1項(xiàng)目背景

本軟件是基于 LabVIEW 的轉(zhuǎn)子動平衡測控系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子信號的實(shí)時(shí)精確采集，使用高采樣頻率，提高采樣的轉(zhuǎn)換速率，通過多通道實(shí)時(shí)采集的 NI 采集卡實(shí)現(xiàn)信號采集。

為了分析信號的各個(gè)頻率的特點(diǎn)，將采集到的信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，得到信號時(shí)頻域的特點(diǎn)。

為了了解轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺的模態(tài)參數(shù)，分析出實(shí)驗(yàn)臺的各階臨界轉(zhuǎn)速，提高動平衡的效果，利用模態(tài)分析模塊，對激勵(lì)和響應(yīng)信號處理得到頻響函數(shù)，系統(tǒng)可直接識別出模態(tài)參數(shù)。利用本系統(tǒng)可以進(jìn)行離線模態(tài)的分析也可以進(jìn)行在線的模態(tài)分析。

為了能消除主軸加工過程中由環(huán)境及工況變化等因素導(dǎo)致的不平衡，有效提高平衡精度和效率，可進(jìn)行動平衡控制。控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)對轉(zhuǎn)子信號進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)不平衡量的識別和校正。

2項(xiàng)目功能

本測控軟件可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

實(shí)時(shí)采集旋轉(zhuǎn)主軸的振動信號；

數(shù)據(jù)動態(tài)實(shí)時(shí)顯示；

振動信號時(shí)頻域處理；

旋轉(zhuǎn)主軸軸心軌跡的繪制；

振動信號濾波處理；

模態(tài)分析；

進(jìn)行動平衡控制；

轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)測量；

工頻特征值的提??；

數(shù)據(jù)保存。

3項(xiàng)目框架

3.1、系統(tǒng)原理

轉(zhuǎn)子動平衡測控軟件的基本原理是：測試系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測轉(zhuǎn)子的振動，系統(tǒng)對徑向或者橫向振動信號進(jìn)行處理，停機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)子不平衡量的校正。同時(shí)設(shè)計(jì)了模態(tài)分析可以輔助我們對平臺進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速下的動平衡。

轉(zhuǎn)子動平衡測控系統(tǒng)原理圖如下所示：

3.2、系統(tǒng)框架

本文所設(shè)計(jì)的 LabVIEW 軟件系統(tǒng)主要包括五個(gè)模塊：參數(shù)設(shè)置模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)保存模塊，數(shù)據(jù)分析模塊及基于影響系數(shù)法單面試重進(jìn)行轉(zhuǎn)子動平衡模塊。其中包括許多子模塊包括頻域分析模塊，工頻特征值提取模塊，濾波模塊，模態(tài)分析模塊，轉(zhuǎn)速測量模塊等等，其整體結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：

4開發(fā)工具

為了保證各硬件之間的協(xié)調(diào)工作，并使系統(tǒng)具有更高的可靠性，根據(jù)硬件支持的操作系統(tǒng)說明，選LabVIEW作為硬件系統(tǒng)運(yùn)行支持。

為了使軟件運(yùn)行具有最高的效率，選用 LabVIEW 與 Matlab 混合編程。LabVIEW 是一款圖形化的編程語言開發(fā)環(huán)境，具有大量的模塊函數(shù)、開放式的編程平臺、支持 TCP/IP，DDE 等協(xié)議，以及對多種硬件的設(shè)備驅(qū)動功能等特點(diǎn)；Matlab 有可靠的數(shù)值計(jì)算和符號計(jì)算功能、強(qiáng)大的繪圖功能、簡單易學(xué)的語言體系以及為數(shù)眾多的應(yīng)用工具箱。把 LabVIEW 軟件平臺與 MATLAB 相結(jié)合使用，無疑將使虛擬儀器的數(shù)據(jù)處理功能更加強(qiáng)大，大大縮短了開發(fā)周期。

5功能實(shí)現(xiàn)

