基于虚拟仪器的动平衡仪设计与测试方法研究

　　旋转机械振动的主要因素是转子的不平衡引起的, 是主要的激振源, 也是多种自激振动的触发因素[ 4] 。要消除或减少机器的震动, 首先要考虑对转子进行动平衡。整机动平衡的方法很多, 主要有: 测幅整机平衡法、测相整机平衡法、测相测幅平衡法。本文采用的是测相测幅平衡法, 即通过同时测量转子的幅值和相位, 采用加重或去重的方式使转子达到平衡状态。近年来, 由于电子技术、单片机技术以及计算机技术的发展, 国内外科技人员研制开发了不同转子类型的动平衡仪, 德国辛克公司的硬支承卧式动平衡装置, 采用先进的计算机处理系统对不同转子进行动平衡检测。但该装置价格昂贵, 体积庞大。国内动平衡机检测装置多用单片机及DSP 系统为核心的装置, 价格低廉, 但通用性较差。开发研制出一种价格低廉、性能优良及通用性强的动平衡仪是每一个科研人员追求的目标。本文的动平衡机采用的是硬支承结构, 使用便携热插拔式USB 高速数据采集接口, 通过Labwindows/CVI 虚拟软件开发平台, 针对动平衡的特点, 对小波算法进行了研究, 提出将谐波小波应用于动平衡机不平衡量提取, 开发出一种智能型的动平衡仪。

　　1 动平衡机系统设计

　　111 测试系统主要硬件设计

　　测试系统主要由计算机系统、USB 数据采集模块、左右支撑偏心振动测振传感器模块和相位测量光电传感器模块等组成( 如图1) 。当被测转子在部件上被拖动旋转后, 由于转子的中心惯性主轴与其旋转轴线存在偏移而产生不平衡离心力, 迫使支承做强迫振动, 安装在左右两个硬支撑机架上的两个有源压电力传感器感受此力而发生机电转换, 产生两路包含有不平衡信息的电压信号输出到USB数据采集装置的两个信号输入端; 与此同时, 安装在转子上方的光电相位传感器产生与转子旋转同频同相的参考信号, 通过数据采集器输入到计算机。由计算机对信号进行数据采集与处理。

　　1. 2 虚拟仪器设计

　　本文采用美国国家仪器公司( Nat ional Instruments,NI) 开发的用于设计虚拟仪器的Labwindows/CVI 开发平台。与传统的计算机语言如VC+ + ,VB 等一样, 是一种编程语言, 是基于C 开发环境的编程语言。所不同的是Labwindows/ CVI 开发平台集成了常用的界面编程控件、数据采集控件以及常用算法程序包, 使编程简单化, 效率高, 界面友好。把主要精力用于数据处理及算法的编程中。可以用通用硬件结构设计出多种仪器, 实现/ 软件就是仪器0。应用虚拟仪器编程效率高, 通用性强, 成本低[ 5] 。

　　计算机通过数据采集器采集此三路信号, 由虚拟仪器进行前置处理, 小波算法处理, 幅度调整, 频谱分析, 校正面之间的分离解算, 最小二乘加权处理等。最终算出左右两面的不平衡量( 克) , 校正角( 度) , 以及实测转速( 转/ 分) 。如图2 所示, 仪器界面分为主界面和数据分析界面, 主界面可以对转子进行自动标定, 选择转子形状, 原始数据显示, 显示测量结果。数据分析主界面显示小波处理数据曲线, 频谱分析曲线以及幅值相位分布曲线。通过对曲线的分析, 非常直观地判断测量结果的正确性。