（化工过程机械专业论文）小型液晶屏显式智能现场动平衡仪的开发研制.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 已形成产品的整机现场动平衡仪，虽然已取得了良好的平衡效果，但 还存在着许多不足之处。( 如：采用的显示器( l e d 、c r t ) 始终不能解决轻 巧和直观二者的矛盾，且功耗较大，更为主要的是量程档间隔较大，无法 做精平衡，从而影响了平衡效果。随着轻巧、便携已成为仪器仪表的发展 方向，已有动平衡仪无疑显得笨拙j 鉴于此，本课题采用液晶显示器( l c d ) 作为显示器，实现图形、汉字的直观显示，研制出一台功能较齐全的适用 于单转子系统单、双校正面平衡的小型智能现场动平衡仪。该仪器自身便 可方便地完成信号采集、数据处理、结果显示等全部功能。实验证明，该 仪器结构更为紧凑，功能更为齐全，且大大提高了平衡效果，已达到产品 化要求。 关键词：整机现场动平衡单转子系统单片机l c d ， 浙江大学硕士学位论文 a b s 仃a c t t h ed e v i c ef o rw h o l e m a c h i n e b a l a n c i n g h a sb e e no b t a i n e dm o r e s a t i s f y i n gr e s u l t s ，b u ti ts t i l l h a v em a n yd e f e c t s f o re x a m p l e ，t h ed i s p l a y i n g o ft h ed e v i c e ，l e do rc r t , c a n th a st h et w oc h a r a c t e r i s t i c so f l i g h t n e s sa n d a u d i o v i s u a l i z a t i o na tt h es a m et i m e a n dt h e yb o t hc o s tm u c hp o w e r w i t h t h em o s td a v i c e sh a sb e e np o r t a b l e ，i nn od o u b t ，t h ed e v i c ef o rb a n l a n c i n gi s m o r e u n h a n d y a i m i n g a tt h ed e f e c t so f t h e b a n l a b c i n gd e v i c e ，i nm yp r o j e c t 1u s e dt h el c df o rt h e d i s p l a y i n g ，t od i s p l a y t h e g r a p h s a n dc h i n e s e c h a r a c t e r sa n d d e v e l o p e d a i n t e l l i g e n t f i e l d b a n l a n c i n g d e v i c ew i t h c o m p l e t ef u n c t i o n s i tc a nb eu s e di n s i n g l e r o t e rs y s t e mo fo n eo rt w o r e c t i f y i n gp l a n e sw e c a ne a s i l yu s et h en e wd e v i c et oa c c o m p l i s ht h ew h o l e p r o c e s s ，f r o mg a t h e r i n gt h es i g n a l s ，d i s p o s i n gd a t at od i s p l a y i n gt h er e s u l t i t h a sb e e np r o v e dt ob et r u t ht h a tt h ec o n s t r u c t i o no ft h en e wd e v i c ei sm o r e c o m p a c t ，a n dt h ef u n c t i o n si s m o r ec o m p l e t es a t i s f y i n gr e s u l t sh a v eb e e n o b t a i n e di nl o t so f e x p e r i m e n t si nt h el a b t h en e wd a v i c ew i l lb ean e w p r o d u c ts o o n k e y w o r d ：w h o l e m a c h i n e f i e l db a n l a n i n g s i n g l er o t e rs y s t e m c h i pm i c r o p r o c e s s o r s l c d 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 由于设计和结构方面的因素以及材质不均匀及制造安装误差等原因， 所有实际转子的中心惯性主轴都或多或少地偏离其旋转轴线。