基于LabVIEW的機床振動信號的分析系統

李冬冬 黃勝 吳東霖

摘要： LabVIEW是當今虛擬儀器開發最流行的一種圖形化編程語言。結合機床振動信號的特點，以LabVIEW 8.5為開發平臺，設計了機床振動信號的分析系統。系統由硬件和測試分析軟件兩大部分組成。軟件作為虛擬儀器的核心，由控制底層硬件管理模塊與分析功能模塊組成，完成虛擬儀器特定的邏輯分析處理過程。信號經過LabVIEW 處理后實現了頻域、時域分析、相位分析、譜分析、相關性分析等多種功能。相對傳統測試方法，本測試系統的靈活性顯著增加，測試費用、能耗大大降低。實踐證明本系統的測試效果良好。

關鍵詞： LabVIEW； 機床； 振動信號； 分析

中圖分類號：TP39文獻標志碼：B 文章編號：1006-8228（2012）11-37-02

Analysis system of machine vibration signal based on LabVIEW

Li Dongdong， Huang Sheng， Wu Donglin

（Guangzhou College， South China University of Technology， Guangzhou， Guangdong 510800， China）

Abstract： LabVIEW is a graphical programming language which is the most popular one in today's virtual instrument development. A kind of analysis system of machine vibration signal is designed based on LabVIEW 8.5， with the characteristics of the signal. The system consists of hardware and test analysis software， as the core of virtual instrument， which consists of controlling hardware management module and analysis function module， completing virtual instrument-specific logic analysis process. Signal is processed with LabVIEW and a variety of functions are realized， such as frequency domain analysis， time domain analysis， phase analysis， spectral analysis， correlation analysis， etc. Compared with the traditional test methods， a significant increase in the flexibility of the test system is realized. Test costs and energy consumption are reduced by the system. The good test results show that the system works well.

Key words： LabVIEW； machine； vibration signal； analysis

0 引言

機床在加工工件過程中，刀具和工件之間常常發生強烈的振動。振動會使機床和刀具磨損加劇，從而縮短機床和刀具的使用壽命；振動并伴隨有噪音，危害工人身心健康，使工作環境惡化。對于超精密機床，雖然具有很高的剛度，但振動會導致加工表面微觀特征發生改變，是影響表面粗糙度的主要因素之一。必須采取必要的預防措施來減小或防止機床振動對超精密加工表面質量的影響。所以，對機床振動信號的分析研究具有重要意義。

振動信號分析作為故障診斷的一種方法，以其不拆卸機體，不影響設備的正常工作，測量范圍廣等優點，廣泛應用于各類工業和工程之中。隨著計算機技術、信息技術以及虛擬儀器技術的發展，越來越多的人開始通過虛擬儀器對機械的振動信號進行采集與分析[1]。

美國NI公司的圖形化編程語言LabVIEW成為當今虛擬儀器開發最流行的一種語言。LabVIEW的最大特點是用圖標代碼來代替編程語言創建應用程序。LabVIEW有豐富的函數、工具包、軟件包、數值分析、信號處理、設備驅動等功能，還有應用于專業領域的專業模塊， 解決了傳統的虛擬儀器系統采用C/C++/匯編等語言存在的編程難、調試過程繁瑣、開發周期長、對編程人員要求高等問題，它在研究、開發、生產、測試工作中得到廣泛應用[2]。

1 系統的總體方案

本分析系統以LabVIEW 8.5為開發平臺開發， 系統流程如圖1所示。系統由硬件和測試分析軟件兩大部分組成。硬件是虛擬儀器工作的基礎，主要由傳感器及調理電路、數據采集卡和計算機組成，完成對被測信號的采集、傳輸、運算處理及顯示測試結果等；軟件是虛擬儀器的核心，系統軟件由控制底層硬件管理模塊與分析功能模塊組成，完成虛擬儀器特定的邏輯分析處理過程[3]。

[虛擬儀器控制面板＼&][數據采集卡＼&][信號調理＼&][傳感器＼&][振動源＼&]

圖1系統方案流程圖

2 系統的硬件結構設計

硬件由壓電加速度傳感器、信號調理電路、數據采集卡和計算機組成。

⑴ 壓電加速度傳感器。機械振動測量中常用壓電加速度傳感器來測試振動體的振動加速度。它以某些材料受力后在其表面產生電荷的壓電效應為轉換原理。在輸出端產生與其所受加速度成正比的電壓或電荷。用適當的測試系統檢測出電荷量來實現對振動加速度的測量，這種測量方法用途很廣。本系統選用聚偏氟乙烯（PVDF）壓電薄膜傳感器，這是一種新型壓電高分子聚合物材料，壓電系數高，質量輕，密度小，柔韌性好，頻響寬，聲阻抗低，靈敏度高，穩定性好，易于加工和安裝。

⑵ 對于絕大多數數據采集和控制系統來說，信號調理是非常重要的。本系統通過信號調理硬件，將傳感器的輸出信號連接到數據采集卡上。通過信號調理的各種功能，如信號的放大、隔離、濾波、多路轉換以及直接變送器調理等，使得數據采集系統的可靠性及性能得到極大的改善。

