（机械电子工程专业论文）基于嵌入式linux的在线自动动平衡系统的研究.pdf

浙江工业大学坝t 学位论史 y7 4 9 5 4 1 基于嵌入式l i f l u x 的在线自动动平衡系统的研究 摘要 小平衡是转子常见的故障，自动动平衡技术能够在线无试重地平衡 转子，因而具有广泛的应用前景。本文以研究开发基于嵌入式l i n u x 的自动动平衡系统为目的，对不平衡量测量、自动动平衡装置设计及 其自动平衡策略展开了研究。概括起来主要有以下几个方面： ( 1 ) 总结了国内外自动动平衡技术的研究现状和发展趋势，分析了自 动动平衡的主要难点和关键技术，阐述了本文研究的意义。 ( 2 ) 研究了动平衡和自动动平衡的动力学原理和基本理论。 ( 3 ) 在对现有的电磁式动平衡调节器进行分析的基础上，设计了一种 新型的电磁式动平衡调节器，其原理是采用电磁铁作为调节器的动力 源，使调节器活动部件的轴向运动转化为平衡质量的周向运动。 ( 4 ) 对平衡质量单向移动型自动动平衡装置的平衡策略进行了研究， 改进了快速随机寻优平衡策略。 ( 5 ) 研究了嵌入式l i n u x 的硬件平台和软件平台，对动平衡信号检测 部件进行选取并设计了信号的预处理电路，并在此基础上设计了一套 自动动平衡和动平衡的系统软件。 ( 6 ) 建立了动平衡和自动动平衡实验系统，结合新型电磁式平衡头对 快速随机寻优平衡策略进行了实验验证。 关键词：动平衡，自动动平衡，自动平衡装置，平衡头，嵌入式l i n u x 浙江工业人学硕上学位论文 s t u d yo fo n l in ea u t o m a tiob a l a n c e s y s t e mb a s e do ne m b e d d e dl in u x a b s t r a c t u n b a l a n c e i sac o m m o nf a u l to fr o t o r t h ea u t o m a t i cb a l a n c e t e c h n o l o g yc a n b a l a n c et h er o t o r so n l i n ew i t h o u tt r y i n gw e i g h t ，s oi th a sa w i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t f o rt h ep u r p o s eo fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f a u t o m a t i cb a l a n c es y s t e mb a s e do ne m b e d d e dl i n u x ，t h ed i s s e r t a t i o nd e a l s w i t ht h em e a s u r i n gm e t h o do ft h eu n b a l a n c es i g n a l ，t h ed e s i g no fa u t o m a t i c b a l a n c ee q u i p m e n ta n ds t r a t e g yo fa u t o m a t i cb a l a n c e t h em a i nc o n t e n ti s a s 蹦l o w s ( 1 ) t h e s t a t e o g t h e a r ta n d t e n d e n c y o ft h ea u t o m a t i cb a l a n c e t e c h n o l o g y a r er e v i e w e d ，t h ep r i n c i p a ld i f f i c u l t i e sa n d k e yt e c h n o l o g i e sa r e a n a l y z e di ns e c e s s i o n ，a n dt h e n t h es i g n i f i c a n c eo f t h i s p a p e r i sd i s c u s s e d ( 2 ) t h ed y n a m i c sp r i n c i p l ea n db a s i ct h e o r yo fd y n a m i c b a l a n c ea n d a u t o m a t i cb a l a n c ea r eb o t hs t u d i e di nd e t a i l ( 3 ) an e wt y p eo fe l e c t r o m a g n e t i cb a l a n c ea d j u s t o ri sd e s i g n e da f t e r a n a l y z i n g t h ee x i s t i n ge l e c t r o m a g n e t i cb a l a n c e a d j u s t o r s t h ep o w e r s o u r c e o ft h en