基于虛擬儀器的機(jī)械振動(dòng)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許紹華，張宏斌，吳志東,2，何雪冬，閆少康，李治平

基于虛擬儀器的機(jī)械振動(dòng)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許紹華1，張宏斌1＊，吳志東1,2，何雪冬1，閆少康1，李治平1

（1.齊齊哈爾大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾市開農(nóng)科技有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

作為虛擬儀器技術(shù)的核心軟件，LabVIEW以其圖形化編程界面和便利的開發(fā)環(huán)境在測控領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)對機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，通過虛擬儀器技術(shù)分析、系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)、上下位機(jī)聯(lián)調(diào)等過程的開發(fā)與研究，形成一套機(jī)械振動(dòng)測試系統(tǒng)，通過系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)對比分析，驗(yàn)證該系統(tǒng)具備一定的可行性和適用性，可以為同類系統(tǒng)開發(fā)提供一定的技術(shù)支持。

虛擬儀器；LabVIEW；機(jī)械振動(dòng)；狀態(tài)監(jiān)測；故障診斷；測試系統(tǒng)

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)械設(shè)備的故障診斷越來越多的受到關(guān)注，機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，運(yùn)轉(zhuǎn)速度日益提高，振動(dòng)的危害日漸突出。在連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)中，如果某臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障不能繼續(xù)運(yùn)行，將波及整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，如果故障不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)和排除，將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞，甚至可能會(huì)造成機(jī)毀人亡的嚴(yán)重后果，因此，對過程工業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行故障診斷具有極為重要的意義[1]。

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的程序開發(fā)環(huán)境，虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)[2]是目前測控行業(yè)的熱門技術(shù)，它將計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化儀器設(shè)備間緊密地聯(lián)系在一起，測量與控制在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

本文開發(fā)的數(shù)據(jù)采集模塊集成六軸振動(dòng)傳感器（MPU6050），能夠準(zhǔn)確采集通用機(jī)床和齒輪箱等中低轉(zhuǎn)速設(shè)備的關(guān)鍵部件低頻段振動(dòng)信號(hào)，通過數(shù)據(jù)通信接口與采用LabVIEW軟件編寫的上位機(jī)程序進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備振動(dòng)信號(hào)的PC端操作和控制[3]。上位機(jī)前面板圖形化實(shí)時(shí)顯示測量數(shù)據(jù)、便捷的存儲(chǔ)測量數(shù)據(jù)和提取故障特征數(shù)據(jù)，為機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)發(fā)展提供設(shè)備開發(fā)基礎(chǔ)支持。

1 振動(dòng)測試原理

振動(dòng)的強(qiáng)弱用振動(dòng)量來衡量，振動(dòng)量可以是振動(dòng)體的位移、速度或加速度。振動(dòng)量如果超過允許范圍，機(jī)械設(shè)備將產(chǎn)生較大的動(dòng)載荷和噪聲，從而影響其工作性能和使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致零部件的早期失效。在機(jī)械工程領(lǐng)域中，除固體振動(dòng)外還有流體振動(dòng)，以及流固耦合的振動(dòng)[4]。振動(dòng)測試是指利用電器元件、儀表和裝置構(gòu)成的功能體獲取機(jī)械振動(dòng)量信息的過程，振動(dòng)測試系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

激勵(lì)裝置作用于被測對象，產(chǎn)生信息獲取的載體——信號(hào)，傳感器將被測信息有模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，經(jīng)放大、濾波等調(diào)理后的數(shù)字信號(hào)被導(dǎo)入各種算法進(jìn)行運(yùn)算分析后，以數(shù)據(jù)表格、波形圖等形式顯示和存儲(chǔ)測試結(jié)果，提取信號(hào)特征值，通過相關(guān)控制系統(tǒng)反饋給被測對象，形成測試系統(tǒng)的閉環(huán)控制[4]。

圖1 振動(dòng)測試系統(tǒng)構(gòu)成

2 虛擬儀器技術(shù)

2.1 虛擬儀器技術(shù)特點(diǎn)

