倪 騰，趙連玉

(天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

0 前言

我國機(jī)器人及智能裝備技術(shù)的快速發(fā)展，對精密減速器的性能提出了更高的要求，為適應(yīng)高精度、高可靠、長壽命、大轉(zhuǎn)矩、低功耗、小體積、輕量化的新型高性能機(jī)電傳動的需要，有關(guān)精密減速器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論、性能檢測與評價(jià)方法已成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)[1]。

三環(huán)式內(nèi)平動齒輪減速器是由內(nèi)齒輪做定軸轉(zhuǎn)動，外齒輪做平動，有3片傳動環(huán)板利用平動齒輪機(jī)構(gòu)原理構(gòu)造的一種精密減速器。相比較于傳統(tǒng)的齒輪減速器具有傳動比大、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。

LabVIEW是一種基于G語言(Graphics Language，圖形化編程語言)的測試系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺[3]。具有豐富的擴(kuò)展函數(shù)庫，主要面向數(shù)據(jù)采集、GPIB和串行儀器控制，以及數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲等[4]。虛擬儀器技術(shù)主要利用高性能的模塊化硬件,結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化應(yīng)用[5]。具有用戶可自定義測量功能、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能、靈活性和可擴(kuò)展性強(qiáng)、擁有良好的人機(jī)界面、與其他設(shè)備互連的能力強(qiáng)和技術(shù)更新快等特點(diǎn)[6]。本文基于labVIEW開發(fā)了一套適用于精密減速器動態(tài)性能檢測的振動測試分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以完成振動信號的采集，并進(jìn)一步對振動信號進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。

1 系統(tǒng)方案總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包括硬件部分及軟件部分。硬件部分包括加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)等。硬件是軟件程序的基礎(chǔ)，是分析系統(tǒng)的骨骼，用以完成振動信號的采集、傳輸、運(yùn)算處理以及顯示數(shù)據(jù)等。軟件系統(tǒng)則以LabVIEW 2012為開發(fā)平臺，主要由數(shù)據(jù)采集模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊以及數(shù)據(jù)存儲模塊組成。振動信號采集流程如圖1所示。

圖1 振動信號采集流程

減速器振動信號采集試驗(yàn)臺選用的是安川YASKAWA電機(jī)有限公司生產(chǎn)的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)，電機(jī)型號為SGMGV-55ADA61。由于交流伺服電機(jī)無法單獨(dú)為試驗(yàn)系統(tǒng)提供速度輸出，需搭配伺服驅(qū)動器使用，實(shí)驗(yàn)過程中選用的伺服驅(qū)動器的型號為SGDV-470A01A，經(jīng)過數(shù)據(jù)比對，該伺服驅(qū)動器足以驅(qū)動試驗(yàn)用電機(jī)。用于采集振動數(shù)據(jù)的傳感器型號為ADXL345，該傳感器是由美國模擬器件公司ADI推出的基于iMEMS技術(shù)的3軸數(shù)字輸出加速度傳感器。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理需要在工控機(jī)中完成，在性價(jià)比及試驗(yàn)需求等條件約束下選用產(chǎn)品型號為ADVANTECH IPC-610的研華工控機(jī)，該工控機(jī)有4個(gè)PCI總線接口。根據(jù)選定的工控機(jī)在試驗(yàn)中選用了NI公司的PCI-6602型數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡具有32個(gè)數(shù)字I/O，完全滿足試驗(yàn)需求。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該軟件系統(tǒng)在編制過程中采用了結(jié)構(gòu)化和模塊化編程的基本思路[7]。本文采用LabVIEW 2012提供的DAQ助手用于數(shù)據(jù)采集卡與軟件之間的通信連接，DAQ助手可以用逐步配置的方式，快速完成軟硬件間的連接。軟件系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)字濾波器等對原始信號進(jìn)行調(diào)理，并完成了對信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析的系統(tǒng)開發(fā)。軟件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 軟件設(shè)計(jì)框圖