⑶ 數據采集卡是用來將傳感器里的電信號采集到計算機的一種裝置。本系統采用的是NI公司M系列的PC I-6251型數據采集卡，具有16Bit采集速率的A/D轉換器，提供16路模擬輸入、2路16位模擬輸出和24條數字I/O線。

3 系統的軟件設計

在系統的編制過程中采用了結構化和模塊化編程的基本思路。程序包括數據采集模塊和信號分析模塊。系統的軟件結構如圖2所示。

[機床振動信號分析系統][功率譜密度＼&][幅頻相頻＼&][時頻分析＼&][統計數據＼&][數據采集＼&][時域信號＼&]

圖2系統的軟件結構

3.1 數據采集模塊

數據采集提供了整個測試系統的數據來源，是虛擬儀器的基本組成部分。數據采集模塊主要是實現振動信號的拾取及對各種參數的控制，例如對數據采集卡、采集通道的選擇，以及采樣頻率、點數、段數的控制等。振動信號主要為正弦信號，采取自由連續采集方式，即設置好采集參數后直接進行連續采集。本系統的數據采集功能由DAQ Assistant完成。LabVIEW的DAQ程序包括模擬輸入、輸出，計數器操作以及數字輸入、輸出等，本系統用到的是模擬輸入功能，模擬信號類型為電壓。

3.2 信號分析模塊

由于實時采集的數據只能做出簡單的時、頻分析，不能得到振動信號中更深層次的信息，因此必須對設備的振動信號進行更加深入細致的分析。分析程序所要實現的主要功能是再現設備的振動信號，并能夠從多個層次和方向上得出振動信號的特征參量，并將這些特征參量以輸出控件的形式返還給用戶，以供人們了解設備的工作狀態，更深入地了解設備的振動機理，改善設備工況，優化監測系統[4]。

在本系統中，分析部分共有五個分析模塊，分別是時域信號顯示，時頻分析顯示，統計數據顯示，功率譜密度顯示以及幅頻、相頻分析。

時域信號顯示：分析幅值、相位、頻率值。它能顯示采集時實際的時域圖譜，在運行時可以很清晰地看出振幅與時間的關系，可以判斷出故障發生時的時間，清晰直觀。

時頻分析：由于頻譜分析只能看到頻域特征的能量關系，通過短時傅里葉變換可以很清晰地從圖譜上看到頻域、時域與能量三者間的關系，更利于對故障的分析。

統計數據顯示：系統中所統計的數據包括算術平均值、均方差、標準方差、峰值、峰峰值、基頻等等。它們都能作為周期振動信號的特征值，在數值上描述振動特征。

功率譜密度：振動信號中存在大量噪聲，通過功率譜密度顯示振動信號在各個頻率段上的功率密度，減少由于噪聲所帶來的誤差。

幅頻、相頻分析：主要分析輸入正弦信號的幅頻及相頻特性。

部分程序后面板如圖3所示。

圖3部分程序后面板

4 系統的實際應用效果分析

利用該系統進行某裝置的振動信號分析，其功率譜分析如圖4所示。從圖4中可以讀出固有頻率值，與用傳統方法測量結果一致。其他分析圖不在此一一列出。

圖4功率譜分析圖

該系統既可以對仿真信號進行處理，也可以對采集卡采集到的實時信號進行分析處理。運行檢驗表明，該程序功能完善，運行結果良好，實驗結果與理論相符合，證明了該系統程序是可靠的。

5 結束語

測試系統采集的機床振動信號經過LabVIEW處理后實現了頻域、時域分析、相位分析、譜分析、相關性分析等多種功能。相對傳統測試方法本測試系統的靈活性顯著增加了，大大降低了測試費用、能耗，同時改善了工作強度與環境。用戶還可以以此為基礎，自行開發在線監測、故障診斷等功能，真正地實現“軟件即儀器”。本系統充分發揮了虛擬儀器的優勢，達到了設計要求。

在實踐過程中，我們發現基于計算機的機床振動信號的分析系統儀器暴露出一些問題，如：體積大導致不便于攜帶；插卡式結構使得接觸易松動、不緊固；抗震性能差等。目前，嵌入式計算平臺使計算進入了后PC時代，嵌入式系統的小體積、高可靠性能夠解決以上的問題。下一步的工作是開發基于嵌入式計算平臺的虛擬儀器系統。

參考文獻：

[1] 高書凱.基于虛擬儀器的內燃機振動測試分析系統[D].昆明理工大學

碩士學位論文，2008.

[2] 張新紅.LabVIEW的故障診斷虛擬儀器開發及應用研究[D].河南理

工大學碩士學位論文，2005.

[3] 楊然，殷祥超.基于LabVIEW的測試分析系統[J].煤炭科技，2009.

[4] 劉鵬，郭智威.基于LabVIEW的振動信號采集與分析系統的開發[J].

科技信息，2010.