e wa d j u s t o ri s e l e c t r o m a g n e t t h a tm a k e st h ea x i a lm o t i o no f m o v a b l e p a r tt u r ni n t ot h ec i r c u m r o t a t i o no f b a l a n c em a s s ( 4 ) t h ed i s s e r t a t i o n s t u d i e st h eb a l a n c e s t r a t e g y f o rb a l a n c em a s s o n e w a ym o v i n gt y p eo fa u t ob a l a n c ed e v i c e ，a n dt h e ni m p r o v e sr a n d o m i l 浙江工业人学硕上学位论文 f a s to p t i m i z a t i o ns t r a t e g y ( 5 ) t h ed i s s e r t a t i o n s t u d i e st h eh a r d w a r e p l a t f o r m a n ds o f t w a r e p l a t f o r mo f e m b e d d e dl i n u x ，a n dt h e nt h ed e t e c t i o np a r t sa n dp r e t r e a t m e n t c i r c u i to f d y n a m i cb a l a n c es i g n a la r ep r e s e n t e d o n t h eb a s i so ft h ea b o v e t h es o f t w a r ef o ra u t o m a t i cb a l a n c ea n dd y n a m i cb a l a n c ei sd e v e l o p e d ( 6 ) a l a b s y s t e m h a sb e e nc o n s t r u c t e d c o m b i n e n e w - t y p e e l e c t r o m a g n e t i cb a l a n c ea d j u s t o r ，t h ev a l i d a t i n ge x p e r i m e n tf o rr a n d o m f a s t o p t i m i z a t i o ns t r a t e g yi sp r e s e n t e d k e yw o r d s ：d y n a m i cb a l a n c e ，a u t o m a t i cb a l a n c e ，a u t o m a t i cb a l a n c e e q u i p m e n t ，b a l a n c eh e a d ，e m b e d d e d l i n u x i i t 浙江工业人学硕上学位论文 第一章绪论 【摘要】本章首先介绍了在线自动动平衡的意义和发展现状，接着阐述了基于嵌入式 l i n u x 系统应用于工业控制和在线自动动平衡系统的优势，在此基础二提出了本论文的研究 内容，并对论文的各章节进行了安排。 1 1 在线自动动平衡的研究的意义 旋转机械的转子在设计上一般都是相对于其旋转轴线轴对称的。但是由于工 艺上的一系列因素，如转子材质的不均匀性、连轴器的不平衡、键槽不对称引起 的不平衡、转子加工中产生的一些圆度偏差和偏心等等，使得装配后的转子存在 一定的原始不平衡量，达不到动力上的完全轴对称i “。 机器中转子不平衡是引起机器震动的主要原因之一，因此也是一种最常见的 故障。据资料统计，旋转机械由于震动原因使机器失效的约占6 0 7 0 ，其中 由于不平衡而失效的约占3 0 1 2 1 。 为了部分或完全消除惯性力的不良影响，就必须设法将构件的惯性力加以减 小或消除，这就是转子的平衡。转子的平衡是现代机械工程中的一个重要问题， 尤其是在高速机械和精密机械中，具有特别重要的意义，应当从设计、制造、装 配、安装和维修中使用一定的平衡方法，加以考虑和解决。转子经典的平衡方法 分为静平衡和动平衡两种。一般来说，当转子的长度b 与转子外径d 之比b d 1 5 时，可以作为静不平衡处理”l 。静平衡主要用于转速不大、对平衡精度要求不高 的转予。如果转子转速较大、平衡精度要求较高，则需进行动平衡。动平衡一般 是先将转子从机器上卸下，采用专门的平衡机来实旌平衡，然后再安装到机器上 进行工作。随着动平衡技术的发展，出现了现场动平衡，它是指在转子工作的现 场进行动平衡，这种情况下不平衡量的测量比较真实，平衡精度要高一些。动平 衡作为转子平衡的主流措施，应用比较广泛。它能有效消除转子初始的不平衡量， 特别是刚性转子的动平衡已经达到了相当高的精度。当转速高于一阶临界转速时， 转子成为挠性转子，对于挠性转子来说 及受力特征变化很大，跟工作转速也有 转子的平衡工艺随转子本身几何形状以 定关系。