基于LabVIEW的动平衡虚拟测试系统设计

摘要：介绍了利用虚拟仪器技术开发动平衡测试系统的原理和方法，提出了动平衡虚拟仪器测量系统硬件结构和软件设计思路，并介绍了软件的主要功能。 关键词：动平衡；虚拟仪器；LabVIEW 0 引言 实践表明，引起旋转机械振动的主要原因之一是转子不平衡，约占故障总数的80%。它会带来噪声，加速轴承的磨损，降低产品的性能，缩短机器的使用寿命。因此，对转子进行动平衡，是消除故障的主要手段之一。 目前基于微机硬件平台的虚拟测量仪器己经在许多部门得到越来越广泛的应用。在硬件平台确立之后，虚拟仪器可通过改变软件的方式来适应不同的要求，其功能灵活、开放，容易与其他外设、网络相连，构成更强大的系统，可随着计算机技术的发展和用户的需求进行仪器与系统的升级，在性能维护和灵活组态等多方面都有着传统仪器无法比拟的优点，且投入少，收效大。 本文利用虚拟仪器技术开发动平衡测试系统，且在虚拟仪器开发平台LabVIEW下实现，界面非常直观形象。LabVIEW使用的都是测试工程师们熟悉的旋钮、开关、波形图等，因此无需太多编程经验，只要以很直觉的方法建立前面板人机界面和方块图程序，便可以完成编程过程，使编程者免于传统程序语言线性结构的困扰， 从而缩短开发周期，降低成本。 1、动平衡测量系统基本原理 现场转子动平衡通常可分为单平面和 两平面平衡两类。单平面平衡是一种特殊情况，多数情况下需要在两个平面上同时加重进行平衡。本文以两平面平衡为例。 两平面平衡基本原理为：一个刚性转子总可以在不与转子重心相重合、同时与旋转轴线垂直的两个校正平面上，加上（或减去）适当的重量来达到动平衡，转子旋转时其两端的轴承受到了不平衡力的作用，它包含着不平衡量的大小和相位信息。 计算不平衡量的方法包括谐分量法和影响系数法，两平面平衡通常采用影响系数法。具体步骤如下： 解该方程组可以求得两个平面上的加重大小和角度。 2 虚拟仪器测量系统的设计 2.1 测量系统总体设计 承处的振动传感器将振动信号转变为电压信号，经滤波放大后输入到A/D转换器，同时将基准讯号发生器发出的基准相位信号经过预处理后也输入到A/D转换器，A/D转换器将模拟量转变为数字信号，送入虚拟仪器软件包进行分析处理，显示出不平衡量的大小和相位。 2.2 测试系统硬件组成 硬件由信号调理电路、A/D转换部分和PC机组成，信号调理包括放大和滤波，通过调理电路，放大传感器输出的微弱信号，滤除干扰信号，为A／D转换部分提供适当幅度的输入模拟信号。 2.3 LabVIEW软件平台 Lab VIEW软件完成3方面任务：数据采集、数据分析和数据表达。LabVIEW是美国国家仪器公司（ National Instruments）研制的虚拟仪器图形编程语言，它是一个高效快速的图形化开发环境，编程简单，特别适合于数据采集和控制、数据分析以及数据表达。LabVIEW图形界面丰富，可以容易地制作各种图形界面。 LabVIEW编程方法不同于传统程序设计方法，它摆脱了传统语言线性结构的困扰。因为LabVIEW的执行顺序是由数据流的方式确定的，而不是按照代码行出现的顺序，因此可设计出同时执行多个程序的流程图。在人机界面设计时，可从控制模板中选取所需的控制及数据显示对象。 LabVIEW直接支持的数采卡价格昂贵，而普通的国产数采卡是用传统的编程语言编写的，开发人员会觉得非常不便，为了能在 LabVIEW环境下使用廉价的国产数采卡，本文开发国产数采卡在 LabVIEW环境下的驱动程序。 2.3.1制作驱动程序的方法 用LabVIEW的Call Library Functions图标，动态链接数据采集插卡的．DLL库函数。许多数据采集插卡附有．DLL库函数形式的驱动程序，用户可使用某种DLL链接库的编程工具，如VC、VB编写应用程序来调用它。LabVIEW也提供了一个动态链接库函数的图标 Call Library Function，放在Functions模板内的Advanced于模板中,用其可完成对数据采集插卡的.DLL库函数的调用。 2.3.2 虚拟仪器软件设计 在LabVIEW中，虚拟仪器由前面板front－panel和流程图block－diagram组成。