1項目背景

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

為了分析信號的各個頻率的特點，將采集到的信號進行實時處理，得到信號時頻域的特點。

為了了解轉子實驗臺的模態(tài)參數(shù)，分析出實驗臺的各階臨界轉速，提高動平衡的效果，利用模態(tài)分析模塊，對激勵和響應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)可以進行離線模態(tài)的分析也可以進行在線的模態(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致的不平衡，有效提高平衡精度和效率，可進行動平衡控制。控制系統(tǒng)實時對轉子信號進行分析，實現(xiàn)不平衡量的識別和校正。

2項目功能

本測控軟件可以實現(xiàn)以下功能：

實時采集旋轉主軸的振動信號；

數(shù)據動態(tài)實時顯示；

振動信號時頻域處理；

旋轉主軸軸心軌跡的繪制；

振動信號濾波處理；

模態(tài)分析；

進行動平衡控制；

轉速的實時測量；

工頻特征值的提取；

數(shù)據保存。

3項目框架

3.1、系統(tǒng)原理

轉子動平衡測控軟件的基本原理是：測試系統(tǒng)實時監(jiān)測轉子的振動，系統(tǒng)對徑向或者橫向振動信號進行處理，停機進行轉子不平衡量的校正。同時設計了模態(tài)分析可以輔助我們對平臺進行臨界轉速下的動平衡。

轉子動平衡測控系統(tǒng)原理圖如下所示：

3.2、系統(tǒng)框架

本文所設計的 LabVIEW 軟件系統(tǒng)主要包括五個模塊：參數(shù)設置模塊，數(shù)據采集模塊，數(shù)據保存模塊，數(shù)據分析模塊及基于影響系數(shù)法單面試重進行轉子動平衡模塊。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，轉速測量模塊等等，其整體結構圖如下圖所示：

4開發(fā)工具

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

為了使軟件運行具有最高的效率，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備驅動功能等特點；Matlab 有可靠的數(shù)值計算和符號計算功能、強大的繪圖功能、簡單易學的語言體系以及為數(shù)眾多的應用工具箱。把 LabVIEW 軟件平臺與 MATLAB 相結合使用，無疑將使虛擬儀器的數(shù)據處理功能更加強大，大大縮短了開發(fā)周期。

5功能實現(xiàn)

5.1、數(shù)據保存

用戶點擊界面的保存按鈕，提示用戶選擇保存文件的文件夾用戶即保存相應的信號數(shù)據。實現(xiàn)方法是通過 LabVIEW 調用 MATLAB script 腳本函數(shù)將數(shù)據保存成 mat 文件。即實現(xiàn)數(shù)據的保存功能。

下圖是保存八個通道的采集數(shù)據的數(shù)據保存程序框圖。

5.2、轉速測量

轉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。在轉子上貼上一小塊反光材料或者黑色的膠布。當光電傳感器的光打到轉子的反光材料時，光電傳感器接受到的光的強度就會發(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子的旋轉產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，其次要先記錄轉速下降沿的時刻信息，并將其放在周期時刻數(shù)組，在周期到達 5 或者點數(shù)超過1980則結束該循環(huán)；最后在求得周期時刻信息后，根據轉速周期的數(shù)據以及對應的時刻值求得每個周期的時間，然后求對應轉速。

5.3、實時軸心軌跡繪制

將進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)據輸入到 XY 圖控件中去就可以繪制軸心軌跡了。

5.4、數(shù)據濾波

將相應的波形數(shù)據首先進行 FFT 變換，在頻譜中去掉相應的頻率成分，然后再進行 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，通過相關算法可以過濾掉除基頻之外的其他頻率成分，從而實現(xiàn)信號的工頻幅值和相位的提取。由于 matlab 實現(xiàn)算法的便捷性，采用 LabVIEW 調用 matlab 的形式完成算法的實現(xiàn)。

利用 FFT 變換對信號進行頻譜分析，提取幅值譜的峰值對應的頻率，該頻率基本上就可以認定為工頻頻率，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的相位就是工頻相位。

5.6、模態(tài)參數(shù)識別

有時候在測量數(shù)據的時候有一定的干擾，利用三次采集到的數(shù)據進行平均可以使得得到的頻響函數(shù)更加準確。

首先將測得的頻響函數(shù)在一定的頻段內進行傅里葉逆變換，接著利用 LSCE法進行模態(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，然后再構造 prony多項式并確定 prony 多項式的自回歸系數(shù)，再由 prony多項式求取包含系統(tǒng)極點信息的復指數(shù)項，進而求得系統(tǒng)極點和留數(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，以便與之后計算配重方案的時候方便調用。利用條件框將不同的數(shù)據存儲到對應的輸出數(shù)據框中。