这样，当转 子转动时，转子各微元质量的离心惯性力所组成的力系不是一个平衡力 系。这种情况称为转子具有不平衡或失衡。 转子的不平衡是旋转机械主要的激振源，也是许多种自激振动的触发 因素。不平衡会引起转子的挠曲和内应力，使机器产生振动和噪声，加速 轴承、轴封等零件的磨损，降低机器的工作效率，严重时甚至会引起各种 事故。此外，振动还会通过轴承、机座等传到基础和建筑物，恶化附近的 工作环境。为了改善其工作状况，转子在制造、安装调试或修理时，常进 行平衡。 平衡是旋转机械在制造、调试及维修过程中的一个工艺过程，它是通 过改变转子质量分布的方法，即在转子适当的地方，加上( 或减去) 一些 质量( 称为校正质量或配重) ，以便从总体上尽可能地减小转子的不平衡。 平衡的具体目标是减少转子挠曲、减少机器振动以及减少轴承动反 力。这三个目标有时是一致的，有时是矛盾的，但是它们必须统一于平衡 的最终目标一保证机器平稳地、安全可靠地运行。 1 1 动平衡技术的发展 凡是用于平衡的仪器、机器或设备可通称为平衡机或平衡仪。第一台 动平衡机的出现迄今已有一百多年的历史，而动平衡技术的发展主要还是 近6 0 年的事，它与科学技术的发展密切关联。直到二- t 一世纪四十年代， 儿乎所有的平衡工序都在纯机械式的动平衡设备上进行。一般用干分表观 测振幅以估算不平衡量，利用机械系统谐振增加灵敏度和判断不平衡栩 位。似无法得到准确的不s r 衡相位。从2 0i 址纪5 0 年代开始，随着i 乜予工 浙江大学硕士学位论丈 业、电予测量技术迅速发展，不平衡量的电测系统才迅速取代了机械测量 系统，使平衡机的机械结构简单j ，。从机械式平衡机发展到使用电气测量 系统以来，平衡机的支承系统也在不断改进和完善，但从工作原理上讲， 并无本质上的改变，可以说基本上都是软支承平衡机。软支承平衡机的优 点是可以直接测得不平衡相位，到2 0 世纪6 0 年代末和7 0 年代初期，出 现的硬支承动平衡机，通过测量振动力确定转子不平衡离心力，可实现“永 久性定标”，操作简单，使用方便，因此得到越来越广泛的应用。硬支承 动平衡机的出现是平衡机支承系统和平衡机工作原理上的改变。2 0 世纪8 0 年代问世的高速动平衡机主要用于汽轮机、发电机和各种涡轮机的柔性转 子的低速动平衡、高速动平衡和超速实验等。 1 9 8 0 年由日本的明石和彦等编写的动平衡试验一书中，提出现场 动平衡法的概论。1 9 8 8 年由王汉英等编写转子平衡技术与平衡机一书 中，对现场平衡做了较详尽的论述。差不多在同一时期，浙江大学化机研 究所在周保堂教授的带头下成功地发明了碟式分离机的整机动平衡技术， 并获得了国家发明奖。此技术成为国家“八五”科技成果重点推广项目。 目前，整机平衡技术己在我国工业生产中已得到越来越广泛的应用。 1 2 刚性转子与挠性转子 从转子动力学的观点出发，根据转子系统的工作状态和力学特性，常 把转子分为两类，即刚性转子和挠性转子。一般来说，凡是工作转速低于 其一阶临界转速的转子称为刚性转子，而工作转速高于其一阶临界转速的 转子称为挠性转子。但从平衡的角度来说。更为确切地定义是：“如果转 予可以在一个或任意选定的两个校正平面上，以低于转子工作转速的任意 转速进行平衡校正，并且经此次校正后，在非常接近于最终支承系统的条 件下，转子在任一转速直至最大工作转速范围内，其剩余不平衡量均不会 明显超过平衡允许值( 相对于轴线) ，则此转子称为刚性转子。凡是不满 足刚性转子定义的转子称为挠性转子，绝对的刚体是不存在的，将转子系 统分为刚性转子和挠性转子仅仅足为了在不影响平衡效果的前提下，为方 便动、f 衡而定义的。 2 浙江大学硕士学位论文 1 3 整机现场动平衡 高速转子由于存在不平衡而引起的振动，会导致机械零件的寿命降 低，甚至引起机件破坏，从而产生严重事故，因此在机器出厂前一般均要 对转子进行平衡校正工作。平衡的校正通常是在动平衡机上进行的，称为 工艺平衡。由于动平衡机对转子的重量和转速有一定的限制，因此对特大 型转子以及工作转速大大超过平衡机可达到的转速的转子就不能在平衡机 上进行平衡了，即使对于重量和转速均在平衡机允许范围内的转子，也未 必能达到预期的平衡效果，其原因是多方面的，主要有如下两个个：一是 由于动平衡用芯轴与被平衡转子的配合条件、支承条件与转子在工作时不 同，导致实际平衡精度的下降；二是工作处于热状态或有载荷情况下的转 子会使原来的平衡受到一定程度的破坏，导致平衡精度的下降。