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S e p．2 01 3 机床与液压 Hy d r o me c h a t r o n i c s Eng i n e e r i n g Vo 1 ．4l No ． 1 8 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 - 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 8 ． 0 3 3 De v e l o pme n t o f Vi b r a t i o n S i g n a l Ac q ui s i t i o n a nd An a l y s i s S y s t e m f o r M a c h i n e To o l s Ba s e d o n La b VI EW CHE Xi a ，Z HONG Pe i s i ，LU Ho n g r o n g A d v a n c e d Ma n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y C e n t e r ， S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Q i n g d a o 2 6 6 5 9 0 ， C h i n a 1． I n t r o d uc t i o n Ab s t r a c t A o v e r a ll p l a n i s b u i lt t h r o u g h a n a l y z i n g t h e c h a r a c t e r i s t ic s o f ma c h i n e t o o l v ib r a t i o n s i g - h a l a n d t h e L a b Vl E W ．Th e o v e r a l I p lan i s a b o u t t h e v ib r a t io n s i g n a l a c q u i s i t i o n a n d a n a ly s is s y s - t e rn f o r ma c h i n e t o o ls b a s e d o n L a b Vl E W ．Ac c or d i n g t o t h e c h a r a c t e r is t i c s o f t h e t e s t s i g n a l ，t h e s y s t e m h a r d wa r e c o n f i g u r a t io n a n d s o f t wa r e f u n c t i o n s t r u c t u r e a r e g i v e n ．Th e s i g n a l a c q u is it i o n， a n a l y s i s a n d d a t a s t o r a g e mo d u le a r e d e s i g n e d i n d e t a i l ．T h e s y s t e m c a n r e ali z e t h e r e a l - t i me a c - q u i s i t i o n，t i me a n d f r e q u e n c y d o ma i n a n a ly s is o f t h e ma c h i n e v i b r a t io n s i g n a 1 ．Th e d a t a is s t o r e d in t h e f O r ma t o f d a t a lo g f i l e ．Th r o u g h t h e a c q u is it i o n a n d a n a l y s is o f t h e h e a d s t o c k v i b r a t i o n s i g - n a l ， t h e a c c u r a c y r e l i a b il i t y o f t h e s y s t e m is t e s t e d ． K e y wo r d s ma c h i n e t o o l s，v i b r a t i o n s ig n a l ， L a b Vt E W ，s i g n a l a c q u i s i t io n， s i g n a l a n a ly s i s， d a t a s t o r a g e As t h e i n d i s p e n s a b l e e q u i p me n t i n t h e mo s t e n t e r p r i s e p r o d u c t i o n s ， i f a n y c o mp o n e n t o f t h e ma c h i n e t o o ]b r e a k s o u t ，i t wi l l a f f e c t t h e ma c h i n i n g p r e c i s i o n o f t h e p r o d u c t s ．I t a l s o c a n b r i n g h u g e e c o n o mi c l o s - s e s f o r t h e e n t e r p r i s e；i t ma y e v e n c a u s e s e r i o u s a c c i d e n t s ． A c c o r d i n g t o t h e s t a t i s t i c s ， a b o u t 6 0 ％一 7 0％o f me c h a n i c a l f a i l u r e s a r e r e fl e c t e d b y t h e v i b r a t i o n s i g n a l [ 1 ] ．T h r o u g h t h e a n a l y s i s a n d p r o c e s s o f v i b r a t i o n s i g n a l ， i t wi l l b e a b l e t o i n f e r t h a t w h e t h e r t h e f a u l t e x i s t s a n d w h a t s t a g e i t i s i n ．T h e r e f o r e ， t h e c o l l e c t i o n a n d a n a l y s i s o f ma c h i n e t o o l v i b r a t i o n s i g n a l h a s i mp o r t a n t s i g n i f i c a n c e s ． 