基于LabVIEW的現場動平衡測試系統的開發

粱召華　李智

摘 要： 為了適應轉子現場動平衡的需要，提高測試精度，開發了基于虛擬儀器技術的現場動平衡測試系統，它利用相關法準確提取出振動信號的幅值和相位，采用基于影響系數法的單面動平衡和雙面動平衡的方法進行動平衡實驗。通過在多功能轉子試驗臺上做了多次轉子動平衡試驗，實驗結果表明：轉子在加適當的試重后不平衡振動得到了有效的抑制，振動幅度明顯減小。這對于減小機器噪聲和軸承磨損，提高機器的性能和壽命有著重要意義，同時也有助于提高機器的工作效率和保障機械加工操作者的安全。

關鍵詞： 現場動平衡測試系統； 虛擬儀器技術； 相關法； 影響系數法

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）06?0110?04

0 引 言

旋轉機械在日常的機械中非常的常見，隨著人們要求和技術的不斷提升，人們對旋轉的速度也有了較高要求，但是，由于高速運轉所產生的機械故障也越來越多，這引起了人們的密切注意，這其中由于轉子轉動不平衡引起的機械故障占到所有故障總數的70%以上[1]。

虛擬儀器技術是一種程序開發環境，它可以充分發揮計算機的能力，創造出功能更強的儀器，用戶可以根據自己的需要定義和制造各種儀器。自問世以來， 虛擬儀器大大的降低人工操作帶來的不確定性，在全自動化的測試和分析中提高了實驗的準確性[2]。該系統將虛擬儀器技術、數字信號處理技術與現場動平衡技術結合起來，實現測試、分析、現場動平衡一體化。主要采用影響系數法，構建了該動平衡測試系統。

1 現場動平衡方法

1.1 動平衡原理

轉子的質量分布不均是造成不平衡的主要原因。轉子的質心不在回轉軸線上，在轉動時其偏心質量就會產生離心慣性力，該離心慣性力會在運動副中產生附加動壓力。當前在平衡轉動中平衡不平衡轉子的最主要方法是在轉子上增加或除去一部分質量，使轉子的質心與回轉軸心重合，盡量避免在轉動過程中產生離心慣性力。現場動平衡的分析過程分為：

（1） 首先測量出不加試重之前的不平衡振動量，并分析出該振動量的幅值以及相位；

（2） 加載能夠使轉子產生明顯振動的試重，得到不平衡和振動之間的關系；

（3） 測量此時該轉子轉動的不平衡振動量的參數；

（4） 對比分析加載試重前后轉子的振動量，通過分析和計算來確定消除該不平衡量所需的校正質量以及校正的角度；

（5） 在轉子上加載計算所得出的校正量，并測得此時轉子的不平衡量的大小，重復操作直到測量結果符合要求則本次實驗結束 [3]。

1.2 影響系數法

基于影響系數法的單面動平衡：設在某一校正平面上未加試重時測得的的原始振動為[A0]（是矢量，包括幅值和相位），且在該校正平面上某一測點上測得的振動響應為[B0]；然后在該校正平面上加一試重[Q0]（也是矢量，包括幅值和相位），并測得其不平衡量為[At]，在同一轉速下且在同一測點測得的振動響應為[B1]，則由試重[Q0]引起的振動響應為[Bt=B1-B0]，于是計算得到影響系數為[α=BtAt]，然后列出方程解出校正幅值和相位。基于影響系數法的雙面動平衡：

（1） 在實驗儀器上選定兩個測點分別為A和B。用合適的振動測量儀測得這兩點的平衡前的振動值分別為[A0，B0]（是矢量，它包括幅值A0，B0和相位角[γA0，γB0]）。

（2） 根據轉子結構選取適當的兩個校正平面分別為Ⅰ，Ⅱ，加重半徑分別為r1，r2。先在平面I上加試重[Q1]（也是矢量，其質量為[Q1]，相位角為[γB0]）。并在同一平衡轉速下測得A，B兩點的振動值分別為[A1，B1]。

