【正文】 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文齒輪故障診斷虛擬儀器平臺(tái)開(kāi)發(fā)摘要目前的齒輪箱故障診斷研究主要集中在狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀器和分析系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、信號(hào)處理和分析、故障機(jī)理研究和典型故障特征的提取、智能診斷等幾個(gè)方面。Labview最初就是為測(cè)試測(cè)量而設(shè)計(jì)的，因而測(cè)試測(cè)量也是現(xiàn)在Labview最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)，用戶(hù)也可以十分方便地找到各種適用于測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域的Labview工具包。國(guó)內(nèi)已有不少基于虛擬儀器的故障診斷的研究，但還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。本文論述了基于虛擬儀器的齒輪故障診斷的原理和方法，詳細(xì)的介紹了齒輪故障的特征和齒輪故障信號(hào)的分析方法，采用時(shí)域分析、頻譜分析、解調(diào)分析對(duì)信號(hào)進(jìn)行了處理和分析。建立了齒輪故障實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用labview設(shè)計(jì)了具有數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、故障監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)管理等功能的故障診斷程序，并介紹了這些功能基于labview的實(shí)現(xiàn)方法。制作了一套基于虛擬儀器的齒輪故障診斷系統(tǒng)，并且用齒輪故障實(shí)驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證了該系統(tǒng)用于齒輪故障診斷的可行性。關(guān)鍵詞：齒輪故障診斷；虛擬儀器；包絡(luò)分析；頻率調(diào)制The development of virtual instrument platform gear fault diagnosisAbstractSeveral studies of gearbox fault diagnosis at present mainly in the state monitoring and analysis system, signal processing and analysis, fault mechanism and fault feature extraction, intelligent diagnosis and etc.. Labview originally is for test and measurement and design, and test and measurement is now the most widely used Labview the same time, the user can conveniently find suitable for testing Labview kit. There are a lot of fault diagnosis based on virtual instrument, but also at the stage of laboratory paper discusses the theory and method of gear fault diagnosis based on virtual instrument, introduces the analysis method of fault gear and gear fault signal, the time domain analysis, spectrum analysis, demodulation analysis for signal processing and analysis. Establishment of the gear fault experiment platform, program of fault diagnosis with data acquisition, signal processing, fault monitoring, data management and other functions of the design using Labview, and introduces the function implementation method based on labview. A set of gear fault diagnosis system based on virtual instrument, and the gear fault experiment verified the feasibility of system for fault diagnosis of gears.Keywords: gear fault diagnosis；virtual instrument； envelope analysis；frequency modulationII畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。作 者 簽 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 指導(dǎo)教師簽名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部?jī)?nèi)容。作者簽名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)　　 　 　大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名： 日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日注 意 事 項(xiàng)（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁(yè)（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)8）致謝9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)）：理工類(lèi)設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于1萬(wàn)字（不包括圖紙、程序清單等）。