基于Labview的剛性轉子動平衡測試系統研究

付玉紅，韋忠朝，高信邁

（華中科技大學電氣與電子工程學院，湖北 武漢430074）

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的一個重要環節.工程實際中，由于材質不均勻或毛坯缺陷、加工及裝配中產生的誤差，甚至設計時就具有非對稱的幾何形狀等多種因素，使得轉子在旋轉時，其上每個微小質點產生的離心慣性力不能相互抵消，離心慣性力通過軸承作用到機械及其基礎上，引起振動，產生了噪音，加速軸承磨損，縮短了機械壽命，嚴重時能造成破壞性事故.為此，必須對轉子進行平衡，使其達到允許的平衡精度等級.

隨著檢測技術的發展，虛擬儀器已經成為動平衡檢測儀器的主流.Labview是美國國家儀器公司最典型的軟件產品之一，它是一種基于圖形編程語言的開發環境.由于其豐富的軟件功能和多功能高精度的硬件接口卡，加以PC的友好環境等，在多種自動測試和控制中得到越來越廣泛的應用.

1 動平衡測試原理

剛性轉子總可以在不與轉子重心相互重合、同時與轉子軸線垂直的兩個校正面上加上（或減去）適當重量來達到動平衡.

動平衡測量時要求轉子必須能在支撐系統上被驅動而旋轉，支撐系統必須要有必要的自由度，以保證支撐系統在轉子不平衡離心力的作用下產生與轉子不平衡量成正比的有規律的振動.這樣轉子支撐系統就組成了一定形式的質量—彈簧系統，進而通過測量支撐的振動而獲得轉子校正面上不平衡量大小和相位［1］.

2 系統主要結構

本實驗系統為硬支撐平衡機.系統結構見圖1.系統主要由電機、皮帶輪左右支撐，左右壓電式加速度傳感器、光電傳感器、NI數據采集卡、下位機、IPC機構成［4］.

圖1 系統結構圖

2.1 左右振動信號的獲取

轉子放在左右支撐上，轉子在電機的帶動下在皮帶輪上旋轉，左右支撐處的壓電式加速度傳感器檢測左右振動信號.然后由NI數據采集卡采集左右的振動信號給IPC機的Labview軟件分析.

2.2 角度基準信號的獲取

在所測試的轉子上用彩色筆做個標記，在轉子附近安裝紅外光電接近開關，檢測轉子顏色變化產生脈沖信號輸出，脈沖信號的基頻與轉子轉速相同.然后由NI數據采集卡采集角度基準信號給IPC機的Labview軟件分析.

3 測試系統軟件設計

軟件部分包括：系統參數初始化、動不平衡振幅和相位分析、影響系數計算、動不平衡質量和相位計算、數據保存、串行通信.

圖2 程序流程圖

程序設計主要思路：系統采用影響系數法來得到轉子不平衡量和相位.首先利用交叉譜分析和FFT譜分析從數據采集卡得到振動信號和角度基準信號，得到最大振幅的相位和幅值［2］.然后根據加抑制質量的不平衡量得到單位質量對左右振動信號幅值和相位的貢獻，從而得到影響系數.最后用影響系數與得到的轉子不平衡振動的幅值和相位做乘積，即可得到所測試轉子的左右失重質量和角度.

3.1 轉子動不平衡分析模塊 Unbalance daq.vi—振動幅值和相位的提取

利用Labview生成波形模塊，生成數據采集卡，采集到左右振動信號和角度基準信號響應的波形.然后將左右振動信號分別與角度基準信號做交叉譜分析.利用角度基準信號可以得到平衡轉速，即基準頻率fN.檢測0.9 fN與1.1 fN的數據，得到左右振動信號的最大振幅的相位［3］.

同時分別對左右振動信號做FFT譜分析，利用前面所得到最大振幅的相位所對應的頻率去檢索其所對應的最大振幅值.為了防止頻譜泄露并得到振動信號中的基頻信號的頻譜，需要對連續信號進行正周期采樣，在轉子的每個旋轉周期內按照預定的采樣點數和采樣頻率對一個周期內的連續信號進行采樣.

這樣就得到了轉子不平衡振動信號的振幅和相位.

3.2 影響系數的計算［5］

基本思路：

1）調用Unbalance daq.vi對轉子做動不平衡分析，得到左右振動信號的幅值和相位，合成左右振動力矩矢量XL、XR.

2）在左校正平面的指定位置上加標準質量點在指定位置上，同樣調用Unbal ance daq.vi對轉子做動不平衡分析，得到左右振動信號的幅值和相位，合成左右振動力矩矢量XL1、XR1.

3）在左校正平面的指定位置上加標準質量點在指定位置上，同樣調用Unbal ance daq.vi對轉子做動不平衡分析，得到左右振動信號的幅值和相位，合成左右振動力矩矢量XL2、XR2.

根據不平衡離心力矩疊加原理，分別計算左右兩個校正面在已知位置加載標準質點對不平衡的影響系數，具體如下：

aL1、aL2、aR1、aR2是在指定位置施加已知質點時，單位質量對不平衡力矩的貢獻，對矩陣求逆矩陣就可以得到影響系數.其中包含四個振幅影響系數和四個相位影響系數，即

3.3 轉子不平衡質量和相位的計算

調用Unbalance daq.vi對轉子做動不平衡分析，得到左右振動信號的幅值和相位，合成左右振動力矩矢量.

根據unbalance daq.vi計算出的angle of signal R（θR）和 a mplitude of signal R（AR）計算轉子右校正平面的失重力矩（TR）

根據b ms01＿data.vi得到的振幅影響系數和相位影響系數，可以分別計算左失重和右失重的質量和角度.

3.4 數據保存

將轉子左右不平衡質量和相位保存并顯示.數據存儲使用了Lab VIEW的寫入測量文件，在該VI彈出的設置對話框中可以選擇文件的存儲格式：文本文件類型、二進制類型和帶XML的二進制類型，用戶可以根據不同目標選擇所要存儲的類型.本系統選擇了文本文件類型.

同時可以將左右不平衡質量和相位在PC界面上顯示.將左右不平衡質量和相位通過串口通訊傳遞給下位機，使其對轉子進行校正.

4 試驗結果

此系統已經實際應用于工業中，實踐證明此系統性能良好.測試結果體現了測試過程便捷、測試數據精度較高的特點.系統充分應用了NI數據采集卡和虛擬儀器的強大軟件資源，保證了整個測試數據的準確性、有效性以及實時性.整個系統運行可靠、人機交互界面友好、操作簡單、測試結果的精度較高.

［1］葉能安.動平衡原理與動平衡機［M］.武漢：華中工學院出版社.1985.

［2］吳成東.Labview虛擬儀器程序設計及應用［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

［3］胡廣書.數字信號處理一理論、算法與實現［M］.北京：清華大學出版社，1997.

［4］唐治宏，劉景能，黃炳瓊.基于Lab VIEW的便攜式動平衡測試系統研究［J］.裝備制造技術，2007（6）.－

［5］張 健，邱清盈，武建偉，等.基于卡爾曼濾波的動平衡測量過程調節方法［J］.浙江大學學報，2011，45（10）：1 815－1 820.