2． Ov e r a l l de s i g n o f t he s y s t e m 2 ． 1 ． T h e o v e r v i e w o f t h e L a b VI EW L a b V I E W L a b o r a t o r y V i r t u a l I n s t r u me n t E n g i - R e c e i v e d2 0 1 30 21 8 S h a n d o n g P r o v i n c e Na t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n Z R 2 0 1 1 E E M O 1 4 CHE Xi a ． E ma i l c h e x i a s k y 1 6 3． e o m n e e r i n g Wo r k b e n c h ，i s d e v e l o p e d b y N a t i o n a l I n s t r u me n t s N I ．L a b VI E W i s t h e o n l y i n t e r n a t i o n a l g r a p h i c a l p r o g r a mmi n g l a n g ua g e a t p r e s e n t ， i t i s ma i n l y u s e d f o r d a t a a c q u i s i t i o n，i n s t r u me n t c o n t r o l 。 d a t a a n a l y s i s a n d o t h e r fi e l d s ．t h e ma i n f e a t u r e s a r e s h o w n a s f o l l o w s 『 2 4 ] 1 L a b V I E W a d o p t s g r a p h i c a l l a n g u a g e G p r o g r a mmi n g l a n g u a g e t o p r o g r a m ，i t s c o n v e n i e n t t o p r o g r a m a n d h a v i n g a n a d v a n t a g e o f f r i e n d l y h u ma n c o mp u t e r i n t e r f a c e ．I t a l s o h a s p o w e r f u 1 d a t a v i s u a 1 ． i z a t i o n a n a l y s i s a n d i n s t r u me n t c o n t r o l a b i l i t y ． 2 、L a b VI E W p r o v i d e s ma n y l i b r a r y f u n c t i o n s o f d a t a a c q u i s i t i o n， a n a l y s i s a n d s t o r a g e ， i n c l u d i n g ma n y f u n c t i o n s o f i n s t r ume n t c o mmu n i c a t i o n b u s s t a n d a r d s ， s u c h a s D A Q， G P I B， P X I ， V X I ， R S 2 3 2 ／ 4 8 5 ．J u s t b e c a u s e o f t h i s ．i t c o n t r i b u t e s t h e d e v e l o p e r s mo r e c o n v e n i e n t l y t o d r i v e i n t e r f a c e e q u i p me n t s a n d i n s t r u me n t s o f d i f f e r e n t b u s s t a n d a r d s ． 3 L a b VI E W a l s o p r o v i d e s a s p e c i a l p r o g r a m d e v e l o p me n t t o o l k i t ．s 0 t h e u s e r c a n s e t br e a k p o i n t s c o n v e n i e n t l y ，e x e c u t e p r o g r a ms d y n a mi c a l l y ，a n d o b s e r v e d a t a t r a n s mi s s i o n p r o c e s s v i s u a l l y ． N I p r o v i d e s a k i n d o f c o n v e n i e n t a n d e f f i c i e n t d r i v e r s o f t w a r e N I D A Q mx f o r t h e d a t a a c q u i s i t i o n i n t h e L a b VI E W ．I t c a n c o n n e c t t h e h a r d wa r e a n d s o f t ． CHE Xi a，e t a l De v e l o p me n t o f Vi b r a t i o n S i g n a l Ac q u i s i t i o n a n d An a l y s i s S y s t e m f o r Ma c h i n e To o l s Ba s e d o n La b VI EW 1 6 5 wa r e c o n n e c t i o n a s a d r i v e，a n d a l s o c a n e a s i l y p r o v i d e d a t a a c q u i s i t i o n m o d u l e fo r t h e u s e r ．