07-机床振动频率的测量

一． 研究背景

车削加工过程中，工件和刀具之间常常发生强烈的振动，破坏和干扰了正常的切削加工，是一种极其有害的现象。当车床发生震动时，工件表面质量恶化，产生明显的表面振纹，工件的粗糙度增大，这时必须降低切削用量，使车床的工作效率大大降低。强烈振动时，会时车床产生崩刃现象，使切削加工过程无法进行下去。由于振动，将使车床和刀具磨损加剧，从而缩短车床和刀具的使用寿命；振动并伴随有噪音，危害工人身心健康，使工作环境恶化。尽管超精密车床具有很高的刚度，但振动仍然是影响表面粗糙度的主要因素之一。超精密机床通常都有很高的固有频率，在超精密加工过程中，实际的工艺系统是一个非常复杂的振动系统，系统中的振动使工件与刀具之间的相对位置发生了微幅变动，最终使工件表面粗糙度增大、表面质量降低。有关学者通过研究发现：机床主轴的振动、导轨的振动以及刀具的振动都具有高频率、小振幅的特征，积屑瘤、外界干扰、机床刚性不足以及高速旋转部件不平衡也会引起切削振动，最终导致加工表面微观特征的改变。另外，切削系统中的动态效应对振动也有显著的影响。因此，必须采取必要的预防措施来减小或防止振动对超精密加工表面质量的影响。所以，我们选择测量振动频率这个课题。

二. 研究现状

1．A47-V1002激光非接触振动测量仪

激光非接触振动测量仪不需要在被测物体上安装传感器，只需对针测量点，对发射激光及接受激光进行特殊技术处理，测量被测物体的振动数据，特别适用于机器零部件，电子元器件等微小物品振动测量。

ZXP-J200振动监测仪为双通道、多功能、智能化的在线式监测仪表，用于测量轴承的绝对振动或轴的相对振动，可广泛用于监测汽轮机、发电机、风机和泵等各种旋转机械的振动。仪表可同时测量和显示出两个通道的振动参数，参数包括：转速、振幅通频值、报警值、1X选频值和相位。每通道可提供独立的4-20mA标准电流输出，输出电流相互隔离。每个通道的报警值可以各自任意设置，当测

量的通频值超过各自的设置值时，各自的报警指示灯亮，相应继电器动作。仪表采用LED数码显示器，显示明了、操作简便，具有较强的抗干扰能力和通用性。

图1 ZXP-J200振动监测仪

三.研究方案

该方案的研究主要分成两大部分进行：测量和显示。 通过电容式位移传感器，将振动信号采集到计算机中。该传感器属于高精度传感器，能够十分精确的将振动变化转化为一呈正弦波形输出的电压变化。采入计算机后，该方案将这一电压输出分别输入至Labview分析程序和数字频率计中，通过频率计即可显示出振动的频率，通过Labview对信号进行处理及分析。

该研究方案框图如图2。

图2 研究方案框图

四．研究内容

1 传感器部分 1.1 结构组成 (1) 探头

capaNCDT6100有多种可用探头，如图3所示。

不同探头所规定的测量量程不同。我组所用传感器探头的有效量程为5mm。有效测量面积为ø12.6mm。输出电压范围为0~10V。被测物需为可导电材质。

图3 可用探头

(2) 信号处理器 信号处理器见图4。

图4 信号处理器

该信号调理电路板包含一个振荡器，解调和不可分割的前置放大器。还包含了“零”和“增益”电位器，用于调整零点和增益。这便于优化电流测量任务。

连接的电路板还包含8引脚连接器，反向极性保护和各种保护部分。

(3) 连接线

连接线有两端，一端与处理器连接，此端同时为电源端和信号输出端，如图5所示。

图5 信号处理器

另一端有多根连接线，可外接电源与分析显示设备。使用时需注意连接线中不同颜色的线不可混用，避免造成短路和异常工作。图6为线的连接方式。注意本传感器的使用电压为正负15V，+24V的电压不使用。

