基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发

大学生科学研究研究训练开题报告项目名称基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发题目类型设计型学生姓名专业机械电子工程学院机械工程学院年级机电09指导教师2012年5月8日一、选题背景、研究意义及文献综述1选题背景LABVIEW是美国国家仪器公司的最新一代产品，是目前国际上应用最广的数据采集和控制开发环境之一，主要应用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域，使用LABVIEW的用户可以创建独立的可执行文件，能够脱离开发环境而独立运行，从而开发出具体的应用的软件。虚拟仪器设备概念是对传统仪器概念的重大突破，是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物。它利用计算机系统的强大功能，结合相应的硬件，大大突破传统仪器在数据处理、显示、传送、存储等方面的限制，使用户可以方便的对其进行维护、扩展、升级等。转子试验台是一种用来模拟旋转机械振动的实验装置，主要用于实验室验证柔性转子的强迫振动和自激振动特性。通过不同的选择改变转子速度、刚性、质量不平衡、轴的摩擦或冲击条件以及联轴节的型式来模拟机器运行状态，由配置的检测仪表来观察和记录其振动特性，它能有效地再现大型旋转机械所产生的多种振动现象。旋转机械是企业生产中的关键设备，转子作为旋转机械的重要部件，对其进行状态检测与故障诊断技术研究，可有效避免意外事故，减少维修次数，提高设备利用率，降低生产成本，大幅提高企业效益。2研究意义21世纪，以数字、网络和多媒体为代表的信息技术正以惊人的速度改变着人们的生存、工作和学习方式。科学技术飞速发展，知识更新不断加快，传统的实验教学暴露出越来越多的问题，越来越不适用科学技术的发展。表现为实验设备陈旧，教学手段单一，甚至很多实验项目还无法开展，学生很难接触到最新的试验设备和学习到先进的实验技术，这极大的影响了教学的效果，使学生的动手能力和理论水平难以提高，也很难达到教育部提出的“高等教育要重视培养大学生创新能力、实践能力和创业精神”的创新教育的要求。电力电子技术、计算机技术和网络技术的发展使科学研究和生产实践的方法和规模发生了变革，为人们提供了难以置信的工作方式和创造空间。人们把这些技术应用到生产生活中去，已经取得了一定的成绩，如北京工业大学自动化系通过在输入信号和整流电路之间加入工控机，以及使用VC语言实现了学生在控制界面上自己进行典型实验和设计实验，自主选择实验项目和设计新的实验进行毕业设计和综合设计的工作。美国MICHIGAN大学化工系创建的VRICHEL（VIRTUALREALITYINCHEMICALENGINEERINGLABORATORY）将虚拟现实技术应用在化学工程教育领域，设计了多个虚拟实验室，一些原型虚拟实验室已通过国际互联网对用户开放，允许通过国际互联网在虚拟实验室进行交互式实验1。当今的时代是“百舸争流”、“百花齐放”的时代，科学技术的进一步发展，相信“全数字”的实验控制系统一定会在不久的将来冲击人们的视野2。本课题旨在采用LABVIEW作为软件开发平台,融入虚拟仪器设计思想，使LABVIEW与转子试验台系统的互相通信。以计算机和数据采集卡为主要硬件，LABVIEW为软件开发平台，以美国NI公司的LABVIEW作为开发平台，配合NI公司采集卡。虚拟仪器技术的关键是软件,软件是建立现代化测试系统的核心。该项目的软件设计工作主要包括两方面一是建立由LABVIEW图形程序语言来完成的虚拟仪器,利用该语言在信号采集、处理等方面的强大功能,编写模块化程序,建立美观形象的人机界面二是调试并完成转子试验台系统测试程序,利用LABVIEW程序对各传感器信号进行采集,从而实现对轴系的转速、轴心轨迹等参数的实时控制、采集、显示及存储。