：任務(wù)書(shū)、開(kāi)題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。、圖表要求：1）文字通順，語(yǔ)言流暢，書(shū)寫(xiě)字跡工整，打印字體及大小符合要求，無(wú)錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫(xiě)2）工程設(shè)計(jì)類(lèi)題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書(shū)寫(xiě)，不準(zhǔn)用徒手畫(huà)3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁(yè)以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無(wú)格子的頁(yè)面上5）軟件工程類(lèi)課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔1）設(shè)計(jì)（論文）2）附件：按照任務(wù)書(shū)、開(kāi)題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂3）其它目錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 1 1 2 3 第2章 齒輪故障診斷的方法與原理 5 5 6 11 11 11 12 13 第3章 齒輪故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案 15 16 設(shè)計(jì)基于labview的虛擬儀器 19 19 19 24 第4章 基于labview齒輪故障診斷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 27 故障實(shí)驗(yàn)臺(tái)分析 27 28 結(jié)論 31 致謝 32 參考文獻(xiàn) 33 附錄 34 第1章 緒論虛擬儀器（VI）的概念是美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）提出的，通俗地講就是利用計(jì)算機(jī)的豐富硬件資源在某種軟件編程環(huán)境開(kāi)發(fā)出的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，測(cè)量數(shù)據(jù)在該系統(tǒng)內(nèi)的傳遞是靠軟件而不是硬件完成，它的核心是“軟件就是儀器”。傳統(tǒng)的儀器如示波器，萬(wàn)用表，電子顯示溫度計(jì)等是利用某些特殊的物理效應(yīng)來(lái)建立輸入量和輸出量之間的函數(shù)關(guān)系。示波器是利用電子流撞擊熒光粉發(fā)出熒光來(lái)顯示出波形，當(dāng)輸入的電壓量變化時(shí)電子流的偏移量發(fā)生變化，于是輸入的電壓量和波形之間建立了確定的函數(shù)關(guān)系。萬(wàn)用表則是利用線性的歐姆定律來(lái)建立輸入輸出的函數(shù)關(guān)系，而電子顯示溫度計(jì)是由溫度傳感器建立溫度與電信號(hào)之間的關(guān)系。抽象的講：儀器就是輸入量與輸出量之間的傳遞函數(shù)。 計(jì)算機(jī)在函數(shù)關(guān)系模擬，計(jì)算等方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，因此利用計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來(lái)并與之幾乎完美的相結(jié)合的虛擬儀器注定將引領(lǐng)儀器領(lǐng)域的發(fā)展方向。虛擬儀器的設(shè)計(jì)除了需要計(jì)算機(jī)硬件資源，還需要一個(gè)良好的軟件設(shè)計(jì)環(huán)境。Labview是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境(Laboratory Virtual rument Engineering Workbench)的簡(jiǎn)稱(chēng),是美國(guó)國(guó)家儀器公司的軟件產(chǎn)品,也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形軟件開(kāi)發(fā)集成環(huán)境。[1]它是NI公司開(kāi)發(fā)的世界唯一一款基于圖形的編程語(yǔ)言。所謂圖形化編程語(yǔ)言就是將具體的代碼封裝起來(lái)以圖標(biāo)的形式顯示成具有一定功能的控件（VI）只顯示輸入與輸出接口。利用labview編寫(xiě)程序具有突出的直觀性,快捷性。直觀體現(xiàn)在labview用封裝成圖形的功能控件取代了有雜代碼表示的函數(shù)；快捷體現(xiàn)在labview利用圖形化的控件取代了代碼從而省略用戶(hù)輸入代碼的麻煩。用戶(hù)編程時(shí)只需將相應(yīng)的控件的接口用“數(shù)據(jù)線”連接起來(lái)便“能量身定制”出具自己需要的儀器。虛擬儀器引入到當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試領(lǐng)域，使數(shù)據(jù)采集和工業(yè)控制自動(dòng)化技術(shù)發(fā)生了重大的變革。[2]故障診斷技術(shù)發(fā)展到今天與計(jì)算機(jī)技術(shù)，現(xiàn)代數(shù)學(xué)，邏輯學(xué)產(chǎn)生了越來(lái)越密不可分的關(guān)系。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越復(fù)雜，故障診斷也因而變得更加必要和重要。目前的齒輪箱故障診斷研究主要集中在狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀器和分析系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、信號(hào)處理和分析、故障機(jī)理研究和典型故障特征的提取、智能診斷等幾個(gè)方面。