图6 线的连接方式

1.2 测量原理

间隙变化型电容传感器用于测量位移及一切能转换为位移测量的物理参数，其特点是非接触式测量。测量原理示意图如图7所示。

其测量计算公式为

XCA1;C0 (1) jC式中

A —— 极板面积；

0—— 真空介电常数，08.851012F/m；

—— 极板间介质的介电常数，当介质为空气时1； —— 两极板间的距离。

由上式可知，当两板间距离

发生变化，即位移变化时，电容值就会发生

相应的变化，并且以正弦信号表现出来。

图7 测量原理示意图

1.3 测量过程及结果

图8 所用实验设备

图8为所用实验设备。传感器已连接完成，将探头放至振动源上国定平台处，并保证探头与振件距离不超过5mm，调节振动台的振动频率和振动幅度，使之达到一个适宜的数值。

连接示波器，将传感器输出端与示波器连接，调节示波器，即可显示出正弦信号。从中可观察出振动台的频率与振幅变化。

图9为仿真软件处理后输出的方波信号与正弦波的对比。

图9 仿真软件处理后输出的方波信号与正弦波的对比

从示波器可明显观察到波形的变化，达到了转化振动信号的目的。为软件部分再分析提供了原始信号。

2 数字频率计部分 2.1 工作原理

电路原理图如图10所示。电路连接图如图11所示。

图10 电路原理图

本电路能够精确测量输入的0～999Hz的方波信号频率。 2.2 工作原理分析 (1) 整体分析

频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他电信号每秒钟出现的个数，对被测电信号在一定时间内不断地进行取样、计数、存储，并用数码管及时地显示出来. 本数字频率计由四部分组成：时基电路、闸门电路、逻辑控制电路以及可控制的计数、译码、显示电路。

CKU1ABCDEFGR1~R7270Ohm1312111091514CKU2ABCDEFGR8~R14270Ohm1312111091514CKU3ABCDEFGR15~R21270Ohm1312111091514OAOBOCODOEOFOGOAOBOCODOEOFOGU44511BD_5VVDDU54511BD_5VVDDOAOBOCODOEOFOG~EL~BI~LT543DADBDCDDU64511BD_5VVDD~EL~BI~LT71265437126543~EL~BI~LTDADBDCDDDADBDCDD1112131434561A1B1C1D2A2B2C2DU7A4518BD_5VU7B4518BD_5V1A1B1C1D27EN1MR134567126U8A4518BD_5VCP110EN215MR29CP227EN1MR11I1测试输入端VDDVDDU10832.768kHzC315pF 124VDDSCL65SDA7INTR24~2610kOhm6SD15D13C1CP1C24CD1A03R224013BD_5VU9AO11~O12VDDU9B8SD29D211CP210CD24013BD_5VR23O213~O212OSC1OSC0VSSPCF 85831000pF 1kOhm 1000pF 1kOhm 1CP1

图11 电路连接图

由时钟芯片PCF8583，分级分频系统得到具有固定宽度T的方波脉冲做门控制信号，时间基准T称为闸门时间。宽度为T的方波脉冲控制闸门的一个输入端B.被测信号频率为fx，周期Tx。到闸门另一输入端A。当门控制电路的信号到来后，闸门开启，周期为Tx的信号脉冲和周期为T的门控制信号结束时过闸门，于输出端C产生脉冲信号到计数器，计数器开始工作，直到门控信号结束，闸门关闭。单稳1的暂态送入锁存器的使能端，锁存器将计数结果锁存，计数器停止计数并被单稳2暂态清零。(简单地说就是：在时基电路脉冲的上升沿到来时闸门开启，计数器开始计数，在同一脉冲的下降沿到来时，闸门关闭，计

数器停止计数。同时，锁存器产生一个锁存信号输送到锁存器的使能端将结果锁存，并把锁存结果输送到译码器来控制七段显示器，这样就可以得到被测信号的数字显示的频率。而在锁存信号的下降沿到来时逻辑控制电路产生一个清零信号将计数器清零，为下一次测量做准备，实现了可重复使用，避免两次测量结果相加使结果产生错误。)若T=1s，计数器显示fx=N(T时间内的通过闸门信号脉冲个数) 若T=0.1s，通过闸门脉冲个数位N时，fx=10N，(闸门时间为0.1s时通过闸门的脉冲个数)。也就是说，被测信号的频率计算公式是fx=N/T。由此可见,闸门时间决定量程，可以通过闸门时基选择开关，选择T大一些，测量准确度就高一些，T小一些，则测量准确度就低。根据被测频率选择闸门时间来控制量程。被测信号频率通过计数锁存可直接从计数显示器上读出。

在整个电路中，时基电路是关键，闸门信号脉冲宽度是否精确直接决定了测量结果是否精确。

(2) 元器件功能:

A CD4518 双BCD同步加计数器

该IC是双BCD同步加计数器，在一个封装中含有两个可互换二/十进制计数器，其功能引脚分别为1～7和9～15。该计数器是单路系列脉冲输入（1脚或2脚；9脚或10脚），4路BCD码信号输出（3脚～6脚；11脚～14脚）。此外还必须掌握其控制功能，否则无法工作。CD4518有两个时钟输入端CP和EN，若用时钟上升沿触发，信号由CP输入，此时EN端应接高电平“1”。若用时钟下降沿触发，信号由EN端输入，此时CP端应接低电平“0”，不仅如此，清零（又称复位）端Cr也应保持低电平“0”，只有满足了这些条件时，电路才会处于计数状态，若不满足则IC不工作。另外，该CD4518无进位功能的引脚，第6脚或第14脚将输出下降沿的脉冲，利用该脉冲和EN端功能，可作为计数的电路进位脉冲和进位功能端供多位数显用。引脚如图12所示。其中，1CP、2CP为时钟输入端；1CR、2CR为清除端；1EN、2EN为计数允许控制端；1Q0～1Q3为计数器输出端；2Q0～2Q3为计数器输出端；Vdd为正电源；Vss为地。

图13为时序图。 B CD4511

CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。引脚如图14所示。

VDDR2Q4BQ3BQ2BQ1BEN2CP2CD4518CP1EN1Q1AQ2AQ3AQ4AR1VSS

图12 CD4518引脚图

图13 时序图

VDDfgabcdeCD4511A1A2LTBILEA3A4VSS

图14 CD4511引脚图

C CD4013 双主-从D型触发器

在电子技术中，N/2(N为奇数)分频电路有着重要的应用，对一个特定的输入频率，要经N/2分频后才能得到所需要的输出，这就要求电路具有N/2的非整数倍的分频功能。CD4013是双D触发器，在以CD4013为主组成的若干个二分频电路的基础上，加上异或门等反馈控制，即可很方便地组成N/2分频电路。上面介绍的N/2分频电路仅限于N≤7，当N≥7时，可根据分频N值的大小，相应增加二分频级数，并恰当引接反馈信号走线，便可得到N≥7的分频电路。下面仅介绍一例9/2分频电路，如图7所示。图8是其工作波形。IC1～IC4四级D触发器组成16分频电路，f0信号从Q3输出，电路有Q1、Q4两级反馈。其工作原理与上述有关分频电路相似，波形图上A点虚线脉冲表示为电容C滤除掉的Q1反馈信号。从图8中可知，只要fi输入四个半周期的时钟信号，就输出一个周期信号f0，即f0的频率为fi的2/9。.电路工作原理是，在第n个周期，末级两分频器的输出为高电平时，输入时钟脉冲的上升沿使分频电路工作；在第n＋1个周期，末级两分频器的输出为低电平时，输入时钟脉冲的下降沿使分频电路工作。电路采用的是异步触发形式，各触发器的初始状态不会影响到分频的功能。如果要求初始状态为“0”状态，可以将D触发器的复位端R引出，接至复位控制电路。输入信号fi的最高工作频率fimax除受到CMOS元件fM的限制外，还受到D触发器、反馈门翻转延迟和电容C滤波频率特性的影响，所以应尽可能提高fi的值。一般情况下，最高工作频率fimax在几百千赫以下。

D PCF858时钟芯片

PCF8583是一款带有256个字节的时钟/日历芯片。地址和数据通过I2C总线传输。在每次对数据字节的读或写操作后，内建的字地址寄存器自动增加。地址管脚A0用于编程硬件地址，这样在不增加硬件的情况下允许将两个器件连接

到总线上。

内置的32.768KHz振荡器和RAM的前8个字节用于时钟/日历和计数器功能。接下来的8个字节可作为报警寄存器或当作RAM来使用。剩下的240个字节都作为RAM由用户自由支配。

PCF8583引脚功能如图15所示。

图15 PCF8583引脚功能

3 Labview部分

本系统的程序是在LabVIEW 8.5平台上开发的。在系统的编制过程中采用了结构化和模块化编程的基本思路。程序主要包括两大模块：数据采集、数据读取、数据处理分析和数据输出模块。系统的软件结构如图16所示。