影響系數分別為：

（3） 取走[Q1]，并在平面Ⅱ上加試重[Q2]。用同樣的方法測得A，B點的振動值分別為[A2，B2]。

影響系數分別為：

（4） 列方程，校正平面Ⅰ，Ⅱ上所需的校正質量[P1，P2]可由下式求得：

用解析法或幾何法解此矢量方程組得到平衡量[P1，P2]。得到校正質量后，在轉子上加上計算出的校正質量，重新啟動轉子并測量振動量；如果振動量已達到了所需要求，則平衡結束；否則可再進行一次修正平衡。

1.3 基于相關法的振動幅值和相位的計算

運用相關法可準確地提取出振動信號中基頻的幅值以及相位。在x（t），y（t）都為實能量信號的前提下互相關函數可定義為：

互相關函數可以描述出兩個信號所存在的相似度，能夠有效地在有多個頻率成分的信號中分離出有用信號。在測試時，提取到的振動信號有多個頻率成分，主要包括：轉速基頻，倍頻，亞倍頻，隨機振動成分，見式（3）：

式中：a0為直流分量；ωi為各信號的頻率；[αi]為各頻率信號的相位值；s（t）為干擾信號參數；設頻率為ω、相位為0時的標準正弦信號和余弦信號分別為：

分別與式（3）所示的輸入信號進行互相關

于是可以得到振動基頻信號的幅值及相位，分別為：

2 基于LabVIEW 的動平衡測試系統設計

2.1 測試系統的總體設計框架

本系統的研究對象是多功能轉子試驗臺，本文選用北京京儀北方儀器儀表有限公司的ZHS?2型多功能轉子試驗臺，其實物圖見圖1。

動平衡測試系統的總體框架如圖2所示，設備運轉時，在線采集信號。通過電渦流傳感器采集轉子的振動位移信號，電磁式速度傳感器采集軸承座的振動速度信號，壓電式加速度傳感器采集軸承座的振動加速度信號，通過光電式傳感器采集轉子的轉速。

通過前置器、變送器等信號調理模塊及數據采集卡，將位移、速度、加速度等振動信號及轉速信號轉換為數字量并傳遞到計算機中，然后通過計算機的虛擬儀器平臺對采集到的信號進行分析和處理，并顯示和保存不平衡量的幅值和相位。

2.2 測試系統的硬件組成

硬件部分由前置器、變送器、模擬濾波器等調理電路、數據采集卡和計算機組成，前置器主要是將渦流傳感器的信號進行放大，變送器是將傳感器獲得的非標準電信號轉換成標準電信號，模擬濾波器能有效濾除高頻干擾信號。數據采集卡選用美國NI公司的PCI?6251 型號產品（如圖3），數據采集卡的主要作用是將傳感器采集到的信號經過A/D轉換后給計算機軟件以供分析。

該數據采集卡的主要性能參數及特點如下：

（1） 最高采樣率為1.25 MS/s；

（2） A/D轉換芯片的分辨率為16 b；

（3） 16路模擬輸入通道，可任意設定通道采樣數，通道自動掃描采集；

（4） 最小模擬輸入電壓范圍為-5～5 V，最大模擬輸入電壓范圍為-10～10 V；

（5） 2路模擬輸出通道，更新速率2.8 MS/s；

（6） 滿量程精度為0.003%；

（7） 2個32位80 MHz定時器和計數器。

2.3 測試系統的軟件設計

本次實驗選用的是美國NI公司的LabVIEW軟件平臺，LabVIEW的全稱是（Laboratory Virtual Instrument Engineering bench），這是一種同時具有數據的采集、儀器控制、測量分析和數據顯示功能于一體的圖形化開發環境，該軟件能夠很好地為用戶提供簡明、直觀、易用的圖形化編程方式[4]。LabVIEW 是目前發展速度最快、功能最強大、應用最廣泛的圖形化軟件開發集成環境，是一種標準的數據采集及儀器控制軟件[5]。測試軟件模塊的組成如圖4所示，本文主要從數據采集和信號的分析處理這2個主要的模塊來完成實驗并進行分析說明[6]。

（1） 數據采集。NI?DAQmax數據采集系統可以對采集到的有關參數和操作進行準確封裝。本系統在NI?DAQmax數據采集系統的基礎上，同時實現對5個通道的數據進行采集與管理，程序框圖如圖5所示。

