基于LabVIEW的機(jī)床振動(dòng)信號(hào)的分析系統(tǒng)

李冬冬 黃勝 吳東霖

摘要： LabVIEW是當(dāng)今虛擬儀器開(kāi)發(fā)最流行的一種圖形化編程語(yǔ)言。結(jié)合機(jī)床振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)，以LabVIEW 8.5為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了機(jī)床振動(dòng)信號(hào)的分析系統(tǒng)。系統(tǒng)由硬件和測(cè)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(guò)程。信號(hào)經(jīng)過(guò)LabVIEW 處理后實(shí)現(xiàn)了頻域、時(shí)域分析、相位分析、譜分析、相關(guān)性分析等多種功能。相對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試方法，本測(cè)試系統(tǒng)的靈活性顯著增加，測(cè)試費(fèi)用、能耗大大降低。實(shí)踐證明本系統(tǒng)的測(cè)試效果良好。

關(guān)鍵詞： LabVIEW； 機(jī)床； 振動(dòng)信號(hào)； 分析

中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：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(jī)床在加工工件過(guò)程中，刀具和工件之間常常發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。振動(dòng)會(huì)使機(jī)床和刀具磨損加劇，從而縮短機(jī)床和刀具的使用壽命；振動(dòng)并伴隨有噪音，危害工人身心健康，使工作環(huán)境惡化。對(duì)于超精密機(jī)床，雖然具有很高的剛度，但振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致加工表面微觀特征發(fā)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(yù)防措施來(lái)減小或防止機(jī)床振動(dòng)對(duì)超精密加工表面質(zhì)量的影響。所以，對(duì)機(jī)床振動(dòng)信號(hào)的分析研究具有重要意義。

振動(dòng)信號(hào)分析作為故障診斷的一種方法，以其不拆卸機(jī)體，不影響設(shè)備的正常工作，測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)和工程之中。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)以及虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的人開(kāi)始通過(guò)虛擬儀器對(duì)機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集與分析[1]。

美國(guó)NI公司的圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW成為當(dāng)今虛擬儀器開(kāi)發(fā)最流行的一種語(yǔ)言。LabVIEW的最大特點(diǎn)是用圖標(biāo)代碼來(lái)代替編程語(yǔ)言創(chuàng)建應(yīng)用程序。LabVIEW有豐富的函數(shù)、工具包、軟件包、數(shù)值分析、信號(hào)處理、設(shè)備驅(qū)動(dòng)等功能，還有應(yīng)用于專業(yè)領(lǐng)域的專業(yè)模塊， 解決了傳統(tǒng)的虛擬儀器系統(tǒng)采用C/C++/匯編等語(yǔ)言存在的編程難、調(diào)試過(guò)程繁瑣、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、對(duì)編程人員要求高等問(wèn)題，它在研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、測(cè)試工作中得到廣泛應(yīng)用[2]。

1 系統(tǒng)的總體方案

本分析系統(tǒng)以LabVIEW 8.5為開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)， 系統(tǒng)流程如圖1所示。系統(tǒng)由硬件和測(cè)試分析軟件兩大部分組成。硬件是虛擬儀器工作的基礎(chǔ)，主要由傳感器及調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成，完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集、傳輸、運(yùn)算處理及顯示測(cè)試結(jié)果等；軟件是虛擬儀器的核心，系統(tǒng)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(guò)程[3]。

[虛擬儀器控制面板＼&][數(shù)據(jù)采集卡＼&][信號(hào)調(diào)理＼&][傳感器＼&][振動(dòng)源＼&]

圖1系統(tǒng)方案流程圖

2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬件由壓電加速度傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成。

⑴ 壓電加速度傳感器。機(jī)械振動(dòng)測(cè)量中常用壓電加速度傳感器來(lái)測(cè)試振動(dòng)體的振動(dòng)加速度。它以某些材料受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理。在輸出端產(chǎn)生與其所受加速度成正比的電壓或電荷。用適當(dāng)?shù)臏y(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)出電荷量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)加速度的測(cè)量，這種測(cè)量方法用途很廣。本系統(tǒng)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(shù)高，質(zhì)量輕，密度小，柔韌性好，頻響寬，聲阻抗低，靈敏度高，穩(wěn)定性好，易于加工和安裝。

⑵ 對(duì)于絕大多數(shù)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，信號(hào)調(diào)理是非常重要的。本系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)調(diào)理硬件，將傳感器的輸出信號(hào)連接到數(shù)據(jù)采集卡上。通過(guò)信號(hào)調(diào)理的各種功能，如信號(hào)的放大、隔離、濾波、多路轉(zhuǎn)換以及直接變送器調(diào)理等，使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性及性能得到極大的改善。

⑶ 數(shù)據(jù)采集卡是用來(lái)將傳感器里的電信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)的一種裝置。本系統(tǒng)采用的是NI公司M系列的PC I-6251型數(shù)據(jù)采集卡，具有16Bit采集速率的A/D轉(zhuǎn)換器，提供16路模擬輸入、2路16位模擬輸出和24條數(shù)字I/O線。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)的編制過(guò)程中采用了結(jié)構(gòu)化和模塊化編程的基本思路。程序包括數(shù)據(jù)采集模塊和信號(hào)分析模塊。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