D A Q A s - s i s t a n t i s p r o v i d e d b y D A Q mx ， b e c a u s e i t h a s a n i n t e r a c t i v e c o n fig u r a t i o n i n t e r f a c e，s o t h r o u g h mo d i f y i n g D A Q r e l a t e d c o n fi g u r a t i o n ，a p p l i c a t i o n p r o g r a m c a n b e q ui c k l y a nd r e p e a t e d l y mo di fie d t o a da p t t o t h e n e w t e s t a n d me a s u r e me n t r e q u i r e me n t s ． 2． 2． Ov e r a l l pl a n o f t he s ys t e m Th i s s y s t e m u s e s t h e La bVI EW 2 0 1 1 a s t h e de v e l o p me n t p l a t f o r m ， i n c l u di n g t wo p a r t s h a r d wa r e a n d s o f t wa r e ．Ha r d wa r e i s t h e f o u n da t i o n o f t h e v i r t u a l i n s t r u me n t ； i t ma i n l y c o ns i s t s o f s e n s o r ， s i g n a l c o n d i t i o n i n g d e v i c e， d a t a a c q ui s i t i o n d e v i c e a nd c o mp u t e r；a n d i t a l s o c a n c o mpl e t e t h e p r e p r o c e s s i n g a n d a c q u i s i t i o n o f t h e me a s u r e d s i g n a 1 ．Th e s o ft wa r e i s r e s p o n s i b l e for t h e d i s p l a y a n d a n a l y s i s o f t h e c o l l e c t e d s i g n a l t o ma k e t he c o r r e s po n d i n g s i g n a l c ha r a c t e r i s t i c s c l e a r l y p r e s e n t e d i n f r o n t o f t h e u s e r ． T h e o v e r a l l s t r u c t u r e o f t h e s y s t e m a s s h o w n i n F i g ． 1 i s t o t r a n s f o Ir i B t h e ma c hi ne v i b r a t i o n s i g n a l s i n t o e l e c t r i c s i g na l t h r o ug h s o me s e n s o r s ， t h e n t r a ns mi t t h e m t o t h e s i g n a l c o n d i t i o n i n g d e v i c e t o mo d u l a t e ． Fi n a l l y，t he c o n di t i o n e d s i g n a l s a r e t r a n s mi t e d t o t h e v i r t u a l i n s t rume n t p l a t f o r m L a b VI EW t h r o u g h da t a a c q ui s i t i o n c a r d，for f u r t h e r a n a l y z e a n d p r o c e s s ． Vi b r a t i o n s i g n a l a c qu i s i t i o n a n d a n a l y s i s s y s t e m Ha r d wa r e d e v 1 c e n 0 巨 石 S o f t wa r e d e s i g n De q i c e d r i ve r pr ogr am NI DAQmx d r j v e r Us e r ． wr i t en pr og r a m Appl i ca t i on s of t w a r e La b VI EW Fi g ． 1 Ov e r a l l s t mc t u r e o f t h e s y s t e m 3． Th e h a r dwa r e de s i g n o f t he s y s t e m Th e me a s u r e d ph y s i c a l q ua n t i t y i s v i b r a t i o n s i g n a l i n t h i s s y s t e m． F o r t h e me a s u r e d pa r a me t e r s o f e n g i n e e r i n g v i b r a t o r y o u t p u t [ 5 ] ， t h e me a s u r e d v i b r a t i o n p a r a me t e r s i n c l u d e d i s p l a c e me n t ， v e l o c i t y a n d a c c e l e r a t i o n ． Be c a u s e o f t h e di f f e r e n t f r e qu e nc y s e n s i t i v i t y a mo n g t h e v a r i o u s p a r a me t e r s ， d i f f e r e n t p a r a me t e r s s h o ul d be s e l e c t e d a c c o r d i n g t o t he f r e q ue n c y r a n g e o f t h e v i b r a t i o n s i g n a 1 ．Th e ma c hi n e t o o l v i b r a t i o n s i g n a l s a r e u s u a l l y c a u s e d b y g e a r me s h，b a l l d a ma g e。 b l a de r e s o na n c e， r a di a l r e s o n a n c e o f t h e b e a r i n g e l e me n t ，wh o s e s i g n a l s fre q u e n c y r a n g e a r e g r e a t e r t h a n 1 00 0 Hz ．