（2） 數據的分析和處理。能否準確完成動平衡測試的關鍵因素是數據的分析和處理這兩個過程，主要可分為：

① 測量轉速；

② 準確計算基頻幅值和相位；

③ 正確運用影響系數法計算動平衡的校正質量和相位。

測量基準信號，本文利用的是LabVIEW中單頻測量VI來得到所需要的轉速以及基頻相位這2個參數，所需程序的框圖如圖6所示。基頻轉速產生標準的正弦及余弦信號。之后將之前測到的信號與標準的正弦及余弦信號做互相關，通過這種方法就可以得到振動信號的基頻幅值及相位，該程序框圖如圖7所示。

計算影響系數，從而確定出不平衡量的幅值以及相位。本文在試驗和分析中運用影響系數法來對單面動平衡得到的幅值和相位進行校正計算，程序框圖見圖8。

通過在多功能轉子試驗臺上進行多次試驗，實驗結果表明：轉子在加適當的試重后不平衡振動得到了有效的抑制，振動幅度明顯減小。因此本測試系統性能指標達到了設計的要求。該測試系統不僅在單面動平衡過程中效果比較理想，同時亦可推廣到雙面動平衡測試中去。

3 該測試系統和傳統的儀器之間的對比分析

虛擬儀器對比傳統儀器來說有以下幾個方面的優點：性能高；擴展性強；開發時間少；無縫集成[7?8]。目前利用虛擬儀器來完成測試、工業I/O控制以及產品設計已成為主流，伴隨著虛擬儀器技術正在不斷的完善和提高，虛擬儀器已經在許多的應用中代替了傳統的儀器。伴隨著相關軟件的不斷革新，虛擬儀器的使用前景也將更加的廣闊，能夠使使用者在使用起來有更多的靈活性和更加強大的功能[9?10]。

4 結 語

該系統將虛擬儀器技術、數字信號處理技術與現場動平衡技術結合起來，實現測試、分析、現場動平衡一體化。虛擬儀器能夠大大降低人工操作帶來的不確定性，在全自動化的測試和分析中提高了實驗的準確性，比傳統的動平衡測量儀器有更好的發展前景，性價比也更高。

參考文獻

[1] 楊建剛.旋轉機械振動分析與工程應用[M].北京：中國電力出版社，2007.

[2] 豈興明，周建興，矯津毅.LabVIEW8.2 中文版入門與典型實例（修訂版）[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[3] 安勝利，楊黎明.轉子現場動平衡技術[M].北京：國防工業出版社，2007.

[4] 劉松強.數據流編程的圖形軟件LabVIEW及其應用[J].小微型計算機系統，1994，15（10）：30?34.

[5] 王磊，陶梅.精通LabVIEW8.x[M].北京：電子工業出版社，2008.

[6] 賀世正，余鵬飛，蔡伯春.虛擬儀器技術在碟式分離機動平衡測試中的應用[J].流體機械，2003，31（6）：23?26.

[7] YU Y Q，JIANG B. Analytical and experimental study on the dynamic balancing offlexible mechanisms [J]. Mechanism and Machine Theory， 2007 （42）： 626?635.

[8] ALICI G，SHIRINZADEH B. Oprimum dynamic balancing of planar parallel manipulators based on sensitivity analysis [J]. Mechanism and Machine Theory， 2006 （41）： 1520?1532.

[9] 趙科.基于虛擬儀器的現場動平衡測試儀的開發[D].杭州：浙江大學，2002.

[10] 金彥，鄭建榮，吳清.基于虛擬儀器技術的信號處理實現方法比較[J].機械與電子，2003（2）：55?58.

