基于LabVIEW的高速压力机振动测试系统.pdf

基于 L a b VI E W 的高速压力机振动测试系统 郑基睿 赵宇 柯尊芒 1 南京航 空航天大学机 电学院 江苏 南京 2 1 0 0 1 6 2 徐州锻压机床厂集团有限公 司 江苏 徐 州 2 2 1 1 1 6 Hig h s pe e d Pr e s s e s Vib r a t io n Te s t Sy s t e m Ba s e d o n La bVI EW ZHENG J i r u i ZHAO Yu KE Zu n ma n g 1 Co l le g e o f CME E Na n j i n g Un iv e r s it y o f Ae r o n a u t i cs a n d As t r o n a u t i cs Na n j in g 2 1 0 0 1 6 Ch i n a 2 Xu z h o u Me t a lf o r mi n g M a ch in e W o r k s Gr o u p Co Lt d Xu z h o u 2 2 1 1 1 6 Ch in a 摘 要 为研 究转速 和 气压对 压 力机振 动 的影 响 设 计 了以压 电陶 瓷为传 感 元件 和 L a b VI E W 为开 发 平 台的 高速 压 力机振 动 测试 系统 介 绍 了系统测 量 方 案 系统硬 件 组成 和 软 件 功 能 使 用基 于 Ma t la b 脚 本 的分析 模 块分 析 机 床 振 动 信 号 实现 振 动 信 号 的数据预处理 频谱 分析 振 幅计算 和模 态参数 识 别 调试结果表 明 该测试 系统具有操作方便 和和 效率高等特点 满足 了振动信号分析的要求 关键词 振动 L a b VI E w I T D法 信号处理 中图分 类 号 TH8 2 5 文 献标 识码 A 文 章编 号 1 0 0 1 2 2 5 7 2 0 1 3 0 1 0 0 1 3 0 3 Ab s t r a ct Th e p ie z o e le ct r ic ce r a mic s e n s in g e le me nt a nd La b V I EW d e v e lo pme n t pla t f o r m v ibr a t i on t e s t s y s t e m o f hi gh s pe e d pr e s s e s wa s de 收稿 日期 2 0 1 2 0 9 1 3 基金项 目 2 0 1 0 年 十 批 江 苏 省 科 技 创 新 与 成 果 转 化 项 目 B Y2 0 1 0 1 0 8 江苏省数字化制造技术重点实验 开放课题 HGDML 一0 9 0 6 南 航 青 年 科 技 创 新 基 金 项 目 N 2 0 1 0 1 4 6 s ig ne d f o r t he s t ud y o f s p e e d a nd pr e s s u r e on t he pr e s s e f f e ct of v ib r a t io n Th e s ys t e m t he ha r d wa r e co mp o n e n t s a n d s o f t wa r e f u n ct io n wa s in t r o d u ce d The m a chin e v ibr a t ion s i gna l wa s a na ly z e d by M a t la b s cr ip t s cr ip t ba s e d a na ly s is mo du le r e a l iz i ng v ibr a t i o n s ign a l da t a pr e p r o ce s s ing s pe ct r a l a na ly s is a mp lit u d e ca lcu la t io n a n d mo d a l p a r a me t e r i d e nt i f ica t io n a n d de bu gg ing r e s ult s s h ows t ha t t he t e s t s ys t e m ha s t h e cha r a ct e r is t i cs o f co nv e n ie n t o pe r a t io n a n d h igh e f