5.1、數(shù)據(jù)保存

用戶點(diǎn)擊界面的保存按鈕，提示用戶選擇保存文件的文件夾用戶即保存相應(yīng)的信號數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)方法是通過 LabVIEW 調(diào)用 MATLAB script 腳本函數(shù)將數(shù)據(jù)保存成 mat 文件。即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存功能。

下圖是保存八個(gè)通道的采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)保存程序框圖。

5.2、轉(zhuǎn)速測量

轉(zhuǎn)速的測量及振動信號的參考相位主要是通過光電傳感器來獲得的。在轉(zhuǎn)子上貼上一小塊反光材料或者黑色的膠布。當(dāng)光電傳感器的光打到轉(zhuǎn)子的反光材料時(shí)，光電傳感器接受到的光的強(qiáng)度就會發(fā)生變化，直接的反映就是采集到的光電傳感器的電壓信號會隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生周期信的方波信號（包含許多遞減的諧波信號）。

通過采集到的方波信號，再通過閾值處理生成二值化方波，其次要先記錄轉(zhuǎn)速下降沿的時(shí)刻信息，并將其放在周期時(shí)刻數(shù)組，在周期到達(dá) 5 或者點(diǎn)數(shù)超過1980則結(jié)束該循環(huán)；最后在求得周期時(shí)刻信息后，根據(jù)轉(zhuǎn)速周期的數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的時(shí)刻值求得每個(gè)周期的時(shí)間，然后求對應(yīng)轉(zhuǎn)速。

5.3、實(shí)時(shí)軸心軌跡繪制

將進(jìn)行過減均值處理的兩路信號，分別作為繪制軸心的 X、Y 向位移數(shù)據(jù)輸入到 XY 圖控件中去就可以繪制軸心軌跡了。

5.4、數(shù)據(jù)濾波

將相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)首先進(jìn)行 FFT 變換，在頻譜中去掉相應(yīng)的頻率成分，然后再進(jìn)行 FFT 逆變換獲得濾波后的波形圖。具體原理如下圖所示：

5.5、工頻特征值提取

通過相關(guān)算法提取工頻特征值，建立與基頻頻率相同的正余弦信號，通過相關(guān)算法可以過濾掉除基頻之外的其他頻率成分，從而實(shí)現(xiàn)信號的工頻幅值和相位的提取。由于 matlab 實(shí)現(xiàn)算法的便捷性，采用 LabVIEW 調(diào)用 matlab 的形式完成算法的實(shí)現(xiàn)。

利用 FFT 變換對信號進(jìn)行頻譜分析，提取幅值譜的峰值對應(yīng)的頻率，該頻率基本上就可以認(rèn)定為工頻頻率，該峰值基本上就是工頻幅值。接著從相位譜中找出工頻頻率對應(yīng)的相位就是工頻相位。

5.6、模態(tài)參數(shù)識別

有時(shí)候在測量數(shù)據(jù)的時(shí)候有一定的干擾，利用三次采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均可以使得得到的頻響函數(shù)更加準(zhǔn)確。

首先將測得的頻響函數(shù)在一定的頻段內(nèi)進(jìn)行傅里葉逆變換，接著利用 LSCE法進(jìn)行模態(tài)識別。

LSCE 方法的基本思想是通過 Z 變換因子來表示脈沖響應(yīng)，然后再構(gòu)造 prony多項(xiàng)式并確定 prony 多項(xiàng)式的自回歸系數(shù)，再由 prony多項(xiàng)式求取包含系統(tǒng)極點(diǎn)信息的復(fù)指數(shù)項(xiàng)，進(jìn)而求得系統(tǒng)極點(diǎn)和留數(shù)，從而得到完整的模態(tài)參數(shù)。

5.7、動平衡控制

在實(shí)際測量過程中，需要將測得的信號記錄并保存在程序中，以便與之后計(jì)算配重方案的時(shí)候方便調(diào)用。利用條件框?qū)⒉煌臄?shù)據(jù)存儲到對應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)框中。

