基于LabVIEW的車(chē)輪動(dòng)平衡檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王自平，袁海兵，夏檑

（湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰442002）

汽車(chē)高速行駛過(guò)程中，車(chē)輪的不平衡引起車(chē)身振動(dòng)，影響乘坐舒適性、操控穩(wěn)定性以及安全性，同時(shí)也會(huì)加劇零部件的磨損與振動(dòng)。對(duì)車(chē)輪動(dòng)不平衡的質(zhì)量以及相位的檢測(cè)，是解決車(chē)輪動(dòng)平衡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［1］。馮維杰等人［2］通過(guò)STM32 單片機(jī)搭建的車(chē)輪動(dòng)平衡檢測(cè)系統(tǒng)，具有較高的集成度以及較小體積等優(yōu)點(diǎn)，但由于單片機(jī)的限制，檢測(cè)精度、檢測(cè)速度較低，現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定性較差。王洪等人［3］搭建設(shè)計(jì)信號(hào)檢測(cè)的硬件電路，采用FFT對(duì)采集信號(hào)去噪處理，在轉(zhuǎn)速較低情況下采集得到的動(dòng)平衡信號(hào)噪聲較大，僅采用FFT消噪對(duì)不平衡質(zhì)量的大小及相位解算精度有限。

為了提高檢測(cè)精度，文中搭建了基于工業(yè)PC機(jī)的車(chē)輪動(dòng)平衡檢測(cè)平臺(tái)。通過(guò)分析車(chē)輪動(dòng)平衡的檢測(cè)原理選用傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、工業(yè)PC機(jī)等。測(cè)控系統(tǒng)采用PCI-1712-AE 數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)LabVIEW 搭建系統(tǒng)控制軟件，并通過(guò)Matlab Script節(jié)點(diǎn)進(jìn)行VMD濾波操作，對(duì)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定處理。最后將采集數(shù)據(jù)通過(guò)TDMS方式進(jìn)行存儲(chǔ)，顯示解算數(shù)據(jù)并生成報(bào)表。

1 動(dòng)平衡檢測(cè)原理及系統(tǒng)標(biāo)定

1.1 動(dòng)平衡檢測(cè)原理

根據(jù)轉(zhuǎn)子的兩面不平衡等效原理［4-5］，車(chē)輪的不平衡量可以分解到任意2 個(gè)垂直于旋轉(zhuǎn)主軸的平面，可以在分解平面合適位置添加適當(dāng)大小的質(zhì)量，消除車(chē)輪的動(dòng)不平衡量，這2 個(gè)平面稱(chēng)為校正平面。汽車(chē)車(chē)輪不平衡量檢測(cè)等效工作原理圖如圖1所示，其中Mup、Mdown為車(chē)輪上下平面的等效不平衡質(zhì)量；Fu為上校正平面上不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的離心力，在x、y 方向上的分量為Fux、Fuy；Fd為下校正平面不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的離心力，在x、y 方向上 的 分 量 為Fdx、Fdy；Nux、Nuy、Ndx、Ndy為 上 下 傳感器在x、y 方向上的受力；R 為車(chē)輪等效半徑；ω為主軸旋轉(zhuǎn)角速度；H為車(chē)輪的上下校正平面之間的距離；L1為上傳感器至下校正平面的距離；L2為兩傳感器之間距離。

圖1 車(chē)輪動(dòng)平衡檢測(cè)原理

由圖1 可知，在xoy 平面內(nèi)x 方向上由力平衡方程和力矩平衡方程可得：

由式（1）得：

同理可計(jì)算Fuy、Fdy。根據(jù)力的合成可得：

由式（4）可計(jì)算出最終的不平衡量，最終傳感器提取到的主軸信號(hào)表示為

式中：K 為電壓信號(hào)與作用力之間的比例系數(shù)，即標(biāo)定系數(shù)。式（3）可表示為

根據(jù)相關(guān)參數(shù)，由式（6）可精確解算出車(chē)輪動(dòng)不平衡量的大小和位置，根據(jù)動(dòng)平衡的解算原理搭建車(chē)輪動(dòng)不平衡量檢測(cè)系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)標(biāo)定

建立傳感器采集信號(hào)的電壓值與實(shí)際不平衡質(zhì)量大小的關(guān)系，通過(guò)影響系數(shù)法對(duì)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。式（3）變形可得：