f icie n cy I t ca n me e t t he r e q uir e m e nt s o f v ibr a t i on s ign a ls a na ly s is Ke y wo r d s v ib r a t io n La b VI EW t h e I TD me t h o d s i g n a l p r o ce s s in g 0 引言 振动系统是 由振动 激励响应和系统传递特性 组成 研究振动问题就是在振动 激励响应和系统 传递特性三者中已知其二求其一 的问题 但是工 参考文献 1 陈家瑞 汽 车构 造 下册 2版 E M 北 京 机 械工 业 出 版社 2 0 0 5 E 6 2 E 3 4 5 1 陈福恩 同步器 操作 性能 与寿命测试 系统 的研 究 D 长春 吉林大学 2 0 0 5 牛秦 玉 方宗德 杨 剑 电动型 自动变 速器 AMT控 制策略E J 机械 与电子 2 0 0 5 3 5 9 6 1 Ro h i t Ku n a l Ga n e s h Ad ig a S a n j a y Gil l a n d Ma n i s h S h a r ma M a h in d r a S imu la t io n o f g e a r s h if t f o r ce cu r v e a n d s h i f t r a i l r a mp p r o f i le C S AE I n t e r n a t i o n a l Do cu me n t n u mb e r 2 0 1 0 0 1 0 8 9 6 2 0 1 0 Ki m J Pa r k S S e o k C S o n g H e t a 1 S i mu l a t i o n o f t h e s h i f t f o r ce f o r a ma n u a l t r a n s mi s s i o n J P r o c I n s t n 机械与 电子 2 0 1 3 1 7 E 8 Me ch E n g r s Vo 1 2 1 7 P a r t D J Au t o mo b il e En g i n e e r in g 2 0 0 3 3 5 7 3 5 8 1 B o Li S iq in Ch a n g S h u s e n lin An a ly s is a n d S imu la t io n o f G e a r S h i f t f o r a n AMT b a s e d o n 2一 D OF E MAE C I EEE 2 01 1 王建宇 新 型双锥 面式 同步 器 的研 制 D 哈尔滨 哈 尔滨理工大学 2 0 0 5 王 勇 汽车 同步器锁止 角加工 过程 的设 计与仿 真研 究 D 天津 天津大学 2 0 0 5 作者简介 关蕙 1 9 6 7 一 女 满族 江苏南京人 高级讲 师 研究方 向为机 电工程 L a b VI E W 的高速压力机振 程中常见 的机械振动激励和系统传递特性往往是不 清楚的 所以需借助一些振动参数识别 的方法从测 试所得 的振动数据中 确定振动 系统的模态参数估 计 其 中包括模态 固有频 率 模态 阻尼 比和模态振 型 2 精密设备如高速压力机 为 了降低振动 的影 响常采用减振措施将其振动模态参数控制在合理的 范围内 从而保证理想的精度和稳定性口 虚拟仪器技术的开发周期短 可扩展 性价 比高 等优点使得虚拟仪 器逐渐代替传 统仪器 4 L a b VI E w 是虚拟仪器软件平台 由于采用 图形化编程 语言 G语言 具有程序简洁直观和数据处理能力 强等诸多优势 所以被广泛应用在航空航天 汽车和 生命 医学等领域 1 测量方案设计 振 动测 试 系统是 为研究 转速 和气 压对压 力机 振 动 的影响而设计的 选择上横梁和下横梁作为被测 位置 每个测量位置的 2个水平方 向和 1个竖直方 向布置加速度传感器 在高速压力机工作过程中诸 多因素会引起振动 如转速 气压 温度 间隙和机身 刚度 由于温度和间隙都是 随时间变化的 为降低 温度和间隙 2个因素的干扰 所以选择稳定性 高的 时间范围内且较短时间的信号作为研究转速和气压 对 振动影 响 的数据 2 测量 系统 的组成 基于 L a b VI E W 的高速压力机振动信号测试系 统是由硬件和软件两个部分组成 其 中硬件实现振 动信号采集 调理和传输功能 