文献 4 9 围绕挠性转子动平衡 浙江工业人学硕上学位论文 的砦问题做了深入的研究。 随着现代旋转机械转子转速的不断提高，作为直接影响旋转机械工作效率和 u j 靠性的振动问题越来越突出。汽轮机、透平、鼓风机和其它旋转机械在运行中， 常会由于零件配合松动、介质对零件的冲蚀、粘附等作用失去动平衡，而引起较 大的振动，锯决这一问题最有效的方法就是对其旋转部分( 即转子) 进行高精度的 平衡。以往，无论是在制造厂，还是在运行现场都是采用计算和试凑的办法。这 就带来两方面的问题：一方面要达到一定的平衡精度，必须进行多次停启机试凑， 工：作量大、效率低，且需熟练的平衡技巧；另一方面当平衡后转子在运行过程中 平衡状态变化时，需再次平衡，这对于大型旋转机械特别是流程式的大型设备， 一旦发生故障，频繁的停机检修将造成极大的经济损失m 】1 1 l 】。而且在有些情况下 是不允许的，如飞行器在飞行中。为了降低平筏的停机时间箍减少经济损失，最 理想的方法是在不停机、不打乱操作状态下在线自动进行动平衡。 旋转机械在线自动动平衡作为振动的主动控制的一个方向【i ”，与传统动平衡 技术相比，具有能够排除动平衡过程可能出现的错误、提高平衡精度和效率、减 少停机损失、可实现在线实时平衡的特点，多年来一直受到国内外学者的重视。 特别是近年来，由于电子、控制等其它领域技术的发展，自动动平衡研究开始了 个新阶段。 1 2 在线自动动平衡技术的发展现状 采用一种合理的工艺方法和手段使平衡过程自动完成，是旋转机械自动平衡 技术发展的初衷。旋转机械自动平衡技术主要有两大设计思路【1 3 l 【1 4 】：l 、根据柔性 转子在超临界状态下转子挠曲变形响应滞后于不平衡激振力一个钝角的特性，采 用补偿质量自由移动的方法来改变转子内部质量分布以达到平衡的目的。2 、利用 合理、有效的执行机构自动强迫移动、合成或去掉补偿力的方法。 根据上述设计思路，目前旋转机械自动平衡装置主要可分为以下两种： 1 、由移动补偿质量的被动式自动平衡装置 这种装置是根据柔性转子和弹性支承的特性设计的，并根据所采用的能自由 移动补偿质量的形式分为液体式、环式、摆锤式、球式1 等几类。其基本原理是， 当柔性转子在超临界状态下运行时，其初始不平衡会超前挠曲变形响应一个钝角 浙江工业人学硕上学位论文 或近1 8 0 。此时能自由移动的补偿质量在离心力作用下就会向转子挠曲“低点” 移动，其结果会抵消或部分抵消转予初始不平衡，从而达到降低振动的效果。 早在18 7 7 年就有人建议在离心机上安装3 个自由环来降低其振动，到本世纪 4 0 年代已诞生了几种典型的液体式、环式、摆锤式及球式自动、平衡装置。比如典 型n e6nah 的液体式平衡装置，在圆锥筒形液体式平衡装置上采用了钻孔的 方法，使得在低转速下，由于离心力较小，液体不会进入平衡装置内，即保持其 初始状态不起平衡作用，当达到一阶临界转速时液体进入平衡装置内起自动平衡 作用。前苏联学者且yhx a h 设计了能够在一阶临界以下频段减小其振动的液 体式平衡装置，安装在垂直旋转轴一端的平衡装置具有内外两个腔室，外腔直接 和转子相连并装满压力液体，内腔装有少量平衡液体且可与外腔做相对滑动。在 低转速下，内腔中的液体及初始不平衡与振动方向相同，此时外腔内的液体受到 内腔的压力作用向振动的反向移动，从而降低了转子的振动。当转速超过一阶临 界时，内腔中的液体移向初始不平衡的反向起到平衡的作用。美国学者t h e a r l e e l 也有类似的设计，两者都在大型洗衣机上得到了应用。1 9 8 8 年苏联学者i o rmnb otob 对液体式平衡装置进行了进一步的研究，其平衡精度可达2 0pm 。这些方 法较适合具有垂直旋转轴的机械中。 对摆锤式、环式、球式自动平衡装置，同样在结构上利用离心力大小来确定 补偿质量的动作时刻，其结构各异，理论上使其在低转速下不增大转子的不平衡， 或当满足一定条件时还可使其减小。但在设计上要求对被平衡转子系统有足够的 了解，特别是准确的一阶临界转速。另外，即便在转子升速到一阶临界转速过程 中初始不平衡量增大，转子的振动可能已经很大。这又要求转子系统具有较低的 阶临界转速或足够大的支承弹性，因而其应用的广泛性受到限制。虽然如此， 但因上述这些被动式自动平衡装置具有较好的可靠性和经济性，在一定场合仍有 其应用价值和前景。 2 、强迫移动、合成和去掉补偿质量的主动式自动平衡装置 为了使自动平衡能在各种转速下进行，在2 0 世纪6 0 年代初各国学者开始了主 动式自动平衡装置的研究，到目前为止己经产生了许多形式的主动式自动平衡装 置。这类自动平衡装置一般由信号采集器、控制器、执行器等几部分组成，其控 制器根据信息采集器获得瞬时振动信号的变化对执行器进行有效控制，自动完成 浙江工业人学硕上学位论文 补偿质量的移动、合成或去除等工艺操作。 设计主动式自动平衡装置日t 必须考虑以下的因素：信息准确测量、可靠的拧 制策略、合理的执行器结构。其中执行器的结构最为关键，它直接影响到自动平 撕装置的平衡精度、可靠性、效率乃至在平衡转子系统上的安装。合理的执行器 机构应该具有结构简单、可靠、灵敏度高及不受被平衡转子系统空间位置限制的 特点。特别是最近几年，由于结构材料、电物理、电化学、及电子控制技术的发 展，使得兼有测量、处理和消除不平衡质量操作的主动式自动平衡装置的设计制 造越来越成为可能。