摘 要： 研制了以虛擬儀器技術(shù)為核心的動(dòng)平衡測(cè)試與分析系統(tǒng)。介紹了基于LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言及NI公司的聲音振動(dòng)工具包和PCI-4472數(shù)據(jù)采集卡組成的動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。
關(guān)鍵詞： 動(dòng)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(dòng)平衡測(cè)試分析已成為旋轉(zhuǎn)機(jī)械工程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。目前所用的大部分動(dòng)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(dòng)平衡的需要，提高測(cè)試精度，本文將虛擬儀器技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)與動(dòng)平衡技術(shù)相結(jié)合，利用圖形化編程軟件LabVIEW及聲音振動(dòng)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(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)。將動(dòng)平衡測(cè)試技術(shù)的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)由過(guò)去硬件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向數(shù)字化測(cè)量的軟件設(shè)計(jì)。
1 動(dòng)平衡測(cè)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(shí)與轉(zhuǎn)子軸線的2個(gè)校正平面上，加上(或減去)適當(dāng)重量來(lái)達(dá)到動(dòng)平衡[2]。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)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(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，在動(dòng)平衡系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子支撐點(diǎn)兩端各有1個(gè)速度傳感器用以拾取轉(zhuǎn)子的振動(dòng)信號(hào)，而在轉(zhuǎn)子一側(cè)的光電傳感器是用來(lái)獲取相位基準(zhǔn)以及轉(zhuǎn)速信息。3路信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集卡后上傳至上位機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子的不平衡校正。
將2個(gè)振動(dòng)傳感器安裝在兩支撐處，則轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)信號(hào)經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡送入虛擬儀器軟件進(jìn)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(dòng)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(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
該測(cè)試系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試對(duì)象振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集、對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，通過(guò)PCI總線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，利用LabVIEW軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。如圖2所示，測(cè)試系統(tǒng)分為硬件和軟件2個(gè)部分。硬件部分主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸功能；軟件部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析、處理、顯示和計(jì)算功能。
2.1 測(cè)試系統(tǒng)硬件
轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)平衡測(cè)試技術(shù)主要是通過(guò)轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)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(jì)的動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)的硬件部分由數(shù)據(jù)采集模塊、左右支撐測(cè)振傳感器和相位測(cè)量光電傳感器組成。其中，數(shù)據(jù)采集模塊使用的是美國(guó)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(jī)模擬輸入的數(shù)據(jù)采集卡。它有8個(gè)差分模擬輸入通道，每個(gè)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集[4]，可應(yīng)用于聲音信號(hào)處理和分析、音頻測(cè)試、振動(dòng)和模態(tài)分析等一些需要高精度信號(hào)采集的場(chǎng)合。PCI-4472可以保證實(shí)現(xiàn)儀器的功能、精度和可靠性，為用戶提供功能靈活、性價(jià)比高的虛擬儀器和更好的硬件平臺(tái)。
本系統(tǒng)采用的硬件驅(qū)動(dòng)程序是NI公司自帶的驅(qū)動(dòng)程序MAX，同時(shí)MAX還是一個(gè)管理軟件，可以用來(lái)設(shè)置數(shù)據(jù)采集任務(wù)。當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后，安裝在左、右2個(gè)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(hào)輸出到PCI-4472數(shù)據(jù)采集卡的2個(gè)信號(hào)輸入端，與此同時(shí)，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(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸入到計(jì)算機(jī)。
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?jì)算機(jī)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(jī)通信時(shí)無(wú)需再編寫(xiě)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。在該設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)采集卡共采集2個(gè)振動(dòng)傳感器測(cè)量的2個(gè)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)量和1個(gè)光電傳感器測(cè)量的轉(zhuǎn)速的3路信號(hào)。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(shí)現(xiàn)信號(hào)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(dòng)信號(hào)與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度同頻，而轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度并不是恒定不變的，因此，如果采用定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)采樣，用快速傅里葉變換求頻譜，會(huì)造成較大的誤差，尤其是相位誤差，而鎖相環(huán)的特點(diǎn)是可以使輸入信號(hào)與輸出信號(hào)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(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，通過(guò)光電傳感器每圈輸出1個(gè)脈沖，將此脈沖整形放大倍頻之后進(jìn)行采樣，就實(shí)現(xiàn)了同步的整周期采樣，將采集到的信號(hào)進(jìn)行處理后可以極大地降低相位誤差。
數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)整周期采樣所獲得的數(shù)據(jù)已經(jīng)包含了振動(dòng)信號(hào)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(guò)PCI總線上傳至PC機(jī)，由上位機(jī)的LabVIEW程序做進(jìn)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(jìn)行顯示。
2.2 測(cè)試系統(tǒng)軟件
