基于Labview的剛性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)研究

付玉紅，韋忠朝，高信邁

（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430074）

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)械工程的一個(gè)重要環(huán)節(jié).工程實(shí)際中，由于材質(zhì)不均勻或毛坯缺陷、加工及裝配中產(chǎn)生的誤差，甚至設(shè)計(jì)時(shí)就具有非對(duì)稱(chēng)的幾何形狀等多種因素，使得轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時(shí)，其上每個(gè)微小質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的離心慣性力不能相互抵消，離心慣性力通過(guò)軸承作用到機(jī)械及其基礎(chǔ)上，引起振動(dòng)，產(chǎn)生了噪音，加速軸承磨損，縮短了機(jī)械壽命，嚴(yán)重時(shí)能造成破壞性事故.為此，必須對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡，使其達(dá)到允許的平衡精度等級(jí).

隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器已經(jīng)成為動(dòng)平衡檢測(cè)儀器的主流.Labview是美國(guó)國(guó)家儀器公司最典型的軟件產(chǎn)品之一，它是一種基于圖形編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境.由于其豐富的軟件功能和多功能高精度的硬件接口卡，加以PC的友好環(huán)境等，在多種自動(dòng)測(cè)試和控制中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用.

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)子軸線垂直的兩個(gè)校正面上加上（或減去）適當(dāng)重量來(lái)達(dá)到動(dòng)平衡.

動(dòng)平衡測(cè)量時(shí)要求轉(zhuǎn)子必須能在支撐系統(tǒng)上被驅(qū)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，支撐系統(tǒng)必須要有必要的自由度，以保證支撐系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子不平衡離心力的作用下產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子不平衡量成正比的有規(guī)律的振動(dòng).這樣轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)就組成了一定形式的質(zhì)量—彈簧系統(tǒng)，進(jìn)而通過(guò)測(cè)量支撐的振動(dòng)而獲得轉(zhuǎn)子校正面上不平衡量大小和相位［1］.

2 系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為硬支撐平衡機(jī).系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.系統(tǒng)主要由電機(jī)、皮帶輪左右支撐，左右壓電式加速度傳感器、光電傳感器、NI數(shù)據(jù)采集卡、下位機(jī)、IPC機(jī)構(gòu)成［4］.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 左右振動(dòng)信號(hào)的獲取

轉(zhuǎn)子放在左右支撐上，轉(zhuǎn)子在電機(jī)的帶動(dòng)下在皮帶輪上旋轉(zhuǎn)，左右支撐處的壓電式加速度傳感器檢測(cè)左右振動(dòng)信號(hào).然后由NI數(shù)據(jù)采集卡采集左右的振動(dòng)信號(hào)給IPC機(jī)的Labview軟件分析.

2.2 角度基準(zhǔn)信號(hào)的獲取

在所測(cè)試的轉(zhuǎn)子上用彩色筆做個(gè)標(biāo)記，在轉(zhuǎn)子附近安裝紅外光電接近開(kāi)關(guān)，檢測(cè)轉(zhuǎn)子顏色變化產(chǎn)生脈沖信號(hào)輸出，脈沖信號(hào)的基頻與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同.然后由NI數(shù)據(jù)采集卡采集角度基準(zhǔn)信號(hào)給IPC機(jī)的Labview軟件分析.

3 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分包括：系統(tǒng)參數(shù)初始化、動(dòng)不平衡振幅和相位分析、影響系數(shù)計(jì)算、動(dòng)不平衡質(zhì)量和相位計(jì)算、數(shù)據(jù)保存、串行通信.

圖2 程序流程圖

程序設(shè)計(jì)主要思路：系統(tǒng)采用影響系數(shù)法來(lái)得到轉(zhuǎn)子不平衡量和相位.首先利用交叉譜分析和FFT譜分析從數(shù)據(jù)采集卡得到振動(dòng)信號(hào)和角度基準(zhǔn)信號(hào)，得到最大振幅的相位和幅值［2］.然后根據(jù)加抑制質(zhì)量的不平衡量得到單位質(zhì)量對(duì)左右振動(dòng)信號(hào)幅值和相位的貢獻(xiàn)，從而得到影響系數(shù).最后用影響系數(shù)與得到的轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)的幅值和相位做乘積，即可得到所測(cè)試轉(zhuǎn)子的左右失重質(zhì)量和角度.

3.1 轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡分析模塊 Unbalance daq.vi—振動(dòng)幅值和相位的提取

利用Labview生成波形模塊，生成數(shù)據(jù)采集卡，采集到左右振動(dòng)信號(hào)和角度基準(zhǔn)信號(hào)響應(yīng)的波形.然后將左右振動(dòng)信號(hào)分別與角度基準(zhǔn)信號(hào)做交叉譜分析.利用角度基準(zhǔn)信號(hào)可以得到平衡轉(zhuǎn)速，即基準(zhǔn)頻率fN.檢測(cè)0.9 fN與1.1 fN的數(shù)據(jù)，得到左右振動(dòng)信號(hào)的最大振幅的相位［3］.

