基于LabVIEW的机床回转精度测量系统的设计

基于LabVIEW的机床回转精度测量系统的设
计；
基于LabVIEW与本特利转子试验台的轴心轨迹
分析系统的设计
要求：
利用实验室现有仪器设备，并在LabVIEW编写测试系统对车间普通机床以及本特利转子试验台进行振动测量，测试系统须实现以下功能：
图1
1、采集时域波形并在前面板显示；
2、绘制出轴心轨迹图；
3、绘制出轴心位置图；
4、显示滤波后的时域信号和其频谱图；
5、机床回转精度测量系统要求实现回转精度评定；
6、机床回转精度测量系统要求测量主轴的轴向窜动。

一、主轴动态回转精度测试介绍
1、主轴回转精度的定义
主轴在作转动运动时，在同一瞬间，主轴上线速度为零的点的联机，称为主轴在该瞬间的回转中心线，在理想状况下，主轴在每一瞬间的回转中心线的空间位置，相对于某一固定的参考系统(例如：刀架、主轴箱体或工具机的工作台面)来说，应该是固定不变的。

但实际上，由于主轴的轴颈支承在轴承上，轴承又安装在主轴箱体孔内，主轴上还有齿轮或其它传动件，由于轴颈的不圆、轴承的缺陷、支承端面对轴颈中心线的不垂直，主轴的挠曲和工具机结构的共振等原因，主轴回转中心线的空间位置，在每一瞬时都是变动的。

把回转主
轴的这些瞬间回转中心线的平均空间位置定义为主轴的理想回转中心线，而且与固定的参考座标系统联系在一起。

这样，主轴瞬间回转中心线的空间位置相对于理想中心线的空间位置的偏离就是回转主轴在该瞬间的误差运动。

这些瞬间误差运动的轨迹，就是回转主轴误差运动的轨迹。

主轴误差运动的范围，就是所谓的「主轴回转精度」。

由此可见，主轴的回转精度，说明回转主轴中心线空间位置的稳定性特点。

2、主轴回转精度量测
2.1 主轴回转误差运动的测量与研究目的
对主轴回转误差运动的测量和研究有两方面的目的：
(1).从设计、制造的角度出发，希望通过测量研究找出设计、制造因素与主轴误差运动的关系，及如何根据误差运动的特点，评定主轴系统的设计和制造质量，同时找出产生误差运动的主要原因，以便做进一步改善。

(2).从使用的角度出发，希望找出主轴运动与加工精度和表面粗糙度的关系，及如何根据误差运动的特点，预测出工具机在理想条件下所能加工出的工件几何与表面粗糙度，给选用工具机及设计工具机提出依据。

2.2 主轴回转精度之测试方法
以标准试棒偏心安装，在径向固定两互相垂直的位移传感器，再轴向另安装一垂直方向的位移传感器，其信号经放大器输入示波器，测量旋转敏感方向的主轴误差运动。

二、系统硬件结构
1、电涡流传感器测量时的安装要求
完成轴心轨迹图以及轴心位置图需要使用2个互成90°的传感器采集转子的位移变化量，轴向窜动测量也需采集工件端面的位移变化量，因此选用直接测量位移的电涡流传感器作为该系统的传感器。

1.1、轴的径向振动测量
当需要测量轴的径向振动时，要求轴的直径大于探头直径的三倍以上。

每个测点应同时安装两个传感器探头，两个探头应分别安装在轴承两边的同一平面上相隔90°±5°。

由于
轴承盖一般是水平分割的，因此通常将两个探头分别安装在垂直中心线每一侧45°，从原动机端看，分别定义为X探头（水平方向）和Y探头（垂直方向），X方向在垂直中心线的右侧，Y方向在垂直中心线的左侧。

轴的径向振动测量时探头的安装位置应该尽量靠近轴承，如图所示，否则由于轴的挠度，得到的值会有偏差。

轴的径向振动探头安装位置与轴承的最大距离。

轴的径向振动测量时探头的安装测量轴承直径最大距离
0~76mm 25mm
76~510mm 76mm
大于520mm 160mm
探头中心线应与轴心线正交，探头监测的表面（正对探头中心线的两边1.5倍探头直径宽度的轴的整个圆周面，如图）应无裂痕或其它任何不连续的表面现象（如键槽、凸凹不平、油孔等），且在这个范围内不能有喷镀金属或电镀，其表面的粗糟度应在0.4 um至0.8um之间。