Ac c o r d i n g t o t h e r e q u i r e me n t s o f v i br a t i o n t e s t i n g， wh e n fre qu e n c y i s g r e a t e r t h a n 1 0 00 Hz，i t i s a d v i s e d t o s e l e c t t h e a c c e l e r a t i o n a s t he ma g ni t u d e，s o i n t h i s s y s t e m t h e a c c e l e r a t i o n i s s e l e c t e d a s t h e v i b r a t i o n me a s u r e me nt p a r a me t e r ． Th e s e l e c t i o n o f t he s e n s o r ，s i g na l c o nd i t i o n i n g，c a b l e c o n n e c t i o n a n d d a t a a c q u i s i t i o n d e v i c e h a v e a d i r e c t i mp a c t o n t he c o r r e c t n e s s o f t h e s i g n a l a c q ui s i t i o n． Ac c o r d i n g t o t h e r e qu i r e me n t s o f t h e t e s t s y s ‘ t e rn ，t h e s p e c i fic c h o i c e s a r e l i s t e d a s f o l l o ws 1 S e n s o r ．B e c a u s e t h e s i g n a l s a r e n o t t h o s e o f b e i n g d i r e c t l y me a s u r e d fro m t h e ma c hi n e，t h e r e for e t h e p h y s i c a l s i g n a l s ho u l d b e c o n v e r t e d t o t he e l e c t r i c a l s i g n a l b y t he s e n s o r ． F o r t he s e l e c t i o n o f t h e s e n s o r。t he a c c e l e r a t i o n s e n s o r i s a d o p t e d u s u a l l y wh e n me a s ur i n g t h e v i b r a t i o n a c c e l e r a t i o n． Ac c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e ris t i c s o f t h e ma c hi n e v i b r a t i o n s i g n a l s， YD一 1 2 p i e z o e l e c t r i c a c c e l e r a t i o n s e n s o r i s us e d， who s e c h a r a c t e ris t i c s i nc l u d e h i g h p i e z o e l e c t ric c o e f - fic i e n t ，l i g h t q u a l i t y，l o w d e n s i t y，wi d e fre q u e n c y r e s p o n s e， l o w a c o u s t i c i mp e da n c e， h i g h s e n s i t i v i t y， g o o d s t a b i l i t y ． I n a d d i t i o n，i t i s a l s o e a s y t o i n s t a l l a n d d i ffic u l t t o da ma g e． 2 S i g n a l m o d u l a t i n g d e v i c e ．S i g n a l c o n d i t i o n i n g mo d u l e i s e s s e n t i a l i n mo s t t e s t s y s t e ms ． i n a d d i t i o n t o s e r v e a s a c o nn e c t i n g b r i d g e b e t we e n t he s e n s o r a n d da t a a c q u i s i t i o n d e v i c e，i t c a n a l s o r e a l i z e s i g na l a mp l i fic a t i o n， i s o l a t i o n， fil t e r i n g a n d o t h e r p r o c e s s i n g，wh i c h g r e a t l y i mp r o v e t h e t e s t s y s t e m r e l i a b i l i t y． S i g n a l mo d u l a t e c i r c u i t u s e s c h a r g e a mp l i tie r i n t h i s s y s t e m ，be c a u s e t he c h a r g e a mp l i fie r i s a h i g h g a i n o p e r a t i o n a l a mpl i fie r wi t h a c h a r g e n e g a t i v e f e e d b a c k，wh o s e o u t p u t v o l t a g e i s p r o p o rti o n a l t o t h e c h a r g e t h a t g e n e r a t e d b y t h e s e n s o r ．