基于LabVIEW的動平衡測試系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

孫麗萍，尹愛軍

（重慶大學(xué)測試中心，重慶 400044）

0 引 言

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)。為適應(yīng)現(xiàn)代動平衡的需要，提高測試精度，該文將虛擬儀器技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)與動平衡技術(shù)相結(jié)合，采用影響系數(shù)法，利用LabVIEW組建了基于虛擬儀器技術(shù)的動平衡測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了計算機的存儲和計算功能，功能靈活、開放，容易與其他外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)相連，構(gòu)成更強大的系統(tǒng)。

1 動平衡測試原理

由于生產(chǎn)的需要，轉(zhuǎn)子動平衡的理論發(fā)展迅速，出現(xiàn)了多種平衡方法，主要有振型平衡法和影響系數(shù)法。振型平衡法基于疊加原理，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易實現(xiàn)自動化；影響系數(shù)法是一種完全建立在試驗基礎(chǔ)之上的平衡方法，對轉(zhuǎn)子的動特性了解要求較少，特別適合用于現(xiàn)場動平衡，得到了廣泛應(yīng)用。

1.1 影響系數(shù)法

基于影響系數(shù)的雙面動平衡法的步驟如下：

（1）分別求得工作轉(zhuǎn)速下由原始不平衡量引起的 A 處和 B 處的振動，XA=Xa∠φa，XB=Xb∠φb。

（2）在左校正面上加試重，mL=ml∠φl，然后測得A 處和 B 處的振動，XAL=Xal∠φal，XBL=Xbl∠φbl。

（3）移去 m1，在右校正面上加試重 mR=mr∠φr，然后測試 A 處和 B 處的振動，XAR=Xar∠φar，XBR=Xbr∠φbr。

（4）計算影響系數(shù)

（5）計算不平衡量

（6）加配重消除不平衡量。

1.2 基于相關(guān)法的振動幅值和相位的計算

準確計算不平衡量振動的幅值和相位是動平衡校正的關(guān)鍵。利用相關(guān)函數(shù)可準確地提取出振動信號中基頻的幅值和相位。在 x（t）、y（t）均為實能量信號的情況下互相關(guān)函數(shù)定義為

它描述了2個信號之間的相似程度，是在多頻成分信號中提取有用信號的有效方法。一般情況下，測試振動信號成分復(fù)雜，除了轉(zhuǎn)速基頻以外還有倍頻、亞倍頻及隨機振動成分，如式（5）

式中：a0——直流分量；

ωi——各信號頻率；

αi——不同頻率信號的相位；

s（t）——干擾信號。

設(shè)頻率為ω，相位為0的標準正弦和余弦信號為

分別與式（6）所示的輸入信號進行互相關(guān)

于是得到振動基頻信號的幅值和相位分別為

2 基于LabVIEW的動平衡測試系統(tǒng)設(shè)計

該文采用LabVIEW8.6平臺開發(fā)動平衡測試系統(tǒng)[1-2]。

2.1 測試系統(tǒng)的組成

動平衡測試系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、2個速度測振傳感器、光電轉(zhuǎn)速傳感器及虛擬儀器軟件系統(tǒng)組成，如圖1所示。在測試過程中，2個振動傳感器檢測左右2個測點的振動速度信號；同時光電轉(zhuǎn)速傳感器檢測主軸轉(zhuǎn)速脈沖信號，形成與主軸轉(zhuǎn)速同頻率的基準信號[3]。

圖1 測試系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2.2 動平衡的測試分析流程

雙平面動平衡測試的流程如圖2所示。（1）設(shè)置采樣頻率、采樣點數(shù)、物理通道等參數(shù)，在工作轉(zhuǎn)速下測試轉(zhuǎn)子的初始振動值；（2）在A平面上加試重，測試在A平面上加試重后轉(zhuǎn)子的振動值，拆除A面所加試重；（3）在B面加試重，測試在B面加試重后轉(zhuǎn)子的振動值，拆除B面所加試重；（4）計算配重，在兩校正平面上加配重，測量校正后轉(zhuǎn)子的振動值[4-5]。

圖2 動平衡測試流程圖

2.3 測試軟件的設(shè)計

測試軟件模塊如圖3所示，主要包括信號采集、參數(shù)設(shè)置、信號分析、結(jié)果顯示及報表輸出等部分。主要介紹系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、信號分析處理模塊[6]。

圖3 軟件模塊圖

（1）數(shù)據(jù)采集。DAQmax對采集有關(guān)的參數(shù)、操作進行了很好的封裝，如采樣長度、采樣頻率、通道、靈敏度等。系統(tǒng)在DAQmax的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了3個通道的數(shù)據(jù)采集管理，采集子VI的程序框圖如圖4所示。

圖4 3通道數(shù)據(jù)采集程序

（2）數(shù)據(jù)分析與處理。數(shù)據(jù)的分析與處理是完成動平衡測試系統(tǒng)的關(guān)鍵，主要包括轉(zhuǎn)速的測量、基頻幅值和相位的準確計算、利用影響系數(shù)法進行動平衡配重的計算3個模塊。

首先由光電轉(zhuǎn)速脈沖基準信號，利用LabVIEW中的單頻測量VI得到轉(zhuǎn)速和基頻相位，程序框圖如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)速測量程序

由基頻轉(zhuǎn)速生成標準的正弦信號和余弦信號。然后將實測振動信號分別與正弦、余弦信號做互相關(guān)，得到振動信號基頻幅值和相位，程序框圖如圖6所示。

圖6 振幅及相位測量程序

最后計算影響系數(shù)，并確定不平衡量。該文對雙面校正分析過程中的各種情況都做了分析，程序框圖如圖7所示。

圖7 雙面配重計算子VI程序框圖

3 現(xiàn)場實驗

為了驗證系統(tǒng)的性能，在寧江機床廠對CKN1112系列CNC全功能型數(shù)控縱切自動車床電主軸做了現(xiàn)場試驗。該軸為細長軸，需進行雙平面動平衡分析。試驗現(xiàn)場布局如圖8所示。軸逆時針旋轉(zhuǎn)，在2個軸承的垂直方向分別安裝速度振動傳感器，在A平面外側(cè)軸上貼有反光片，激光轉(zhuǎn)速傳感器水平安裝。

圖8 現(xiàn)場布置圖

圖9 A面校正前后的頻譜圖

圖10 B面校正前后的頻譜圖

圖9表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為4500r/min時A測點校正前后的頻譜圖。如圖可以看出，測點基頻振動速度值從0.045 mm/s下降到0.013 mm/s，A面的不平衡振動已基本消除，校正后的基頻振動已經(jīng)不是主要成分。

圖10為相同轉(zhuǎn)速下B測點校正前后的頻譜圖。由圖10可以看出，測點基頻振動速度值從0.144mm/s下降到0.042 mm/s，B面的振動明顯下降，校正后基頻的振動量要小于二倍頻成分，已經(jīng)不是主要成分。

4 該虛擬測試儀與傳統(tǒng)儀器的對比分析

虛擬儀器技術(shù)的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[7-8]。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[9-10]。

5 結(jié)束語

該文利用LabVIEW完成動平衡測試系統(tǒng)的開發(fā)，并進行現(xiàn)場生產(chǎn)驗證。系統(tǒng)操作方便，界面友好，能完成數(shù)據(jù)采集、分析與處理等功能，減少了人工干預(yù)，增強了測試分析過程的自動化，提高了測試的準確性，比傳統(tǒng)的動平衡測試儀具有更高的性價比。

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