基于LabVIEW的机床主轴振动测量与分析.pdf

第 2期 2 0 1 4年 2月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o du l a r M a c h i n e To o l＆ Aut o ma t i c M a nu f a c t u r i n g Te c h n i q u e NO． 2 Fe b．2 01 4 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 4 0 2 0 0 3 2 0 4 D O I 1 0 ． 1 3 4 6 2 ／ j ． e n k i ． m m t a m t ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 0 9 基于 L a b V I E W 的机床主轴振动测量与分析 冰 汪顺利 ， 丁毓峰 ， 王琳 ， 盛步云， 卢其兵 武汉理工大学 机 电工程学院， 武汉4 3 0 0 7 2 摘要 机床加工过程 中主轴产生的振动对产品加工精度 以及刀具的磨损和寿命都有较大影响， 对机 床主轴加工过程进行 实时监测 ， 尤其监测其振动情况是很有必要 的。与此 同时， 伴 随着计算机技术 和软件技术的快速发展 ， 虚拟仪 器已逐渐成为测试与控制领域的研 究热点。对机床加工过程 中主轴 振动信息进行 实时监测 ， 以 z ． 5 1 6型台式钻床为研究对象 ， 利用电涡流位移传感器、 N I P C I ． 6 2 2 1型数 据采集卡 以及 P C机等搭建实验平台， 借助于 L a b V I E W 软件平 台设计振动测量系统， 实现对机床加 工过程 中主轴振动状 态的实时监测 ， 实验结果表明该测量方法可以有效地监测机床主轴振动情况。 关键词 主轴振动 ； 虚拟仪 器； 电涡流位移传感器 中图分类号 T H1 6 5 ； T G 6 5 9 文献标识码 A Vi b r a t i o n S i g n a l M e a s u r e me n t a n d An a l y s i s o f M a c h i ne S pi nd l e Ba s e d o n La bVI EW WA N G S h u n - l i ， D I N G Y u - f e n g ， WA N G L i n ， S H E N G B u y u n ， L U Q i b i n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t ri c a l E n g i n e e r i n g ， Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 2 ， C h i n a Ab s t r a c t S p i n d l e v i b r a t i o n o c c u e d d u r i n g wo r k i ng o f t h e ma c h i n e ha s a g r e a t i n flu e n c e o n pr o d u c t p r e c i s i o n，c u t t o o l we ar a n d l i f e t i me ．I t i s n e c e s s a r y t o mo n i t o r t h e s p i nd l e e s p e c i a l l y t h e v i b r a t i o n o f the s p i n d l e d urin g t h e p r oc e s s o f ma c h i n i n g．At the s a me t i me，a c c o mpa n y wi t h t h e r a p i d d e v e l o p me n t o f c o mp u t e r a n d s o f t wa r e t e c h n o l o g y，v i r t ua l i ns t r u me n t h a s g r a d u a l l y b e c o me a h o t s p o t i n t h e fie l d o f t e s t a n d c o n t r o 1 ．