3 信號分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

信號分析系統(tǒng)主要包括時(shí)域分析模塊、頻域分析模塊和相關(guān)性分析模塊。該信號分析系統(tǒng)的LabVIEW界面如圖3所示。

圖3 信號分析系統(tǒng)界面

軟件前面板的設(shè)計(jì)內(nèi)容中，實(shí)驗(yàn)日期、實(shí)驗(yàn)員的錄入便于數(shù)據(jù)保存的文件命名，同時(shí)提高后期查找歷史數(shù)據(jù)的方便性。數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置與濾波器參數(shù)設(shè)置為數(shù)據(jù)采集及分析的基本參數(shù)設(shè)置，是振動信號分析過程不可或缺的部分。本軟件為了提高空間利用率，通過布爾按鈕的設(shè)計(jì)使一個(gè)路徑輸入控件可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保存或讀取兩種功能。特征參數(shù)如峰值、峰峰值的顯示，以及振動曲線的顯示可以直觀的為試驗(yàn)者提供振動強(qiáng)度判斷依據(jù)。

3.1 數(shù)據(jù)濾波

因采集到的信號仍夾雜著噪聲，甚至在信號幅度較小的情況下噪聲淹沒了信號，無法看到信號，因此對信號進(jìn)行濾波是必要的[8]。振動信號預(yù)處理是對采樣信號提取特征量的首要步驟，是為了減少或消除采集到的數(shù)據(jù)中的干擾成分，提高數(shù)據(jù)的真實(shí)性和穩(wěn)定性，將振動測試中采集到的數(shù)據(jù)盡可能真實(shí)地還原成實(shí)際的振動情況。

圖4 振動信號濾波前、后對比圖

本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)濾波功能使用LabVIEW中函數(shù)-編程-express-信號分析-濾波器VI實(shí)現(xiàn)。該實(shí)驗(yàn)中減速器的旋轉(zhuǎn)速度在100 r/min至400 r/min，根據(jù)采樣定理數(shù)據(jù)采樣頻率設(shè)為50 Hz，足夠重建完整的振動信號。為了不造成信號混疊，需注意濾波器的高截止頻率不得超過25 Hz。

3.2 信號的時(shí)域分析

振動信號的時(shí)域分析是對減速器檢測儀及被測減速器進(jìn)行故障檢測的簡易方法，是最為直接有效的信號處理方式。時(shí)域處理主要包括時(shí)域信號特征量參數(shù)的提取，較常采用的特征量參數(shù)有：均值、方差、均方值、峰值、峰峰值和標(biāo)準(zhǔn)差等。實(shí)驗(yàn)中分別以100 r/min、200 r/min、300 r/min、400 r/min的參數(shù)對減速器運(yùn)轉(zhuǎn)速度進(jìn)行設(shè)置，并在每種速度中進(jìn)行振動數(shù)據(jù)的采集。

由加速度傳感器采集到的數(shù)據(jù)為X、Y、Z方向的加速值，經(jīng)過兩次積分得到各方向的振動幅值數(shù)據(jù)。由于文章篇幅有限，文中只以各試驗(yàn)轉(zhuǎn)速下的X軸數(shù)據(jù)為例,如圖5所示。

圖5 各試驗(yàn)轉(zhuǎn)速下的X軸振動幅值圖

對于單一產(chǎn)品的時(shí)域振動信號分析，一般會設(shè)定相應(yīng)的閾值，以此來判斷傳動部件內(nèi)是否有故障出現(xiàn)。將試驗(yàn)過程中采集到的振動數(shù)據(jù)序列設(shè)為x1,x2,x3,…,xn，該序列為有限長的離散時(shí)間序列。由此可得峰值Xp、峰峰值Xpp、均值Mx、和標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算式。

Xp=Max(|xi|)

(1)

Xpp=Max(xi)-Min(xi)

(2)

(3)

(4)

應(yīng)用LabVIEW中的函數(shù)-編程-數(shù)學(xué)-均方根、標(biāo)準(zhǔn)差方差以及函數(shù)-編程-數(shù)組-數(shù)組最大值最小值等VI求取以上各參數(shù)的值，可以對振動信號的各類特征有具體的認(rèn)識。求取各時(shí)域特征參數(shù)的軟件編程如圖6所示。

由表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著減速器試驗(yàn)轉(zhuǎn)速的提高，X軸方向的振動幅度相應(yīng)提高，故可得出在100～400 r/min的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，減速器振動幅度與轉(zhuǎn)速成正相關(guān)。