根据执行器的不同，可分为二大类，第一类是从质量方面着 手，通过加重去重方法直接将平衡圆盘的几何中心移到旋转中心，它包括喷涂法、 喷液法及激光去重法平衡头质量补偿法等。第二类是采用力的方法，即给圆盘长 期提供与不平衡力m e 珊2 ( 棚一不平衡质量，e 一偏心距，国一转动角速度) 方向相 反、大小相等的力，当圆盘旋转时，将其重心强行拉到旋转中心，如采用电磁轴 承方法及电磁圆盘方法等。 ( 1 ) 质量补偿平衡装置 加重型自动平衡装置 加重型自动平衡装置目前主要有两类：一是通过脉冲磁场的作用向转子表面 “轻点”喷涂快速固化物质方式，二是向执行器腔内喷液方式。第一种方式结构 简单，控制方便且具有较高的精度。但因固化物质性能和喷射方式特性上的限制， 对周围介质有一定特殊要求，更不适合高温条件。第二种方式通过向执行器内均 匀分布的多个腔体内喷射液体以达平衡的目的，其结构简单、成本低且利于安装， 在磨床上有较成功的应用，实现了在线实时平衡，在很大程度上提高了磨床的效 率和磨削精度。其缺点是液体不能再释放，平衡能力随着平衡次数的增加而下降， 对液体校正质量控制困难，灵敏度下降，精度降低。 去重自动平衡装置 去重自动平衡装置近年来有了较大的发展，有电腐蚀、电子光束、激光、电 化学方法，甚至靠在磁场中导体爆破来去掉不平衡质量的方法。这些方法都是自 动平衡新的尝试，在一些场合，特别是对中小型转子可以实现批量平衡生产自动 化，在提高平衡效率方面有着广阔的应用前景。但要实现在运行过程中实时平衡， 这些方法都存在一定的困难。 浙江工业人学硕上学位论文 ( 2 、补偿质量自动分布型自动平衡装置 补偿质量自动分布犁自动平衡装置是将带有可控制移动的补偿质量的执行器 安装在转子上作为补偿平面，在转子运行过程中，根据振动信号来调整补偿质量 的位置，从而产生方向、大小可控的补偿力矢，以抵消转予本身的不平衡。补偿 力矢的产生方法有两种：一种是用两个补偿质量做周向移动来合成，称直角坐标 式：另种是用一个补偿质量做圆周和半径方向移动来产生，称极坐标式。由于补 偿质量的移动方法导致其补偿力矢是一个连续变化的量，因此，补偿质量移动的 控制策略就显得尤为重要。同时为其提供合理的动力和传动方式也是此类自动平 衡装置设计的关键。 1 9 6 3 年月ap actphr h h 就提出随机寻找自动寻优的补偿质量移动方案。 随后产生了几种典型设计，如加拿大的d e v e g t ej v 设计的极坐标式和b hc y ca w h h 设计的直角坐标式自动平衡装置。其主要特点是用可控微特电机驱动多级齿 轮传动补偿质量，采用滑环向电机供电，同时采用随机寻找自动寻优控制策略。 其控制简单，传动比大，平衡能力大，精度和灵敏度高，克服了其它自动平衡装 置的缺点。在理论上能够适应任何条件下各种类型的机械，且可实现在线自动平 衡。它的最大缺点是结构复杂，轴向尺寸大，不利于在转子系统上安装，且滑环 供电寿命短。另外，随机寻找自动寻优控制策略对于多补偿平面柔性转予平衡具 有收敛上的问题。鉴于此，各国学者对执行器结构，动力能源提供及控制策略进 行了广泛的研究。d e v e g t ej v 基于转子轴振频幅值、幅值和、幅值平方和等目标 函数的控制策略进行了理论研究。并在多圆盘挠性转子上进行了实验验证。但平 衡速度较慢，不利于适应转子不平衡的时变性。韩国学者c w l e e 设计了一种通 过无线电装置反馈补偿质量位置的自动平衡装置，提出了基于模态平衡的自动平 衡控制策略，并实现了挠性转子模态自动平衡的计算机控制，使得平衡速度得到 了提高【i “。但由于转子系统的非线性等原因使得计算有一定的误差，平衡精度有 所下降，且其采用电池供电无法满足实际应用的需要。1 9 9 8 年哈尔滨工业大学利 用红外遥控技术实现对平衡头的控制，实验室转子试验转速为2 0 0 0 r p m ”j 【”l ，但 是其平衡头结构设计不合理，安装方面存在困难，也没有很好地解狭控制策略的 问题，平衡精度不高，因而没有走向实际应用。浙江大学设计了一种基于电机原 理的电磁力驱动的自动平衡装置1 1 9 】，使得执行器结构大大简化，增加了可靠性和 浙江工业人学硕上学位论文 实际安装的可能性。电磁型从理论上讲可以解决高速转子系统的在线动平衡问题。 通过对国内外研究现状的全面了解，小难看出： ( 1 ) 目前为止，虽然在某些1 业领域如磨床、洗农机等，自动平衡技术虽然得 到了一定的应用，但由于存在诸多方面的原因，种合理的、可靠的、离精度的、 适应性较广的自动平衡装置还很少见。 ( 2 ) 在自动平衡装置的选择上，由于补偿质量自动分亦型自动平衡装置的相对 容易实现，人们对其的研究较多。补偿质量分布型平衡头是比较优越的平衡补偿 装置，主要基于以下两点理由：一是其它平衡装置相对而言，都存在不同程度的 弊端。对于被动式自动平衡装置，虽然无需外界控制作用，但是其结构复杂、精 度低，而且低速下存在“盲区”，对于直接加去重型平衡装置，需要很多外部设 备，结构庞大，造价高。二是平衡头型自动平衡装置平衡能力大、精度高，并能 适应不同类型的转子。 ( 3 ) 目前人们对自动平衡系统的平衡头和控制策略研究较多，并以形成一定的 体系。但是对自动平衡装置的控制系统研究较少，一般采用单片机或工控机来进 行控制。 