软件实现信号显示 保 存 处理 和分 析功能 2 1 系统 硬件 设计 系统硬件 由压电陶瓷传感器 电荷放大器 数据 采集 卡和 P C机组 成 如 图 1所示 H狸 科 热 H 熬 H 图 1 测试 系统硬件组成 压电式传感器具有响应频率宽 灵敏度高 信噪 比高 结构简单 工作可靠和重量轻等优点 根据被 测信号的特点 选择压 电陶瓷 KDI O 0 2作为传 感元 件 电荷放大器的作用是将压电陶瓷获取的电荷信 号转换成计算机可识别 的电压信号 数据采集卡选 择 研华 公 司的 US B一4 7 1 6 最 大采 样 频 率 达 到 2 0 0 1 4 k Hz s 分辨率为 1 6 b i t s 拥有 1 6个采样通道 2 2系统软件设计 基 于 L a b VI E W 的高速压 力机 振动 测 试 系统 软 件 由数据测量和数据分析两个模块组成 采用子面 板 技术 实现 2个 模块 相 互 切 换 测试 系统 程 序 面板 如 图 2所示 图 2 测 试 系统 程 序 面板 数据 测量 界 面 由参数 设置 和加 速度显 示 两个选 项卡组成 在采集信号之前 需初始化参数设置选 项卡中的工况信息 采集卡设置 标度转换 滤波器 设置 数据保存和采集设置相关设置 其中 数据保 存文件选择 1 Vm 格式的测量写入文件 其优点体 现在测量写入文件中有测量时间等信息 还可 以在 说明信息框 中填写被测信号 的相关信息方便分析振 动信号 如压力机的机型 转速和气压等参数 在数据分析之前 先对数据进行预处理 之后完 成数据分析功能 其 中 数据预处理依次经过剔除 奇异值 去除趋势项和平滑处理 3 个步骤 步骤 1 使用一 阶差分法剔除信号 中的明显错 误的奇异数据 步骤 2 经过最小二乘法 去除信号 中的随着 时 间变化 的偏 离基线 的趋 势 项趋 势 项 其 产 生 的 原 因 是 由于放大器随着温度变化产生的零点漂移和传 感器频率范围外低频性能的不稳定以及传感器周围 的环境 干扰 步骤 3 使用平滑处理法处理掉信号中的毛刺 同时消除了信号 中的不规则趋势项 数据分析模块包括频谱分析 振幅计算和模态 参数识别 3个功能 其中 频谱分析是使用 f f t 变换 获得频域里的振动信号 振幅计算是借助梯形 法离 散积分获得振幅数据 模态参数识别是通过随机减 量法得到 自由振动响应后 使用 I T D法识别法获得 结构的模 态 参 数 6 数 据分 析 模 块 程 序 是基 于 Ma t la b脚本编写的 具有兼容 Ma t la b软件 和强大 机 械 与 电子 2 O l3 1 基 于 La b VI E W 的计算能力等特点 其 中模态参数识别程序如图 3 所示 数据分析界面中的加速度信号 振幅信号 加 速度频谱分析和模态参数识别 4个按钮按下后 软 件调用 Ma t la b将分析信号 结果 以 Ma t la b图的形 式显示 同时振动系统结构 的 3个模态参数 自振频 率 阻尼 比和振型系数所对应 的二 阶值显示在数据 分析前面板中 l数识别 l I 真 v 振 篓 别 2 个 步 骤 J 2 1 随机 减量法 医 百 S T 4 s f 5 0 0 溅 a 3 l n 6 5 a lo a d C 1 0 0 0 戗f 9 N n 4 1 O g io bt h a nl 0 盆 r 墅 r 图 3 模 态参数识别程序 3 应 用分析 以某机床振动信号为例 使用分析模块分析该 信号 加速度信号键按下后 软件调用 Ma t la b执行 数据预处理 出现振动信号预处理的前后对比图 如 图 4所 示 对 比可 发 现 预处 理 后 的数 据 明显 平 滑 没 有毛刺 模态参数识别的分析结果以实测的和 I T D 法获取振动信号的自由振动响应对 比图出现 如图 5所示 其中 Ma t la b图中有两条曲线 一条是使用 随机减量法从振动信号中提取的实测 自由振动响应 a 未处理的加速度信号 b 处理后的加速度信号 图 4 振动信号预处理 的前后对 比 机 械与电子 2 0 1 3 1 曲线 另外一条是借助 I T D法识别的参数模态参数 拟合获得的曲线 同时测试系统前面板 中显示该振 动结构 3个模态参数的二阶值 对 比图 5中的 2条 曲线发现 使用 I TD法拟合的 自由振动响应 曲线和 实测的 自由振动响应曲线比较接近 图 5买 测 的和 I TD法 获 取 振 动 信号的 自由振动响应对 比 4 结 束 语 基于 L a b VI E w 的高速压力机