1.2、轴的轴向位移测量
测量轴的轴向位移时，测量面应该与轴是一个整体，这个测量面是以探头的中心线为中心，宽度为1.5倍的探头圆环。

探头安装距离距止推法兰盘不应超过305mm，否则测量结果不仅包含轴向位移的变化，而且包含胀差在内的变化，这样测量的不是轴的真实位移值。

2、采集卡
本次试验使用NI-USB9234采集卡作为信号采集工具，由于改采集卡的输入范围为
+-5V，而电涡流传感器输出电压超出这个范围，故需要在软件上配置传感器的IEPE设置，使IEPE打开，即激励输出一个2mA的电流，并且配置AC耦合以过滤直流偏置电压的影响。

在程序中实现方法如下图所示，可以添加一个通道属性节点，设置激励电流的值以及耦合方式：
图2-2
三、测试系统功能
1、信号的采集以及显示
信号的采集程序如图3.1.1所示，图3.1.2为前面板显示界面。

图3.1.1
图3.1.2
2、轴心轨迹分析
轴心轨迹分析通过轴心轨迹图以及轴心位置图对旋转机械的运动状态进行分析，根据检测到的轴心轨根据检测到的轴心轨迹图形状，可以分析造成振动的具体原因，得出故障的前期征兆对防止故障的恶化和排除故障具有指导作用。

2.1、定义：
轴心轨迹图是从轴颈同一截面的两个相互垂直的方向上监测得到的一组振动信号，正常情况下为一圆形。

轴的平均位置指的是轴的相对于机器定子（被安装的电涡流传感器）的平均位置，即转子动态运动时其相对电涡流传感器的距离的改变产生的v电压波动。

轴心轨迹往往包括着系统各种各样的故障信息。

例如轻微不对中$轴心轨迹则呈椭圆形在不对中方向上加一个中等负载$轴心轨迹变为香蕉形，严重不对中故障会使转子的轴心轨迹图呈现外8字形，这种具有8字形的轴心轨迹一般表现为二倍频或四倍频的成分较大，转子不平衡的识别特征是其振动信号的波形接近正弦波，其振动信号的频谱图中能量集中于基频其振幅最大，而其它谐波的振幅较小。

2.2、轴心轨迹以及轴心位置的测量
通过前面所做的测量系统，可以从电涡流传感器中采集到一个近似于正弦波的电压信号，这个电压信号包含以下2个成分：
一个DC电压，成比例地对应于轴相对于传感器的轴平均位置；
一个AC信号，对应于轴相对于传感器的动态运动。

将2个电涡流传感器信号成分分离出来后，各自捆绑在一起就能绘制出轴心位置图和轴心轨迹图。

其中DC量----轴的平均位置，AC量---轴心轨迹图。

图3.2.1为轴心轨迹测量程序，图3.2.2为轴的平均位置测量程序，图3.2.3为前面板显示界面。

图3.2.4为实验截图。

图3.2.1 图3.2.2
图3.2.3 图3.2.4
3、频谱分析
信号的时域显示（采样点的幅值）可以通过离散傅立叶变换（DFT）的方法转换为频域显示。

为了快速计算DFT，通常采用一种快速傅立叶变换(FFT)的方法。

运用快速傅里叶变换，就能实现把时间域信号变换成频率域信号，这种分析方法称为信号的频率描述或称为频谱分析。

前面板显示界面如图3.1.2，程序如图3.3.1
图3.3.1
4、回转精度分析
如果轴心发生的瞬时跳动δ(t)=δX(t)+δY(t)=O则示波器荧光屏上的光点，将按上述运动方程描绘出一个正园，其半径即代表偏心e的大小，如果主轴轴心跳动不为0，则该误差信号δ（t）将叠加到偏心运动上，使示波器荧光屏上的光点，描绘出一个反映刀尖实际运动轨迹的李沙育图形。

如图4.1所示，包容该图形，半径差为最小的两个同心园的半径差△Rmin 即代表轴心移量造成的不圆度，图线轮廊的宽度表示轴心的随机漂移量，它影响工件的表面光洁度。

图4.1 实验结果示意图
这个环形的环径就是回转误差值。

5、轴向窜动的测量
具体做法与径向测量类似，前面板显示界面如图：
图5.1
基于LabVIEW与本特利转子试验台的轴心轨迹分析系统的设计与主轴回转精度测试系统方法一致，故不多做叙述。