孫麗萍，尹愛軍

（重慶大學(xué)測(cè)試中心，重慶 400044）

0 引 言

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)。為適應(yīng)現(xiàn)代動(dòng)平衡的需要，提高測(cè)試精度，該文將虛擬儀器技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)與動(dòng)平衡技術(shù)相結(jié)合，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(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)和計(jì)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(qiáng)大的系統(tǒng)。

1 動(dòng)平衡測(cè)試原理

由于生產(chǎn)的需要，轉(zhuǎn)子動(dòng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；影響系數(shù)法是一種完全建立在試驗(yàn)基礎(chǔ)之上的平衡方法，對(duì)轉(zhuǎn)子的動(dòng)特性了解要求較少，特別適合用于現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)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(dòng)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(dòng)，XA=Xa∠φa，XB=Xb∠φb。

（2）在左校正面上加試重，mL=ml∠φl，然后測(cè)得A 處和 B 處的振動(dòng)，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(cè)試 A 處和 B 處的振動(dòng)，XAR=Xar∠φar，XBR=Xbr∠φbr。

（4）計(jì)算影響系數(shù)

（5）計(jì)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(dòng)幅值和相位的計(jì)算

準(zhǔn)確計(jì)算不平衡量振動(dòng)的幅值和相位是動(dòng)平衡校正的關(guān)鍵。利用相關(guān)函數(shù)可準(zhǔn)確地提取出振動(dòng)信號(hào)中基頻的幅值和相位。在 x（t）、y（t）均為實(shí)能量信號(hào)的情況下互相關(guān)函數(shù)定義為

它描述了2個(gè)信號(hào)之間的相似程度，是在多頻成分信號(hào)中提取有用信號(hào)的有效方法。一般情況下，測(cè)試振動(dòng)信號(hào)成分復(fù)雜，除了轉(zhuǎn)速基頻以外還有倍頻、亞倍頻及隨機(jī)振動(dòng)成分，如式（5）

式中：a0——直流分量；

ωi——各信號(hào)頻率；

αi——不同頻率信號(hào)的相位；

s（t）——干擾信號(hào)。

設(shè)頻率為ω，相位為0的標(biāo)準(zhǔn)正弦和余弦信號(hào)為

分別與式（6）所示的輸入信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)

于是得到振動(dòng)基頻信號(hào)的幅值和相位分別為

2 基于LabVIEW的動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該文采用LabVIEW8.6平臺(tái)開發(fā)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)[1-2]。

2.1 測(cè)試系統(tǒng)的組成

動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、2個(gè)速度測(cè)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(cè)試過程中，2個(gè)振動(dòng)傳感器檢測(cè)左右2個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度信號(hào)；同時(shí)光電轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)主軸轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)，形成與主軸轉(zhuǎn)速同頻率的基準(zhǔn)信號(hào)[3]。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2.2 動(dòng)平衡的測(cè)試分析流程

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

圖2 動(dòng)平衡測(cè)試流程圖

2.3 測(cè)試軟件的設(shè)計(jì)

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

圖3 軟件模塊圖

（1）數(shù)據(jù)采集。DAQmax對(duì)采集有關(guān)的參數(shù)、操作進(jìn)行了很好的封裝，如采樣長(zhǎng)度、采樣頻率、通道、靈敏度等。系統(tǒng)在DAQmax的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了3個(gè)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(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵，主要包括轉(zhuǎn)速的測(cè)量、基頻幅值和相位的準(zhǔn)確計(jì)算、利用影響系數(shù)法進(jìn)行動(dòng)平衡配重的計(jì)算3個(gè)模塊。

首先由光電轉(zhuǎn)速脈沖基準(zhǔn)信號(hào)，利用LabVIEW中的單頻測(cè)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(cè)量程序

由基頻轉(zhuǎn)速生成標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)和余弦信號(hào)。然后將實(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)分別與正弦、余弦信號(hào)做互相關(guān)，得到振動(dòng)信號(hào)基頻幅值和相位，程序框圖如圖6所示。

圖6 振幅及相位測(cè)量程序

最后計(jì)算影響系數(shù)，并確定不平衡量。該文對(duì)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(jì)算子VI程序框圖

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，在寧江機(jī)床廠對(duì)CKN1112系列CNC全功能型數(shù)控縱切自動(dòng)車床電主軸做了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該軸為細(xì)長(zhǎng)軸，需進(jìn)行雙平面動(dòng)平衡分析。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布局如圖8所示。軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在2個(gè)軸承的垂直方向分別安裝速度振動(dòng)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(chǎng)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(shí)A測(cè)點(diǎn)校正前后的頻譜圖。如圖可以看出，測(cè)點(diǎn)基頻振動(dòng)速度值從0.045 mm/s下降到0.013 mm/s，A面的不平衡振動(dòng)已基本消除，校正后的基頻振動(dòng)已經(jīng)不是主要成分。

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

4 該虛擬測(cè)試儀與傳統(tǒng)儀器的對(duì)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(duì)測(cè)試系統(tǒng)所開發(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[7-8]。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[9-10]。

5 結(jié)束語

該文利用LabVIEW完成動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)驗(yàn)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(qiáng)了測(cè)試分析過程的自動(dòng)化，提高了測(cè)試的準(zhǔn)確性，比傳統(tǒng)的動(dòng)平衡測(cè)試儀具有更高的性價(jià)比。

[1] 雷振山.LabVIEW7 Express實(shí)用技術(shù)教程[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2004.

[2] 唐治宏，劉景能，黃炳瓊，等.基于LabVIEW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）：38-40.

[3]李剛，林凌.LabVIEW——易學(xué)易用的計(jì)算機(jī)圖形化編程語言[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

[4]王漢英，張?jiān)賹?shí)，徐錫林.轉(zhuǎn)子平衡技術(shù)與平衡機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

[5]陳澤宇，顧文荃.基于虛擬儀器的軟件設(shè)計(jì)方法在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子測(cè)量技術(shù)，1998（3）：29-34.

[6] 賀世正，余鵬飛，蔡伯春.虛擬儀器技術(shù)在碟式分離機(jī)動(dòng)平衡測(cè)試中的應(yīng)用[J].流體機(jī)械，2003，31（6）：23-26.

[7] Yu Y Q，Jiang B.Analytical and experimental study on the dynamic balancing offlexible mechanisms[J].Mechanism and Machine Theory，2007（42）：626-635.

[8] Alici G，Shirinzadeh B.Oprimum dynamic balancing of planar parallel manipulators based on sensitivity analysis[J].Mechanism and Machine Theory，2006（41）：1520-1532.

[9] 趙科.基于虛擬儀器的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試儀的開發(fā)[D].杭州：浙江大學(xué)，2002.

[10]金彥，鄭建榮，吳清.基于虛擬儀器技術(shù)的信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)方法比較[J].機(jī)械與電子，2003（2）：55-58.