本測(cè)試系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)工具使用的是中文版LabVIEW8.2及聲音振動(dòng)工具包(Sound and Vibration Toolkit)。LabVIEW是目前公認(rèn)的一種開(kāi)發(fā)虛擬儀器較好的軟件平臺(tái)。聲音振動(dòng)工具包將LabVIEW做出了進(jìn)一步拓展[5]，簡(jiǎn)化了許多聲音和振動(dòng)測(cè)量的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。本工具包擁有聲音和振動(dòng)工具，包括了典型的音頻測(cè)試、聲學(xué)測(cè)試、振動(dòng)分析、機(jī)器狀態(tài)控制等功能。利用LabVIEW進(jìn)行程序的開(kāi)發(fā)包括2個(gè)主要部分：(1)前面板即用戶界面的設(shè)計(jì)；(2)源代碼框圖程序的設(shè)計(jì)。前面板的用戶界面是用戶和計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行交互的橋梁，LabVIEW提供了功能強(qiáng)大的用于前面板設(shè)計(jì)的控件并且分門(mén)別類地放在控件模板中，可以使用它們?cè)O(shè)計(jì)出簡(jiǎn)潔美觀、操作方便的用戶界面。
計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集3路信號(hào)，由虛擬儀器進(jìn)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(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速(r/min)。儀器主界面如圖3所示。
程序框圖則是實(shí)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(dòng)系統(tǒng)的采樣、分析處理振動(dòng)信號(hào)及兩校正平面上的不平衡量等都需要通過(guò)后面板的程序設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)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(lái)對(duì)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(hào)從傳感器到計(jì)算機(jī)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(duì)話框?qū)ζ溥M(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置即可無(wú)需再通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)其功能。該模塊使用了Express VI中的DAQAssistant來(lái)設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡。DAQAssistant完全以菜單形式驅(qū)動(dòng)，不需要任何編程并且大大減少了測(cè)量的時(shí)間，只需簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)點(diǎn)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(jiǎn)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(duì)話框中設(shè)置，所以不能實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互設(shè)置。因此，想要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互設(shè)置就必須把Express VI轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)VI。通過(guò)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(diǎn)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(dòng)平衡直接有關(guān)的轉(zhuǎn)速、基頻檢測(cè)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(xì)了解數(shù)據(jù)分析過(guò)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(guò)程中不可避免地要參雜一些干擾噪聲信號(hào)，這些干擾信號(hào)不利于對(duì)原始信號(hào)的分析。本系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)速變化比較平穩(wěn)、振動(dòng)比較頻繁等特點(diǎn)，采用了聲音振動(dòng)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(cè)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(dòng)信號(hào)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(dòng)平衡機(jī)平衡與不平衡時(shí)振動(dòng)速度信號(hào)的頻率譜差別查找不平衡時(shí)頻譜中振動(dòng)信號(hào)的譜峰。在該模塊設(shè)計(jì)中使用了聲音振動(dòng)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(dòng)信號(hào)的頻譜分析VI，其參數(shù)表基本上囊括了進(jìn)行頻譜分析的所需要的所有參數(shù)。
實(shí)際偏心量分布圖：自動(dòng)檢測(cè)時(shí)，動(dòng)態(tài)顯示每次測(cè)試的偏心量的變化情況，如圖5(c)所示。
實(shí)際相位分布圖：自動(dòng)檢測(cè)時(shí)，動(dòng)態(tài)顯示每次測(cè)試的偏相位角的變化情況，如圖5(d)所示。
2.2.3 結(jié)果計(jì)算與保存
該模塊主要完成不平衡量大小和相位的計(jì)算及結(jié)果的保存。通過(guò)在前面板中的參數(shù)設(shè)置，根據(jù)動(dòng)平衡測(cè)試原理即可求出不平衡量的大小和相位。而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用了LabVIEW中Express VI“寫(xiě)入測(cè)量文件”，在該VI彈出的設(shè)置對(duì)話框中可以選擇文件的存儲(chǔ)格式、文本文件類型、二進(jìn)制類型和帶XML的二進(jìn)制類型，用戶可以根據(jù)不同目標(biāo)選擇所要存儲(chǔ)的類型。本系統(tǒng)選擇了文本文件類型。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，在DPH-I智能動(dòng)平衡機(jī)上對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了平衡實(shí)驗(yàn)。平衡前在2 400 r/min轉(zhuǎn)速下測(cè)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(jìn)行動(dòng)平衡后，測(cè)得轉(zhuǎn)子的不平衡量減小到2 g以下，同時(shí)可以感覺(jué)到振感明顯減輕。
測(cè)試結(jié)果體現(xiàn)了測(cè)試過(guò)程便捷、測(cè)試數(shù)據(jù)精度較高的特點(diǎn)。在測(cè)試過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示都由計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理的功能，減少了人工的干預(yù)，大大提高了測(cè)試的準(zhǔn)確性。
虛擬儀器技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)深層次結(jié)合的一門(mén)新興技術(shù)，在開(kāi)發(fā)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)具有其他開(kāi)發(fā)工具所不具備的優(yōu)勢(shì)，其圖形化編程模式可以大大提高軟件的開(kāi)發(fā)速度，而且是專門(mén)針對(duì)測(cè)試系統(tǒng)所開(kāi)發(fā)的軟件，因此具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)控制和數(shù)據(jù)表達(dá)能力，更重要的是它以PC機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡為通用硬件平臺(tái)，較之傳統(tǒng)儀器更加易于維護(hù)，并且成本大大降低。在通用硬件平臺(tái)確定之后，其功能主要是由軟件實(shí)現(xiàn)測(cè)試，而不像傳統(tǒng)儀器那樣主要是由硬件決定，比較容易實(shí)現(xiàn)技術(shù)的更新和功能的擴(kuò)展。因此，將虛擬儀器應(yīng)用于動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)，可以使整個(gè)系統(tǒng)有較高的精度、縮短開(kāi)發(fā)時(shí)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(hù)和實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展和升級(jí)，具有較好的發(fā)展前景。實(shí)驗(yàn)表明，利用 LabVIEW 開(kāi)發(fā)的本系統(tǒng)較為完美地完成了對(duì)不平衡量大小和相位的求解。
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