1 3 嵌入式l i n u x 与在线自动动平衡 1 3 1 嵌入式l i n u x 嵌入式系统是指由微处理器实现的小型专用的计算机系统，主要由嵌入式处 理器、相关支撑硬件、嵌入式实时多任务操作系统及应用软件组成。它是集软、 硬件于一体的可独立工作的模块，其关键的核心技术是实时操作系统。 嵌入式l i n u x 2 0 2 1 1 ( e m b e d d e dl i n u x ) 是指对l i n u x 经过小型化裁剪后，能够固 化在容量只有几十万字节或几十亿字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌 入式场合的专用l i n u x 操作系统。嵌入式l i n u x 的应用和研究是目前工控领域的 一个热点。与其他的嵌入式操作系统相比，嵌入式l i n u x 系统具有些独特的优 势。 其表现如下： 首先，l i n u x 系统层次结构且内核完全开放。l i n u x 是由很多体积小且性能高 浙江工业人学硕上学位论文 的微内核和系统组成。在内核代码完全开放的前提卜。，不同领域和不同层次的用 户可以根据自己的应用需要很容易地对内核进行改造，在低成本的前提下，设计 和开发出真正满足自己需要的嵌入式系统。 其次，强大的网络支持功能。l i n u x 诞生于冈特网并具有u n i x 的特性，这就 保证了它支持所有标准因特网协议，并且可以利用l i n u x 的网络协议栈将其开发成 为嵌入式的t c p i p 网络协议栈。 第三，l i n u x 具备一整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉 运行环境，并且可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍。一般开发嵌入式操 作系统的程序调试和跟踪都是使用仿真器来实现的，而使用l i n u x 系统做原型的时 候，可以绕过这个障碍，直接使用内核调试器来做操作系统的内核调试和查错。 第四，l i n u x 具有广泛的硬件支持特性。无论是r i s c 还是c i s c ，3 2 位还是6 4 位等各种处理器，l i n u x 都能运行。l i n u x 擐通常使用的微处理器是i n t e lx 8 6 芯片 家族，但它同样能运行于m o t o r o l a 公司的6 8 k 系列c p u 和i b m 、a p p l e 、m o t o r o l a 公司的p o w e r p cc p u 以及i n t e l 公司的s t r o n g a r m c p u 等处理器系统，这意味着嵌 入式l i n u x 将具有更广泛的应用前景。 1 3 2 嵌入式l if l u x 应用于在线自动动平衡控制的优点 现在，随着计算机技术和网络技术的发展，未来工业控制设备的发展方向可 以归结为四个“化”，及数字化、智能化、微型化和网络化 2 2 - 2 5 】。要实现这四个“化”， 嵌入式系统便是当仁不让的选择。在线自动动平衡系统的控制系统作为集动平衡 测量、平衡决策和控制为一体的典型的控制设备，也应该适应这个形势。 前面我们讲到，在国内外，在线自动动平衡系统的控制系统多数采用基于8 0 5 1 内核系列的单片机或指令兼容单片机，还有就是于p c 结构的工业控制计算机。与 它们相比，在线自动动平衡系统使用基于l i n u x 的嵌入式系统的由如下优点： 在线自动动平衡系统一般应用于被控转予系统现场，运行环境恶劣，工业 控制计算机体积庞大，不适合在现场使用，同时需要专人维护，费用大； 而基于l i n u x 的嵌入式系统体积小、功耗低，可以安装在被控设备上，具 有较大的优势。 相对于8 1 6 位的单片机，基于l i n u x 的嵌入式系统也具有较大的优势。单 浙江工业人学硕上学位论文 片机由于受本身性能的局限，软件开发上，多采用汇编语言编程，控制流 程较为简单，无法满足自动动平衡测控系统的要求，同时单片机的开发需 要在线仿真器( i c e ) ，开发费用较大，周期长；而基于l i n u x 的嵌入式系统 可以使用主机模拟的环境进行开发。阏为在嵌入式设备上运行的l i n u x 系 统和普通的桌面l i n u x 系统几乎完全相同，对应用程序的开发提供了很大 的便利。开发者可以在桌面环境下编写和调试程序，测试完成后放到嵌入 式设备中就可以使用，提高了开发效率。同时，在桌面应用环境下的大多 数应用程序都可以移植到嵌入式系统中，这样，嵌入式系统的开发就有大 量的资源可以利用。 l i n u x 具有强大的网络功能，这种功能不仅体现在互联网上，而且在工业 控制网络中也同样出色。l i n u x 支持标准的以太网和t c p f l p 协议，支持 n f s ( 网络文件系统1 ，可以通过网络对软件进行修改，这点对于在线自动 动平衡系统非常有利。人们可以通过瞬络把改进的控制算法程序通过网络 传送到在线自动动平衡控制器中，从而避免了传统的那种一旦系统完成后 就不能修改的缺点。同时嵌入式l i n u x 强大的网络功能使群组控制变得简 单，工厂管理人员可以通过网络对多个动平衡系统进行集中监控，便于及 时发现问题，减少损失。 