[3]在監(jiān)測(cè)儀器和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面，研究者已經(jīng)取得了大量的成果，開(kāi)發(fā)出了許多性能優(yōu)良的儀器及分析系統(tǒng)。美國(guó)國(guó)家儀器公司提出的虛擬儀器概念由于其卓越的設(shè)計(jì)理念和突出優(yōu)勢(shì)引起了儀器領(lǐng)域的革命性變化，虛擬儀器是未來(lái)測(cè)試儀器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。在信號(hào)處理和分析方面，基于數(shù)學(xué)理論的發(fā)展，人們有了一系列先進(jìn)的信號(hào)分析方法。除了傳統(tǒng)的時(shí)域分析、頻域分析還發(fā)展了諸如小波理論，能量算子解調(diào)，希爾伯特變換，統(tǒng)計(jì)特征分析等一系列先進(jìn)的信號(hào)處理方法，為信號(hào)處理提供了豐富有效的手段。在故障機(jī)理研究方面研究人員也做了大量的工作，也取得了一定的成績(jī)。Labview提供了極其豐富的函數(shù)庫(kù)和控件庫(kù)，涵蓋了信號(hào)截取、信號(hào)分析、機(jī)器視覺(jué)、數(shù)值運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、聲音震動(dòng)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等眾多方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展已可支持Windows，UNIX，Linux，MacOS等多種操作系統(tǒng)，因而被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域。 Labview最初就是為測(cè)試測(cè)量而設(shè)計(jì)的，因而測(cè)試測(cè)量也是現(xiàn)在Labview最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，Labview在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域獲得了廣泛的承認(rèn)。至今，大多數(shù)主流的測(cè)試儀器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備都擁有專(zhuān)門(mén)的Labview驅(qū)動(dòng)程序，使用Labview可以非常便捷的控制這些硬件設(shè)備。同時(shí)，用戶(hù)也可以十分方便地找到各種適用于測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域的Labview工具包。國(guó)內(nèi)已有不少基于虛擬儀器的故障診斷的研究，但還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。齒輪傳動(dòng)由于其精確的傳動(dòng)比廣泛的用于各種機(jī)械設(shè)備的傳動(dòng)系統(tǒng)中，例如切削機(jī)床、航空工業(yè)、電力系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械、礦山機(jī)械等均運(yùn)用了齒輪傳動(dòng)裝置。在精密機(jī)械如數(shù)控機(jī)床、高檔轎車(chē)、精密工業(yè)機(jī)器人等產(chǎn)品中也廣泛的采用了齒輪傳動(dòng)?？梢哉f(shuō)現(xiàn)代工業(yè)中具有不可替代的重要作用。但是齒輪容易受的損壞出現(xiàn)故障，它是誘發(fā)機(jī)械故障的重要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，傳動(dòng)機(jī)械中80%的故障是由齒輪故障引起的，旋轉(zhuǎn)機(jī)械中齒輪故障占其故障總數(shù)的10%左右（如圖1—1）。齒輪故障將直接影響公司的生產(chǎn)數(shù)量和生產(chǎn)質(zhì)量，如果一條流水線上的某臺(tái)其關(guān)鍵作用的機(jī)器在預(yù)料之外突然出現(xiàn)故障將對(duì)工廠的生產(chǎn)計(jì)劃產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，也將嚴(yán)重影響公司的經(jīng)濟(jì)效益。如電力行業(yè)的發(fā)電機(jī)組、鐵行業(yè)的軋輥機(jī)組、由于齒輪箱的意外故障造成的損失將是巨大的。我國(guó)的水泥行業(yè)由于齒輪箱故障是水泥產(chǎn)量每年減少200萬(wàn)噸以上。十年前，一家很有聲望的齒輪公司生產(chǎn)的提升機(jī)，在進(jìn)行建筑物外表清潔作業(yè)時(shí)齒輪箱輪齒發(fā)生斷裂，造成清潔工人從高空墜落，這一事故的發(fā)生不僅是這家公司的產(chǎn)品信譽(yù)受到嚴(yán)重影響，還傷害了勞動(dòng)人民的生命。1986年10月，一架英國(guó)斯威士蘭公司的直升機(jī)在英國(guó)北海油田上空?qǐng)?zhí)行任務(wù)時(shí)，傳輸動(dòng)力的弧齒錐齒輪突然斷裂，造成飛機(jī)失事。[4]這都是一些很不幸的事故。如果當(dāng)時(shí)對(duì)齒輪箱進(jìn)行了實(shí)時(shí)故障監(jiān)測(cè)也許就可以避免不幸。可見(jiàn)對(duì)齒輪進(jìn)行故障診 [5]圖1—1 齒輪故障率統(tǒng)計(jì)斷具有非常重要的意義，可以在齒輪出現(xiàn)故障的早期對(duì)機(jī)器進(jìn)行及時(shí)的維修從而避免出現(xiàn)嚴(yán)重事故。與傳統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)相比，虛擬儀器系統(tǒng)具有成本低、易于調(diào)試、便于修改和升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)。利用labview的圖形化編程語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)軟件大大縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間。