最后計(jì)算配重的時(shí)候要將其進(jìn)行換算，將得到的配重的幅值和相位對應(yīng)實(shí)際的配種盤進(jìn)行轉(zhuǎn)換。相同默認(rèn)所使用的配重盤只有 16 個(gè)孔，每個(gè)配重孔之間間隔 22.5°角，同時(shí)所使用的配重螺釘重量也有限制。

6項(xiàng)目效果

6.1、參數(shù)設(shè)置界面

參數(shù)設(shè)置主要分為采集通道參數(shù)設(shè)置、振動分析參數(shù)設(shè)置、動平衡參數(shù)設(shè)置等方面，但具體到軟件系統(tǒng)有采樣速率、采樣點(diǎn)數(shù)、采樣方式、主軸轉(zhuǎn)速、傳感器與軸的閾值距離、傳感器靈敏度、通道設(shè)置、轉(zhuǎn)速閾值、濾波方式選擇等等參數(shù)的設(shè)置。

本測控系統(tǒng)，設(shè)置了一些默認(rèn)的參數(shù)，用戶需要根據(jù)具體的情況進(jìn)行修改。實(shí)際測量中NI 采集卡的八個(gè)通道所連接的傳感器的靈敏度不一定相同，依照實(shí)際情況特別將傳感器靈敏度對應(yīng)八個(gè)通道進(jìn)行分別的設(shè)置。主軸轉(zhuǎn)速的設(shè)置也還是依照實(shí)際讀取到的主軸轉(zhuǎn)速。數(shù)據(jù)濾波參數(shù)設(shè)置中，為了顯示效果我們只是一次性顯示某一個(gè)通道的信號，因此需要提前設(shè)置。

6.2、數(shù)據(jù)采集界面

數(shù)據(jù)采集界面主要是實(shí)時(shí)進(jìn)行八個(gè)通道的數(shù)據(jù)的采集，具體的物理通道是根據(jù)所選擇的 NI 采集卡自動識別的。界面主要可以劃分為：時(shí)頻域波形的顯示、波形顯示指示燈、采集信號物理通道、傳感器與軸的閾值距離、工頻特征值顯示、電壓與幅值轉(zhuǎn)換、采集參數(shù)二次設(shè)置等幾個(gè)區(qū)域。

軟件系統(tǒng)可以將采集到的振動信號以時(shí)域和頻域的方式實(shí)時(shí)顯示出來，采集通道前的指示燈主要表明對應(yīng)通道的信號是否顯示，實(shí)際上所有通道的信號都已采集到。采集通道后的顏色方塊可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)該通道顯示的波形曲線的顏色。右側(cè)的工頻特征值的提取區(qū)域可以實(shí)時(shí)顯示對應(yīng)通道的工頻頻率、工頻幅值、工頻相位。

右上側(cè)顯示了一些數(shù)據(jù)采集的參數(shù)，如采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)等。但是如果用戶想實(shí)時(shí)修改可以點(diǎn)擊設(shè)置按鈕，就可以對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)設(shè)置。

右下側(cè)提供開始、保存、停止按鈕，點(diǎn)擊開始按鈕，采集系統(tǒng)就開始工作，點(diǎn)擊保存系統(tǒng)彈出保存路徑對話框，設(shè)置好路徑后就會自動將八個(gè)通道的數(shù)據(jù)保存成 mat 格式的數(shù)據(jù)文件供 matlab 軟件調(diào)用分析。點(diǎn)擊停止按鈕系統(tǒng)就停止工作。需要注意的是，當(dāng)某通道前的指示等滅的時(shí)候，該組數(shù)據(jù)是自動清零的。如果想保存，就必須提前將指示燈點(diǎn)亮。

6.3、振動分析界面

數(shù)據(jù)濾波界面

數(shù)據(jù)濾波界面主要可以劃分為：濾波前后時(shí)頻域信號顯示、數(shù)據(jù)濾波模式選擇，相應(yīng)模式下參數(shù)設(shè)置、工頻特征值提取。