圖6 時(shí)域分析源程序

表1 不同轉(zhuǎn)速下X軸振動信號的時(shí)域特征值

另外通過該程序的運(yùn)行及分析，并對比X軸、Y軸和Z軸方向的特征參數(shù)，可以看出X、Y軸的振動幅度大于Z軸，且各軸的振動幅度均與轉(zhuǎn)速成正相關(guān)。

3.3 信號的頻域分析

對離散信號進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換最普遍的方法是采用離散傅里葉變換，從而在頻域內(nèi)實(shí)現(xiàn)對幅值譜以及功率譜的顯示和分析。頻域分析源程序如圖7所示。

圖7 頻域分析源程序

使用LabVIEW中的函數(shù)-編程-信號處理-波形測量-FFT頻譜(幅度-相位)VI進(jìn)行頻譜分析可以得到振動信號的主要振動頻率，該特征識別在時(shí)域分析中是無法實(shí)現(xiàn)的。在功率譜圖上可以看出功率隨頻率的分布情況，以顯示出各頻率分量上的能量分布。

圖8 振動信號的頻譜分析

從圖8中可以看出，隨著減速器轉(zhuǎn)速的提升，振動信號的主頻率也在發(fā)生變化。綜合四種轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的頻譜圖分析出高頻振動的幅度具有往復(fù)性，即在100 r/min、300 r/min的轉(zhuǎn)速下高頻振動明顯，而200 r/min、400 r/min的轉(zhuǎn)速下高頻振動與低頻振動相比不明顯。同時(shí)可以看出，減速器在不同轉(zhuǎn)速下的主振動頻率幾乎都在10 Hz以下，為低頻振動。

圖9為振動信號的功率譜分析，可以看出振動信號的主要能量分布頻率區(qū)間與頻譜分析結(jié)果基本一致，在此不做贅述。

圖9 振動信號的功率譜分析

3.4 信號的相關(guān)性分析

自相關(guān)函數(shù)是描述一組數(shù)據(jù)中一個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)值與另一個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)值之間的依賴關(guān)系，反映的是同一條隨機(jī)振動信號波形某一t0時(shí)刻的x(t0)與另一t1時(shí)刻的x(t1)相似程度[9]。離散隨機(jī)數(shù)據(jù)自相關(guān)函數(shù)的表達(dá)式為

自相關(guān)函數(shù)曲線收斂的快慢在一定程度上反映信號中所含各頻率分量的多少，反映波形的平緩或陡峭程度。隨機(jī)分量的自相關(guān)函數(shù)曲線總是隨著時(shí)間的變化趨近于零或某一常數(shù)值，周期分量的自相關(guān)函數(shù)將會保持周期性，當(dāng)時(shí)間為周期或者周期的整數(shù)倍時(shí)自相關(guān)函數(shù)取得最大值[10]。信號自相關(guān)分析源程序如圖10所示。

圖10 自相關(guān)分析源程序

利用LabVIEW中函數(shù)-編程-信號處理-信號運(yùn)算-自相關(guān)VI對采集到的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行自相關(guān)分析，由于文章篇幅限制，此處只給出減速器轉(zhuǎn)速100 r/min下X軸的自相關(guān)分析圖，如圖11所示。

圖11 振動信號自相關(guān)函數(shù)圖

由圖11可以看出采集到的振動信號的自相關(guān)函數(shù)是隨時(shí)間的推移而衰減的，最終趨于0。由此可以判斷，采集到的振動數(shù)據(jù)為隨機(jī)信號的分量，信號內(nèi)不包含周期信號。

4 結(jié)束語

針對減速器檢測儀在工作狀態(tài)下的振動信號，設(shè)計(jì)出一種基于LabVIEW的振動信號檢測及分析系統(tǒng)。此程序可以高效穩(wěn)定的讀取振動信號，在此基礎(chǔ)上對信號進(jìn)行時(shí)域、頻域和相關(guān)性的分析。該軟件利用了LabVIEW便捷的圖形化編程等特點(diǎn)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，該軟件的采集及處理結(jié)果可靠準(zhǔn)確，了解了減速器檢測儀的振動特性與各種工作狀態(tài)間的聯(lián)系，為優(yōu)化減速器檢測儀提供了理論依據(jù)，具有重大意義。此系統(tǒng)同樣適用于其他機(jī)械系統(tǒng)振動信號的采集、處理和分析，研究結(jié)果具有一定的實(shí)用價(jià)值。