I n o r d e r t o a c h i e v e r e a l t i me mo n i t o rin g o f the v i b r a t i o n i n t h e p r o c e s s o f ma c h i n i n g，the e x p e rime n t u t i l i z e s Z一 5 1 6 b e n c h d r i l l i n g ma c h i n e a s t h e r e s e a r c h o b j e c t a n d u s e s e d d y c u r r e n t d i s p l a c e m e n t s e n s o r ， N I P C I 一 6 2 2 1 d a t a a c q ui s i t i o n c ard a n d PC t o b u i l d e x p e rime n t p l a t f o r m a n d u s e s the La b VI EW t o d e s i g n t h e v i b r a t i o n me a s u r e me n t s y s t e m．Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h i s me t h o d c a n e f f e c t i v e l y t r a c k the s p i n d l e v i b r a t i o n． Ke y wo r d ss pi n d l e v i b r a t i o n； v i r t u a l i n s t r u me n t ； t h e e d d y c u r r e n t d i s p l a c e me n t s e n s o r 0 引言 随着市场竞争 E t 益激烈 ， 制造业面 临着 巨大的 压力。一方面制造型企业面临在产 品质量 、 响应 时 间 、 产品成本 和服务等方 面适应更 高的外部要 求 ； 另一方面 ， 制造企业也面临着对 自身制造系统运 行 过程进行优化改造 、 降低成本 的压力 。这些压力 都 集中到制造 系统 优化上实 现对生 产车 间设 备 的运行状态信息的在线监控 。从总体上看 ， 对设 备 的实时监控也是企业 生产经 营 目标实现 的技术 和 物质基础 ， 是生产顺利进行 的前提 ， 是 降低 成本 提 高经济效益的有效途径 ， 也是促进企业技术进步 的 关键因素 。 据不完全 统计 ， 在相关 的设 备故 障 中， 绝大 部 分故障与机械振 动有直接 或间接 的关联 ， 与 此 同时 ， 机械振动还将 产生噪声而 危害人 身健康 ， 因 此针对旋转机械转子进行 实时监 测 ， 尤其是监测其 振动情况是很 有必要 的。东 华大学 的王彦 兵等采 用了传感器与虚拟仪器结合 ， 实现对转子运动状态 的在线监测 ； 中北大学的郝建亮等开发 的便携式 机械振动测试系统 能及时 、 准确 的反映机械设备 的运行状态和故障起因等 。 基于 L a b V I E W 的机床设备主轴振动测量与分析 是通过选择相应的传感器采集主轴工作过程中的振动 信号 ， 经过信号调理电路处理， 经数据采集卡将该振动 信号传递至 P c机中， 借助于 L a b V I E W 软件强大的信 号处理能力， 将主轴的振动信号转换成易于监控人员 理解的波形图等 ， 实现对机床设备主轴振动情况的实 时 监控 收稿日期 2 0 1 30 52 2 ； 修回 日期 2 0 1 3 0 71 9 基金项 目 中央高校基本科研业务费专项资金 s u p p o a e d b y” t h e F u n d a me n t a l R e s e a r c h F u n d s f o r t h e C e n t r a l U n i v e r s i t i e s 2 0 1 2一I V一 0 3 7 作者简介 汪顺利 1 9 8 7 一 ， 男 ， 安徽六安人 ， 武汉理工大学硕士研究生在读 ， 主要从事机械设备运行状态的实时监测等， E～m a i l s h u n l i l 2 7 1 2 6． C O II I 。 2 0 1 4年 2月 汪顺利， 等 基于 L a b V I E W 的机床主轴振动测量与分析 3 3 1 旋转机械主轴振动测量方案设计 1 ． 1 传感器的选型 对于机床主轴振动信号测量关键之一在于对振动 信号的提取 ， 只有当所采集的振动信号具有较高的质 量 ， 才能更真实的反映主轴的振动情况 。其中， 接触式 测量方法会对主轴振动造成一定 的影响 ， 从而降低测 量结果的准确度 ， 为了减小对机床主轴振动的影响， 选 择非接触式的测量方法为宜 。 目前可进行非接触式测量主轴振动信号的传感器 主要有 电涡流式位移传感器 、 电容式位移传感器、 激 光位移传感器等。其中电容式传感器的后续电路复杂 且成本较高， 故不适合对机床主轴振动的测量。