點(diǎn)擊設(shè)置按鈕會彈出一個(gè)對話框，可以進(jìn)行通道選擇和濾波模式的選擇。

選擇好某個(gè)通道和濾波方式后，點(diǎn)擊中間部分的相應(yīng)濾波方式的選項(xiàng)卡，進(jìn)行相應(yīng)濾波模式的參數(shù)設(shè)置。就可以在界面兩邊實(shí)時(shí)顯示出濾波前后時(shí)頻域信號波形。

在界面中下部分顯示工頻特征值的模塊，使用的是相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)的工頻特征值的提取。

軸心軌跡繪制界面

系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)就會實(shí)時(shí)將采集到的旋轉(zhuǎn)軸截面 X、Y 方向的信號繪制成軸心，通過調(diào)節(jié)采樣點(diǎn)數(shù)和采樣頻率可以較精確的得到實(shí)時(shí)的軸心軌跡。本系統(tǒng)可以同時(shí)繪制兩個(gè)界面的軸心軌跡。

點(diǎn)擊保存按鈕后 ，系統(tǒng)提示保存路徑選擇，選擇好路徑后就可以將數(shù)據(jù)保存成 mat 格式的數(shù)據(jù)文件。

模態(tài)分析

模態(tài)分析主界面包括數(shù)據(jù)采集參數(shù)的設(shè)置，如：采集單位、采集通道、采樣模式、采樣速率、樣本大小、采集次數(shù)等；濾波參數(shù)的設(shè)置；閾值設(shè)置；預(yù)觸發(fā)長度設(shè)置；FRF 參數(shù)設(shè)置等。

數(shù)據(jù)的顯示顯示激振、響應(yīng)、頻響函數(shù)信號，同時(shí)還有模態(tài)參數(shù)的識別顯示如：模態(tài)頻率、模態(tài)振型、模態(tài)阻尼比等。

首先測量原始的激勵(lì)與響應(yīng)信號，設(shè)置一個(gè)激勵(lì)閾值，如果監(jiān)測到激勵(lì)信號高于閾值就，將原始信號進(jìn)行讀取到測量頻響函數(shù)的子 VI 中，連續(xù)測量三次數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行平均 FRF 計(jì)算獲得結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)矩陣，最后通過模態(tài)識別的算法，提取模態(tài)參數(shù)（模態(tài)矩陣、模態(tài)振型、模態(tài)阻尼比等）。在數(shù)據(jù)進(jìn)入到測量頻響函數(shù)的子 VI 前最好對信號進(jìn)行。

試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析中，為了減小為誤差需要對單點(diǎn)進(jìn)行多次試驗(yàn)，將多次所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均計(jì)算測點(diǎn)頻響函數(shù)（FRF）值，其流程如下圖所示：

6.4、動平衡控制界面

界面主要?jiǎng)澐譃椋簳r(shí)頻域信號顯示，動平衡通道選擇，信號重組和刷新，原始、配重、試重信號采集選擇，配重方案顯示等幾個(gè)部分。

在進(jìn)行單面試重法進(jìn)行轉(zhuǎn)子動平衡的實(shí)驗(yàn)主要是基于前面所說的利用影響系數(shù)法進(jìn)行動平衡。點(diǎn)擊開始按鈕，選擇信號的采集通道。冗余次數(shù)是指采集信號的平均次數(shù)，這樣對得到的幅值和相位信號更加準(zhǔn)確。首先采集原始信號，得到重組信號的幅值和相位，停機(jī)添加試重，測量得到的試重信號，將所添加的試重?cái)?shù)據(jù)（試重重量和試重孔數(shù)）和總的配重孔數(shù)放到軟件中去，點(diǎn)擊界面右下區(qū)域的計(jì)算按鈕就可以得到配重方案及配重誤差。接著停機(jī)，將所計(jì)算到的配重方案添加到實(shí)驗(yàn)臺中，測量配重信號，驗(yàn)證振動是否降低。

具體流程如下圖所示：

審核編輯：湯梓紅