虛擬儀器是指在計(jì)算機(jī)的軟硬件測試平臺(tái)基礎(chǔ)上，替代傳統(tǒng)測量儀器，實(shí)現(xiàn)測試、測量過程的自動(dòng)控制和工業(yè)控制。虛擬儀器是電子測試儀器功能的硬件模塊和計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)與軟件的結(jié)合體[5]，虛擬儀器開發(fā)的流程如圖2所示。

圖2 虛擬儀器開發(fā)框圖

設(shè)備的底層驅(qū)動(dòng)程序是虛擬儀器的關(guān)鍵部分，系統(tǒng)的開發(fā)與儀器的硬件變化沒有關(guān)聯(lián)，利用虛擬儀器的這個(gè)優(yōu)勢，可以大大減少儀器功能的開發(fā)和系統(tǒng)更新的時(shí)間。在虛擬儀器中可以選擇的硬件系統(tǒng)有GPIB、VXI、RS-232、DAQ板等，它們和庫函數(shù)等軟件融合在一起配合使用，達(dá)到了儀器模塊間的通訊、定時(shí)與觸發(fā)的效果，源代碼庫函數(shù)在用戶建立自己的數(shù)據(jù)模擬模塊時(shí)提供了對應(yīng)的模塊組成工具。

2.2 虛擬儀器結(jié)構(gòu)

虛擬儀器是在計(jì)算機(jī)儀器的基礎(chǔ)上，與實(shí)際儀器緊密聯(lián)系在一起的現(xiàn)代化測試儀器。這種聯(lián)系有兩種基本的方式，一種是把計(jì)算機(jī)放入儀器，另一種是將儀器裝入計(jì)算機(jī)，依靠常用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)，完成各種儀器功能，這種形式就是虛擬儀器。虛擬儀器的構(gòu)成跟隨了傳統(tǒng)儀器的結(jié)構(gòu)形式，主要由數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析和處理、結(jié)果顯示3部分構(gòu)成[6]，如圖3所示。

圖3 虛擬儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

2.3 虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)

虛擬儀器的核心軟件為LabVIEW，這一軟件平臺(tái)提供了很多的前面板使用工具和各種數(shù)據(jù)分析工具，配合硬件廠商提供的各種硬件的驅(qū)動(dòng)程序模塊，使虛擬儀器設(shè)計(jì)變得簡單。LabVIEW是以程序框圖為基本單元并進(jìn)行繪制的軟件，通過前面板來顯示想要實(shí)現(xiàn)的功能。通過調(diào)用不同控件，并將其端點(diǎn)相互連接來實(shí)現(xiàn)不同的功能。前面板、程序框圖、圖標(biāo)/接線端口3個(gè)部分構(gòu)成了一個(gè)LabVIEW儀器。前面板用于模擬真實(shí)儀器控制面板，程序框圖是圖形語言在前面板控件的使用控制，圖標(biāo)/接線端口用于把LabVIEW程序定義成一個(gè)子程序，從而實(shí)現(xiàn)模塊化編程[6]。平臺(tái)具體界面如圖4所示。

圖4 LabVIEW開發(fā)平臺(tái)界面

3 振動(dòng)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用商用LabVIEW2018版軟件編程平臺(tái)，調(diào)用程序模版中的函數(shù)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、控件等功能選項(xiàng)，編寫四個(gè)通道的數(shù)據(jù)采集程序框圖，設(shè)置串口連接方式，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的串行通信；通過調(diào)用布爾運(yùn)算符，每個(gè)通道設(shè)置報(bào)警值和報(bào)警指示燈，當(dāng)采集數(shù)據(jù)幅值達(dá)到設(shè)定上限，報(bào)警指示燈亮起；調(diào)用儀器控件，設(shè)置四個(gè)儀表分別對應(yīng)四個(gè)通道數(shù)據(jù)顯示界面[7]，控制數(shù)據(jù)采集的速度；調(diào)用波形圖控件，設(shè)置橫軸為時(shí)間、縱軸為幅值的四個(gè)采集數(shù)據(jù)波形顯示界面；借助信號(hào)處理和數(shù)據(jù)采集模塊，設(shè)置文件讀寫和存儲(chǔ)路徑，匹配四個(gè)通道實(shí)時(shí)波形顯示；調(diào)用I/O控件，設(shè)置程序運(yùn)行開啟和關(guān)閉，具體操作界面如圖5所示。