所以用LABVIEW为软件开发平台,以PC机、数据采集卡和各种传感器为主要硬件,构建虚拟仪器系统，最终实现该系统的设计。3文献综述31转子试验台系统的发展现状转子试验台是一种用来模拟旋转机械振动的实验装置，主要用于实验室验证柔性转子的强迫振动和自激振动特性。通过不同的选择改变转子速度、刚性、质量不平衡、轴的摩擦或冲击条件以及联轴节的型式来模拟机器运行状态，由配置的检测仪表来观察和记录其振动特性，它能有效地再现大型旋转机械所产生的多种振动现象2。旋转机械是企业生产中的关键设备，转子作为旋转机械的重要部件，对其进行状态检测与故障诊断技术研究，可有效避免意外事故，减少维修次数，提高设备利用率，降低生产成本，大幅提高企业效益。目前市场上成品转子试验台的类型很多，有的用于教学演示、有的用于动态实验研究等等。而用于教学演示具有代表性的是美国本特利生产的RK4型转子试验台、北京波谱世纪科技发展有限公司生产的WSZHT1型多功能柔性转子教学试验台和杰韦弗（中国）销售的ZHS5型多功能转子试验台。它们的外观见图11（第一行左一是RK4、左二是WSZHT1，第二行是ZHS5），它们之间的对比见表113，4，5。图11本特利、北京波普及杰韦弗转子试验台表11教学演示方面具有代表性的三种公司转子试验台之间的对比产品型号可以模拟实验工程量检测方式扭矩检测价格RK4转子不平衡转子碰磨转速检测转子轴心轨迹测量单一无4万左右WSZHT1转速检测转子轴心轨迹测量振动加速度检测油膜振荡理论柔性转子动平衡单一无6万左右ZHS5转速检测单一无10万左右振动测量油膜振荡与油膜涡动转子轴心轨迹测量转子振型分析刚性和柔性转子动平衡从表11试验台的对比中可以看出，它们都包括基本的转速检测、轴心轨迹测量（用水平和竖直两个相互垂直方向的位移传感器对轴上同一点进行测量绘制的二维图）、振动加速度检测、油膜振荡、转子动平衡等实验内容，但是这些工程量的检测方式比较单一，将其用于本科教学，学生不能起到对比的作用，不利于学生思维发散能力的提高。而像油膜振荡理论，流体失稳的测量等内容，对本科生来说太过专业，试验台不能被充分利用，造成资源的浪费。从图11中可以看出，试验台的结构形式比较简单，并且性价比低。另外，转矩是重要的机械工程参数之一，在机械测试中占有很大的比例。通过转矩的测量，可以分析零部件、结构或机构的受力状况和工作状态，验证设计计算的正确性，对发展机械设计理论、保证机器的安全运行、实现自动检测、自动控制等都具有重要意义6。目前国内外转子试验台发展研究比较多的一是针对特定旋转机械展开设计和研究，二是以现有的试验台为测控对象对其进行更深层次的研究7，8，9，10。如“立式轴承转子试验台设计”，它是为了实现立式结构轴承转子系统振动检测和机械设备故障模拟等功能；“多支承转子轴承系统轴承负荷辨识试验台设计”，它模拟的是大型旋转机械的核心部件，可用于轴承负荷辨识、状态检测和故障诊断，预防重大事故的发生；“大型转子试验台动态特性分析”，它从油膜轴承、单跨转子、多跨耦合转子系统三方面入手，对模型试验台的动力学特性进行动力学理论分析及实验分析，掌握试验台的动态参数，为建立故障转子系统模型，进行故障模型分析做了准备，“利用粒子群优化算法建立的一个双转子非线性模型”，它以飞行器系统中的一个多入多出的双转子系统为对象使用神经网络和粒子群优化算法研究出了一个非线性模型技术。近年来，随着虚拟仪器技术的迅速发展，借助计算机平台，将虚拟仪器技术和转子试验台结合起来，成为当今的一个研究热点11，12，13。