基于LabVIEW的減速器振動特性分析系統研究

倪 騰，趙連玉

(天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室，天津 300384)

0 前言

我國機器人及智能裝備技術的快速發展，對精密減速器的性能提出了更高的要求，為適應高精度、高可靠、長壽命、大轉矩、低功耗、小體積、輕量化的新型高性能機電傳動的需要，有關精密減速器的創新設計理論、性能檢測與評價方法已成為當前研究的重點[1]。

三環式內平動齒輪減速器是由內齒輪做定軸轉動，外齒輪做平動，有3片傳動環板利用平動齒輪機構原理構造的一種精密減速器。相比較于傳統的齒輪減速器具有傳動比大、體積小、結構緊湊、重量輕、效率高、承載能力強等優點[2]。

LabVIEW是一種基于G語言(Graphics Language，圖形化編程語言)的測試系統軟件開發平臺[3]。具有豐富的擴展函數庫，主要面向數據采集、GPIB和串行儀器控制，以及數據分析、數據顯示和數據存儲等[4]。虛擬儀器技術主要利用高性能的模塊化硬件,結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化應用[5]。具有用戶可自定義測量功能、強大的數據處理功能、靈活性和可擴展性強、擁有良好的人機界面、與其他設備互連的能力強和技術更新快等特點[6]。本文基于labVIEW開發了一套適用于精密減速器動態性能檢測的振動測試分析系統，該系統可以完成振動信號的采集，并進一步對振動信號進行時域和頻域分析。

1 系統方案總體設計

該系統包括硬件部分及軟件部分。硬件部分包括加速度傳感器、數據采集卡、計算機等。硬件是軟件程序的基礎，是分析系統的骨骼，用以完成振動信號的采集、傳輸、運算處理以及顯示數據等。軟件系統則以LabVIEW 2012為開發平臺，主要由數據采集模塊、信號調理模塊、數據分析模塊以及數據存儲模塊組成。振動信號采集流程如圖1所示。

圖1 振動信號采集流程

減速器振動信號采集試驗臺選用的是安川YASKAWA電機有限公司生產的交流伺服驅動系統，電機型號為SGMGV-55ADA61。由于交流伺服電機無法單獨為試驗系統提供速度輸出，需搭配伺服驅動器使用，實驗過程中選用的伺服驅動器的型號為SGDV-470A01A，經過數據比對，該伺服驅動器足以驅動試驗用電機。用于采集振動數據的傳感器型號為ADXL345，該傳感器是由美國模擬器件公司ADI推出的基于iMEMS技術的3軸數字輸出加速度傳感器。試驗數據的分析處理需要在工控機中完成，在性價比及試驗需求等條件約束下選用產品型號為ADVANTECH IPC-610的研華工控機，該工控機有4個PCI總線接口。根據選定的工控機在試驗中選用了NI公司的PCI-6602型數據采集卡，該采集卡具有32個數字I/O，完全滿足試驗需求。

2 系統軟件設計

該軟件系統在編制過程中采用了結構化和模塊化編程的基本思路[7]。本文采用LabVIEW 2012提供的DAQ助手用于數據采集卡與軟件之間的通信連接，DAQ助手可以用逐步配置的方式，快速完成軟硬件間的連接。軟件系統應用數字濾波器等對原始信號進行調理，并完成了對信號數據進行處理、分析的系統開發。軟件設計框圖如圖2所示。

圖2 軟件設計框圖

3 信號分析系統設計

信號分析系統主要包括時域分析模塊、頻域分析模塊和相關性分析模塊。該信號分析系統的LabVIEW界面如圖3所示。

圖3 信號分析系統界面

軟件前面板的設計內容中，實驗日期、實驗員的錄入便于數據保存的文件命名，同時提高后期查找歷史數據的方便性。數據采集參數設置與濾波器參數設置為數據采集及分析的基本參數設置，是振動信號分析過程不可或缺的部分。本軟件為了提高空間利用率，通過布爾按鈕的設計使一個路徑輸入控件可以實現數據保存或讀取兩種功能。特征參數如峰值、峰峰值的顯示，以及振動曲線的顯示可以直觀的為試驗者提供振動強度判斷依據。

3.1 數據濾波

因采集到的信號仍夾雜著噪聲，甚至在信號幅度較小的情況下噪聲淹沒了信號，無法看到信號，因此對信號進行濾波是必要的[8]。振動信號預處理是對采樣信號提取特征量的首要步驟，是為了減少或消除采集到的數據中的干擾成分，提高數據的真實性和穩定性，將振動測試中采集到的數據盡可能真實地還原成實際的振動情況。

圖4 振動信號濾波前、后對比圖

本次試驗數據濾波功能使用LabVIEW中函數-編程-express-信號分析-濾波器VI實現。該實驗中減速器的旋轉速度在100 r/min至400 r/min，根據采樣定理數據采樣頻率設為50 Hz，足夠重建完整的振動信號。為了不造成信號混疊，需注意濾波器的高截止頻率不得超過25 Hz。

