孙丽萍，尹爱军

（重庆大学测试中心，重庆 400044）

0 引 言

在现代工程技术领域中，动平衡测试分析已成为旋转机械工程中的一个重要环节。为适应现代动平衡的需要，提高测试精度，该文将虚拟仪器技术、数字信号处理技术与动平衡技术相结合，采用影响系数法，利用LabVIEW组建了基于虚拟仪器技术的动平衡测试系统。该系统充分利用了计算机的存储和计算功能，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。

1 动平衡测试原理

由于生产的需要，转子动平衡的理论发展迅速，出现了多种平衡方法，主要有振型平衡法和影响系数法。振型平衡法基于叠加原理，结构复杂，不易实现自动化；影响系数法是一种完全建立在试验基础之上的平衡方法，对转子的动特性了解要求较少，特别适合用于现场动平衡，得到了广泛应用。

1.1 影响系数法

基于影响系数的双面动平衡法的步骤如下：

（1）分别求得工作转速下由原始不平衡量引起的 A 处和 B 处的振动，XA=Xa∠φa，XB=Xb∠φb。

（2）在左校正面上加试重，mL=ml∠φl，然后测得A 处和 B 处的振动，XAL=Xal∠φal，XBL=Xbl∠φbl。

（3）移去 m1，在右校正面上加试重 mR=mr∠φr，然后测试 A 处和 B 处的振动，XAR=Xar∠φar，XBR=Xbr∠φbr。

（4）计算影响系数

（5）计算不平衡量

（6）加配重消除不平衡量。

1.2 基于相关法的振动幅值和相位的计算

准确计算不平衡量振动的幅值和相位是动平衡校正的关键。利用相关函数可准确地提取出振动信号中基频的幅值和相位。在 x（t）、y（t）均为实能量信号的情况下互相关函数定义为

它描述了2个信号之间的相似程度，是在多频成分信号中提取有用信号的有效方法。一般情况下，测试振动信号成分复杂，除了转速基频以外还有倍频、亚倍频及随机振动成分，如式（5）

式中：a0——直流分量；

ωi——各信号频率；

αi——不同频率信号的相位；

s（t）——干扰信号。

设频率为ω，相位为0的标准正弦和余弦信号为

分别与式（6）所示的输入信号进行互相关

于是得到振动基频信号的幅值和相位分别为

2 基于LabVIEW的动平衡测试系统设计

该文采用LabVIEW8.6平台开发动平衡测试系统[1-2]。

2.1 测试系统的组成

动平衡测试系统由数据采集模块、2个速度测振传感器、光电转速传感器及虚拟仪器软件系统组成，如图1所示。在测试过程中，2个振动传感器检测左右2个测点的振动速度信号；同时光电转速传感器检测主轴转速脉冲信号，形成与主轴转速同频率的基准信号[3]。

图1 测试系统总体设计框图

2.2 动平衡的测试分析流程

双平面动平衡测试的流程如图2所示。（1）设置采样频率、采样点数、物理通道等参数，在工作转速下测试转子的初始振动值；（2）在A平面上加试重，测试在A平面上加试重后转子的振动值，拆除A面所加试重；（3）在B面加试重，测试在B面加试重后转子的振动值，拆除B面所加试重；（4）计算配重，在两校正平面上加配重，测量校正后转子的振动值[4-5]。

图2 动平衡测试流程图

2.3 测试软件的设计

测试软件模块如图3所示，主要包括信号采集、参数设置、信号分析、结果显示及报表输出等部分。主要介绍系统的数据采集、信号分析处理模块[6]。

图3 软件模块图

（1）数据采集。DAQmax对采集有关的参数、操作进行了很好的封装，如采样长度、采样频率、通道、灵敏度等。系统在DAQmax的基础上，实现了3个通道的数据采集管理，采集子VI的程序框图如图4所示。

图4 3通道数据采集程序

（2）数据分析与处理。数据的分析与处理是完成动平衡测试系统的关键，主要包括转速的测量、基频幅值和相位的准确计算、利用影响系数法进行动平衡配重的计算3个模块。

首先由光电转速脉冲基准信号，利用LabVIEW中的单频测量VI得到转速和基频相位，程序框图如图5所示。

图5 转速测量程序

由基频转速生成标准的正弦信号和余弦信号。然后将实测振动信号分别与正弦、余弦信号做互相关，得到振动信号基频幅值和相位，程序框图如图6所示。

图6 振幅及相位测量程序

最后计算影响系数，并确定不平衡量。该文对双面校正分析过程中的各种情况都做了分析，程序框图如图7所示。

图7 双面配重计算子VI程序框图

3 现场实验

为了验证系统的性能，在宁江机床厂对CKN1112系列CNC全功能型数控纵切自动车床电主轴做了现场试验。该轴为细长轴，需进行双平面动平衡分析。试验现场布局如图8所示。轴逆时针旋转，在2个轴承的垂直方向分别安装速度振动传感器，在A平面外侧轴上贴有反光片，激光转速传感器水平安装。

图8 现场布置图

图9 A面校正前后的频谱图

图10 B面校正前后的频谱图

图9表示转子转速为4500r/min时A测点校正前后的频谱图。如图可以看出，测点基频振动速度值从0.045 mm/s下降到0.013 mm/s，A面的不平衡振动已基本消除，校正后的基频振动已经不是主要成分。

图10为相同转速下B测点校正前后的频谱图。由图10可以看出，测点基频振动速度值从0.144mm/s下降到0.042 mm/s，B面的振动明显下降，校正后基频的振动量要小于二倍频成分，已经不是主要成分。

4 该虚拟测试仪与传统仪器的对比分析

虚拟仪器技术的图形化编程模式可以大大提高软件的开发速度，而且是专门针对测试系统所开发的软件，因此具有强大的数据分析、数据控制和数据表达能力，更重要的是它以PC机和数据采集卡为通用硬件平台，较之传统仪器更加易于维护，并且成本大大降低[7-8]。在通用硬件平台确定之后，其功能主要是由软件实现测试，而不像传统仪器那样主要是由硬件决定，比较容易实现技术的更新和功能的扩展。因此，将虚拟仪器应用于动平衡测试系统，可以使整个系统有较高的精度，缩短开发时间，降低成本，提高编程效率，并且具有良好的使用效果，系统易于维护和实现功能的扩展和升级，具有较好的发展前景[9-10]。

5 结束语

该文利用LabVIEW完成动平衡测试系统的开发，并进行现场生产验证。系统操作方便，界面友好，能完成数据采集、分析与处理等功能，减少了人工干预，增强了测试分析过程的自动化，提高了测试的准确性，比传统的动平衡测试仪具有更高的性价比。

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