摘 要： 研制了以虛擬儀器技術(shù)為核心的動平衡測試與分析系統(tǒng)。介紹了基于LabVIEW圖形化編程語言及NI公司的聲音振動工具包和PCI-4472數(shù)據(jù)采集卡組成的動平衡測試系統(tǒng)的設(shè)計方法。
關(guān)鍵詞： 動平衡；虛擬儀器；LabVIEW；數(shù)據(jù)采集卡
在現(xiàn)代工程技術(shù)領(lǐng)域中，動平衡測試分析已成為旋轉(zhuǎn)機械工程中的一個重要環(huán)節(jié)。目前所用的大部分動平衡儀器仍屬于傳統(tǒng)儀器，雖然已取得了良好的效果，但仍存在某些不足[1]。為適應(yīng)現(xiàn)代動平衡的需要，提高測試精度，本文將虛擬儀器技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)與動平衡技術(shù)相結(jié)合，利用圖形化編程軟件LabVIEW及聲音振動工具包和NI公司的PCI-4472數(shù)據(jù)采集卡組建了基于虛擬儀器技術(shù)的動平衡測試系統(tǒng)。將動平衡測試技術(shù)的開發(fā)重點由過去硬件設(shè)計轉(zhuǎn)向數(shù)字化測量的軟件設(shè)計。
1 動平衡測試原理
剛性轉(zhuǎn)子總可以在不與轉(zhuǎn)子重心相互重合、同時與轉(zhuǎn)子軸線的2個校正平面上，加上(或減去)適當(dāng)重量來達到動平衡[2]。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時支架上的軸承受到了“不平衡量”的壓力(包含著“不平衡量”的大小和相位信息)。動平衡測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，在動平衡系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子支撐點兩端各有1個速度傳感器用以拾取轉(zhuǎn)子的振動信號，而在轉(zhuǎn)子一側(cè)的光電傳感器是用來獲取相位基準(zhǔn)以及轉(zhuǎn)速信息。3路信號送入數(shù)據(jù)采集卡后上傳至上位機對信號進行處理，通過一定的解算，得到所需校正量的大小和相位，據(jù)此就可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子的不平衡校正。
將2個振動傳感器安裝在兩支撐處，則轉(zhuǎn)子不平衡振動信號經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡送入虛擬儀器軟件進行分析處理。兩校正量的大小為[3]：
式中，F(xiàn)L、FR為不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的離心力；R1、R2為不平衡質(zhì)量的校正半徑；ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；fL、fR為兩支軸承上承受的動壓力；A、C為左、右校正平面至左、右支承軸承間的距離；B為左、右校正平面之間的距離。
其中，K為傳感器的靈敏度；VL、VR為左、右傳感器的輸出。
2 動平衡測試系統(tǒng)設(shè)計
該測試系統(tǒng)要實現(xiàn)對測試對象振動數(shù)據(jù)的采集、對采集的數(shù)據(jù)進行濾波，通過PCI總線傳輸?shù)接嬎銠C上，利用LabVIEW軟件對數(shù)據(jù)進行分析和處理。如圖2所示，測試系統(tǒng)分為硬件和軟件2個部分。硬件部分主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸功能；軟件部分主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析、處理、顯示和計算功能。
2.1 測試系統(tǒng)硬件
轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動平衡測試技術(shù)主要是通過轉(zhuǎn)子振動信號的峰值與相位，從而獲取轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡量的大小和相位信息的技術(shù)。本文設(shè)計的動平衡測試系統(tǒng)的硬件部分由數(shù)據(jù)采集模塊、左右支撐測振傳感器和相位測量光電傳感器組成。其中，數(shù)據(jù)采集模塊使用的是美國NI公司生產(chǎn)的基于PCI總線的PCI-4472數(shù)據(jù)采集卡。該卡是一種性能優(yōu)良、高精度的適用于PC機模擬輸入的數(shù)據(jù)采集卡。它有8個差分模擬輸入通道，每個通道最大采樣率為102×4 ks/s，24 bit采樣分辨率，±10 V的電壓范圍，可以用模擬和數(shù)字2種觸發(fā)方式進行數(shù)據(jù)采集[4]，可應(yīng)用于聲音信號處理和分析、音頻測試、振動和模態(tài)分析等一些需要高精度信號采集的場合。PCI-4472可以保證實現(xiàn)儀器的功能、精度和可靠性，為用戶提供功能靈活、性價比高的虛擬儀器和更好的硬件平臺。