2.2 測試系統的硬件組成

硬件部分由前置器、變送器、模擬濾波器等調理電路、數據采集卡和計算機組成，前置器主要是將渦流傳感器的信號進行放大，變送器是將傳感器獲得的非標準電信號轉換成標準電信號，模擬濾波器能有效濾除高頻干擾信號。數據采集卡選用美國NI公司的PCI?6251 型號產品（如圖3），數據采集卡的主要作用是將傳感器采集到的信號經過A/D轉換后給計算機軟件以供分析。

該數據采集卡的主要性能參數及特點如下：

（1） 最高采樣率為1.25 MS/s；

（2） A/D轉換芯片的分辨率為16 b；

（3） 16路模擬輸入通道，可任意設定通道采樣數，通道自動掃描采集；

（4） 最小模擬輸入電壓范圍為-5～5 V，最大模擬輸入電壓范圍為-10～10 V；

（5） 2路模擬輸出通道，更新速率2.8 MS/s；

（6） 滿量程精度為0.003%；

（7） 2個32位80 MHz定時器和計數器。

2.3 測試系統的軟件設計

本次實驗選用的是美國NI公司的LabVIEW軟件平臺，LabVIEW的全稱是（Laboratory Virtual Instrument Engineering bench），這是一種同時具有數據的采集、儀器控制、測量分析和數據顯示功能于一體的圖形化開發環境，該軟件能夠很好地為用戶提供簡明、直觀、易用的圖形化編程方式[4]。LabVIEW 是目前發展速度最快、功能最強大、應用最廣泛的圖形化軟件開發集成環境，是一種標準的數據采集及儀器控制軟件[5]。測試軟件模塊的組成如圖4所示，本文主要從數據采集和信號的分析處理這2個主要的模塊來完成實驗并進行分析說明[6]。

（1） 數據采集。NI?DAQmax數據采集系統可以對采集到的有關參數和操作進行準確封裝。本系統在NI?DAQmax數據采集系統的基礎上，同時實現對5個通道的數據進行采集與管理，程序框圖如圖5所示。

（2） 數據的分析和處理。能否準確完成動平衡測試的關鍵因素是數據的分析和處理這兩個過程，主要可分為：

① 測量轉速；

② 準確計算基頻幅值和相位；

③ 正確運用影響系數法計算動平衡的校正質量和相位。

測量基準信號，本文利用的是LabVIEW中單頻測量VI來得到所需要的轉速以及基頻相位這2個參數，所需程序的框圖如圖6所示。基頻轉速產生標準的正弦及余弦信號。之后將之前測到的信號與標準的正弦及余弦信號做互相關，通過這種方法就可以得到振動信號的基頻幅值及相位，該程序框圖如圖7所示。

計算影響系數，從而確定出不平衡量的幅值以及相位。本文在試驗和分析中運用影響系數法來對單面動平衡得到的幅值和相位進行校正計算，程序框圖見圖8。

通過在多功能轉子試驗臺上進行多次試驗，實驗結果表明：轉子在加適當的試重后不平衡振動得到了有效的抑制，振動幅度明顯減小。因此本測試系統性能指標達到了設計的要求。該測試系統不僅在單面動平衡過程中效果比較理想，同時亦可推廣到雙面動平衡測試中去。

3 該測試系統和傳統的儀器之間的對比分析

虛擬儀器對比傳統儀器來說有以下幾個方面的優點：性能高；擴展性強；開發時間少；無縫集成[7?8]。目前利用虛擬儀器來完成測試、工業I/O控制以及產品設計已成為主流，伴隨著虛擬儀器技術正在不斷的完善和提高，虛擬儀器已經在許多的應用中代替了傳統的儀器。伴隨著相關軟件的不斷革新，虛擬儀器的使用前景也將更加的廣闊，能夠使使用者在使用起來有更多的靈活性和更加強大的功能[9?10]。

4 結 語

該系統將虛擬儀器技術、數字信號處理技術與現場動平衡技術結合起來，實現測試、分析、現場動平衡一體化。虛擬儀器能夠大大降低人工操作帶來的不確定性，在全自動化的測試和分析中提高了實驗的準確性，比傳統的動平衡測量儀器有更好的發展前景，性價比也更高。

參考文獻

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[10] 金彥，鄭建榮，吳清.基于虛擬儀器技術的信號處理實現方法比較[J].機械與電子，2003（2）：55?58.