1 3 、课题的提出和本论文的安排 1 3 1 研究内容 本文的目的在于研制基于嵌入式l i n u x 的自动动平衡系统，使它能够在转子运 转的过程中，在线监测振动的幅值大小，如果过大就对转予进行自动动平衡，并 且要具有一定的精度和工程实用性。 本文对自动动平衡系统的研究主要包括三个部分。 信号量检测是整个系统的“眼睛”，这部分负责检测转子的不平衡量、相位 和平衡块位置；嵌入式l i n u x 系统部分是自动动平衡系统的“大脑”，它针对检测 出的不平衡量，发出控制指令，指挥平衡头动作；自动动平衡装置是系统的“手 足”，它的作用是补偿转子的不平衡量使之平衡。这三个部分上构成了一个闭环 浙江工业人学硕上学位论文 系统。 具体来说，论文的研究内容主要体现在咀下四个方面： i 、设计、制造轴。卜安装式在线平衡头及其相应的驱动设备； 2 、构造基于嵌入式l i n u x 的系统硬件环境，包括基于l i n u x 的嵌入式硬件 平台，信号量检测器件； 3 、研究平衡策略，能够快速、准确地实现自动动平衡； 4 、编制系统软件，实现平衡功能。 1 3 2 论文的具体安排 本文各章内容简要介绍如下： 第一章综述课题研究的目的、意义 关技术，介绍本文的主要研究内容。 第二章主要介绍动平衡的力学原理 的总体方案。 国内外自动动平衡技术的研究现状和相 转子的自动动平衡原理，讨论系统实现 第三章通过对现有的电磁式自动平衡头的分析，提出一种新型的电磁式自动 平衡头，并详细介绍了设计思路和设计过程。 第四章首先介绍了在线动平衡系统的硬件平台和信号处理方法，然后介绍了 软件开发平台并分析软件的组成部分以及各自的功能，并详细讨论某些重要子程 序的流程。 第五章在前面研究的基础上，进行自动平衡头移动策略的实验验证。 第六章总结全文的研究结论。然后提出些展望。 14 小结 本章通过对在线自动动平衡技术现状进行分析，得出下述结论： l 、由于补偿质量自动分布型自动动平衡装置相对容易实现和可控制性， 人们对其研究较多，其中以电磁式平衡装置为代表。 2 、现有的自动动平衡装置的执行器大都存在轴向尺寸较大、驱动装置复 杂等缺点。 3 、对于在线自动动平衡系统来说，它的应用场合一般在设备现场，并且 9 浙江工业人学硕上学位论文 需要长期使用，因此其控制系统需要小型化、智能化，并且从集中控制的 角度还需要网络化。从文献来看，现有的自动动平衡控制系统般采用单 片机或计算机，已不适应现场自动控制的需要。 4 、随着计算机技术和网络技术的发展，采用嵌入式系统是未来工业控制 设备的发展方向。由于相对于其他操作系统来讲，l i n u x 具有较大的优势， 因此，基于l i n u x 的嵌入式系统的应用和研究是目前工控领域的一个热 点。 5 、本章在上述基础上，提出本文的研究内容：是将嵌入式l j n u x 系统 应用于在线自动动平衡系统，进行系统的软硬件设计；二是在对现有的电 磁式自动平衡头分析的基础上，设计种新型的电磁式平衡头。 o 浙江工业人学硕上学位论文 第二章在线自动动平衡系统基础 【摘要】本章首先介绍了转子不平衡的基本彤式和动平衡的影响系数法，然后对平衡质 量单向移动的自动平衡装置的控制策略进行了研究，最后对在线自动动平衡系统进行了总体 设计。 2 1 转子不平衡的三种基本形式 任何一个转子作匀速转动时，体内无数个质点都将产生惯性力，组成一个惯 妻三主兰罢茎；兰；兰兰兰主三三主，三瓣： 而定。 ，、，划j ：- r 以下述的模型来说明转子的三种 z ￥列譬謦 不平衡形式”9 】：将一等直径对称转子 厉 f 。 、。 等分成两部分，两部分的质心分别垂 二 鬻一一 1 、 静不平衡( 主矢不为零主矩，矗0 圆之。j 为零)”一，。x p 厶一 两部分的质心位于通过轴线同一f ： d 平面的同一侧，而且具有相同的偏心 距e ，见图2 1 ( a ) ，在此情况下，转子 的质心s 也处于通过轴线的平面内。 如果轴承的摩擦系数很小，那么转子 ，一一 在不平衡力作用下，最终将静止在偏 心位于正下方的位置上，我们称这种 不平衡为单纯的静不平衡。 硝” 图2 i 转子的三种不平衡形式 对于静不平衡的转子，运转中转子上两部分不平衡产生的离心力丘和丘大小 相等、方向相同，它们的合力位于轴对称中间平面内，并作用在质心s 上，称此 力为静不平衡力。静不平衡力使转子产生平行移动，分解到两侧轴承上，将产生 浙江工业人学硕上学位论文 大小相等，方向相同的作用力，将此力称为对称作用力。 2 、动不平衡( 丰矢为零主矩不为零) 两部分的质心位于通过轴线的同平面内，但分置j 二轴线的对称两侧，见图 2 1 ( b ) 。此时，转子的质心仍在轴线上，故转子静止状态下在任何位置均能停留处 于静力平衡状态。但在转予转动中，离心力霞和f ，大小相等、方向相反，组成以 s 为中心的力偶，使转子产生绕质心的摆动。这种不平衡仅当转子转动时才表现 出来，故称为动不平衡。 动不平衡在两侧轴承上产生大小相等、方向相反的作用力，将此力称为反对 称作用力。 3 、一般不平衡( 主矢不为零主矩不为零) 转子的不平衡通常是随机的，不但两部分的质心可能不在通过轴线的同平 面内，而且偏心距也可能不相等，转子的质心也可能不在轴线上，如图2 1 ( c ) 所 示。