激光 位移传感器可精确非接触测量被测物体的位置、 位移 等变化 ， 同时激光具有优良的直线度特性 ， 但激光产生 装置相对 比较复杂以及体积较大， 并且价格昂贵， 故也 不采用。电涡流位移传感器利用电涡流效应 ， 可 以非 接触式测量被测体 必须是金属导体 与探头端面之 间静态和动态的相对位移变化 ， 其测量原理如图 1 所 示 ， 且具有灵敏度高、 抗干扰能力强 、 低频特性好 、 响应 速度快、 工作稳定可靠等显著优点 ， 并且具有很宽 的使 用范围和线形范围， 在旋转类机械设备振动信号采集 中得到广泛应用， 且技术 比较成熟。 图 1电涡流测量原理 由毕奥． 萨伐尔定律可知， 单扎载流圆导线在轴线 上的磁感应强度为 譬 其中 为磁导率； ， 为电流 ； r 为单 匝线圈半径； 为线圈轴线上距线圈的距离。 实际上电涡流位移传感器的线圈有 Ⅳ匝， 采用矩 形截面线圈 ， 由电涡流传感器测量原理 图分析可知。 当线圈通过电流 ，时， 可以计算出线圈轴线上 P点处 产生的磁感应强度为 J c n 1 R 6 , ／ R ； R , ／ R 其中 c 为线圈厚度 ； R 、 R 分别为线圈的内径和 外 径 。 电涡流位移传感器在高速旋转机械和往复式运动 机械状态分析、 振动研究、 分析测量中， 对非接触的高 精度振动、 位移信号， 能连续准确地采集到转子振动状 态的多种参数。如轴的径向振动、 振幅以及轴向位置。 电涡流位移传感器凭借其长期工作可靠性好、 测量范 围宽、 灵敏度高、 分辨率高等优点 ， 在大型旋转机械状 态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。 1 ． 2 传感器的安装 机床主轴振动监测的核心问题之一在于选择合适 的传感器并正确安装 ， 以便能获得机械振动的实时状 态数据。针对所研究的台式钻床主轴振动情况 ， 在不 影响机床正常工作 的情况下， 可以将两个探头分别安 装在垂直轴心线每一侧 4 5度， 定义机床左侧的探头为 探头 ， 定义右侧探头为 y探头。如图 2所示 ， 理论 上 ， 两个探头可以安装在轴承周围的任何位置 ， 保证其 夹角为 9 0度 5度误差 ， 都能够准确的测量主轴的 径向振动信息。 安装支架 承座 {二f I 电 涡 流 1 R 目 ＼ ． l I 、 疫测 轴 I ＼ 测量 i r 最大1 5 2 mtn 图 2 轴的径向振动测量与安装示意图 传感器探头的安装位置应该尽量靠近轴承， 否则 由于主轴的挠度， 所测量 的结果也将包含附加误差。 传感器的安装位置与轴承的最大安装距离如表 1所 示 ， 由于钻床主轴的直径为 5 2 mm， 故最大安装距离 D 不应该 超过 2 5 mm。 表 1 轴的径向振动探头安装位置与轴承的最大距离 被测量轴承直径 最大距离 0 7 6mm 2 5 mm 7 6 5 08 mm 7 6 mm 5 0 8 mm 1 5 2 mm 1 ． 3 监控 系统的总体流程图 对机床主轴进行性能监测， 需要在硬件实验平台 的基础之上， 基于虚拟仪器开发相应的软件系统， 故整 个系统应包括硬件平台的搭建以及软件系统 的开发。 其中硬件实验平 台主要 由 Z - 5 1 6型台式机床 ， 电涡流 位移传感器， 信号处理模块 ， P C I - 6 2 2 1 型数据采集卡 以及 P C机等组成 。软件系统的开发要求整个系统集 实时监测 、 数据采集 、 数据处理、 数据存储以及 图形化 界面显示等为一体 ， 为实时监测机床主轴振动情况提 供交互式的工作环境。 当机床处于不同的工况时， 借助于电涡流位移传 感器获取机床主轴振动的原始信号， 经过低通滤波、 去 噪以及放大等预处理 ， 将处理后 的振动信号经数据采 集卡传递到 P c机， 结合虚拟仪器平台所开发的软件 系统， 对所采集的机床主轴振动情况进行实时监测， 机 2 0 1 4年2月 王 祯， 等 基于本体的制造企业工程变更案例检索技术研究 3 9 4 结论 针对制造企业内部工程变更案例检索问题 ， 本文 研究提出了一种基于本体的检索流程和检索方法 。首 先在对变更案例分析抽象 的基础上， 将其表示为变更 对象 、 变更活动、 变更数据和变更组织 四大类本体 ， 其 次 ， 通过近似词库的建立实现用户输入检索词的扩展， 以便能最大程度的检索到相似案例， 为更好 的实现案 例匹配， 本文提出从概念和属性两个角度来综合计算 案例相似度。最后实例证明此方法能够检索到符合用 户检索需求的相关案例 ， 大大缩短了分析变更和制订 方案的时间。在案例的重用方面， 今后研究将会关注 于如何借鉴检索到的相似案例来辅助确定新提出变更 的影响范围， 为后续变更方案制订提供帮助。 [ 参考文献] [ 1 ]G ． Q ．H u a n g ， W． Y ．Y e e ， K ． L ．M a k ．