基于LabVIEW的動(dòng)平衡虛擬測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
祁曉英 楊建剛 單位：東南大學(xué)振動(dòng)中心
摘要：介紹了利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)的原理和方法，提出了動(dòng)平衡虛擬儀器測(cè)量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)思路，并介紹了軟件的主要功能。

關(guān)鍵詞：動(dòng)平衡；虛擬儀器；LabVIEW

0 引言
實(shí)踐表明，引起旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)的主要原因之一是轉(zhuǎn)子不平衡，約占故障總數(shù)的80%。它會(huì)帶來(lái)噪聲，加速軸承的磨損，降低產(chǎn)品的性能，縮短機(jī)器的使用壽命。因此，對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡，是消除故障的主要手段之一。
目前基于微機(jī)硬件平臺(tái)的虛擬測(cè)量?jī)x器己經(jīng)在許多部門得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在硬件平臺(tái)確立之后，虛擬儀器可通過(guò)改變軟件的方式來(lái)適應(yīng)不同的要求，其功能靈活、開放，容易與其他外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)相連，構(gòu)成更強(qiáng)大的系統(tǒng)，可隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和用戶的需求進(jìn)行儀器與系統(tǒng)的升級(jí)，在性能維護(hù)和靈活組態(tài)等多方面都有著傳統(tǒng)儀器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，且投入少，收效大。

本文利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)，且在虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW下實(shí)現(xiàn)，界面非常直觀形象。LabVIEW使用的都是測(cè)試工程師們熟悉的旋鈕、開關(guān)、波形圖等，因此無(wú)需太多編程經(jīng)驗(yàn)，只要以很直覺(jué)的方法建立前面板人機(jī)界面和方塊圖程序，便可以完成編程過(guò)程，使編程者免于傳統(tǒng)程序語(yǔ)言線性結(jié)構(gòu)的困擾，
從而縮短開發(fā)周期，降低成本。

1、動(dòng)平衡測(cè)量系統(tǒng)基本原理
現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)子動(dòng)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(shù)情況下需要在兩個(gè)平面上同時(shí)加重進(jìn)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(gè)剛性轉(zhuǎn)子總可以在不與轉(zhuǎn)子重心相重合、同時(shí)與旋轉(zhuǎn)軸線垂直的兩個(gè)校正平面上，加上（或減去）適當(dāng)?shù)闹亓縼?lái)達(dá)到動(dòng)平衡，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)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(jì)算不平衡量的方法包括諧分量法和影響系數(shù)法，兩平面平衡通常采用影響系數(shù)法。具體步驟如下：




解該方程組可以求得兩個(gè)平面上的加重大小和角度。

2 虛擬儀器測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.1 測(cè)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
承處的振動(dòng)傳感器將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，經(jīng)濾波放大后輸入到A/D轉(zhuǎn)換器，同時(shí)將基準(zhǔn)訊號(hào)發(fā)生器發(fā)出的基準(zhǔn)相位信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后也輸入到A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，送入虛擬儀器軟件包進(jìn)行分析處理，顯示出不平衡量的大小和相位。





2.2 測(cè)試系統(tǒng)硬件組成
硬件由信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換部分和PC機(jī)組成，信號(hào)調(diào)理包括放大和濾波，通過(guò)調(diào)理電路，放大傳感器輸出的微弱信號(hào)，濾除干擾信號(hào)，為A／D轉(zhuǎn)換部分提供適當(dāng)幅度的輸入模擬信號(hào)。

2.3 LabVIEW軟件平臺(tái)
Lab VIEW軟件完成3方面任務(wù)：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)荼澩鎩abVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司（ National
Instruments）研制的虛擬儀器圖形編程語(yǔ)言，它是一個(gè)高效快速的圖形化開發(fā)環(huán)境，編程簡(jiǎn)單，特別適合于數(shù)據(jù)采集和控制、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)表達(dá)。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(tǒng)程序設(shè)計(jì)方法，它擺脫了傳統(tǒng)語(yǔ)言線性結(jié)構(gòu)的困擾。因?yàn)長(zhǎng)abVIEW的執(zhí)行順序是由數(shù)據(jù)流的方式確定的，而不是按照代碼行出現(xiàn)的順序，因此可設(shè)計(jì)出同時(shí)執(zhí)行多個(gè)程序的流程圖。在人機(jī)界面設(shè)計(jì)時(shí)，可從控制模板中選取所需的控制及數(shù)據(jù)顯示對(duì)象。

LabVIEW直接支持的數(shù)采卡價(jià)格昂貴，而普通的國(guó)產(chǎn)數(shù)采卡是用傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言編寫的，開發(fā)人員會(huì)覺(jué)得非常不便，為了能在
LabVIEW環(huán)境下使用廉價(jià)的國(guó)產(chǎn)數(shù)采卡，本文開發(fā)國(guó)產(chǎn)數(shù)采卡在 LabVIEW環(huán)境下的驅(qū)動(dòng)程序。

