摘 要

本文设计并实现了对于磁悬浮磨削电主轴的磁力轴承控制的硬件系统的监测平台，基于美国NI公司的图形化开发的软件Labview的基础上，设计了对电主轴磁力轴承转子的轴心轨迹的测量系统，系统由磨削主轴硬件部分、电涡流传感器、研华公司数据采集卡以及数据采集和处理的软件组成。

轴心轨迹图作为记录转子振动状态的一类特殊的重要图形语言，含括了大量的故障信息，是学者及专家在诊断过程中采用的一类必不可少的故障诊断的信息由于轴心轨迹的重要地位，它的特征自动提取和形状的自动识别的能力，都直接影响了生产中关于磨削主轴故障诊断系统的智能化水平，所以我们需要对转子的轴心轨迹进行全面的研究。本文主要从以下几个方面对于磁悬浮磨削电主轴监测系统就行了设计。

（1）设计搭建磁悬浮主轴的实验设备，使之能够可靠地模拟出正常工作时的状态

（2）搭建信号测量电路，保证电涡流传感器、功率放大器、低通滤波器和数据采集卡能够正常工作，完成数据采集。

（3）Labview程序的编写以及前面板的界面设计。包括磁悬浮磨削主轴转子的轴心轨迹的显示，X和Y通道电压信号的频谱分析，转子轴向振动位移的监测以及数据的存储和打印。

（4）对界面的优化处理，使界面人机交互性更强，用户具有极佳的用户体验，这不仅是对界面的优化，更是一种以用户体验为中心的设计理念的体现。

关键词：磁悬浮；轴心轨迹；Labview；监测系统

Abstract

This paper designs and realizes the monitoring platform of the hardware system controlled by the magnetic bearing of the magnetic suspension grinding spindle. Based on the software developed by the American company's graphical development, the design of the spindle of the magnetic spindle rotor Measurement system, the system consists of grinding the spindle hardware, eddy current sensor, Advantech data acquisition card and data acquisition and processing software components.

The axis trajectory is a kind of special important graphic language which records the vibration state of the rotor. It contains a lot of fault information, which is a kind of essential fault diagnosis information used by the scholars and experts in the diagnosis process. The importance of automatic extraction and automatic identification of the shape of the ability, have a direct impact on the production of grinding spindle fault diagnosis system on the level of intelligence, so we need to rotor the axis of the track to conduct a comprehensive study This article mainly from the following aspects for the magnetic suspension grinding spindle monitoring system on the line design.

(1) to design a magnetic suspension spindle experimental equipment, so that it can reliably simulate the normal working state

(2) to build a signal measurement circuit to ensure that the eddy current sensor, power amplifier, low-pass filter and data acquisition card to work properly to complete the data acquisition.

(3) Labview program and the front panel interface design. Including the display of the axial trajectory of the spindle rotor, the spectral analysis of the X and Y channel voltage signals, the monitoring of the axial vibration displacement of the rotor, and the storage and printing of the data.

(4) the interface to optimize the processing, so that the interface of human-computer interaction is stronger, the user has an excellent user experience, which is not only the interface optimization, but also a user experience as the center of the design concept of the embodiment.

Key Words：Magnetic levitation；Axis trajectory；Virtual instrument；Labview

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题背景 1

1.2国内外研究的现状 3

1.2.1 磨削主轴技术研究现状 3

1.2.2磨削主轴状态监测技术研究现状 4

1.3 研究的意义和主要内容 5

1.3.1研究的意义 5

1.3.2研究的主要内容 5

第2章 磁悬浮磨削主轴监控系统硬件设计 7

2.1 磁力轴承转子的基本结构介绍 7

2.1.1 轴向磁力轴承参数介绍 8

2.1.2 轴向磁力轴承转子参数介绍 8

2.1.3径向磁力轴承参数介绍 9

2.1.4 电涡流传感器的参数介绍 9

2.2 转子轴心轨迹监测系统的硬件构建 10

2.2.1 转子的轴心轨迹监测方法及信号分析 10

2.2.2 数据采集卡的选择 11

2.3 硬件电路的设计 14

2.3.1 运算放大器的设计 14

2.3.2 调理电路的设计 15

2.3.3 总体电路的设计 15

2.3 本章小结 16

第3章 磁悬浮磨削主轴监测系统的软件实现 17

3.1 转子的轴心轨迹显示部分 17

3.2 频谱分析 20

3.3 转子的轴向位移的监测 21

3.4 数据的储存和打印 22

3.5 本章小结 23

第4章 系统的仿真测试和界面优化 24

4.1 系统的仿真测试 24

4.2 界面的优化 26

4.3 本章小结 27

第5章 总结与展望 28

5.1 总结 28

5.2 展望 28

参考文献 30

致 谢 31

附 录 32

第1章 绪论

1.1 课题背景

在制造业越来越发达的今天，我国不能仅作为一个制造大国而存在，更要完成从中国制造到中国创造的转变。所以制造业的技术水平、设备制造的能力以及更多的智能装备例如高级的数控机床的使用，成为了如今衡量国家工业现代化水平的重要因素了^[1]。据调查数据表明，从2002年起，中国已经连续13的成为了世界上金属加工机床第一的进口和消费大国，并在2009年开始，我国的金属加工机床也走在了世界的前列^[2]。但是，由我国自主研发的高端数控机床在市场上的占有率却远没有达到预期标准。其根本原因在于我国关于数控机床的技术水平，安全性，可靠性还远远没有达到国际的领先水平。特别是在国家的“十三五”计划提出的实现“中国创造”的这一大背景下，将数控机床的设计研发作为了我国重点发展产品行业，不过当今加工中心及其核心功能的部件的可靠性的问题将成为发展的技术厄待解决的问题。磨削主轴中的电主轴是加工中心的关键功能的部件之一，它的可靠性和状态会直接影响着加工中心的性能^[3]。

本次课题研究的主要是对磁悬浮磨削主轴转子的轴心轨迹图的实时显示系统。说起磁悬浮技术最早是由英国的物理学家Earnshow在上个世纪就开始提出了这个概念。而磁悬浮技术主要是指利用磁场产生的磁力来克服重力从而使物体达到悬浮的状态的一种新型的技术。磁悬浮技术（EML）自上70年代以后，随着世界工业现代化进程的发展，这时为了迎合更高效的交通运输能力来适应高速的经济发展的需求，德、日、美、法、英等发达国家相继的开始筹备磁悬浮运输系统的开发。到了2009年，国内研究热点是轴承还有十分热门的磁悬浮列车，而应用最为广泛的应该是比较能体现国家工业水平的磁悬浮轴承。它广泛的应用于航空航天、交通运输、机床加工、新型能源、核能等工业领域。它的各项优点中主要是无接触、无摩擦。这样的优点大大提高了设备的使用寿命长且不需要润滑，其高精度等特点等引起了海内外各国学者的特别关心，国内外各行各业的专家学者对其保持着浓厚的研究兴趣。