C u r r e n t p r a c t i c e o f e n g i n e e r i n g c h a n g e ma n a g e me n t i n Ho n g Ko n g ma n u f a c t u r i n g i n d u s t ri e s ． J o u r n a l o f Ma t e ri a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ， 2 0 0 3 1 3 9 4 8 1 4 8 7 ． [ 2 ] 蔡文沁 ， 彭培林 ， 姜寿山． 航空产品设计知识 的表示与重 用技术研究[ J ] ． 计算机集成制造系统， 2 0 0 4， 1 0 1 5 5 5 8 ． [ 3 ] 陈铭． 航空事故案例库设计及检索方法研究[ D ] ． 南京 南 京航空航天大学， 2 0 0 9 ． [ 4 ] T ． T r a n ， P ． C i m i a n o ， S ．R u d o l p h ． a n d R ． S t u d e r ．O n t o l o gy b a s e d i n t e r p r e t a t i o n o f k e y w o r d s f o r s e ma n t i c s e a r c h ．I n P r o c ． o f t h e 6 t h I C S W ， 2 0 0 7 5 2 3 5 3 6 ． [ 5 ]S ． G a u c h ． J ． C h a f f e e ， a n d A ． P r e t s c h n e r ．O n t o l o gy b a s e d p e r s o n a l i z e d s e a r c h a n d b r o w s i n g ．W e b I n t e l l i g e n c e a n d A g e n t S y s t e m s ， 2 0 0 3 1 2 1 9 2 3 4 ． [ 6 ]J ．D ．K i n g ， Y．L i ， X． T a o ， a n d R．N a y a k ．Mi n i n g Wo r l d Kn o w l e d g e for An a l y s i s o f S e a r c h E n g i n e C o n t e n t ．W e b I n t e l l i g e n c e a n d A g e n t S y s t e m s ， 2 0 0 7 5 2 3 3 2 5 3 ． [ 7 ]D a v i d V a l l e t ， Mi ri a m F e rnd n d e z ， a n d P a b l o C a s t e l l s A n O n t o l o gy B a s e d I n f o r ma t i o n Re t r i e v al Mo d e l A． G6 me z P 6 r e z a n d J ．E u z e n a t E d s ． E S WC 2 0 0 5 ， I C S 3 5 3 2 4 5 54 7 0 ． [ 8 ]S o n e r K a r a ， O z g u r A l a n ， O r k ant S a b u n c u ， S a m e t A k p i n ar， N i - h a n K． Ci c e k l i ， F e r d a N． Al p a s l an ．An On t o l o gy B a s e d Re t r i e v a l S y s t e m Us i n g S e ma n t i c I n d e x i n g ，I C DE Wo r k s h o p s 2 0 1 0 1 9 72 0 2 [ 9 ]T h o T h a n h Q u a n ， S i u C h e u n g H u i ， T rn H o a n g C a o O n t o l o g y Ba s e d F u z z y R e t rie v a l for D i g i t al L i b r a r y I C ADL 2 0 0 7， L NC S 4 8 2 2． 2 0 0 7 9 59 8． [ 1 0 ]S u g a t o C h a k r a b a r t y ， R a h u l C h o u g u l e ， R o n ald M．L e s p e r - a n c e ．