前面板对应于电子仪器的控制面板，是图形化的用户界面，主要用于输入量的设置和输出量的观察。用户输入是通过被称为control的输入控件来完成，输出则由被称为indicator的输出控件来完成，面板上按钮的操纵、参数输入由鼠标和键盘完成，检测出两校正平面的不平衡量大小和不平衡相位均以极坐标图和数字显示出来。 前面板完成了虚拟仪器与用户之间的人机交互，用户所面对的是计算机仪表的外在形式。流程图则是完成程序功能的图形化原代码。通过在流程图中对信号数据输入输出的指定，完成对虚拟仪器所具有的信号采集，分析处理功能的操作与控制。按动平衡测量系统的功能要求，编写出如图2所示的虚拟仪器主程序流程图 2.4 用户界面 动平衡测试系统界面如图3所示。面板大致由6个功能模块组成：不平衡诊断、轴心轨迹图、波形显示、参数设定、不平衡量大小和相位解算、结果显示（极坐标图）、报告输出。 不平衡诊断模块：转子不平衡故障具有比较明显的特征，不平衡转子的振动波形为正弦波，轨迹为椭圆形，振动幅值和相位比较稳定，信号的主频为与转速同步的工频分量。如果工作转速下的机组出现上述特征，在排除轴承座刚度不足等缺陷后，可以认为机组存在不平衡问题。 波形显示模块共有2个波形显示图，分别为两通道振动波形； 参数设定用以设置现场动平衡时测量系统的各种参数，包括采样点数、输入电压范围以及工况状态设定，即选择原始振动状态、第一次试加重、第二次试加重、平衡后状态。 不平衡量解算模块将各个工况下设备的振幅、相角存入相应数组，以求解2个校正平面上应加的不平衡量大小及方位。极坐标图形模块把求得的不平衡量按矢径的大小及与水平方向夹角的方位绘出极坐标图，使操作者一目了然应加重的大小、方位。 此外，该软件拟设计一个小型数据库。可以集中一次把需要进行动平衡测试的转子的各项参数输入并保存，操作人员每次开机后只需选择代号就完成了参数的输入。 3 结束语 综上所述，引入图形编程语言LabVIEW软件平台后，不仅操作方便，界面友好，而且满足了测试效率和精度的要求，大大节约了设备成本。 虚拟仪器的应用，对于机械参量的测试技术提供了良好的设计途径，运用LabVIEW简单的编程环境，极大地提高了应用系统的开发效率，简化了开发过程，充分展示了“软件就是仪器”的最新概念，且可支持各种测试系统，实现众多的仪器功能，其应用前景广阔。 参 考 文 献 1 杨建刚.旋转机械振动故障分析与治理. 南京：东南大学测振仪器厂，2000 2 样乐平，李海涛，肖相生.LabVIEW程序设计与应用.北京：电子工业出版社,2001 3 蒙艳枚等.虚拟仪器在改造动平衡实验机中的应用.机械与电子，2001(6) 4 詹超云等.基于LabVIEW的动平衡测试系统设计.南京理工大学学报，2001 5 陈剑等.现场动平衡测量系统的实现及其软件开发.合肥工业大学学报，1996 6 熊焕庭.在LabBIEW中数据采集卡的三种驱动方法.电测与仪表，2001 Virtual Balance System Development based on LabVIEW QI Xiao-Ying YANG Jian-Gang (NERC of Turbo-generator Vibration, Southeast University, Nanjing 210096, China) Abstract A principle and method that virtual instrument technology is used to develop dynamic balancing equipment is put up, the method of the dynamic balancing virtual measuring system about the hardware architecture and the software design are given, and the main functions of the software are introduced. Key words dynamic balance; virtual instrument; LabVIEW