同時(shí)分別對(duì)左右振動(dòng)信號(hào)做FFT譜分析，利用前面所得到最大振幅的相位所對(duì)應(yīng)的頻率去檢索其所對(duì)應(yīng)的最大振幅值.為了防止頻譜泄露并得到振動(dòng)信號(hào)中的基頻信號(hào)的頻譜，需要對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行正周期采樣，在轉(zhuǎn)子的每個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)按照預(yù)定的采樣點(diǎn)數(shù)和采樣頻率對(duì)一個(gè)周期內(nèi)的連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣.

這樣就得到了轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)信號(hào)的振幅和相位.

3.2 影響系數(shù)的計(jì)算［5］

基本思路：

1）調(diào)用Unbalance daq.vi對(duì)轉(zhuǎn)子做動(dòng)不平衡分析，得到左右振動(dòng)信號(hào)的幅值和相位，合成左右振動(dòng)力矩矢量XL、XR.

2）在左校正平面的指定位置上加標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量點(diǎn)在指定位置上，同樣調(diào)用Unbal ance daq.vi對(duì)轉(zhuǎn)子做動(dòng)不平衡分析，得到左右振動(dòng)信號(hào)的幅值和相位，合成左右振動(dòng)力矩矢量XL1、XR1.

3）在左校正平面的指定位置上加標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量點(diǎn)在指定位置上，同樣調(diào)用Unbal ance daq.vi對(duì)轉(zhuǎn)子做動(dòng)不平衡分析，得到左右振動(dòng)信號(hào)的幅值和相位，合成左右振動(dòng)力矩矢量XL2、XR2.

根據(jù)不平衡離心力矩疊加原理，分別計(jì)算左右兩個(gè)校正面在已知位置加載標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)點(diǎn)對(duì)不平衡的影響系數(shù)，具體如下：

aL1、aL2、aR1、aR2是在指定位置施加已知質(zhì)點(diǎn)時(shí)，單位質(zhì)量對(duì)不平衡力矩的貢獻(xiàn)，對(duì)矩陣求逆矩陣就可以得到影響系數(shù).其中包含四個(gè)振幅影響系數(shù)和四個(gè)相位影響系數(shù)，即

3.3 轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量和相位的計(jì)算

調(diào)用Unbalance daq.vi對(duì)轉(zhuǎn)子做動(dòng)不平衡分析，得到左右振動(dòng)信號(hào)的幅值和相位，合成左右振動(dòng)力矩矢量.

根據(jù)unbalance daq.vi計(jì)算出的angle of signal R（θR）和 a mplitude of signal R（AR）計(jì)算轉(zhuǎn)子右校正平面的失重力矩（TR）

根據(jù)b ms01＿data.vi得到的振幅影響系數(shù)和相位影響系數(shù)，可以分別計(jì)算左失重和右失重的質(zhì)量和角度.

3.4 數(shù)據(jù)保存

將轉(zhuǎn)子左右不平衡質(zhì)量和相位保存并顯示.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用了Lab VIEW的寫(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(lèi)型、二進(jìn)制類(lèi)型和帶XML的二進(jìn)制類(lèi)型，用戶可以根據(jù)不同目標(biāo)選擇所要存儲(chǔ)的類(lèi)型.本系統(tǒng)選擇了文本文件類(lèi)型.

同時(shí)可以將左右不平衡質(zhì)量和相位在PC界面上顯示.將左右不平衡質(zhì)量和相位通過(guò)串口通訊傳遞給下位機(jī)，使其對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行校正.

4 試驗(yàn)結(jié)果

此系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用于工業(yè)中，實(shí)踐證明此系統(tǒng)性能良好.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).系統(tǒng)充分應(yīng)用了NI數(shù)據(jù)采集卡和虛擬儀器的強(qiáng)大軟件資源，保證了整個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、有效性以及實(shí)時(shí)性.整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠、人機(jī)交互界面友好、操作簡(jiǎn)單、測(cè)試結(jié)果的精度較高.

［1］葉能安.動(dòng)平衡原理與動(dòng)平衡機(jī)［M］.武漢：華中工學(xué)院出版社.1985.

［2］吳成東.Labview虛擬儀器程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

［3］胡廣書(shū).數(shù)字信號(hào)處理一理論、算法與實(shí)現(xiàn)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1997.

［4］唐治宏，劉景能，黃炳瓊.基于Lab VIEW的便攜式動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)研究［J］.裝備制造技術(shù)，2007（6）.－

［5］張 健，邱清盈，武建偉，等.基于卡爾曼濾波的動(dòng)平衡測(cè)量過(guò)程調(diào)節(jié)方法［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，45（10）：1 815－1 820.