虚拟仪器是以软件为核心，用后可以根据自己的需要，灵活的将各种计算机平台、硬件、软件和各种附件结合起来，形成自己需要的各种特定设备，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，缩短了研发周期，并且通过软件实现对数据的显示、储存以及分析处理，和传统仪器相比，更为广大用户所接受14，15。而利用转子试验台模拟旋转机械中出现的故障实验，借助虚拟仪器系统采集故障信号，并对信号进行有机分析，将实验结果和理论分析相结合，验证转子故障的识别特征；以转子试验台为研究对象，利用虚拟仪器技术以LABVIEW、VB或LABWINDOWSCVI等软件为设计平台，开发新的数据采集和处理系统，改善现有的转子试验台使用性能和研究方法，再借助网络技术，将三者融合在一起，实现对转子试验台的远程测量和控制等都已成为现实。对某些不宜在现场操作的转子试验台系统，通过网络技术和虚拟仪器技术进行远程测量和控制，同时借助视频监控系统可以使操作者更加方便、直观地实现转子试验台的远程测量和控制。满足转子试验台远程测控网络实验的要求，同时为不同地域的科技人员资源共享提供新的途径，是转子试验台未来发展的一个趋势1632转子试验台系统结构组成及功能系统机械部分是BQ2100的重要组成部分，是分析数据的来源，主要功能包括1、通过轴系转动，给出旋转机械真实的振动信息2、进行动平衡实验，直观体现动平衡效果3、模拟油膜振荡实验机械部分主要由动力部分、安装基座、轴系和测量辅件、动平衡辅件组成，示意图如下。主要功能功能一围绕旋转机械动态特性，进行实际模拟实验转子转速控制实验转子临界转速测量转子结构形式（单双轴系）对临界转速的影响转子振动基频、倍频和半倍频转子振动信号原始时域、频域波形及提纯转子振动信号原始轴心轨迹及提纯转子启停机伯德图轴承油膜涡动和油膜振荡转子单点单面动平衡转子多点单面动平衡转子二维全息谱分析其它有关旋转机械振动实验功能二全方位演示旋转机械转动过程中所包含的全部信息图谱显示旋转机械主要在线运行参数（TSI信息集）转速、振动等显示旋转机械主要振动信息（TDM信息集）频谱、轴心轨迹、波特图、级联图等33数据采集系统随着电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器领域中的应用,新的测量理论、测试方法和领域以及新的仪器结构不断出现。计算机处于核心地位,其软件技术和测试系统紧密地结合成一个有机整体,使仪器的结构、概念和设计观点等也发生了突破性的变化。所谓虚拟仪器,就是在通用计算机平台上,用户根据自己的需求定义和设计仪器的测试功能,其实质是将传统仪器硬件和最新计算机软件技术充分结合起来,以实现并扩展传统仪器的功能。与传统仪器相比,虚拟仪器在智能化程度、处理能力、性能价格比、可操作性等方面都具有明显的技术优势13。软件部分是虚拟仪器的心脏。美国NI公司在虚拟仪器概念出现以后,推出了图形化虚拟仪器专用开发平台LABVIEW。此外，还推出了LABWINDOWS/CVI、COMPONENTWORKS等交互式开发平台13。美国HP公司的HPVEE、TEKTRONIS公司的EZTEST和TEKTNS以及美国HEMDATA公司的SNAPMARTER平台软件,也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台。LABVIEW是目前最受欢迎的虚拟仪器主流开发平台，这种平台采用独特的图形化编程方式,编程过程简单方便。近几年NI公司还开发了基于PCISA总线和VXI总线的数据采集模板系列,作为虚拟仪器平台的硬件支持。图36所示为典型数据采集控制系统框图。三、四、图36典型数据采集控制系统框图LABVIEW是目前应用最广的虚拟仪器开发环境之一，它充分利用计算机硬件资源、仪器和测控系统硬件资源，被广泛应用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域。