本系統(tǒng)采用的硬件驅(qū)動程序是NI公司自帶的驅(qū)動程序MAX，同時MAX還是一個管理軟件，可以用來設(shè)置數(shù)據(jù)采集任務(wù)。當(dāng)被測轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后，安裝在左、右2個支撐架上的速度傳感器將包含不平衡信息的2路電壓信號輸出到PCI-4472數(shù)據(jù)采集卡的2個信號輸入端，與此同時，安裝在轉(zhuǎn)子上方的光電傳感器產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子同頻同相的參考信號，通過數(shù)據(jù)采集卡輸入到計算機。
硬件部分主要完成數(shù)據(jù)采集功能并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中。由于該部分使用的是NI公司的數(shù)據(jù)采集卡，所以在與上位機通信時無需再編寫相應(yīng)的驅(qū)動程序。在該設(shè)計中，數(shù)據(jù)采集卡共采集2個振動傳感器測量的2個轉(zhuǎn)子的振動量和1個光電傳感器測量的轉(zhuǎn)速的3路信號。在數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集方式上，為了保證較小的平衡相位誤差采用了鎖相環(huán)技術(shù)，實現(xiàn)信號的同步整周期采樣。由于由轉(zhuǎn)子的不平衡量所產(chǎn)生的振動信號與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度同頻，而轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度并不是恒定不變的，因此，如果采用定時器進行定時采樣，用快速傅里葉變換求頻譜，會造成較大的誤差，尤其是相位誤差，而鎖相環(huán)的特點是可以使輸入信號與輸出信號的相位始終保持一致，頻率保持一定的倍數(shù)關(guān)系。這樣，在轉(zhuǎn)子的一端選定一個基準(zhǔn)點，通過光電傳感器每圈輸出1個脈沖，將此脈沖整形放大倍頻之后進行采樣，就實現(xiàn)了同步的整周期采樣，將采集到的信號進行處理后可以極大地降低相位誤差。
數(shù)據(jù)采集卡通過整周期采樣所獲得的數(shù)據(jù)已經(jīng)包含了振動信號的幅值、相位及平衡轉(zhuǎn)速信息。由采集卡獲得的數(shù)據(jù)通過PCI總線上傳至PC機，由上位機的LabVIEW程序做進一步的分析、處理和解算，從而得到有關(guān)轉(zhuǎn)子的不平衡量的大小、相位以及轉(zhuǎn)速等信息并進行顯示。
2.2 測試系統(tǒng)軟件
本測試系統(tǒng)軟件開發(fā)工具使用的是中文版LabVIEW8.2及聲音振動工具包(Sound and Vibration Toolkit)。LabVIEW是目前公認的一種開發(fā)虛擬儀器較好的軟件平臺。聲音振動工具包將LabVIEW做出了進一步拓展[5]，簡化了許多聲音和振動測量的應(yīng)用開發(fā)。本工具包擁有聲音和振動工具，包括了典型的音頻測試、聲學(xué)測試、振動分析、機器狀態(tài)控制等功能。利用LabVIEW進行程序的開發(fā)包括2個主要部分：(1)前面板即用戶界面的設(shè)計；(2)源代碼框圖程序的設(shè)計。前面板的用戶界面是用戶和計算機之間進行交互的橋梁，LabVIEW提供了功能強大的用于前面板設(shè)計的控件并且分門別類地放在控件模板中，可以使用它們設(shè)計出簡潔美觀、操作方便的用戶界面。
計算機通過數(shù)據(jù)采集卡采集3路信號，由虛擬儀器進行前置處理、頻譜分析、校正平面之間的分離解算，最終算出左右兩面的不平衡(g)、校正角度(°)、以及實測轉(zhuǎn)速(r/min)。儀器主界面如圖3所示。
程序框圖則是實現(xiàn)前面板功能的圖形化源代碼。前面板的所有功能如基本參數(shù)的設(shè)置、啟動系統(tǒng)的采樣、分析處理振動信號及兩校正平面上的不平衡量等都需要通過后面板的程序設(shè)計來實現(xiàn)，整個程序的流程框圖如圖4所示。
2.2.1 數(shù)據(jù)采集
數(shù)據(jù)采集模塊主要是用來對數(shù)據(jù)采集各種參數(shù)的控制，如采樣數(shù)、采樣速率、通道選擇等的控制，完成信號從傳感器到計算機的通信。LabVIEW7.1以后新增加了Express VI[5]，Express VI封裝了一些常用的功能，用戶只需在其屬性對話框?qū)ζ溥M行簡單的設(shè)置即可無需再通過編程實現(xiàn)其功能。該模塊使用了Express VI中的DAQAssistant來設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡。DAQAssistant完全以菜單形式驅(qū)動，不需要任何編程并且大大減少了測量的時間，只需簡單的鼠標(biāo)點擊即可完成創(chuàng)建和配置數(shù)據(jù)采集的任務(wù)。雖然Express VI簡單方便但也缺少一些功能和靈活性，由于它的屬性只能在對話框中設(shè)置，所以不能實現(xiàn)人機交互設(shè)置。因此，想要實現(xiàn)人機交互設(shè)置就必須把Express VI轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)VI。通過轉(zhuǎn)換用戶就可以在前面板交互式地配置采樣方式、采樣頻率、采樣點數(shù)等數(shù)據(jù)采集參數(shù)，而不需要在MAX中設(shè)置。