最后計算配重的時候要將其進行換算，將得到的配重的幅值和相位對應實際的配種盤進行轉換。相同默認所使用的配重盤只有 16 個孔，每個配重孔之間間隔 22.5°角，同時所使用的配重螺釘重量也有限制。

6項目效果

6.1、參數(shù)設置界面

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

本測控系統(tǒng)，設置了一些默認的參數(shù)，用戶需要根據具體的情況進行修改。實際測量中NI 采集卡的八個通道所連接的傳感器的靈敏度不一定相同，依照實際情況特別將傳感器靈敏度對應八個通道進行分別的設置。主軸轉速的設置也還是依照實際讀取到的主軸轉速。數(shù)據濾波參數(shù)設置中，為了顯示效果我們只是一次性顯示某一個通道的信號，因此需要提前設置。

6.2、數(shù)據采集界面

數(shù)據采集界面主要是實時進行八個通道的數(shù)據的采集，具體的物理通道是根據所選擇的 NI 采集卡自動識別的。界面主要可以劃分為：時頻域波形的顯示、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、電壓與幅值轉換、采集參數(shù)二次設置等幾個區(qū)域。

軟件系統(tǒng)可以將采集到的振動信號以時域和頻域的方式實時顯示出來，采集通道前的指示燈主要表明對應通道的信號是否顯示，實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時調節(jié)該通道顯示的波形曲線的顏色。右側的工頻特征值的提取區(qū)域可以實時顯示對應通道的工頻頻率、工頻幅值、工頻相位。

右上側顯示了一些數(shù)據采集的參數(shù)，如采樣頻率、采樣點數(shù)等。但是如果用戶想實時修改可以點擊設置按鈕，就可以對相應參數(shù)進行實時設置。

右下側提供開始、保存、停止按鈕，點擊開始按鈕，采集系統(tǒng)就開始工作，點擊保存系統(tǒng)彈出保存路徑對話框，設置好路徑后就會自動將八個通道的數(shù)據保存成 mat 格式的數(shù)據文件供 matlab 軟件調用分析。點擊停止按鈕系統(tǒng)就停止工作。需要注意的是，當某通道前的指示等滅的時候，該組數(shù)據是自動清零的。如果想保存，就必須提前將指示燈點亮。

6.3、振動分析界面

數(shù)據濾波界面

數(shù)據濾波界面主要可以劃分為：濾波前后時頻域信號顯示、數(shù)據濾波模式選擇，相應模式下參數(shù)設置、工頻特征值提取。

點擊設置按鈕會彈出一個對話框，可以進行通道選擇和濾波模式的選擇。

選擇好某個通道和濾波方式后，點擊中間部分的相應濾波方式的選項卡，進行相應濾波模式的參數(shù)設置。就可以在界面兩邊實時顯示出濾波前后時頻域信號波形。

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

軸心軌跡繪制界面

系統(tǒng)在運行時就會實時將采集到的旋轉軸截面 X、Y 方向的信號繪制成軸心，通過調節(jié)采樣點數(shù)和采樣頻率可以較精確的得到實時的軸心軌跡。本系統(tǒng)可以同時繪制兩個界面的軸心軌跡。

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

模態(tài)分析

模態(tài)分析主界面包括數(shù)據采集參數(shù)的設置，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)的設置；閾值設置；預觸發(fā)長度設置；FRF 參數(shù)設置等。

數(shù)據的顯示顯示激振、響應、頻響函數(shù)信號，同時還有模態(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與響應信號，設置一個激勵閾值，如果監(jiān)測到激勵信號高于閾值就，將原始信號進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，然后進行平均 FRF 計算獲得結構的頻響函數(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)據進入到測量頻響函數(shù)的子 VI 前最好對信號進行。

試驗模態(tài)分析中，為了減小為誤差需要對單點進行多次試驗，將多次所得的數(shù)據進行平均計算測點頻響函數(shù)（FRF）值，其流程如下圖所示：

6.4、動平衡控制界面

界面主要劃分為：時頻域信號顯示，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部分。

在進行單面試重法進行轉子動平衡的實驗主要是基于前面所說的利用影響系數(shù)法進行動平衡。點擊開始按鈕，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確。首先采集原始信號，得到重組信號的幅值和相位，停機添加試重，測量得到的試重信號，將所添加的試重數(shù)據（試重重量和試重孔數(shù)）和總的配重孔數(shù)放到軟件中去，點擊界面右下區(qū)域的計算按鈕就可以得到配重方案及配重誤差。接著停機，將所計算到的配重方案添加到實驗臺中，測量配重信號，驗證振動是否降低。

具體流程如下圖所示：

審核編輯：湯梓紅