2009年8月3日，美国国家仪器有限公司（简称NI）宣布推出可用于控制、测试和嵌入式系统开发的最新图形化系统设计软件平台LABVIEWLABVIEW是实验室虚拟仪器集成环境LABORATORYVIRTUALINSTRUMENTENGINEERINGWORKBENCH的简称,是美国国家仪器公司NATIONALINSTRUMENTS,简称NI的创新软件产品,也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境。LABVIEW是一种图形化的编程语言,又称为“G”语言。使用这种语言编程时,复杂的语言编程简化为可视化的数据流编程,以图标表示功能模块,以图标间连线表示数值传输,其编程方式与用元件和导线组成的电子电路十分相似,形象而直观。LABVIEW中提供大量现成的图形模板,可供生成美观实用的仪器面板；LABVIEW还提供丰富实用的数值分析、数字信号处理等功能；同时,LABVIEW高度集成了各种GPIB、VXI、RS232、RS485标准设备及数据采集卡、网络设备的驱动功能,通过NI提供的众多流行仪器的源码级驱动程序,可轻而易举地与外部设备进行通讯和控制。在LABVIEW平台上,进行数据采集系统现场信号信号的调理（放大、滤波、隔离、激励等）数据采集板、卡数据采集盒计算机数据采集控制软件设计可节省大量的程序开发时间。作为现代仪器仪表发展的方向，虚拟仪器已迅速发展成为一种新的产业。美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大的虚拟仪器制造国。到1994年底，虚拟仪器制造厂已达95家，共生产1000多种虚拟仪器产品，销售额达293亿美元，占整个仪器销售额73亿美元的414。到1996年，虚拟仪器已在仪器仪表市场中占有10的份额17。生产虚拟仪器的主要厂家NI、HP等公司，目前都生产数百个型号的虚拟仪器产品。下面介绍3家公司基于LABVIEW图形化开发平台进行医疗设备设计的实例。OPTIMEDICA公司基于NI图形化开发平台开发了诊治糖尿病视网膜症的新型激光治疗仪（如图38）。激光治疗主要是通过瞄准发射激光脉冲,封闭微血管瘤及不正常血管渗漏。由于手术的复杂性和精密性，近35年来这种激光瞄准发射都是由医生手动控制的。基于LABVIEWFPGA和NIR系列设备的革新性激光治疗平台，通过一个高精度、自动化的控制系统，辅助医生以一定的模式每次瞄准发射多个激光脉冲，从而加快手术的速度、减少疗程数。图38新型激光治疗仪图39VISICA2治疗系统SANARUS是一家医疗设备起步公司。他们计划开发一种革新型的手术设备VISICA2治疗系统简称V2，如图39，通过液氮冷冻杀死门诊病人的肿瘤。V2设计目标是一种可放置在医生的办公室或者诊所里使用的仪器。治疗过程包括无痛的局部麻醉和实时超声定位病灶。治疗处理持续时间约为10到20分钟，通过一个小切口冷冻和杀死目标组织。术后病人也无需封针。据调研，护士有1560的时间都用于静脉输液等事务，因此，FLUIDNET和BOSTONENGINEERING基于LABVIEW嵌入式模块开发了一系列简单易用的输液设备（如图310）来解决医院中护士不足的问题。这种新的输液设备更为精确安全，提供了很宽的可选流速范围，而价格却比现有的输液设备低。310输液设备国内虚拟仪器研究的起步较晚，最早的研究也是从引进消化NI的产品开始。但经过多年研究，我国已经在虚拟仪器开发方面形成了自己的特色15。国家自然科学基金委员会已将虚拟仪器研究作为现代机械工程科学前沿学科之一，并被列为“十五”期间优先资助领域16。我国国民经济的持续快速发展，加快了企业的技术升级步伐，先进仪器设备的需求更加强劲；虚拟仪器赖以生存的个人计算机最近几年以极高的速度在中国发展，这些都为虚拟仪器在我国的晋级奠定了良好的基础。