转子转动时，离心力霞和只可以合成为一个合力和一个力偶，即构成一个静 不平衡力和一个动不平衡力偶。一个特殊的情况是台力位于力偶垂直的平面内， 即相当于在一个平衡良好的转子非质心平面上加个不平衡，称这种不平衡为准 静不平衡( 主矢主矩均不为零但相互垂直) 。 2 2 影h 向系数法 近年来，在动平衡理论方面涌现了很多新的理论。全息动平衡技术将全息谱 技术应用于动平衡系统，从而有效地融合了转子多向振动信息，提高了平衡精度， 并且已应用到非对称转予的平衡| 3 0 i i ”；有些学者提出多种快速平衡技术即所谓“无 试加重”平衡方法p 2 i i ”】，用测量的振动特性来模拟系统，进而确定不平衡量。然而， 影响系数法作为转子动平衡的经典理论，目前还是被广泛采用 3 4 - 3 】。特别是对电磁 平衡头来说，影响系数平衡法是一种很好很有效的平衡方法【3 8 i f 3 9 】。 221 刚性转子的影响系数法 对于刚性转子，可以在一个平衡转速、两个与转轴垂直的校正平面上进行平 衡。进行动平衡时要在与转轴垂直的两个校正平面上安放试探质量，在两个测量 浙江工业凡学硕上学位论文 平面内测量振动，然后求出每个校正平面的试探质量对每个测量平面的影响系数 并列出动平衡方程，最后求出校正质量的大小及其安放位置。具体方法如r ： 1 、在机器上选定两个测点a 、b 。通常选在左右两个轴承盖上，如有不接触 的传感器备用，也可以选在轴颈上或转子本体卜，。用适当的振动测量仪器测得这 两点的振动值五、西。作为平衡前的原始值。j 。、瓦是矢量，它包括幅值爿。、( 振 幅或速度值) 和相位角y 。、y 。通常在转子上作有标记作为计算方位角的基准， 同时设法给出每转一次的脉冲信号，作为测量振动相位的基准。 2 、根据转子的结构选取两个校正平面i 、i i ，加重半径分别为、屹，先在 平面i 中加试重磊( 其质量为q l ，相对于转子上的参考标记的方位角，顺转向计 算为) ，在同一平衡转速下测得a 、b 两点的振动为a 。、b i 。 显然，矢量j 。一a o 及雪。一厩为平面i 上试重互所引起的轴承振动变化，称 为试重a 的效果矢量。方位角为零度的单位试重的效果矢量称为影响系数匾、 瓦，即： 西：堪 1 q i 反：墅旦 “ q l ( 2 1 ) ( 2 2 ) 3 、取走直，在平面i i 加试重磊( 质量为9 2 ，方位角为：，半径为n ) 。同 样测得a 、b 的振动j ：、后：，从而算得效果矢量j ：一无和西：一晚以及影响系数 磊，：绁 q ： 反：b 2 - - b o 。 q 2 4 、正平面i 、i i 中所需得校正质量丘、丘可由下式求得 a o 一 鼠 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) = 一一 一b 只嚷一展 + 十 一do一只厅一崩 ，0【 浙江工业人学硕上学位论文 5 、用解析法或几何法解此方程组得覃、只其模只、b 表示校正质量得 人小；幅角分别表示校正质量得方位角y ，。，加重半径为l 、_ 。 6 、转予上安装上校正质量，重新启动转子。如振动幅度己减少到满意程度， 则平衡结束。否则可再进行一次修正平衡。一般来说，若转子系统没有异常( 如严 重的非线性，显著的非不平衡引起的同频振动等) ，振动的测量和计算是正确的话， 一两次加重就可以达到满意的结果。如果平衡出现反常和困难，就有必要校验试 重与测点振动值之间的线性关系是否良好，相位关系有没有重复性，平衡转速下 转子是否已有明显的挠衄变形等等。必要时还有可能要更改校正平面或测振点的 位置，重新进行平衡。 上述影响系数法为两校正平面、两测点的情况，更一般的情况为有m 个校正 平面和n 个测点的转子，其影响系数法如下： 视转子系统为线性集中参数系统，根据振动分析理论，在频域里有以下矩阵 方程： 侄 “l 一 “2 式中 t 。测点处的原始振动响应( 扣1 , 2 ，h ) ( 2 - 6 ) 瓦- 一点激励，i 点相应的传递函数( 频响函数或导纳函 数) ( f - 1 , 2 ，月；= 1 , 2 ，m ，m + 1 ) 厅，第，个校正平面上的不平衡量( = l ，2 ，m ) 五第五个除校正平面上不平衡量阻外的激励，如因机械松动，轴 承油膜振荡所产生的激励( 世= 1 , 2 ，尸) 。 方程( 2 6 ) 可改写成： 院l 。和，( t a x i ) + 氍，i 。圭五 ( z _ 7 ) 1 4 浙江工业人学硕上学位论文 为 任一测点的响应为 i ，。= h 。i ，+ 丘， 记 5 ，厅，= 口。 于是有： 毓 _ 慨忙， 五 丘。五= i ， 式中站为测点i 处由不平衡量引起的原始振动响应。 ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 如在_ ，个平面上加试重哆( 茹，也是矢量) ，则由式( 2 - 8 ) 可得第i 点得振动响应 吃= h ( f i ，+ 哆) + 吒 j = l 式( 2 1 0 ) 式与( 2 - 8 ) 式相减得： 吒一e 。= 毛嘭 若逐次加重，即只在第，个平面上加重，则( 2 1 1 ) 式变为 所以有 吒一口f 0 = h u 嘭 h h = h i 。