基于LabVIEW的旋轉(zhuǎn)機械故障診斷系統(tǒng)

張嫻+史朋波+張江濤

摘 要：研究旋轉(zhuǎn)機械零部件的故障診斷方法，提出一種基于LabVIEW系統(tǒng)調(diào)用MATLAB程序的旋轉(zhuǎn)機械故障診斷方法。主要介紹AIC9000轉(zhuǎn)子試驗臺與虛擬儀器設(shè)備的組合應(yīng)用，結(jié)合LabVIEW、MATLAB軟件、EMD方法等，以軸承點蝕故障為例論述了該方法在旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備故障診斷領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；旋轉(zhuǎn)機械；EMD；故障診斷

中圖分類號：TH164 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0052-02

引言

近年來，虛擬儀器軟件開發(fā)平臺在機械設(shè)備領(lǐng)域的成功應(yīng)用，對機械關(guān)鍵部件的人工智能化故障診斷起到推動作用。本文結(jié)合虛擬儀器設(shè)備和AIC9000轉(zhuǎn)子試驗儀器搭建平臺，研究一套應(yīng)用LabVIEW軟件、MATLAB軟件和EMD方法的旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、分析系統(tǒng)。從實際工況出發(fā)，對設(shè)備監(jiān)測故障預(yù)判有一定的指導(dǎo)作用。

1 LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

試驗臺搭建：有AIC9000多功能轉(zhuǎn)子試驗臺、布點8組傳感器、調(diào)理信號組件和LabVIEW虛擬儀器設(shè)備。

系統(tǒng)的程序設(shè)計基于NI-LabVIEW，實現(xiàn)對AIC9000轉(zhuǎn)子設(shè)備及相關(guān)診斷儀器的改進設(shè)計，易于設(shè)備的升級和維護。AIC多功能轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和LabVIEW主機：Model：PXle-1078，PRODUCT OF MALAYSIA。

1.1 搭建LabVIEW平臺

將8通道傳輸接口與調(diào)理信號模塊連接，數(shù)字采集卡、信號處理卡等模塊化的PXI板卡插入虛擬儀器主機箱中，機箱連接顯示器。

1.2 LabVIEW軟件程序設(shè)計

在程序框圖窗口編程，程序匯編數(shù)據(jù)流設(shè)計包括通道設(shè)置→定時設(shè)置→觸發(fā)設(shè)置→信息采集→分析設(shè)置→記錄設(shè)置等。數(shù)據(jù)流向即為LabVIEW軟件程序執(zhí)行的順序，按箭頭方向依次連接各程序框圖節(jié)點，其中信號采集部分和分析部分是信號調(diào)理、振動診斷并分析等最為重要。

1.3 DAQ數(shù)據(jù)采集

程序設(shè)計采用NI-DAQmx編程，常用數(shù)據(jù)采集VI有DAQmx創(chuàng)建虛擬通道VI、DAQmx讀取VI、DAQmx寫入VI、DAQmx定時VI、DAQmx觸發(fā)VI、DAQmx開始任務(wù)VI、DAQmx清除任務(wù)VI等。

2 經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法（EMD）

旋轉(zhuǎn)機械相關(guān)的傳統(tǒng)故障診斷方法準確度較低，結(jié)合經(jīng)驗猜測估計得出大概故障類型及部位。EMD方法是一種自適應(yīng)較好的時頻分析法，其基本思想是將原始振動信號分解成一系列IMF的組合，再根據(jù)實際需要，對各個IMF進行希爾伯特變換組成時頻譜圖進行分析。

在虛擬程序系統(tǒng)的設(shè)計中，為提高故障信號的特征提取以及包絡(luò)分析的準確性，應(yīng)用HHT變換的EMD分解，將EMD程序以m.文件保存，并通過LabVIEW程序調(diào)用MATLAB軟件的m.文件進行信號分析。

3 LabVIEW系統(tǒng)信號分析編程

在設(shè)計系統(tǒng)時，結(jié)合了MATLAB軟件強大的數(shù)學(xué)分析計算和圖形繪制功能的優(yōu)勢， 在LabVIEW編程時調(diào)用MATLAB命令。兩種軟件的嵌套使用強強聯(lián)合，既進化了LabVIEW的復(fù)雜編程又發(fā)揮出了MATLAB在機械信號診斷分析方面的優(yōu)勢，提升計算速度。

3.1 EMD的m.文件程序

應(yīng)用MATlAB軟件編寫function 函數(shù)語句function plot_hht（x，imf，Ts）% Plot the HHT.，并在MATLAB軟件中File>>Set Path…>>Add Folder，將其添加保存到MATLAB函數(shù)中。

設(shè)置自適應(yīng)的數(shù)據(jù)長度j和循環(huán)次數(shù)i等，結(jié)合使用for循環(huán)-if語句等實現(xiàn)IMF的分量提取。

3.2 創(chuàng)建MATLAB腳本節(jié)點

程序設(shè)計使用了最為快捷的m.文件調(diào)用方法，即直接調(diào)用NI-LabVIEW2014軟件中的MATLAB Script節(jié)點。調(diào)用步驟為：在程序框圖右擊鼠標，執(zhí)行all functions> > analyze> > mathematics> > formula> > matlab script操作，在程序框圖中拖拽鼠標建立一個大小合適的MATLAB腳本節(jié)點，右擊鼠標，設(shè)置程序框圖輸入和輸出變量的數(shù)量，然后調(diào)用EMD程序代碼的m.文件，最后完成連線。MATLAB腳本文件的創(chuàng)建圖如圖1。

3.3 EMD在LabVIEW中的實現(xiàn)

使用本系統(tǒng)對AIC轉(zhuǎn)子試驗臺進行智能分析，在齒輪箱中安裝故障齒輪，針對齒輪故障產(chǎn)生的振動信號進行8分量的IMF分解結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出點蝕I和點蝕II兩種故障的8組信號數(shù)據(jù)經(jīng)過EMD分解的IMF1～IMF8結(jié)果；點蝕信號柱狀圖對比正常齒輪信號特征其故障直觀、明顯。

4 結(jié)束語

LabVIEW平臺具有有良好的擴展性，性價比較高，在科研和實際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。從實際出發(fā)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備故障診斷的實際要求，構(gòu)建LabVIEW軟件平臺，合理安裝多傳感器進行信號采集，運用虛擬儀器設(shè)計在線采集、分析、預(yù)測診斷。EMD方法、MATLAB軟件與LabVIEW三者的結(jié)合，在診斷速度、分析準確性、程序設(shè)計的快捷性等方面都表現(xiàn)出了很強的優(yōu)勢，也將是未來的一個發(fā)展方向。

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