基于虚拟仪器的高速电主轴动平衡测试系统的研究

　　高速电主轴是高速切削的关键部件。由于主轴的回转精度会直接影响加工精度，因此，高转速下的动平衡显得尤为重要。为了能够精确地采集到电主轴动平衡的振动信号， 高性能的测试系统起到了不可替代的作用。随着电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展，新型的虚拟仪器应运而生。虚拟仪器是基于计算机的仪器，相对于传统的测试系统而言，虚拟仪器的程序开发过程简捷，效率高，其类似于人们比较熟悉的硬件面板，很容易被各个领域的工程技术人员利用。它是以PC 计算机作为统一硬件平台， 可以广泛地将数据采集、分析与显示功能集成为一套完整的应用方案。

　　1 动平衡测试系统组成及工作原理

　　1.1 测试系统的硬件组成

　　动平衡测试系统主要由系统硬件和测试软件组成。系统硬件主要是以PC 机为操作平台，与计算机同步工作的是数据采集、提供信号源和控制信号的仪器硬件。其中测试系统的硬件部分主要包括传感器、信号调理电路、信号处理电路、PC 计算机。电主轴动平衡测试分析系统的构成如图1 所示。

　　由图1 可知， 每个传感器代表一个通道， 可以由PC 控制界面通过选通多路开关来选择启动某个传感器工作，传感器采集的信号经过信号调理电路，即经过放大、转换、滤波后直接输入到数据采样器中，转换成计算机可以识别的数字信号，以供信号分析使用。由于振动信号频率较高，采样率需达每秒数万次，故振动信号采用模拟量直接有线传输方式， 每个数据采集点到计算机之间用专用线连接。

　　1.2 测试系统的软件组成

　　采用的虚拟仪器应用软件是LabVIEW(LaboratoryVirtual Instruments Engineering Workbench)，LabVIEW可以和大部分的信号采集设备进行通信， 或者通过动态连接库实现与LabVIEW 的数据交换，方便地从信号采集器获取信号数据。本系统采用数据采集器采集振动信号， 然后通过外围数据通信接口将信号数据传输给PC 机用于对数据进行显示、时频域分析、特征提取等操作。测试系统的软件构成如图2 所示。

　　2 电主轴振动测量系统方案选择

　　在振动测量中， 为了避免主轴的振动对传感器的损害，均采用非接触测量方法。在测量中，采用压电式加速度传感器配上电荷放大器进行测量， 每个部分均有独立的电路完成，各个部分通过电缆线连接。压电式加速度传感器减少了振动测量过程的中间环节, 降低了设备成本,比较容易地解决了干扰问题。

　　主轴系统振动是影响超精密加工表面形貌的一个极为重要的因素，主要包括轴向窜动、径向跳动和角度摆动3 种基本形式。其中主轴的径向振动作用于超精密端面切削的误差敏感方向， 会引起断面表面的平面度误差和对工件轴线的垂直度误差。为了测量主轴的径向振动， 在主轴前后端各安装芯棒， 以芯棒的振动及变形反映主轴的振动和变形，在芯棒的末端Z轴方向安装一涡流传感器作为主轴轴向位移的检测装置。在主轴中间部分的X、Y 方向处分别安装压电式加速度传感器，以测量主轴的径向振动。