基于LabVIEW的机床振动信号的分析系统

李冬冬 黄胜 吴东霖

摘要： LabVIEW是当今虚拟仪器开发最流行的一种图形化编程语言。结合机床振动信号的特点，以LabVIEW 8.5为开发平台，设计了机床振动信号的分析系统。系统由硬件和测试分析软件两大部分组成。软件作为虚拟仪器的核心，由控制底层硬件管理模块与分析功能模块组成，完成虚拟仪器特定的逻辑分析处理过程。信号经过LabVIEW 处理后实现了频域、时域分析、相位分析、谱分析、相关性分析等多种功能。相对传统测试方法，本测试系统的灵活性显著增加，测试费用、能耗大大降低。实践证明本系统的测试效果良好。

关键词： LabVIEW； 机床； 振动信号； 分析

中图分类号：TP39文献标志码：B 文章编号：1006-8228（2012）11-37-02

Analysis system of machine vibration signal based on LabVIEW

Li Dongdong， Huang Sheng， Wu Donglin

（Guangzhou College， South China University of Technology， Guangzhou， Guangdong 510800， China）

Abstract： LabVIEW is a graphical programming language which is the most popular one in today's virtual instrument development. A kind of analysis system of machine vibration signal is designed based on LabVIEW 8.5， with the characteristics of the signal. The system consists of hardware and test analysis software， as the core of virtual instrument， which consists of controlling hardware management module and analysis function module， completing virtual instrument-specific logic analysis process. Signal is processed with LabVIEW and a variety of functions are realized， such as frequency domain analysis， time domain analysis， phase analysis， spectral analysis， correlation analysis， etc. Compared with the traditional test methods， a significant increase in the flexibility of the test system is realized. Test costs and energy consumption are reduced by the system. The good test results show that the system works well.

Key words： LabVIEW； machine； vibration signal； analysis

0 引言

机床在加工工件过程中，刀具和工件之间常常发生强烈的振动。振动会使机床和刀具磨损加剧，从而缩短机床和刀具的使用寿命；振动并伴随有噪音，危害工人身心健康，使工作环境恶化。对于超精密机床，虽然具有很高的刚度，但振动会导致加工表面微观特征发生改变，是影响表面粗糙度的主要因素之一。必须采取必要的预防措施来减小或防止机床振动对超精密加工表面质量的影响。所以，对机床振动信号的分析研究具有重要意义。

振动信号分析作为故障诊断的一种方法，以其不拆卸机体，不影响设备的正常工作，测量范围广等优点，广泛应用于各类工业和工程之中。随着计算机技术、信息技术以及虚拟仪器技术的发展，越来越多的人开始通过虚拟仪器对机械的振动信号进行采集与分析[1]。

美国NI公司的图形化编程语言LabVIEW成为当今虚拟仪器开发最流行的一种语言。LabVIEW的最大特点是用图标代码来代替编程语言创建应用程序。LabVIEW有丰富的函数、工具包、软件包、数值分析、信号处理、设备驱动等功能，还有应用于专业领域的专业模块， 解决了传统的虚拟仪器系统采用C/C++/汇编等语言存在的编程难、调试过程繁琐、开发周期长、对编程人员要求高等问题，它在研究、开发、生产、测试工作中得到广泛应用[2]。

1 系统的总体方案

本分析系统以LabVIEW 8.5为开发平台开发， 系统流程如图1所示。系统由硬件和测试分析软件两大部分组成。硬件是虚拟仪器工作的基础，主要由传感器及调理电路、数据采集卡和计算机组成，完成对被测信号的采集、传输、运算处理及显示测试结果等；软件是虚拟仪器的核心，系统软件由控制底层硬件管理模块与分析功能模块组成，完成虚拟仪器特定的逻辑分析处理过程[3]。

[虚拟仪器控制面板＼&][数据采集卡＼&][信号调理＼&][传感器＼&][振动源＼&]

图1系统方案流程图

2 系统的硬件结构设计

硬件由压电加速度传感器、信号调理电路、数据采集卡和计算机组成。

⑴ 压电加速度传感器。机械振动测量中常用压电加速度传感器来测试振动体的振动加速度。它以某些材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理。在输出端产生与其所受加速度成正比的电压或电荷。用适当的测试系统检测出电荷量来实现对振动加速度的测量，这种测量方法用途很广。本系统选用聚偏氟乙烯（PVDF）压电薄膜传感器，这是一种新型压电高分子聚合物材料，压电系数高，质量轻，密度小，柔韧性好，频响宽，声阻抗低，灵敏度高，稳定性好，易于加工和安装。

⑵ 对于绝大多数数据采集和控制系统来说，信号调理是非常重要的。本系统通过信号调理硬件，将传感器的输出信号连接到数据采集卡上。通过信号调理的各种功能，如信号的放大、隔离、滤波、多路转换以及直接变送器调理等，使得数据采集系统的可靠性及性能得到极大的改善。