圖5 LabVIEW四通道數(shù)據(jù)采集界面

在LabVIEW的程序框圖中，利用相關(guān)編程控件、循環(huán)結(jié)構(gòu)和波形圖文件設(shè)置多通道的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析界面，利用波形運(yùn)算工具對采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域相位和幅值實(shí)時(shí)顯示；利用信號(hào)處理工具對振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行波形調(diào)理、FFT變換和濾波等，提取機(jī)械振動(dòng)故障特征，具體操作界面如圖6所示。

圖6 LabVIEW數(shù)據(jù)分析界面

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.2.1 振動(dòng)傳感器

機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障時(shí)，狀態(tài)檢測信號(hào)是其主要表征，能否真實(shí)、準(zhǔn)確地檢測出設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，是保證故障檢測可信度的首要前提。對于機(jī)床和齒輪箱軸承出現(xiàn)磨損故障、其振動(dòng)信號(hào)的變化是最敏感的[8]，采用當(dāng)下比較流行的六軸傳感器（MPU6050），其內(nèi)部整合了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器，利用自帶的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器（DMP，Digital Motion Processor），通過主IIC接口向采集卡輸入融合演算數(shù)據(jù)，根據(jù)供電電壓值（±2.5～3.3V）開發(fā)傳感器供電板電路，如圖7所示。

圖7 傳感器供電板電路示意圖

3.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊開發(fā)，設(shè)置USB/VGA兩種串口與上位機(jī)連接通信，振動(dòng)傳感器內(nèi)置到數(shù)據(jù)采集模塊中，模擬測試過程中，旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊，使振動(dòng)傳感器采集到機(jī)械設(shè)備振動(dòng)信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換，初步的濾波和放大，在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示出振動(dòng)信號(hào)的物理參數(shù)，包括溫度及空間3個(gè)方向的振動(dòng)角度，如圖8所示。

圖8 振動(dòng)信號(hào)采集模塊

4 系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)

4.1 模擬實(shí)驗(yàn)

數(shù)據(jù)采集模塊通過USB接口與上位機(jī)連接，采用匿名四軸（ano TECH）提供的上位機(jī)界面，因振動(dòng)傳感器內(nèi)置在數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)采集模塊時(shí)，采集到角度變化信號(hào)，陀螺儀發(fā)生偏轉(zhuǎn)（如圖9左），各方位角度值變化，實(shí)時(shí)反映機(jī)械設(shè)備振動(dòng)偏離規(guī)定方向的數(shù)值；在移動(dòng)或敲擊數(shù)據(jù)采集模塊時(shí)，振動(dòng)傳感器采集到振動(dòng)位移或加速度值，在上位機(jī)界面波形顯示窗口（如圖9右）實(shí)時(shí)顯示振動(dòng)信號(hào)的幅值與時(shí)間的變化關(guān)系。

圖9 機(jī)械振動(dòng)模擬測試

3條曲線表示不同方向的振動(dòng)數(shù)值。通過模擬實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證，所開發(fā)的數(shù)據(jù)采集模塊可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信，實(shí)時(shí)顯示機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)特征，可以應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備振動(dòng)測試過程，為開發(fā)LabVIEW上位機(jī)測試程序奠定軟硬件基礎(chǔ)。

4.2 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

在機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電一體化綜合實(shí)驗(yàn)室搭建現(xiàn)場振動(dòng)測試平臺(tái)，利用“大創(chuàng)”項(xiàng)目課題研究工作組開發(fā)的數(shù)據(jù)采集模塊、上位機(jī)操作界面、振動(dòng)源進(jìn)行現(xiàn)場振動(dòng)測試。將數(shù)據(jù)采集模塊與LabVIEW上位機(jī)通過USB串口連接，連續(xù)施加外部振動(dòng)源，振動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)采集振動(dòng)信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換、濾波、信號(hào)放大等過程，在上位機(jī)界面4個(gè)通道同時(shí)采集振動(dòng)信號(hào)，顯示數(shù)據(jù)波形，以行列組合表格形式將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到磁盤空間，4個(gè)儀表對應(yīng)顯示每個(gè)通道數(shù)據(jù)數(shù)值大小，切換界面上方的選項(xiàng)卡，可以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)回顧、每個(gè)通道數(shù)據(jù)幅值和相位的提取分析等功能。