0 雨i ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 式( 2 一1 3 ) 即为广义的影响系数定义，即第j 个平面上单位不平衡量引起得第 个测点得振动响应。实质上，在转子的动平衡影响系数中，影响系数与传递函数f 或 频响函数) 的定义是一致的。按( 2 - 1 3 ) 确定影响系数，代入( 2 9 ) ，就可以求出校正 平面上的不平衡量。 2 2 2 挠性转子的影响系数法 挠性转子平衡的影响系数法实质上是刚性转子所用的两平面影响系数法的直 接推广。 对于刚性转子，可以校正平面取两个，平衡转速取一个。对挠性转子如果也 浙江工业人学硕上学位论文 这么做，就仅能保证在所选的那个转速下的平衡，不能保证在一个转速范围内都 得到平衡。如选临界转速为平衡转速，目q 3 2 作转速卜振动过大，相反如在工作转 速下平衡，则转子往往不能通过临界转速，因此为平衡挠性转子，必须增加平衡 转速的数目相应地也需增加校正平面的数目，所以则是一种多平面多转速的影 响系数法。 现设共选取了n 个平衡转速q ，q ：，q 。，q 。校正平面由k 个，其 轴向位置分别为_ ，j ：，乩，在转子上选取m 个测振点，其轴向 位置为5 = b b 2 ，b ，b m 。 设原始不平衡转子以转速q 。转动时，测得6 。点的振动为圪( 6 。，q 。) ，今在s 。 处的校正平面上加试重幺后，b 。点的振动变为吱( 6 。，q 。) ，于是影响系数虚鲁作 为单位试重引起的效果矢量可由下式求得： 壮憋岂产趔 ( 2 1 4 ) 为了平衡目的，必须求得对应n = 1 ，2 ，n ，r f l = 1 ，2 ，m ，及k = 1 ， 2 ，k 的所有影响系数虚2 ，通常把它们排成一个( m n ) 行k 列的影响系数 矩阵： a = 反f 厦2 厅西掣 虚出 厅铲 。- 2 ( 2 1 ) 虚跪 a - i ( 2 2 ) 口- 2 ( 2 2 ) d 臻 口- 2 0 e ) 西龆 厅嚣 一 口2 露嚣i在譬：- - - 厅臻 矗翟丘爨矗滚 ( 2 1 5 ) 影响系数法的目标是保证在转速q 。( n = 1 ，2 ，n ) t ，转轴上6 。( m = 1 2 ，m ) 各点振动为零。这些点的原始振动g o ( 8 ，q 。) 已经测樗，所以平衡它们 所需的校正质量只( k = 1 ，2 ，k ) 可由下式求得 浙江工业人学硕上学位论文 4 援 ( b ，q ；) ( 6 1 ，q ，) v o ( b ，q 1 ) ( b 。，n ：) ( b ：，q ：) 只当a 时一个非奇异方阵时，( 2 1 6 ) 才有唯一解( 2 一1 7 ) = 一4 1 k ( 6 ，q 。) ( 6 ：，q ) ( ，q 。) 圪( 6 。，n ：) k ( 6 2 ，q ：) ( 2 1 6 ) r 2 1 7 ) 也即必须满足k = m x n ，这就是说：校正平面数= 测振点数目平衡转速 数目。 往往有这种情况，即转子不能提供足够的校正平面，而k m n ，则方程 - t i i ( 2 1 6 ) 不能求得唯一解。这时可由两种处理方法，一是删去a 中多余的行；另 一种是放弃m 个测振点振幅都为零的要求，而用最小二乘法来达到残余振动为最 小的目的。 2 2 3 用影响系数求校正量 对于支承在两支承点的转予，只需两个平衡面即可，这时可分别在两个平衡 斗+ 面加试重，求得两支承处的影响系数，如，口：。，口：。若在第一及第二两个 44 平衡面上加上应有的校正量q 。及q ，这第一及第二两个支承点所测得的振动为 浙江工业人学硕上学位论文 零，即满足下列方程组： 宅t 枷，z 9 + x 1 0 _ o ( 2 - 18 ) 【a 2l q l + a 一 2 q 2 + x 2 0 = o 式中牙，。及贾：。为第一及第二两个测点的原始振动值。 22 4 最小二乘影响系数法 为 前面提到的用影响系数法平衡转子要求解方程组( 2 1 6 ) ，该方程组可以缩写 + 彳p = 0 ( 2 1 9 ) 式中，k 为m 矩阵，a 为( m n ) x k 矩阵，p 为k 1 矩阵。 在轴承数目较多的情况下，测振点m 也增多，但校正平面k 却又一定限制， 所以经常出现的情况是：k ( m x n 。这样方程组( 2 1 9 ) 就成为矛盾方程组，不可 能的唯一解，亦即此时不可能求出一组校正质量露，使m 个测振点在n 个平衡 转速下的振动都同时为零。 对于上述情况可由用最小二乘法来解决，该方法的物理意义是寻求一组校正 质量使各测振点在平衡转速下的残余振动值的平方和为最小。 由式( 2 1 9 ) 可得，残余振动为： v = v o + 4 p ( 2 2 0 ) 其幅值的平方和为： r = 吁= y ”v ( 2 - 2 1 ) 此处表示共轭复数。 r 为最小的条件是： 嚣_ o ( k = 1 2 一，k ) b 2 2 ) 把式( 2 1 9 ) 和( 2 2 0 ) 代入式( 2 2 2 ) 有： 浙江工业人学硕上学位论文 m x nk 口；( 矿，。+ 口，p ) = o ( k 2 1 ，2 ，k ) ( 2 _ 2 3 ) f = 1，= 】 以矩阵型时表示为： 所需的校正质量p 由式( 2 2 3 ) 解