整個(gè)系統(tǒng)標(biāo)定過(guò)程如下：1）將標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輪安裝至檢測(cè)系統(tǒng)，使主軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速達(dá)到工作轉(zhuǎn)速，通過(guò)傳感器采集信號(hào)得到Nu0、Nd0；2）在檢測(cè)車(chē)輪的上校正平面零度位置添加已知質(zhì)量m，旋轉(zhuǎn)主軸通過(guò)傳感器采集信號(hào)得到Nu1、Nd1、Nu2、Nd2。將獲得的參數(shù)代入式（7）可得標(biāo)定系數(shù)K11、K12、K21和K22。

2 車(chē)輪動(dòng)平衡檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)方案

車(chē)輪動(dòng)不平衡測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，在測(cè)試系統(tǒng)中，由伺服電機(jī)通過(guò)帶傳動(dòng)帶動(dòng)待測(cè)車(chē)輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，模擬車(chē)輪的行駛狀態(tài)。測(cè)控系統(tǒng)包括壓電式傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊以及工業(yè)PC 機(jī)等。傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊將數(shù)據(jù)傳輸工業(yè)PC機(jī)，工業(yè)PC機(jī)根據(jù)車(chē)輪不平衡檢測(cè)原理對(duì)車(chē)輪的不平衡質(zhì)量、相位進(jìn)行解算。采用帶傳動(dòng)，對(duì)主軸存在壓軸力，其中采用拉桿對(duì)壓軸力進(jìn)行平衡。

圖2 測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 傳感器

測(cè)控系統(tǒng)采用2個(gè)壓電式振動(dòng)傳感器和1個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器，壓電式傳感器檢測(cè)主軸試驗(yàn)負(fù)載，轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)主軸轉(zhuǎn)速，如圖2所示。將壓電式傳感器接觸式安裝至測(cè)量主軸外殼，轉(zhuǎn)速傳感器采用光電式傳感器非接觸式安裝。壓電式振動(dòng)傳感器通過(guò)電荷放大器的輸出電壓為0～10 V。

2.3 工業(yè)PC機(jī)與數(shù)據(jù)采集模塊

工業(yè)PC 機(jī)選用研華公司的IPPC-6172AR2AE，前端配有USB 接口，方便數(shù)據(jù)讀取，雙通道DDR3 內(nèi)存，容量達(dá)4 GB。前面板密封設(shè)計(jì)，方便清潔，提高了工控系統(tǒng)的可靠性。PC 機(jī)采用觸摸屏，方便工控現(xiàn)場(chǎng)的操作。

車(chē)輪動(dòng)平衡檢測(cè)過(guò)程中采樣頻率為4 kS·s-1。選用研華公司的數(shù)據(jù)采集模塊PCI-1712-AE，該采集卡具有16 路模擬量輸入、2 路模擬量輸出、16路TTL DI 輸入、16 路TTL DO 輸出、3 路計(jì)數(shù)器，采樣頻率為1 MS·s-1。系統(tǒng)熱啟動(dòng)后可以保持I/O 口的設(shè)置和數(shù)字量輸出值。壓電式傳感器與PCI-1712-AE采集模塊的2路模擬量輸入通道AI0、AI1相連，輸入量程選擇0～10 V，數(shù)據(jù)采集模塊輸入電壓與壓力傳感器輸出電壓為0～10 V，數(shù)據(jù)采集模塊與壓力傳感器通過(guò)接線(xiàn)端子直接相連，不需要其他轉(zhuǎn)換模塊。為了提高檢測(cè)精度以及抗干擾能力選擇差分輸入模式。測(cè)試過(guò)程中采集卡的計(jì)數(shù)通道CNT0 連接轉(zhuǎn)速傳感器。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)通道值計(jì)算主軸轉(zhuǎn)速。

3 車(chē)輪動(dòng)平衡檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)的軟件部分包括系統(tǒng)參數(shù)初始化、系統(tǒng)標(biāo)定、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)去噪處理、車(chē)輪動(dòng)不平衡量的質(zhì)量與相位解算、采集數(shù)據(jù)的保存以及信號(hào)分析。采用NI 公司的LabVIEW 2016 進(jìn)行軟件界面搭建。結(jié)合Matlab的數(shù)據(jù)處理功能，實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)的信號(hào)去噪及信號(hào)解算。在LabVIEW中采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者采集模式搭建信號(hào)的采集程序，實(shí)現(xiàn)多線(xiàn)程的信號(hào)采集。

3.1 數(shù)據(jù)采集

PCI-1712-AE 數(shù)據(jù)采集模塊使用研華官方提供的DAQNavi_SDK 驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)程序提供了模擬輸入、輸出、計(jì)數(shù)器以及IO 口的vi 函數(shù)。通過(guò)LabVIEW 調(diào)用不同的vi 函數(shù)完成數(shù)據(jù)采集模塊的配置并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使用DAQNaviRead 對(duì)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，主要包括2個(gè)模擬通道、1個(gè)計(jì)數(shù)通道的使用。模擬通道采用Waveform信號(hào)采集模式，并設(shè)置差分采樣，采集速率為4 kS·s-1。數(shù)據(jù)采集程序如圖3所示，封裝成子vi，在主程序中調(diào)用，完成傳感器信號(hào)的采集。