On t o l o g y g u i d e d k n o wl e d g e r e t rie v a l i n a l l a u t o mo b i l e a s s e mb l y e n v i r o n me n t ．I n t J Ad v Ma n u f T e c h n o l 2 0 0 9 4 4 1 2 3 71 2 4 9 [ 1 1 ]高磊， 乔立红 ， 基于过程规范语言的复杂工艺过程模型 建立方法[ J ] ． 航空学报， 2 0 0 8 ， 2 9 4 1 0 6 81 0 7 2 ． [ 1 2 ]Z h e n Wang ，Q i G a o ，a n d G ang L i u ．O n t o l o g yB a s e d Re p r e s e n t a t i o n f o r E n g i n e e ri n g C h a n g e C a s e ． F u t u r e C o m- mu n i c a t i o n，C o mp u t i n g， C o n t r o l an d Ma n a g e me n t ， L NE E 2 01 2， 1 4 2 2 0 7 2 1 3 ． [ 1 3 ]张功杰 ， 赵向军， 陈克建， 面向本体的语义相似度计算及 其在检索中的应用 [ J ] ， 计算机工程与应用， 2 0 1 0 ， 4 6 2 9 1 3 1 1 3 3 ． 编辑赵蓉 上接第3 5页 3 结论 基于 L a b V I E W 9 ． 0软件平 台成功搭建关 于旋转 类机械主轴振动的测试分析系统 ， 并将其运用于 Z - 5 1 6 型台式钻床主轴的振动测量分析中， 通过静态校核试 验证明该监测系统测量结果的准确性。与其他监控系 统相 比， 本系统既可以通过直观的工作界面实时监控 机床设备主轴的振动情况， 保证产品加工的质量； 又可 以将采集的振动信号储存起来， 当设备 出现故障时， 通 过提取设备的历史数据 ， 分析故障原因， 从而制定相应 的维修及其他解决方案。 然而 ， 所开发的监测系统也存在一定的不足， 由于 机床的限制 ， 所 以系统监测的信号比较单一 ， 对于旋转 类机械其他的参数未能进行有效 的监测 ， 如机床刀具 的切削力、 切削温度信息等。在后续的研究中， 可以综 合考虑相关信息， 并融合到监测系统中， 从而实现更准 确地对机床运行状态的实时监测。 [ 参考文献] [ 1 ] 侯红玲， 白海清． 基于虚拟仪器的主轴振动检测系统开发 [ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 1 1 9 1 0 41 0 6 ． [ 2 ]李中伟 ， 李艽．基于故障树和虚拟仪器的遥测装备故障 诊断研究[ J ] ． 自动化技术与应用 ， 2 0 1 3 ， 3 2 4 2 7 3 1 ． [ 3 ]吕冰． 机床主轴组件振动检测与评估技术研究 [ D] ． 兰 州 兰州理工大学， 2 0 0 8 ． [ 4 ]王彦兵 ， 李慧敏， 丁彩红． 基于 L a b V I E W 的旋转机械转子 振动监测系统[ J ] ． 仪表技术与传感器 ， 2 0 1 1 5 2 7 2 9 ． [ 5 ]郝建亮 ， 张彦江， 陈志勇 ， 等．便携式机械振动测试系统 的设计 与实现 [ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 1 3 5 7 0 7 2 ， 7 5 ． [ 6 ]徐龙 ， 陈良洲， 文丹． 结合 L a b V I E W 的电涡流传感器研制 及标定[ J ] ． 实验室研究与探索 ， 2 0 1 1 ， 3 0 2 91 1 ， 5 4 ． [ 7 ]韩敏， 徐莉娜， 王崇峰． 基于虚拟仪器的星齿行星减速器 振动测试系统的研究 [ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术， 2 0 0 8 8 6 26 4 ， 6 8 ． [ 8 ]黄文虎等． 旋转机械非线性动力学设计基础理论与方法 [ M] ． 北京 科学出版社， 2 0 0 6 ． [ 9 ]杨建刚． 旋转机械振动分析与工程应用[ M] ． 北京 中国 电力出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 1 0 ]白云等． 基于 L a b V I E W 的数据采集与处理技术[ M] ． 西 安 西安电子科技大学出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 1 1 ] 李强． 机械设备早期故障预示中的微弱信号检测技术研 究[ D ] ． 天津 天津大学 ， 2 0 0 8 ． 编辑赵蓉