⑶ 数据采集卡是用来将传感器里的电信号采集到计算机的一种装置。本系统采用的是NI公司M系列的PC I-6251型数据采集卡，具有16Bit采集速率的A/D转换器，提供16路模拟输入、2路16位模拟输出和24条数字I/O线。

3 系统的软件设计

在系统的编制过程中采用了结构化和模块化编程的基本思路。程序包括数据采集模块和信号分析模块。系统的软件结构如图2所示。

[机床振动信号分析系统][功率谱密度＼&][幅频相频＼&][时频分析＼&][统计数据＼&][数据采集＼&][时域信号＼&]

图2系统的软件结构

3.1 数据采集模块

数据采集提供了整个测试系统的数据来源，是虚拟仪器的基本组成部分。数据采集模块主要是实现振动信号的拾取及对各种参数的控制，例如对数据采集卡、采集通道的选择，以及采样频率、点数、段数的控制等。振动信号主要为正弦信号，采取自由连续采集方式，即设置好采集参数后直接进行连续采集。本系统的数据采集功能由DAQ Assistant完成。LabVIEW的DAQ程序包括模拟输入、输出，计数器操作以及数字输入、输出等，本系统用到的是模拟输入功能，模拟信号类型为电压。

3.2 信号分析模块

由于实时采集的数据只能做出简单的时、频分析，不能得到振动信号中更深层次的信息，因此必须对设备的振动信号进行更加深入细致的分析。分析程序所要实现的主要功能是再现设备的振动信号，并能够从多个层次和方向上得出振动信号的特征参量，并将这些特征参量以输出控件的形式返还给用户，以供人们了解设备的工作状态，更深入地了解设备的振动机理，改善设备工况，优化监测系统[4]。

在本系统中，分析部分共有五个分析模块，分别是时域信号显示，时频分析显示，统计数据显示，功率谱密度显示以及幅频、相频分析。

时域信号显示：分析幅值、相位、频率值。它能显示采集时实际的时域图谱，在运行时可以很清晰地看出振幅与时间的关系，可以判断出故障发生时的时间，清晰直观。

时频分析：由于频谱分析只能看到频域特征的能量关系，通过短时傅里叶变换可以很清晰地从图谱上看到频域、时域与能量三者间的关系，更利于对故障的分析。

统计数据显示：系统中所统计的数据包括算术平均值、均方差、标准方差、峰值、峰峰值、基频等等。它们都能作为周期振动信号的特征值，在数值上描述振动特征。

功率谱密度：振动信号中存在大量噪声，通过功率谱密度显示振动信号在各个频率段上的功率密度，减少由于噪声所带来的误差。

幅频、相频分析：主要分析输入正弦信号的幅频及相频特性。

部分程序后面板如图3所示。

图3部分程序后面板

4 系统的实际应用效果分析

利用该系统进行某装置的振动信号分析，其功率谱分析如图4所示。从图4中可以读出固有频率值，与用传统方法测量结果一致。其他分析图不在此一一列出。

图4功率谱分析图

该系统既可以对仿真信号进行处理，也可以对采集卡采集到的实时信号进行分析处理。运行检验表明，该程序功能完善，运行结果良好，实验结果与理论相符合，证明了该系统程序是可靠的。

5 结束语

测试系统采集的机床振动信号经过LabVIEW处理后实现了频域、时域分析、相位分析、谱分析、相关性分析等多种功能。相对传统测试方法本测试系统的灵活性显著增加了，大大降低了测试费用、能耗，同时改善了工作强度与环境。用户还可以以此为基础，自行开发在线监测、故障诊断等功能，真正地实现“软件即仪器”。本系统充分发挥了虚拟仪器的优势，达到了设计要求。

在实践过程中，我们发现基于计算机的机床振动信号的分析系统仪器暴露出一些问题，如：体积大导致不便于携带；插卡式结构使得接触易松动、不紧固；抗震性能差等。目前，嵌入式计算平台使计算进入了后PC时代，嵌入式系统的小体积、高可靠性能够解决以上的问题。下一步的工作是开发基于嵌入式计算平台的虚拟仪器系统。

参考文献：

[1] 高书凯.基于虚拟仪器的内燃机振动测试分析系统[D].昆明理工大学

硕士学位论文，2008.

[2] 张新红.LabVIEW的故障诊断虚拟仪器开发及应用研究[D].河南理

工大学硕士学位论文，2005.

[3] 杨然，殷祥超.基于LabVIEW的测试分析系统[J].煤炭科技，2009.

[4] 刘鹏，郭智威.基于LabVIEW的振动信号采集与分析系统的开发[J].

科技信息，2010.