2.2 測試系統的硬件組成

硬件部分由前置器、變送器、模擬濾波器等調理電路、數據采集卡和計算機組成，前置器主要是將渦流傳感器的信號進行放大，變送器是將傳感器獲得的非標準電信號轉換成標準電信號，模擬濾波器能有效濾除高頻干擾信號。數據采集卡選用美國NI公司的PCI?6251 型號產品（如圖3），數據采集卡的主要作用是將傳感器采集到的信號經過A/D轉換后給計算機軟件以供分析。

該數據采集卡的主要性能參數及特點如下：

（1） 最高采樣率為1.25 MS/s；

（2） A/D轉換芯片的分辨率為16 b；

（3） 16路模擬輸入通道，可任意設定通道采樣數，通道自動掃描采集；

（4） 最小模擬輸入電壓范圍為-5～5 V，最大模擬輸入電壓范圍為-10～10 V；

（5） 2路模擬輸出通道，更新速率2.8 MS/s；

（6） 滿量程精度為0.003%；

（7） 2個32位80 MHz定時器和計數器。

2.3 測試系統的軟件設計

本次實驗選用的是美國NI公司的LabVIEW軟件平臺，LabVIEW的全稱是（Laboratory Virtual Instrument Engineering bench），這是一種同時具有數據的采集、儀器控制、測量分析和數據顯示功能于一體的圖形化開發環境，該軟件能夠很好地為用戶提供簡明、直觀、易用的圖形化編程方式[4]。LabVIEW 是目前發展速度最快、功能最強大、應用最廣泛的圖形化軟件開發集成環境，是一種標準的數據采集及儀器控制軟件[5]。測試軟件模塊的組成如圖4所示，本文主要從數據采集和信號的分析處理這2個主要的模塊來完成實驗并進行分析說明[6]。

（1） 數據采集。NI?DAQmax數據采集系統可以對采集到的有關參數和操作進行準確封裝。本系統在NI?DAQmax數據采集系統的基礎上，同時實現對5個通道的數據進行采集與管理，程序框圖如圖5所示。

（2） 數據的分析和處理。能否準確完成動平衡測試的關鍵因素是數據的分析和處理這兩個過程，主要可分為：

① 測量轉速；

② 準確計算基頻幅值和相位；

③ 正確運用影響系數法計算動平衡的校正質量和相位。

測量基準信號，本文利用的是LabVIEW中單頻測量VI來得到所需要的轉速以及基頻相位這2個參數，所需程序的框圖如圖6所示。基頻轉速產生標準的正弦及余弦信號。之后將之前測到的信號與標準的正弦及余弦信號做互相關，通過這種方法就可以得到振動信號的基頻幅值及相位，該程序框圖如圖7所示。

計算影響系數，從而確定出不平衡量的幅值以及相位。本文在試驗和分析中運用影響系數法來對單面動平衡得到的幅值和相位進行校正計算，程序框圖見圖8。

通過在多功能轉子試驗臺上進行多次試驗，實驗結果表明：轉子在加適當的試重后不平衡振動得到了有效的抑制，振動幅度明顯減小。因此本測試系統性能指標達到了設計的要求。該測試系統不僅在單面動平衡過程中效果比較理想，同時亦可推廣到雙面動平衡測試中去。

3 該測試系統和傳統的儀器之間的對比分析

虛擬儀器對比傳統儀器來說有以下幾個方面的優點：性能高；擴展性強；開發時間少；無縫集成[7?8]。目前利用虛擬儀器來完成測試、工業I/O控制以及產品設計已成為主流，伴隨著虛擬儀器技術正在不斷的完善和提高，虛擬儀器已經在許多的應用中代替了傳統的儀器。伴隨著相關軟件的不斷革新，虛擬儀器的使用前景也將更加的廣闊，能夠使使用者在使用起來有更多的靈活性和更加強大的功能[9?10]。

4 結 語

該系統將虛擬儀器技術、數字信號處理技術與現場動平衡技術結合起來，實現測試、分析、現場動平衡一體化。虛擬儀器能夠大大降低人工操作帶來的不確定性，在全自動化的測試和分析中提高了實驗的準確性，比傳統的動平衡測量儀器有更好的發展前景，性價比也更高。

參考文獻

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[10] 金彥，鄭建榮，吳清.基于虛擬儀器技術的信號處理實現方法比較[J].機械與電子，2003（2）：55?58.