基于LabVIEW的動平衡測試系統開發及應用

孫麗萍，尹愛軍

（重慶大學測試中心，重慶 400044）

0 引 言

在現代工程技術領域中，動平衡測試分析已成為旋轉機械工程中的一個重要環節。為適應現代動平衡的需要，提高測試精度，該文將虛擬儀器技術、數字信號處理技術與動平衡技術相結合，采用影響系數法，利用LabVIEW組建了基于虛擬儀器技術的動平衡測試系統。該系統充分利用了計算機的存儲和計算功能，功能靈活、開放，容易與其他外設、網絡相連，構成更強大的系統。

1 動平衡測試原理

由于生產的需要，轉子動平衡的理論發展迅速，出現了多種平衡方法，主要有振型平衡法和影響系數法。振型平衡法基于疊加原理，結構復雜，不易實現自動化；影響系數法是一種完全建立在試驗基礎之上的平衡方法，對轉子的動特性了解要求較少，特別適合用于現場動平衡，得到了廣泛應用。

1.1 影響系數法

基于影響系數的雙面動平衡法的步驟如下：

（1）分別求得工作轉速下由原始不平衡量引起的 A 處和 B 處的振動，XA=Xa∠φa，XB=Xb∠φb。

（2）在左校正面上加試重，mL=ml∠φl，然后測得A 處和 B 處的振動，XAL=Xal∠φal，XBL=Xbl∠φbl。

（3）移去 m1，在右校正面上加試重 mR=mr∠φr，然后測試 A 處和 B 處的振動，XAR=Xar∠φar，XBR=Xbr∠φbr。

（4）計算影響系數

（5）計算不平衡量

（6）加配重消除不平衡量。

1.2 基于相關法的振動幅值和相位的計算

準確計算不平衡量振動的幅值和相位是動平衡校正的關鍵。利用相關函數可準確地提取出振動信號中基頻的幅值和相位。在 x（t）、y（t）均為實能量信號的情況下互相關函數定義為

它描述了2個信號之間的相似程度，是在多頻成分信號中提取有用信號的有效方法。一般情況下，測試振動信號成分復雜，除了轉速基頻以外還有倍頻、亞倍頻及隨機振動成分，如式（5）

式中：a0——直流分量；

ωi——各信號頻率；

αi——不同頻率信號的相位；

s（t）——干擾信號。

設頻率為ω，相位為0的標準正弦和余弦信號為

分別與式（6）所示的輸入信號進行互相關

于是得到振動基頻信號的幅值和相位分別為

2 基于LabVIEW的動平衡測試系統設計

該文采用LabVIEW8.6平臺開發動平衡測試系統[1-2]。

2.1 測試系統的組成

動平衡測試系統由數據采集模塊、2個速度測振傳感器、光電轉速傳感器及虛擬儀器軟件系統組成，如圖1所示。在測試過程中，2個振動傳感器檢測左右2個測點的振動速度信號；同時光電轉速傳感器檢測主軸轉速脈沖信號，形成與主軸轉速同頻率的基準信號[3]。

圖1 測試系統總體設計框圖

2.2 動平衡的測試分析流程

雙平面動平衡測試的流程如圖2所示。（1）設置采樣頻率、采樣點數、物理通道等參數，在工作轉速下測試轉子的初始振動值；（2）在A平面上加試重，測試在A平面上加試重后轉子的振動值，拆除A面所加試重；（3）在B面加試重，測試在B面加試重后轉子的振動值，拆除B面所加試重；（4）計算配重，在兩校正平面上加配重，測量校正后轉子的振動值[4-5]。

圖2 動平衡測試流程圖

2.3 測試軟件的設計

測試軟件模塊如圖3所示，主要包括信號采集、參數設置、信號分析、結果顯示及報表輸出等部分。主要介紹系統的數據采集、信號分析處理模塊[6]。

圖3 軟件模塊圖

（1）數據采集。DAQmax對采集有關的參數、操作進行了很好的封裝，如采樣長度、采樣頻率、通道、靈敏度等。系統在DAQmax的基礎上，實現了3個通道的數據采集管理，采集子VI的程序框圖如圖4所示。

圖4 3通道數據采集程序

（2）數據分析與處理。數據的分析與處理是完成動平衡測試系統的關鍵，主要包括轉速的測量、基頻幅值和相位的準確計算、利用影響系數法進行動平衡配重的計算3個模塊。

首先由光電轉速脈沖基準信號，利用LabVIEW中的單頻測量VI得到轉速和基頻相位，程序框圖如圖5所示。

圖5 轉速測量程序

由基頻轉速生成標準的正弦信號和余弦信號。然后將實測振動信號分別與正弦、余弦信號做互相關，得到振動信號基頻幅值和相位，程序框圖如圖6所示。

圖6 振幅及相位測量程序

最后計算影響系數，并確定不平衡量。該文對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 雙面配重計算子VI程序框圖

3 現場實驗

為了驗證系統的性能，在寧江機床廠對CKN1112系列CNC全功能型數控縱切自動車床電主軸做了現場試驗。該軸為細長軸，需進行雙平面動平衡分析。試驗現場布局如圖8所示。軸逆時針旋轉，在2個軸承的垂直方向分別安裝速度振動傳感器，在A平面外側軸上貼有反光片，激光轉速傳感器水平安裝。

圖8 現場布置圖

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表示轉子轉速為4500r/min時A測點校正前后的頻譜圖。如圖可以看出，測點基頻振動速度值從0.045 mm/s下降到0.013 mm/s，A面的不平衡振動已基本消除，校正后的基頻振動已經不是主要成分。

圖10為相同轉速下B測點校正前后的頻譜圖。由圖10可以看出，測點基頻振動速度值從0.144mm/s下降到0.042 mm/s，B面的振動明顯下降，校正后基頻的振動量要小于二倍頻成分，已經不是主要成分。

4 該虛擬測試儀與傳統儀器的對比分析

虛擬儀器技術的圖形化編程模式可以大大提高軟件的開發速度，而且是專門針對測試系統所開發的軟件，因此具有強大的數據分析、數據控制和數據表達能力，更重要的是它以PC機和數據采集卡為通用硬件平臺，較之傳統儀器更加易于維護，并且成本大大降低[7-8]。在通用硬件平臺確定之后，其功能主要是由軟件實現測試，而不像傳統儀器那樣主要是由硬件決定，比較容易實現技術的更新和功能的擴展。因此，將虛擬儀器應用于動平衡測試系統，可以使整個系統有較高的精度，縮短開發時間，降低成本，提高編程效率，并且具有良好的使用效果，系統易于維護和實現功能的擴展和升級，具有較好的發展前景[9-10]。

5 結束語

該文利用LabVIEW完成動平衡測試系統的開發，并進行現場生產驗證。系統操作方便，界面友好，能完成數據采集、分析與處理等功能，減少了人工干預，增強了測試分析過程的自動化，提高了測試的準確性，比傳統的動平衡測試儀具有更高的性價比。

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