2.2.2 數(shù)據(jù)分析
該模塊包括頻域分析等與動平衡直接有關(guān)的轉(zhuǎn)速、基頻檢測和相關(guān)處理等。其操作界面如圖5所示。這一模塊主要是為了讓用戶詳細了解數(shù)據(jù)分析過程。
濾波器窗口：顯示濾波后的曲線，如圖5(a)所示。在數(shù)據(jù)采集的過程中不可避免地要參雜一些干擾噪聲信號，這些干擾信號不利于對原始信號的分析。本系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)速變化比較平穩(wěn)、振動比較頻繁等特點，采用了聲音振動工具包中的逆切比雪夫帶通濾波器(Inverse Chebyshev Band—Pass Filter)，由于控制轉(zhuǎn)速為600~8 000 r/h，所以采用了三階逆切比雪夫帶通濾波器，其上下限截止頻率可設(shè)為5~160 Hz，可使測量的幅值尤其是相位更加正確、穩(wěn)定。
頻譜分析圖：顯示FFT變換左右支撐振動信號的幅值譜，結(jié)果如圖5(b)所示。頻譜分析中使用最普遍的FFT變換。根據(jù)動平衡機平衡與不平衡時振動速度信號的頻率譜差別查找不平衡時頻譜中振動信號的譜峰。在該模塊設(shè)計中使用了聲音振動工具包中的“SVT FFT Spectrum.vi”。在工具包中包含了比較綜合的多種專用于音頻和振動信號的頻譜分析VI，其參數(shù)表基本上囊括了進行頻譜分析的所需要的所有參數(shù)。
實際偏心量分布圖：自動檢測時，動態(tài)顯示每次測試的偏心量的變化情況，如圖5(c)所示。
實際相位分布圖：自動檢測時，動態(tài)顯示每次測試的偏相位角的變化情況，如圖5(d)所示。
2.2.3 結(jié)果計算與保存
該模塊主要完成不平衡量大小和相位的計算及結(jié)果的保存。通過在前面板中的參數(shù)設(shè)置，根據(jù)動平衡測試原理即可求出不平衡量的大小和相位。而數(shù)據(jù)存儲使用了LabVIEW中Express VI“寫入測量文件”，在該VI彈出的設(shè)置對話框中可以選擇文件的存儲格式、文本文件類型、二進制類型和帶XML的二進制類型，用戶可以根據(jù)不同目標(biāo)選擇所要存儲的類型。本系統(tǒng)選擇了文本文件類型。
3 實驗結(jié)果
為驗證系統(tǒng)的性能，在DPH-I智能動平衡機上對轉(zhuǎn)子進行了平衡實驗。平衡前在2 400 r/min轉(zhuǎn)速下測得轉(zhuǎn)子的校正面上，不平衡量的最大值為51 g，在相同轉(zhuǎn)速下進行動平衡后，測得轉(zhuǎn)子的不平衡量減小到2 g以下，同時可以感覺到振感明顯減輕。
測試結(jié)果體現(xiàn)了測試過程便捷、測試數(shù)據(jù)精度較高的特點。在測試過程中，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示都由計算機自動處理的功能，減少了人工的干預(yù)，大大提高了測試的準(zhǔn)確性。
虛擬儀器技術(shù)是計算機技術(shù)與儀器技術(shù)深層次結(jié)合的一門新興技術(shù)，在開發(fā)測試系統(tǒng)時具有其他開發(fā)工具所不具備的優(yōu)勢，其圖形化編程模式可以大大提高軟件的開發(fā)速度，而且是專門針對測試系統(tǒng)所開發(fā)的軟件，因此具有強大的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)控制和數(shù)據(jù)表達能力，更重要的是它以PC機和數(shù)據(jù)采集卡為通用硬件平臺，較之傳統(tǒng)儀器更加易于維護，并且成本大大降低。在通用硬件平臺確定之后，其功能主要是由軟件實現(xiàn)測試，而不像傳統(tǒng)儀器那樣主要是由硬件決定，比較容易實現(xiàn)技術(shù)的更新和功能的擴展。因此，將虛擬儀器應(yīng)用于動平衡測試系統(tǒng)，可以使整個系統(tǒng)有較高的精度、縮短開發(fā)時間、降低成本。提高編程效率，并且具有良好的使用效果，系統(tǒng)易于維護和實現(xiàn)功能的擴展和升級，具有較好的發(fā)展前景。實驗表明，利用 LabVIEW 開發(fā)的本系統(tǒng)較為完美地完成了對不平衡量大小和相位的求解。
參考文獻
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[2] 唐治宏，劉景能，黃炳瓊，等.基于LabVIEW的便攜式動平衡測試系統(tǒng)研究[J].裝備制造技術(shù)，2007(6).
[3] 齊家敏，李智利，汪正祥.基于LabVIEW的動平衡測試系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機信息，2007(10).
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[5] National Instruments Corporation. LabVIEW 7 express
sound and vibration toolkit user manual.2004.