基于LabVIEW的動平衡虛擬測試系統設計

基于LabVIEW的動平衡虛擬測試系統設計
祁曉英 楊建剛 單位：東南大學振動中心
摘要：介紹了利用虛擬儀器技術開發動平衡測試系統的原理和方法，提出了動平衡虛擬儀器測量系統硬件結構和軟件設計思路，并介紹了軟件的主要功能。

關鍵詞：動平衡；虛擬儀器；LabVIEW

0 引言
實踐表明，引起旋轉機械振動的主要原因之一是轉子不平衡，約占故障總數的80%。它會帶來噪聲，加速軸承的磨損，降低產品的性能，縮短機器的使用壽命。因此，對轉子進行動平衡，是消除故障的主要手段之一。
目前基于微機硬件平臺的虛擬測量儀器己經在許多部門得到越來越廣泛的應用。在硬件平臺確立之后，虛擬儀器可通過改變軟件的方式來適應不同的要求，其功能靈活、開放，容易與其他外設、網絡相連，構成更強大的系統，可隨著計算機技術的發展和用戶的需求進行儀器與系統的升級，在性能維護和靈活組態等多方面都有著傳統儀器無法比擬的優點，且投入少，收效大。

本文利用虛擬儀器技術開發動平衡測試系統，且在虛擬儀器開發平臺LabVIEW下實現，界面非常直觀形象。LabVIEW使用的都是測試工程師們熟悉的旋鈕、開關、波形圖等，因此無需太多編程經驗，只要以很直覺的方法建立前面板人機界面和方塊圖程序，便可以完成編程過程，使編程者免于傳統程序語言線性結構的困擾，
從而縮短開發周期，降低成本。

1、動平衡測量系統基本原理
現場轉子動平衡通常可分為單平面和
兩平面平衡兩類。單平面平衡是一種特殊情況，多數情況下需要在兩個平面上同時加重進行平衡。本文以兩平面平衡為例。

兩平面平衡基本原理為：一個剛性轉子總可以在不與轉子重心相重合、同時與旋轉軸線垂直的兩個校正平面上，加上（或減去）適當的重量來達到動平衡，轉子旋轉時其兩端的軸承受到了不平衡力的作用，它包含著不平衡量的大小和相位信息。

計算不平衡量的方法包括諧分量法和影響系數法，兩平面平衡通常采用影響系數法。具體步驟如下：




解該方程組可以求得兩個平面上的加重大小和角度。

2 虛擬儀器測量系統的設計
2.1 測量系統總體設計
承處的振動傳感器將振動信號轉變為電壓信號，經濾波放大后輸入到A/D轉換器，同時將基準訊號發生器發出的基準相位信號經過預處理后也輸入到A/D轉換器，A/D轉換器將模擬量轉變為數字信號，送入虛擬儀器軟件包進行分析處理，顯示出不平衡量的大小和相位。





2.2 測試系統硬件組成
硬件由信號調理電路、A/D轉換部分和PC機組成，信號調理包括放大和濾波，通過調理電路，放大傳感器輸出的微弱信號，濾除干擾信號，為A／D轉換部分提供適當幅度的輸入模擬信號。

2.3 LabVIEW軟件平臺
Lab VIEW軟件完成3方面任務：數據采集、數據分析和數荼澩鎩abVIEW是美國國家儀器公司（ National
Instruments）研制的虛擬儀器圖形編程語言，它是一個高效快速的圖形化開發環境，編程簡單，特別適合于數據采集和控制、數據分析以及數據表達。LabVIEW圖形界面豐富，可以容易地制作各種圖形界面。

LabVIEW編程方法不同于傳統程序設計方法，它擺脫了傳統語言線性結構的困擾。因為LabVIEW的執行順序是由數據流的方式確定的，而不是按照代碼行出現的順序，因此可設計出同時執行多個程序的流程圖。在人機界面設計時，可從控制模板中選取所需的控制及數據顯示對象。

LabVIEW直接支持的數采卡價格昂貴，而普通的國產數采卡是用傳統的編程語言編寫的，開發人員會覺得非常不便，為了能在
LabVIEW環境下使用廉價的國產數采卡，本文開發國產數采卡在 LabVIEW環境下的驅動程序。