機(jī)械振動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，圖10(a)為信號(hào)調(diào)試過程，通過調(diào)節(jié)儀表和輸入值，在4個(gè)通道生成基本波形；圖10(b)為振動(dòng)信號(hào)實(shí)測，每個(gè)通道實(shí)時(shí)顯示振動(dòng)波形。應(yīng)用此套系統(tǒng)采集機(jī)械設(shè)備振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性較高，通過與模擬實(shí)驗(yàn)對比分析，驗(yàn)證了所開發(fā)的振動(dòng)測試系統(tǒng)可以用于機(jī)械設(shè)備全生命周期的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷過程。

圖10 機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)束語

虛擬儀器是機(jī)械振動(dòng)測試的重要組成部分，在機(jī)械振動(dòng)測試領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。利用高性能振動(dòng)傳感器采集機(jī)械設(shè)備振動(dòng)信號(hào)，利用虛擬儀器的核心軟件——LabVIEW軟件平臺(tái)開發(fā)振動(dòng)信號(hào)上位機(jī)程序，利用多通道的數(shù)據(jù)采集板卡開發(fā)與上位機(jī)和振動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)通信串口，形成了一套適合機(jī)床、齒輪箱等軸承運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的振動(dòng)測試系統(tǒng)，通過虛擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)對比分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)在機(jī)械設(shè)備振動(dòng)測試中的可行性和實(shí)用性，為開發(fā)同類測試設(shè)備提供一定的理論支撐和技術(shù)參考。

[1] 張鍵. 機(jī)械故障診斷技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[2] 李思琦，蔣志堅(jiān). 基于LabVIEW的振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 北京建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2019, 35(03): 47-53.

[3] 張凱宇，范艾杰，蔡志明，等. 基于LabVIEW的3146A多功能測量系統(tǒng)開發(fā)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016, 35(1): 121-124.

[4] 楊建偉. 工程測試技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[5] 李夢梅，陳學(xué)振. 基于LabVIEW的主軸機(jī)械狀態(tài)識(shí)別與故障診斷[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，2020(12): 32-36.

[6] 崔春. 基于LabVIEW的軸承和齒輪故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 大慶：東北石油大學(xué)，2017.

[7] 葉鑫，江明，王林，等. 基于ZigBee和Labview的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020, 36(03): 23-27.

[8] 蘇史博，畢果，彭云峰，等. 基于LabVIEW的超精密磨床嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 航空制造技術(shù)，2020, 63(11): 88-93.

Design of mechanical vibration test system based on virtual instruments

XU Shao-hua1，ZHANG Hong-bin1＊，WU Zhi-dong1,2，HE Xue-dong1，YAN Shao-kang1，LI Zhi-ping1

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Qiqihar University, Heilongjiang Qiqihar 161006, China;2.Qiqihar City Kainong Technology Co., Ltd., Heilongjiang Qiqihar 161006, China)

As the core software of virtual instrument technology, LabVIEW is widely used in the field of measurement and control with its graphical programming interface and convenient development environment. To realize the condition monitoring and fault diagnosis of mechanical equipment, a mechanical vibration testing system is developed and researched through the process of virtual instrument technology analysis, system hardware and software design, and upper and lower computer interconnection, etc. Through system simulation experiment and field experiment comparison analysis, it is verified that the system has certain feasibility and applicability, and can provide certain technical support for the development of similar systems.

virtual instrument；LabVIEW；mechanical vibration；condition monitoring；fault diagnosis；test system

2021-11-04

黑龍江省省屬本科高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（135409605）；黑龍江省高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（SJGY20190719）；齊齊哈爾大學(xué)教育科學(xué)研究項(xiàng)目（GJZRZX202007，GJZRYB202006）；2021年國家級(jí)（黑龍江?。┐髮W(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（202110232028，202110232072，202110232158，202110232233）

許紹華（2000-），男，山西洪洞人，本科，主要從事過程設(shè)備維護(hù)與管理研究，528960199@qq.com。

張宏斌（1986-），男，遼寧寬甸人，講師，碩士，主要從事機(jī)電設(shè)備故障診斷研究，yqcz91@163.com。

TP274

A

1007-984X(2022)03-0016-05