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       摘 要：現代機械制造中,振動測試、數據采集和數字信號處理為重要的組成部分。過去的振動測試方法十分復雜繁瑣，需要大量的測試儀器，浪費不必要的資源。所以，設計一種基于 LabV IEW 的振動測試分析系統。該系統由硬件和軟件測試兩部分組成。可以對加工中的振動進行實時分析，通過實踐證明其有效性和合理性。
 
       關鍵詞：LabV IEW ;加工中心工作臺；振動測試；信號處理
 
       0 引 言
 
      加工中心一般多指數控銑床，數控銑床加工零件時，工件與銑頭部分會產生劇烈的振動。長時間的振動會加劇銑刀的磨損，從而縮短加工中心和銑刀的壽命；而且機械振動產生的噪聲，會對人的聽力和身心產生危害，降低工人的工作效率。加工中心加工精度高，適應性強，而振動會影響被加工件的表面粗糙度。所以需對加工中心工作臺進行故障檢測。
 
     我國振動測試儀器大多是傳統的測試儀器，使用復雜且價格不菲。基于 LabVIEW 編程軟件的測試方法，已經成為較為流行的一種編程語言。與其他語言不同點是其用圖形化編程，用戶基本不用寫代碼，僅用流程圖就可以完成測試任務，化繁為簡，提高了工作效率，體現出快捷性和方便性。該系統在機械工業領域中得到了廣泛應用。
 
      1、 振動測試系統結構組成
 
      此振動系統主要由兩部分組成：一是硬件部分，其中包括傳感器（加速度、溫度、壓力）和信號調理電路、PC、數據采集卡。主要是采集、測量信號或參數，使其變為標準的電流信號或電壓信號。二是軟件部分，使用 LabVIEW虛擬儀器進行編程，即對于所獲取的測量信號或參數進行處理和分析。
 
      1.1 硬件系統構成
  
      本測試系統對加工中心進行振動測試，根據各方面因素考慮選擇壓電加速度傳感器。機械振動測量一般采用壓電式加速度傳感器對被測物的振動測量。它是一種自發電式和機電轉換式傳感器，其壓電材料受力后表面產生電荷，此電荷經電荷放大、測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。這種測量方法在機械工業領域中得到廣泛應用。
  
     信號調理電路是重要的環節，為了更精確地測量信號，信號調理部分對電壓信號進行放大、濾波、隔離和多路轉換。對振動測量數據的可靠性進行提升。數據采集卡主要任務為生成和測量物理信號，把此信號傳輸到 PC 計算機里。本測試系統采用 NI 公司的 PCI-6221 型采集卡[1]，16位 250kS/s 采集速率，16 路帶 37 針 D-Sub 的模擬輸入。硬件系統流程圖如圖 1 所示。
  
  
       
                                         圖1 振動測試系統流程圖
 
      1.2 軟件系統設計
 
      LabVIEW 虛擬機主要有數據采集、數字信號處理、文件 I/O、信號分析、波形顯示等。虛擬振動測試系統的軟件結構如圖 2 所示。
    
      

     
               圖 2 虛擬振動測試系統的軟件結構圖
   
       數據采集在振動測試系統當中的重要性是十分顯著的。它將外部物理信號或參數與PC 計算機連接到一起。數據采集卡測量物理信號和參數，處理原始數據或存儲數據[2]。再通過數據采集助手創建應用程序，此工具是利用圖形化接口來完成數據采集任務。

       文件 I/O 通常是對不同類型的振動測試數據存取和讀取，方便以后對數據進行分析或處理、波形回放等。本振動測試系統把測得外界數據存儲起來，用二進制格式進行存儲。二進制格式是文件格式讀寫速度最快的一種方法，而且存儲的數據格式不用轉換，所需磁盤空間小。數據讀取選擇 TDM 文件（Technical Data Management）,將文本數據從 TDM 文件中讀取波形信息。數據預處理是將從壓電式傳感器所測得的信號經過處理再進入數據采集卡，主要包含放大功能、隔離功能、濾波功能、激勵及線性化等。本振動測試系統的重點是信號濾波，把所測量的信號濾掉不需要的部分。為了除去噪聲，選擇低通濾波器[3]。
 
     時域分析是在輸入一定的條件下，根據輸出時域表達式，以最直觀的方法對物理信號時域波形來判斷系統的穩定性、瞬態及穩態性能。其中包括特征參數及相關分析。頻域分析通過傅里葉變換，以輸入的頻率為變量，分析特征參數與信號之間的關系。測試系統主要是功率譜分析、幅頻和相頻分析。功率譜密度：因加工中心工作臺振動過程中產生大量的振動信號，信號中存在著大量的噪聲，通過功率譜密度在不同的頻率下的功率密度，從而能減少噪聲帶來的誤差，功率譜包括自功率譜和互功率譜。幅頻分析：輸入和輸出的幅值比 B/A。相頻分析：相位角 φ 隨頻率 ψ 的變化波形。本系統輸入的為正弦信號。濾波程序后面板框圖，如圖 3。
  

     
  
                         圖 3 濾波程序后面板框圖

     加工中心工作臺振動測試系統的主面板圖4 所示。能夠直觀地看出輸入的原始 信 號 ，可以設置采樣頻率、采樣點以及采樣通道，采樣通道的 1 通道為隨機信號，2 通道為正弦信號，3 為混合信號[4]。按鈕和實際中的設備只需點擊或滑動就可以實現操作，方便快捷。
  
     

                            圖 4 振動測試系統前面板
   
      2 、振動測試系統測試與分析
 
     使用該振動測試系統 對加工中心進行振動信號分析、處理。此次測試實驗，首先設置采樣頻率、采樣通道和采樣點；再點擊開始采集按鈕。其測得的功率譜如圖 5 。與傳統儀器測得數據一致，其余的圖譜也一致，不再例舉。此振動測試系統用仿生信號加以模擬，創建了一個疊加了正弦波和均勻白噪聲的仿真信號源，選擇數字濾波器（無限沖激響應），其優點：沖擊響應無限持續，不會衰減。運行結果數據一樣，證明此振動程序功能可靠，比較完善。

     
  
                        圖 5 功率譜分析圖
 
     3、 結 論
 
     基于 labVIEW的 振 動 測 試 系 統應用到加工中工作臺，相比傳統儀器 測 試 方 便 、快捷，大大提升了效率。將測得的振動原始信號進行處理，進行時域、頻域及功率譜分析，代替了復雜繁瑣的各類儀器，節省了人力、財力。LabVIEW 虛擬機提供大量的圖形控件，采用數據流模型，用連線表示數據流向。隨 PC 計算機的發展，各類采集卡也相應地發 展起來 。
 
    LabVIEW 虛擬平臺可以完成數據采集、儀器控制、運動控制工業監控等任務，已經被公認為標準的數據采集和儀器控制軟件。