图16 系统的软件结构

3.1 数据采集模块的设计

数据采集提供了整个测试系统的数据来源，是虚拟仪器的基本组成部分。数据采集模块主要是实现振动信号的拾取及对各种参数的控制，例如对数据采集

卡、采集通道的选择，以及采样频率、点数、段数的控制等。振动信号主要为正弦信号，采取自由连续采集方式，即设置好采集参数后直接进行连续采集，适用于随机信号的采集。

3.2 信号分析模块的设计

根据振动测试对信号分析处理的要求，主要从时域波形分析、幅频分析、相频分析方面进行程序设计。

时域波形分析模块：时域波形分析中主要是波形显示。并分析幅值、相位、频率值。数据分析处理模块后面板和前面板分别如图17和18所示。

图17 数据分析处理模块后面板

图18 程序前面板

幅频分析模块：主要分析输入正弦信号的幅频特性。 相频分析模块：主要分析输入正弦信号的相频特性。

3.3 实际操作

数字频率计和传感器连接后，执行软件操作。运行程序，DAQ数字采集卡采集信号，如图19所示，前面板显示时域波形，即输入信号，图20为示例波形。

图19 DAQ数字采集卡采集信号

图20 前面板输入波形显示 图21 滤波后波形图

对输入的信号进行滤波，滤波后信号波形如图21所示。

同时在前面板的右侧，显示出滤波后的频率、相位和幅值，如图22。并对输入信号进行幅频分析和相频分析，如图23。

对输入的信号进行功率谱分析，如图24。

由图可知，频率为11Hz的时候，振动到达最大振幅，固它的振动源的固有频率为11Hz。由于数字频率计只对方波信号做出反映，所以需要把输入的争先信号转化为方波信号。从后面板中的频率处引出到信号生成模块中的方波波形。

由发波发生器生成的方波频率和输入的正弦频率相等，上图中下面的常数10为规定输出方波信号的振幅为10。

经程序转换，把输入正弦信号转换为所需的方波输出，图25为输出的方波波形图。把转换后的方波信号经图26所示DAQ数字采集卡输出，给数字频率计进行数字输出。经验证，输入信号在数显表上的读数与采集卡采入程序的数值存在误差，但在允许范围内，输出信号后，数字频率计所示数字输出与程序所示误差很小。所以实验验证了本系统的可行性，实验可行。

图22 滤波后的频率、相位、幅值

图23 幅频分析和相频分析

图24 功率谱分析图

图25 输出方波图 图26 DAQ数字采集卡输出信号

五．典型成果

图 27 传感器采集的波形输入Labview软件后的波形

图28 数字频率计和LabView软件上显示的振动源频率

图27为传感器采集的波形输入Labview软件后的波形，所测频率为12.72Hz。

图28为数字频率计和LabView软件在此刻所显示的振动源频率均为12Hz。

六. 结果分析

实验中测量出的固有频率在机床加工过程中是一个重要的影响因素，当机床的振动达到固有频率时，机床的振动幅度到达最大值，对加工工件的质量影响最大。在实验中，我们测量出了振动的固有频率，可以有效的避免机床在加工过程中的振动影响，减小因机床振动而在加工工件时所产生的误差。

七.感想及体会

通过这次课程设计，我们拓宽了知识面，锻炼了能力，综合素质得到较大提高。老师安排我们课程设计的基本目的，在于让我们通过理论与实际的结合、人与人的沟通，进一步提高思想觉悟，特别是观察、分析和解决问题的实际工作能力。作为整个学习体系的有机组成部分。它的一个重要功能，在于运用学习成果，检验学习成果。运用学习成果，把课堂上学到的系统化的理论知识，尝试性地应用于实际设计工作，并从理论的高度对设计工作的现代化提出一些有针对性的建议和设想。检验学习成果，看一看课堂学习与实际工作到底有多大距离，并通过综合分析，找出学习中存在的不足，以便为完善学习计划，改变学习内容与方法提供实践依据。对我们计算机专业的本科生来说，实际能力的培养至关重要，而这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的，必须从课堂走向实践。这也是一次预演和准备毕业设计工作。通过课程设计，让我们找出自身状况与实际需要的差距，并在以后的学习期间及时补充相关知识，为求职与正式工作做好充分的知识、能力准备，从而缩短从校园走向社会的心理转型期。这次的设计很受我们的喜欢。课程设计达到了让我们学习巩固专业知识的预期目的。在一个学期的课程设计之后，我们普遍感到不仅实际动手能力有所提高，更重要的是通过对软件开发流程的了解，进一步激发了我们对专业知识的兴趣，并能够结合实际存在的问题在专业领域内进行更深入的学习。

八．参考文献

1. 王伯雄. 工程测试技术. 北京：清华大学出版社. 2007

2. 吴成东,孙秋野,盛科编著. Labview虚拟仪器程序设计及应用.北京：人民邮电出版社. 2008