[機(jī)床振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)][功率譜密度＼&][幅頻相頻＼&][時(shí)頻分析＼&][統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)＼&][數(shù)據(jù)采集＼&][時(shí)域信號(hào)＼&]

圖2系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集提供了整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源，是虛擬儀器的基本組成部分。數(shù)據(jù)采集模塊主要是實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的拾取及對(duì)各種參數(shù)的控制，例如對(duì)數(shù)據(jù)采集卡、采集通道的選擇，以及采樣頻率、點(diǎn)數(shù)、段數(shù)的控制等。振動(dòng)信號(hào)主要為正弦信號(hào)，采取自由連續(xù)采集方式，即設(shè)置好采集參數(shù)后直接進(jìn)行連續(xù)采集。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能由DAQ Assistant完成。LabVIEW的DAQ程序包括模擬輸入、輸出，計(jì)數(shù)器操作以及數(shù)字輸入、輸出等，本系統(tǒng)用到的是模擬輸入功能，模擬信號(hào)類型為電壓。

3.2 信號(hào)分析模塊

由于實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)只能做出簡(jiǎn)單的時(shí)、頻分析，不能得到振動(dòng)信號(hào)中更深層次的信息，因此必須對(duì)設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行更加深入細(xì)致的分析。分析程序所要實(shí)現(xiàn)的主要功能是再現(xiàn)設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)，并能夠從多個(gè)層次和方向上得出振動(dòng)信號(hào)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(shè)備的工作狀態(tài)，更深入地了解設(shè)備的振動(dòng)機(jī)理，改善設(shè)備工況，優(yōu)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4]。

在本系統(tǒng)中，分析部分共有五個(gè)分析模塊，分別是時(shí)域信號(hào)顯示，時(shí)頻分析顯示，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，功率譜密度顯示以及幅頻、相頻分析。

時(shí)域信號(hào)顯示：分析幅值、相位、頻率值。它能顯示采集時(shí)實(shí)際的時(shí)域圖譜，在運(yùn)行時(shí)可以很清晰地看出振幅與時(shí)間的關(guān)系，可以判斷出故障發(fā)生時(shí)的時(shí)間，清晰直觀。

時(shí)頻分析：由于頻譜分析只能看到頻域特征的能量關(guān)系，通過(guò)短時(shí)傅里葉變換可以很清晰地從圖譜上看到頻域、時(shí)域與能量三者間的關(guān)系，更利于對(duì)故障的分析。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：系統(tǒng)中所統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)包括算術(shù)平均值、均方差、標(biāo)準(zhǔn)方差、峰值、峰峰值、基頻等等。它們都能作為周期振動(dòng)信號(hào)的特征值，在數(shù)值上描述振動(dòng)特征。

功率譜密度：振動(dòng)信號(hào)中存在大量噪聲，通過(guò)功率譜密度顯示振動(dòng)信號(hào)在各個(gè)頻率段上的功率密度，減少由于噪聲所帶來(lái)的誤差。

幅頻、相頻分析：主要分析輸入正弦信號(hào)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(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果分析

利用該系統(tǒng)進(jìn)行某裝置的振動(dòng)信號(hào)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(tǒng)方法測(cè)量結(jié)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(tǒng)既可以對(duì)仿真信號(hào)進(jìn)行處理，也可以對(duì)采集卡采集到的實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行分析處理。運(yùn)行檢驗(yàn)表明，該程序功能完善，運(yùn)行結(jié)果良好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論相符合，證明了該系統(tǒng)程序是可靠的。

5 結(jié)束語(yǔ)

測(cè)試系統(tǒng)采集的機(jī)床振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)LabVIEW處理后實(shí)現(xiàn)了頻域、時(shí)域分析、相位分析、譜分析、相關(guān)性分析等多種功能。相對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試方法本測(cè)試系統(tǒng)的靈活性顯著增加了，大大降低了測(cè)試費(fèi)用、能耗，同時(shí)改善了工作強(qiáng)度與環(huán)境。用戶還可以以此為基礎(chǔ)，自行開(kāi)發(fā)在線監(jiān)測(cè)、故障診斷等功能，真正地實(shí)現(xiàn)“軟件即儀器”。本系統(tǒng)充分發(fā)揮了虛擬儀器的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

在實(shí)踐過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)基于計(jì)算機(jī)的機(jī)床振動(dòng)信號(hào)的分析系統(tǒng)儀器暴露出一些問(wèn)題，如：體積大導(dǎo)致不便于攜帶；插卡式結(jié)構(gòu)使得接觸易松動(dòng)、不緊固；抗震性能差等。目前，嵌入式計(jì)算平臺(tái)使計(jì)算進(jìn)入了后PC時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)的小體積、高可靠性能夠解決以上的問(wèn)題。下一步的工作是開(kāi)發(fā)基于嵌入式計(jì)算平臺(tái)的虛擬儀器系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 高書凱.基于虛擬儀器的內(nèi)燃機(jī)振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)[D].昆明理工大學(xué)

碩士學(xué)位論文，2008.

[2] 張新紅.LabVIEW的故障診斷虛擬儀器開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究[D].河南理

工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

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

[4] 劉鵬，郭智威.基于LabVIEW的振動(dòng)信號(hào)采集與分析系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[J].

科技信息，2010.