2.3.1制作驅動程序的方法
用LabVIEW的Call Library
Functions圖標，動態鏈接數據采集插卡的．DLL庫函數。許多數據采集插卡附有．DLL庫函數形式的驅動程序，用戶可使用某種DLL鏈接庫的編程工具，如VC、VB編寫應用程序來調用它。LabVIEW也提供了一個動態鏈接庫函數的圖標
Call Library
Function，放在Functions模板內的Advanced于模板中,用其可完成對數據采集插卡的.DLL庫函數的調用。

2.3.2 虛擬儀器軟件設計
在LabVIEW中，虛擬儀器由前面板front－panel和流程圖block－diagram組成。前面板對應于電子儀器的控制面板，是圖形化的用戶界面，主要用于輸入量的設置和輸出量的觀察。用戶輸入是通過被稱為control的輸入控件來完成，輸出則由被稱為indicator的輸出控件來完成，面板上按鈕的操縱、參數輸入由鼠標和鍵盤完成，檢測出兩校正平面的不平衡量大小和不平衡相位均以極坐標圖和數字顯示出來。
前面板完成了虛擬儀器與用戶之間的人機交互，用戶所面對的是計算機儀表的外在形式。流程圖則是完成程序功能的圖形化原代碼。通過在流程圖中對信號數據輸入輸出的指定，完成對虛擬儀器所具有的信號采集，分析處理功能的操作與控制。按動平衡測量系統的功能要求，編寫出如圖2所示的虛擬儀器主程序流程圖





2.4 用戶界面
動平衡測試系統界面如圖3所示。面板大致由6個功能模塊組成：不平衡診斷、軸心軌跡圖、波形顯示、參數設定、不平衡量大小和相位解算、結果顯示（極坐標圖）、報告輸出。

不平衡診斷模塊：轉子不平衡故障具有比較明顯的特征，不平衡轉子的振動波形為正弦波，軌跡為橢圓形，振動幅值和相位比較穩定，信號的主頻為與轉速同步的工頻分量。如果工作轉速下的機組出現上述特征，在排除軸承座剛度不足等缺陷后，可以認為機組存在不平衡問題。

波形顯示模塊共有2個波形顯示圖，分別為兩通道振動波形；
參數設定用以設置現場動平衡時測量系統的各種參數，包括采樣點數、輸入電壓范圍以及工況狀態設定，即選擇原始振動狀態、第一次試加重、第二次試加重、平衡后狀態。

不平衡量解算模塊將各個工況下設備的振幅、相角存入相應數組，以求解2個校正平面上應加的不平衡量大小及方位。極坐標圖形模塊把求得的不平衡量按矢徑的大小及與水平方向夾角的方位繪出極坐標圖，使操作者一目了然應加重的大小、方位。

此外，該軟件擬設計一個小型數據庫。可以集中一次把需要進行動平衡測試的轉子的各項參數輸入并保存，操作人員每次開機后只需選擇代號就完成了參數的輸入。





3 結束語
綜上所述，引入圖形編程語言LabVIEW軟件平臺后，不僅操作方便，界面友好，而且滿足了測試效率和精度的要求，大大節約了設備成本。
虛擬儀器的應用，對于機械參量的測試技術提供了良好的設計途徑，運用LabVIEW簡單的編程環境，極大地提高了應用系統的開發效率，簡化了開發過程，充分展示了“軟件就是儀器”的最新概念，且可支持各種測試系統，實現眾多的儀器功能，其應用前景廣闊。

參 考 文 獻
1 楊建剛.旋轉機械振動故障分析與治理. 南京：東南大學測振儀器廠，2000
2 樣樂平，李海濤，肖相生.LabVIEW程序設計與應用.北京：電子工業出版社,2001
3 蒙艷枚等.虛擬儀器在改造動平衡實驗機中的應用.機械與電子，2001(6)
4 詹超云等.基于LabVIEW的動平衡測試系統設計.南京理工大學學報，2001
5 陳劍等.現場動平衡測量系統的實現及其軟件開發.合肥工業大學學報，1996
6 熊煥庭.在LabBIEW中數據采集卡的三種驅動方法.電測與儀表，2001