圖3 數(shù)據(jù)采集

3.2 VMD去噪

傳統(tǒng)濾波去噪大多采用傅里葉變換去噪，容易受到系統(tǒng)頻率的干擾，文中采用變分模態(tài)VMD 信號(hào)去噪方法。LabVIEW 提供了Matlab Script 節(jié)點(diǎn)調(diào)用程序，LabVIEW 通過(guò)Matlab Script 節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳遞至Matlab，利用Matlab的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行VMD去噪。對(duì)去噪完成的信號(hào)進(jìn)行車(chē)輪動(dòng)不平衡質(zhì)量及相位的解算，將解算數(shù)據(jù)返回至LabVIEW。VMD［6］是新的信號(hào)去噪算法，相對(duì)于FFT、EMD、EEMD、小波去噪，VMD 對(duì)噪聲具有較好的魯棒性。在VMD 信號(hào)去噪過(guò)程中，選用合適的分解模態(tài)層數(shù)以及懲罰參數(shù)對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行分解，通過(guò)相關(guān)性計(jì)算，區(qū)分分解信號(hào)中的相關(guān)信號(hào)與不相關(guān)信號(hào)，對(duì)相關(guān)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，去除不相關(guān)模態(tài)。變分模態(tài)分解的過(guò)程中，分解層數(shù)和懲罰因子的設(shè)置是對(duì)信號(hào)有效分解的關(guān)鍵。通過(guò)構(gòu)建合適的適應(yīng)度函數(shù)，將分解層數(shù)N與懲罰因子σ作為優(yōu)化參數(shù)，適應(yīng)度函數(shù)F作為優(yōu)化目標(biāo)。變分模態(tài)分解前后，由于初始信號(hào)的總能量與N個(gè)IMF的能量和相等，每個(gè)IMF 分量包含的頻率成分不同，利用能量熵來(lái)表征信號(hào)能量的分布，對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行變分模態(tài)分解，并計(jì)算各模態(tài)函數(shù)的能量熵值：

式中：p(i)為第i 個(gè)模態(tài)函數(shù)的能量占總信號(hào)能量的百分比；Ei為分解過(guò)程中每個(gè)模態(tài)函數(shù)的能量；E 為所有模態(tài)函數(shù)總和。在優(yōu)化中過(guò)程中以HV作為適應(yīng)度函數(shù)：

通過(guò)天牛須優(yōu)化算法［7］對(duì)構(gòu)建的適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化參數(shù)范圍為N ∈[1,15],σ ∈[0,10 000]。優(yōu)化迭代如圖4所示，當(dāng)分解層數(shù)N為6、懲罰因子σ 為8724 時(shí)，適應(yīng)度為0.0026，根據(jù)最優(yōu)參數(shù)對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行變分模態(tài)分解。

圖4 優(yōu)化迭代圖

3.3 軟件界面

軟件系統(tǒng)界面采用LabVIEW 進(jìn)行搭建，主界面如圖5 所示，其中信號(hào)處理的復(fù)雜操作通過(guò)Script節(jié)點(diǎn)連接Matlab進(jìn)行。界面主要包括采集波形顯示、濾波波形顯示、不平衡量的解算結(jié)果顯示和主軸轉(zhuǎn)速顯示。將采集得到的原始信號(hào)、去噪信號(hào)以及不平衡量解算結(jié)果通過(guò)TDMS 方式進(jìn)行保存以及Excel 報(bào)表生成。TDMS 主要記錄解算的不平衡質(zhì)量大小及其相位。

圖5 測(cè)控系統(tǒng)主界面

4 結(jié)論

基于LabVIEW 搭建檢測(cè)系統(tǒng)軟件平臺(tái)，通過(guò)調(diào)用LabVIEW 的Matlab Script 對(duì)采集數(shù)據(jù)去噪處理，標(biāo)定測(cè)控系統(tǒng)，最后解算車(chē)輪動(dòng)不平衡量的大小及相位，并對(duì)采集數(shù)據(jù)以及解算數(shù)據(jù)進(jìn)行保存及顯示。采集系統(tǒng)包含信號(hào)采集、信號(hào)處理、界面顯示等功能。試驗(yàn)結(jié)果分析顯示，試驗(yàn)平臺(tái)滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集需求，測(cè)控系統(tǒng)人機(jī)界面友好、操作簡(jiǎn)單。