Be c a u s e t h e o u t p u t v o l t a g e h a s n o t h i n g t o d o wi t h t he pi e z o e l e c t r i c s e n s o r i n h e r e n t c a p a c i t a n c e a n d c a b l e c a p a c i t a n c e， t h e r e f o r e d o z e n s o f me t e r s i np u t c a b l e i s u s e d i n t hi s t e s t s y s t e m． Ac c o r d i n g t o t h e t e s t r e q ui r e me n t s， YS D一 2A s i g n a l mo d u l a t e d e v i c e i s u s e d， t h e o u t pu t o f c u r r e n t s i g n a l i s 4 ～2 0 mA ，t h e d i r e c t v o l t a g e i s 2 4 V． 3 D a t a a c q u i s i t i o n d e v i c e ．I n d a t a a c q u i s i t i o n p a r t ， i t a d o p t s NI Co mpa n y d a t a a c q ui s i t i o n c a r d D A Q P C I 一6 2 2 1 M ， i t s m a i n f u n c t i o n i s t o c o l l e c t t h e c o n di t i o ne d e l e c t r i c a l s i g n a 1 ．Th e f u n c t i o n o f t h e d a t a a c q u i s i t i o n c a r d i s t o c o n v e rt t h e a n a l o g s i g n a l t o L |d ld|d0 0 0 j n【d 4 _ 0 00 0盘_ _ 0 ；_ l 6 6 Hy d r o me c h a t r o n i c s En g i n e e r i n g t h e d i g i t a l s i g n a l wh i c h c a n b e r e c o g n i z e d b y t he c o mp u t e r ． Th e p a r a me t e r s o f t h i s d a t a a c q u i s i t i o n c a r d a r e a s fo l l o w s ① 1 6 a n a l o g s i g n a l i n p u t c h a n n e l ， ② s a m p l i n g r a t e 2 5 0 k ／ s ， ③ I n p u t r a n g e 一 1 0 V～1 0 V， ④ 2 - c h a n n e l 1 6 一 b i t ．A c c o r d i n g t o t h e h a r d wa r e c o n fig u r a t i o n， s i g na l c o n d i t i o n i n g d e v i c e o u t p u t c ur r e n t r a ng e i s d i f f e r e n t fro m t h e d a t a a c q u i s i t i o n c a r d r e q u i r e d i n p u t r a n g e，s o i n o r d e r t o e x a c t l y g e t a n d a n a l y z e t h e v i br a t i o n f o r m t h e ma c h i n e t o o l s ．a 5 0 0 Q r e s i s t a n c e s h o u l d b e c o n n e c t e d b e t w e e n t h e s i g n a l c o n d i t i o n i n g d e v i c e a n d d a t a a c q u i s i t i o n c a r d， wh i c h c a n c o n v e r t i t t o t he r a n g e wh i c h c a n b e i de n t i fi e d b y d a t a a c q u i s i t i o n c a r d ． 4． The s o f t wa r e d e s i g n o f t he s y s t e m Th e wr i t t e n p r o g r a m ba s e d o n L a b VI EW i n 。 c l u d e s t wo p a rtst h e f r o n t p a n e l a n d b l o c k d i a g r a m． Th e fro n t p a n e l i s t h e g r a p h i c a l u s e r i n t e r f a c e，wh i c h c a n c o n t r o l p a r a me t e r s e t u p ．T h e fr o n t p a n e l ’ s c o n - t r o l s c o r r e s p o n d t o t h e b l o c k d i a g r a m o n e t o - o n e ．T h e wh o l e s o f t wa r e s y s t e m c o n s i s t s o f t h r e e f un c t i o na l mo d u l e s a s s h o w n i n F i g ． 2 s i g n a l a c q u i s i t i o n ， s i g n a l a n a l y s i s a n d d a t a s t o r a g e ． I n t h e wh o l e r e ali z i n g p r o c e s s o f t h e d e s i g n for t h i s s o f t wa r e s y s t e m ，we a d o p t t h e m o d u l a r t h o u g h [ 6 ] 一e a c h f u n c t i o n i s p e r f o r me d b y i nd e p e n d e n t
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