3.2 信號的時域分析

振動信號的時域分析是對減速器檢測儀及被測減速器進行故障檢測的簡易方法，是最為直接有效的信號處理方式。時域處理主要包括時域信號特征量參數的提取，較常采用的特征量參數有：均值、方差、均方值、峰值、峰峰值和標準差等。實驗中分別以100 r/min、200 r/min、300 r/min、400 r/min的參數對減速器運轉速度進行設置，并在每種速度中進行振動數據的采集。

由加速度傳感器采集到的數據為X、Y、Z方向的加速值，經過兩次積分得到各方向的振動幅值數據。由于文章篇幅有限，文中只以各試驗轉速下的X軸數據為例,如圖5所示。

圖5 各試驗轉速下的X軸振動幅值圖

對于單一產品的時域振動信號分析，一般會設定相應的閾值，以此來判斷傳動部件內是否有故障出現。將試驗過程中采集到的振動數據序列設為x1,x2,x3,…,xn，該序列為有限長的離散時間序列。由此可得峰值Xp、峰峰值Xpp、均值Mx、和標準差的計算式。

Xp=Max(|xi|)

(1)

Xpp=Max(xi)-Min(xi)

(2)

(3)

(4)

應用LabVIEW中的函數-編程-數學-均方根、標準差方差以及函數-編程-數組-數組最大值最小值等VI求取以上各參數的值，可以對振動信號的各類特征有具體的認識。求取各時域特征參數的軟件編程如圖6所示。

由表1的試驗數據可以看出，隨著減速器試驗轉速的提高，X軸方向的振動幅度相應提高，故可得出在100～400 r/min的轉速區間內，減速器振動幅度與轉速成正相關。

圖6 時域分析源程序

表1 不同轉速下X軸振動信號的時域特征值

另外通過該程序的運行及分析，并對比X軸、Y軸和Z軸方向的特征參數，可以看出X、Y軸的振動幅度大于Z軸，且各軸的振動幅度均與轉速成正相關。

3.3 信號的頻域分析

對離散信號進行時頻轉換最普遍的方法是采用離散傅里葉變換，從而在頻域內實現對幅值譜以及功率譜的顯示和分析。頻域分析源程序如圖7所示。

圖7 頻域分析源程序

使用LabVIEW中的函數-編程-信號處理-波形測量-FFT頻譜(幅度-相位)VI進行頻譜分析可以得到振動信號的主要振動頻率，該特征識別在時域分析中是無法實現的。在功率譜圖上可以看出功率隨頻率的分布情況，以顯示出各頻率分量上的能量分布。

圖8 振動信號的頻譜分析

從圖8中可以看出，隨著減速器轉速的提升，振動信號的主頻率也在發生變化。綜合四種轉速狀態下的頻譜圖分析出高頻振動的幅度具有往復性，即在100 r/min、300 r/min的轉速下高頻振動明顯，而200 r/min、400 r/min的轉速下高頻振動與低頻振動相比不明顯。同時可以看出，減速器在不同轉速下的主振動頻率幾乎都在10 Hz以下，為低頻振動。

圖9為振動信號的功率譜分析，可以看出振動信號的主要能量分布頻率區間與頻譜分析結果基本一致，在此不做贅述。

圖9 振動信號的功率譜分析

3.4 信號的相關性分析

自相關函數是描述一組數據中一個時刻的數據值與另一個時刻的數據值之間的依賴關系，反映的是同一條隨機振動信號波形某一t0時刻的x(t0)與另一t1時刻的x(t1)相似程度[9]。離散隨機數據自相關函數的表達式為

自相關函數曲線收斂的快慢在一定程度上反映信號中所含各頻率分量的多少，反映波形的平緩或陡峭程度。隨機分量的自相關函數曲線總是隨著時間的變化趨近于零或某一常數值，周期分量的自相關函數將會保持周期性，當時間為周期或者周期的整數倍時自相關函數取得最大值[10]。信號自相關分析源程序如圖10所示。

圖10 自相關分析源程序

利用LabVIEW中函數-編程-信號處理-信號運算-自相關VI對采集到的振動數據進行自相關分析，由于文章篇幅限制，此處只給出減速器轉速100 r/min下X軸的自相關分析圖，如圖11所示。

圖11 振動信號自相關函數圖

由圖11可以看出采集到的振動信號的自相關函數是隨時間的推移而衰減的，最終趨于0。由此可以判斷，采集到的振動數據為隨機信號的分量，信號內不包含周期信號。

4 結束語

針對減速器檢測儀在工作狀態下的振動信號，設計出一種基于LabVIEW的振動信號檢測及分析系統。此程序可以高效穩定的讀取振動信號，在此基礎上對信號進行時域、頻域和相關性的分析。該軟件利用了LabVIEW便捷的圖形化編程等特點，通過試驗驗證，該軟件的采集及處理結果可靠準確，了解了減速器檢測儀的振動特性與各種工作狀態間的聯系，為優化減速器檢測儀提供了理論依據，具有重大意義。此系統同樣適用于其他機械系統振動信號的采集、處理和分析，研究結果具有一定的實用價值。