準確可靠檢測疲勞失效，要求數據采集系統實時多點檢測，在連續采集數據的同時還能以固定時間間隔存儲固定時間長度的數據。試驗采集系統應節約存儲空間，并能有效提取滾動軸承疲勞失效漸變過程數據。這樣就提出了比一般數據采集系統更高的要求。文中設計的采集系統為板卡級，具有抗干擾力強、性能穩定的優點。在滿足系統設計要求的前提下，采用國產采集卡和傳感器，縮減了采集系統的成本，較之同類數據采集系統有著較大的價格優勢。并在精確定時定量保存數據方面作了改進，彌補了一般軸承故障診斷采集系統不具備在連續采集的同時進行精確定時定量的數據保存工作，因而大大節省了存儲空間，并能有效提取有用信息。文中設計的采集系統在軸承強化壽命試驗中成功采集到了有效振動數據。

1 系統硬件設計

根據上述要求文中設計的采集系統總體框架如圖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換為與之成正比的電荷量，再經過電荷放大、變換成輸出電壓信號?？紤]到本系統的頻率在4kHz以下，軸承載荷負載的加速度不會超過10g，采集工作現場環境溫度高、試驗環境惡劣、要求精度高等因素，所以本系統選用上海北智公司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量好、噪聲小、抗外界干擾能力強、輸出電壓范圍為±5V等優點。其主要性能參數如表1所示。

1．2 數據采集卡

由于采集系統要求實時快速多通道數據采集，且滾動軸承的失效是個慢變化的信號，所以要求A／D轉換的分辨率高，以提高檢測數據的精度。鑒于以上要求，本系統選用北京雙諾測控公司生產的數據采集卡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束通道的自動掃描。

（5）系統精度：0．02％FSR。

（6）卡上內置4 kB采樣FIFO緩沖器。

2 系統軟件設計

本系統要求界面友好、操作方便、實時多通道采集大量數據，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據，要求準確記錄數據及時間。根據以前統計經驗一般一次實驗持續約為30天，連續采樣數據達幾百GB，所以準確記錄數據及時間是本系統設計的關鍵技術。

系統在Windows XP下采用VC++6．0軟件實現數據采集。Microsoft Visual C++是一款功能強大的可視化應用程序開發工具。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，在數據采集和工業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據采集和時間控制，但是通過調用驅動程序提供的動態鏈接庫函數，就可以實現對I／O口的訪問和控制。

AC6622采集卡以動態鏈接庫的方式封裝了用戶在Windows環境下編程需要的函數，無需用戶編寫驅動程序，這樣就大大縮短了整個數據采集系統的開發周期。在這些函數中，幾個重要的函數如表2所示。

數據采集程序設計的關鍵問題是在實現連續采集的同時以固定時間間隔保存固定時間長度的振動數據。AC6622采集卡是在FIFO半滿時產生一次中斷，驅動接收中斷后自動將2 kB數據保存在內部緩沖中，而后用戶通過調用Read_A／D（）函數讀取內部緩沖中的采集數據。采集卡沒有提供用戶使用的中斷源，要實現精確定時寫入定量的數據到存儲設備中，無法通過采集卡硬件中斷實現。

實現定時數據存儲有兩種方案，第1種方案是利用Windows下提供直接使用的定時器函數控制數據采集卡定時自動保存數據。第2種方案是根據采樣率一定情況下，每個采樣點所用時間是固定的，通過查詢采集卡讀回數據的長度進行時間換算，進而通過控制每次讀回數據的長度進行時間上的定時。

第1種方案雖然有編程簡單，容易實現的優點，但是利用VC6++編程時，Windows下提供直接使用的定時器函數SetTimer（）、KillTimer（）和（）nTimer（）函數的定時精度只有55 ms，而且通過SetTimer（）函數設置的常規定時器的定時事件是由消息引發的，而Windows是一個多任務的操作系統，在其消息隊列中的定時器消息WM_TIMER的優先級很低，所以較難保證所發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，其內部的時間管理函數并不能實現等間隔的時間控制。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據的長度實現定時功能，而該方式的定時依賴于采集卡硬件自身的時鐘系統，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。系統流程框圖，如圖3所示。

數據定時方面，對于因調用Read_A／D（）函數的時間間隔不能嚴格相等，導致Read_A／D（）函數每次返回的數據長度可能會不相等，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作為數據緩沖池，每次從數據緩沖池獲取定長數據量。具體實現的部分代碼如下

數據保存方面，因每秒鐘需將大量浮點型數據寫入文本文件所占用的時間遠遠超過了調用Read_A／D（）函數允許的最長時間間隔，導致內部緩存溢出。于是提出將采樣數據放到臨時開辟足夠大的用戶緩存中，然后調用fwrite（）函數一次性將用戶緩存中的數據寫入到文本文件中，具體實現的部分代碼如下

通過以上關鍵技術能很好解決精確定時和多條通道數據實時采集。

3 試驗結果

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

實際采集結果表明文中設計的采集系統能夠較好地實現連續采集和定時數據存盤，并且較普通連續采集系統能節約更多存儲空間，實現精確定時。文中設計的采集系統適用于需要長時間連續采集，精確定時存儲和大量數據保存的數據采集工作。圖4為系統單通道在50 kHz采樣頻率下所采集的滾動軸承振動信號波形圖。

由上述結果看出，采集數據能實時準確記錄滾動軸承振動信號，達到系統設計要求。

4 結束語

文中提出的基于工業PC機和數據采集卡的連續數據采集定時自動存儲的采集系統，通過循環檢測用戶緩存是否裝滿以實現采集卡的定時數據保存功能，能實現精確定時并具有良好的實時性。該系統應用于滾動軸承強化壽命試驗數據采集，能記錄漫長失效過程的有效信息，且節約存儲空間并降低采集系統成本。

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