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基于 LabVIEW 的加工中心工作台振动特性参数测试方法的研究
2017-10-11  来源:长春理工大学 机电工程学院   作者:姜昊, 高艺

   
       摘 要:现代机械制造中,振动测试、数据采集和数字信号处理为重要的组成部分。过去的振动测试方法十分复杂繁琐,需要大量的测试仪器,浪费不必要的资源。所以,设计一种基于 LabV IEW 的振动测试分析系统。该系统由硬件和软件测试两部分组成。可以对加工中的振动进行实时分析,通过实践证明其有效性和合理性。
 
       关键词:LabV IEW ;加工中心工作台;振动测试;信号处理
 
       0 引 言
 
      加工中心一般多指数控铣床,数控铣床加工零件时,工件与铣头部分会产生剧烈的振动。长时间的振动会加剧铣刀的磨损,从而缩短加工中心和铣刀的寿命;而且机械振动产生的噪声,会对人的听力和身心产生危害,降低工人的工作效率。加工中心加工精度高,适应性强,而振动会影响被加工件的表面粗糙度。所以需对加工中心工作台进行故障检测。
 
     我国振动测试仪器大多是传统的测试仪器,使用复杂且价格不菲。基于 LabVIEW 编程软件的测试方法,已经成为较为流行的一种编程语言。与其他语言不同点是其用图形化编程,用户基本不用写代码,仅用流程图就可以完成测试任务,化繁为简,提高了工作效率,体现出快捷性和方便性。该系统在机械工业领域中得到了广泛应用。
 
      1、 振动测试系统结构组成
 
      此振动系统主要由两部分组成:一是硬件部分,其中包括传感器(加速度、温度、压力)和信号调理电路、PC、数据采集卡。主要是采集、测量信号或参数,使其变为标准的电流信号或电压信号。二是软件部分,使用 LabVIEW虚拟仪器进行编程,即对于所获取的测量信号或参数进行处理和分析。
 
      1.1 硬件系统构成
  
      本测试系统对加工中心进行振动测试,根据各方面因素考虑选择压电加速度传感器。机械振动测量一般采用压电式加速度传感器对被测物的振动测量。它是一种自发电式和机电转换式传感器,其压电材料受力后表面产生电荷,此电荷经电荷放大、测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。这种测量方法在机械工业领域中得到广泛应用。
  
     信号调理电路是重要的环节,为了更精确地测量信号,信号调理部分对电压信号进行放大、滤波、隔离和多路转换。对振动测量数据的可靠性进行提升。数据采集卡主要任务为生成和测量物理信号,把此信号传输到 PC 计算机里。本测试系统采用 NI 公司的 PCI-6221 型采集卡[1],16位 250kS/s 采集速率,16 路带 37 针 D-Sub 的模拟输入。硬件系统流程图如图 1 所示。
  
  
       
                                         图1 振动测试系统流程图
 
      1.2 软件系统设计
 
      LabVIEW 虚拟机主要有数据采集、数字信号处理、文件 I/O、信号分析、波形显示等。虚拟振动测试系统的软件结构如图 2 所示。
    
      

     
               图 2 虚拟振动测试系统的软件结构图
   
       数据采集在振动测试系统当中的重要性是十分显著的。它将外部物理信号或参数与PC 计算机连接到一起。数据采集卡测量物理信号和参数,处理原始数据或存储数据[2]。再通过数据采集助手创建应用程序,此工具是利用图形化接口来完成数据采集任务。

       文件 I/O 通常是对不同类型的振动测试数据存取和读取,方便以后对数据进行分析或处理、波形回放等。本振动测试系统把测得外界数据存储起来,用二进制格式进行存储。二进制格式是文件格式读写速度最快的一种方法,而且存储的数据格式不用转换,所需磁盘空间小。数据读取选择 TDM 文件(Technical Data Management),将文本数据从 TDM 文件中读取波形信息。数据预处理是将从压电式传感器所测得的信号经过处理再进入数据采集卡,主要包含放大功能、隔离功能、滤波功能、激励及线性化等。本振动测试系统的重点是信号滤波,把所测量的信号滤掉不需要的部分。为了除去噪声,选择低通滤波器[3]。
 
     时域分析是在输入一定的条件下,根据输出时域表达式,以最直观的方法对物理信号时域波形来判断系统的稳定性、瞬态及稳态性能。其中包括特征参数及相关分析。频域分析通过傅里叶变换,以输入的频率为变量,分析特征参数与信号之间的关系。测试系统主要是功率谱分析、幅频和相频分析。功率谱密度:因加工中心工作台振动过程中产生大量的振动信号,信号中存在着大量的噪声,通过功率谱密度在不同的频率下的功率密度,从而能减少噪声带来的误差,功率谱包括自功率谱和互功率谱。幅频分析:输入和输出的幅值比 B/A。相频分析:相位角 φ 随频率 ψ 的变化波形。本系统输入的为正弦信号。滤波程序后面板框图,如图 3。
  

     
  
                         图 3 滤波程序后面板框图


     加工中心工作台振动测试系统的主面板图4 所示。能够直观地看出输入的原始 信 号 ,可以设置采样频率、采样点以及采样通道,采样通道的 1 通道为随机信号,2 通道为正弦信号,3 为混合信号[4]。按钮和实际中的设备只需点击或滑动就可以实现操作,方便快捷。
  
     

                            图 4 振动测试系统前面板
   
      2 、振动测试系统测试与分析
 
     使用该振动测试系统 对加工中心进行振动信号分析、处理。此次测试实验,首先设置采样频率、采样通道和采样点;再点击开始采集按钮。其测得的功率谱如图 5 。与传统仪器测得数据一致,其余的图谱也一致,不再例举。此振动测试系统用仿生信号加以模拟,创建了一个叠加了正弦波和均匀白噪声的仿真信号源,选择数字滤波器(无限冲激响应),其优点:冲击响应无限持续,不会衰减。运行结果数据一样,证明此振动程序功能可靠,比较完善。

     
  
                        图 5 功率谱分析图
 
     3、 结 论
 
     基于 labVIEW的 振 动 测 试 系 统应用到加工中工作台,相比传统仪器 测 试 方 便 、快捷,大大提升了效率。将测得的振动原始信号进行处理,进行时域、频域及功率谱分析,代替了复杂繁琐的各类仪器,节省了人力、财力。LabVIEW 虚拟机提供大量的图形控件,采用数据流模型,用连线表示数据流向。随 PC 计算机的发展,各类采集卡也相应地发 展起来 。
 
    LabVIEW 虚拟平台可以完成数据采集、仪器控制、运动控制工业监控等任务,已经被公认为标准的数据采集和仪器控制软件。

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