2.3.1制作驅(qū)動(dòng)程序的方法
用LabVIEW的Call Library
Functions圖標(biāo)，動(dòng)態(tài)鏈接數(shù)據(jù)采集插卡的．DLL庫(kù)函數(shù)。許多數(shù)據(jù)采集插卡附有．DLL庫(kù)函數(shù)形式的驅(qū)動(dòng)程序，用戶可使用某種DLL鏈接庫(kù)的編程工具，如VC、VB編寫應(yīng)用程序來(lái)調(diào)用它。LabVIEW也提供了一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)的圖標(biāo)
Call Library
Function，放在Functions模板內(nèi)的Advanced于模板中,用其可完成對(duì)數(shù)據(jù)采集插卡的.DLL庫(kù)函數(shù)的調(diào)用。

2.3.2 虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)
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(duì)應(yīng)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(shè)置和輸出量的觀察。用戶輸入是通過(guò)被稱為control的輸入控件來(lái)完成，輸出則由被稱為indicator的輸出控件來(lái)完成，面板上按鈕的操縱、參數(shù)輸入由鼠標(biāo)和鍵盤完成，檢測(cè)出兩校正平面的不平衡量大小和不平衡相位均以極坐標(biāo)圖和數(shù)字顯示出來(lái)。
前面板完成了虛擬儀器與用戶之間的人機(jī)交互，用戶所面對(duì)的是計(jì)算機(jī)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(guò)在流程圖中對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)輸入輸出的指定，完成對(duì)虛擬儀器所具有的信號(hào)采集，分析處理功能的操作與控制。按動(dòng)平衡測(cè)量系統(tǒng)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(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)界面如圖3所示。面板大致由6個(gè)功能模塊組成：不平衡診斷、軸心軌跡圖、波形顯示、參數(shù)設(shè)定、不平衡量大小和相位解算、結(jié)果顯示（極坐標(biāo)圖）、報(bào)告輸出。

不平衡診斷模塊：轉(zhuǎn)子不平衡故障具有比較明顯的特征，不平衡轉(zhuǎn)子的振動(dòng)波形為正弦波，軌跡為橢圓形，振動(dòng)幅值和相位比較穩(wěn)定，信號(hào)的主頻為與轉(zhuǎn)速同步的工頻分量。如果工作轉(zhuǎn)速下的機(jī)組出現(xiàn)上述特征，在排除軸承座剛度不足等缺陷后，可以認(rèn)為機(jī)組存在不平衡問(wèn)題。

波形顯示模塊共有2個(gè)波形顯示圖，分別為兩通道振動(dòng)波形；
參數(shù)設(shè)定用以設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的各種參數(shù)，包括采樣點(diǎn)數(shù)、輸入電壓范圍以及工況狀態(tài)設(shè)定，即選擇原始振動(dòng)狀態(tài)、第一次試加重、第二次試加重、平衡后狀態(tài)。

不平衡量解算模塊將各個(gè)工況下設(shè)備的振幅、相角存入相應(yīng)數(shù)組，以求解2個(gè)校正平面上應(yīng)加的不平衡量大小及方位。極坐標(biāo)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(biāo)圖，使操作者一目了然應(yīng)加重的大小、方位。

此外，該軟件擬設(shè)計(jì)一個(gè)小型數(shù)據(jù)庫(kù)。可以集中一次把需要進(jìn)行動(dòng)平衡測(cè)試的轉(zhuǎn)子的各項(xiàng)參數(shù)輸入并保存，操作人員每次開機(jī)后只需選擇代號(hào)就完成了參數(shù)的輸入。





3 結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，引入圖形編程語(yǔ)言LabVIEW軟件平臺(tái)后，不僅操作方便，界面友好，而且滿足了測(cè)試效率和精度的要求，大大節(jié)約了設(shè)備成本。
虛擬儀器的應(yīng)用，對(duì)于機(jī)械參量的測(cè)試技術(shù)提供了良好的設(shè)計(jì)途徑，運(yùn)用LabVIEW簡(jiǎn)單的編程環(huán)境，極大地提高了應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)效率，簡(jiǎn)化了開發(fā)過(guò)程，充分展示了“軟件就是儀器”的最新概念，且可支持各種測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)眾多的儀器功能，其應(yīng)用前景廣闊。

參 考 文 獻(xiàn)
1 楊建剛.旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)故障分析與治理. 南京：東南大學(xué)測(cè)振儀器廠，2000
2 樣樂(lè)平，李海濤，肖相生.LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社,2001
3 蒙艷枚等.虛擬儀器在改造動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)機(jī)中的應(yīng)用.機(jī)械與電子，2001(6)
4 詹超云等.基于LabVIEW的動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì).南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001
5 陳劍等.現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及其軟件開發(fā).合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996
6 熊煥庭.在LabBIEW中數(shù)據(jù)采集卡的三種驅(qū)動(dòng)方法.電測(cè)與儀表，2001