本文基于LABVIEW的虚拟仪器图形化编程语言,采用数据采集卡,实现液压伺服实验台控制信号的产生以及对控制信号响应的数据采集。二、研究的基本内容，拟解决的主要问题基本内容（1）调研目前市场上转子试验台的类型，查阅、研究当今旋转机械试验台的发展趋势，在此基础上对现有试验台的整体的硬件配置进行学习和研究直流伺服电机、PC机和数据采集设备、各种传感器设备、电源控制设备。（2）利用PXI硬件设计测控系统硬件系统。（3）利用LABVIEW开发动态特性试验系统，至少开发出转子转速控制实验、转子临界转速测量、转子振动基频、倍频和半倍频测量、转子振动信号原始时域、频域波形及提纯、转子振动信号原始轴心轨迹及提纯等试验，完善机械工程测试技术试验项目，并进行软硬件联调、改进，最终达到设计要求。拟解决的关键问题本项目拟在现有的转子试验台上进行动态特性研究，开发即符合机械工程测试技术教学的实验项目，又能培养学生工程实践能力的装置。拟解决以下主要问题（1）机械运动参量的检测方法研究从现有的工程产品中简化机构，保持功能不变，选择相应的检测方法，选择合适的传感器类型。（2）控制系统设计试验装置以伺服电机的速度作为控制对象，需要设计相应的闭环控制算法。（3）信号分析与处理实验项目的开发设计到较多的信号分析与处理的内容，需要对滤波、频谱分析等具有一定了解，对机电学生具有一定的挑战；（4）机电系统的集成调试试验装置是典型的机电一体化产品，在软硬件的调试阶段需要具备一定的集成调试能力。三、研究步骤及方法（1）查阅文献，写出文献综述和开题报告，确定系统总体方案。（2）对现有试验台的整体的硬件配置进行学习和研究直流伺服电机、PC机和数据采集设备、各种传感器设备、电源控制设备。（3）系统详细设计与编程包括基于LABVIEW的数据采集系统设计、加载系统设计。系统将LABVIEW应用到检测系统中，输入信号由涡轮传感器产生，输出信号通过虚拟仪器的面板显示，由计算机数据采集卡对各项检验参数，如转速、轴心偏移量、转子振动频率等进行数据采集、量化和处理并输出测试结果。计算机根据数据反馈结果或者人工输入的要求，对测试过程进行控制，达到计算机密切跟踪和控制实验台机事件状态的目的，从而高速、高精度完成对轴类产品的性能测试。（4）基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统的调试。（5）同步控制整体测试（6）总结四、研究工作进度根据本次设计的时间安排，拟定研究工作进度如下1、2012年1月至2012年3月完成课题调研、查阅国内外文献并分析现状及课题开题；2、2012年3月至2012年5月对现有试验台的整体的硬件配置进行学习和研究直流伺服电机、PC机和数据采集设备、各种传感器设备、电源控制设备。3、2012年5月至2012年6月完成数据采集及传输部分中所需的电路，实现在的数据采集。4、2012年7月至2012年8月完成LABVIEW中数据分析，设计合理美观的主界面并将数据正确结果显示出来。5、2012年9月至2012年10月系统完善，反复调试；完善；总结五、参考文献1FERNANDOMINAUROSANMIGUEL,CONCEPCIONBRAVO,1ANDJOSEJGARCIACROSSLINKINGOFTHEENDOGENOUSINHIBITORPROTEINIF1WITHROTORANDSTATORSUBUNITSOFTHEMITOCHONDRIALATPSYNTHASEJ2002,4334432ESERRE1,PBONTOUXANDBELAUNDERDIRECTNUMERICALSIMULATIONOFRANSITIONALTURBULENTFLOWINACLOSEDROTORSTATORCAVITYJ2002,35503DONGJUHANIDENTIFICATIONOFTHETYPESOFROTORSYSTEMSUSINGDIREC