特别应该 强调的是在低速动平衡机上对高速转子进行平衡，往往不能获得良好的平 衡效果，原因在于转予在高速状态下的变形，在低速时还未能显示出来。 为了解决上述问题，整机动平衡技术就应运而生了。由于整机动平衡 在工作转速和实际支承条件进行平衡，因此使用动平衡机平衡中存在的问 题均可得以解决。 1 3 1 整机动平衡技术的发展 整机动平衡技术发展初期，振动幅值和相位分别由测振仪和闪光测相 仪测出。闪光测相法又称闪频法。 闪光测相的原理框图如图1 1 所示。来自测振仪的电压信号，输入模 拟解算电路对不平衡向量的相互影响进行分离解算，消除相互间的影响 ( 对单测点平衡，信号可不进入模拟解算电路) ，并进入前置放大器进行 放人。由于拾振器获得的振动信号，不仅是被测旋转体的不平衡引起，还 包括了其它各种不同频率的干扰信号，因此传感器实际输出的波形是这些 振动的综合。但对于动平衡检测来说，需要测量的是转子本身不平衡引起 的振动，即要让转速频率的信号能放大通过，而把其它频率的干扰信号滤 撺。选频放人作用于就是只允许不平衡量的振动信号放大通过，而对其它 频j 钲的信号，则以负反馈的方 泣j j n 以抑制。经过选频放大后的电压信号( 正 浙江大学硕士学位论文 弦波) ，通过限幅电路成为矩形方波，再经过微分电路成为脉冲信号，最 后经过栏流电路，留下负脉冲信号。此负脉冲信号触发闪光灯瞬时闪光， 并且闪光频率与转子转动频率一致，若预先在转子上做好刻度记号，则由 图1 2 可见，负脉冲刚好同转子振动时的最大值处相对应，由此可确定不 平衡量所在方位。 图1 1闪频法工作原理图 k 伞， 萨溶 p 斧 7 一 f 芒于旨 卜1 一 r 一一r _ 了一 图1 2 闪频原理 电采 堕 闪频法具有测相直观、装置结构简单以及工作稳定等优点，其不足之 处足1 ；、f 衡鞋同不平衡位置分别由电表和闪光灯显示，而且闪光灯的相位 以若可达1 5 度。 4 浙江大学硕士学位论文 1 3 2 测点的选择 整机平衡的一个很重要的问题是测点的选择。测点应该选择莉：能准确 和灵敏地反映转子不平衡量引起振动的那些位置，一般可选择仡轴承位 置，但也有选择机壳的适当位置作为测点的。由于在测点测得的振动i 转 速有关，故希望转速要稳定，转速的波动不但会明显地影响所测振幅大 小，而且会影响测得的相位角。因此，在整机平衡时必须保证多次测试均 应在同一转速下进行。 当转子处于；f 衡转速f 运行时可找到测点振幅值最人时所对脚的转 子部位，f i 过此部位并非f i 平衡量的真_ t 置。这是为存矗滑i 尼等的影 响造成一定的相位筹，f 对于某一确定的机器来说，订：某一确定的转速r 运行时，此相位角是一定的。由此，可利用在测点处测得的振幅和州f - ， 运j f j 试加重的原理，经过一定的运算，求出转了的小、r 衡最及其位蔑，= 1 3 3 刚性转子整机动平衡 帮机动平衡 | j 常用方法有影响系数法羊振型平衡法。右各有l 优缺 点，晦根据不同的平衡对象选择，一般刚性转予平衡a 川影响系数法，m 挠性转了- 宜用振型平衡法平衡，以保证其行i 较宽的转速范【目内平稳运转。 一、转子系统的力学特性 _ i 平衡转子在转动时将受到4 i 甲衡离心力r = 小p 珊2 的作用，而产7 强迫振动。为说明u 题起见，将转了系统的力学模型简化为一个薄圆盘 如卜图( 图1 3 ) 所示： n 辞惫 u 图1 3 转子系统力学模型简图 浙门：大学硕：l 学位论文 离。i i , 惯性j 神：垂商方向i ：的分最即卡 | 、 十唾商方巾的激振力 建立直角半标系，根据牛顿力学定律，其振动微分方程为 肋x 十( j + k x ：m e ( 0 2s i n ， 式中 m p， 6 口+ s 1 n 吐) t m m ：转了系统的参振质肇 c ：转严系统的阻尼： k ：转了系统的刚度： m ：转了的质最： e ：转r 的偏心距： n ：转r 系统的阻尼系数： x ：转了系统的位移响应； ：转了系统的激励力的频率 甜。：转了系统的崩有振动频率： 方程的特解为： z = a s l n ( 甜t 一) 式中振幅a 为： m p m 2 a ：星二：一 - 一国2 ) 2 + 4 n 2 2 6 浙 l 入学硕上学位论史 一 m 掣 “ m j ( 1 _ 五2 ) 2 + ( 2 彬 相位茅为 2 r i c o2 朗 俐2 i 2 。2 i 二产 m 。一 、一 式得到的幅频特性和村j 频特性图参与仃天史献。 、单校正面平衡原理 从l ：f f 的转了系统的动力特性分析可知：“1 系统的同仃特性( 系统的 刚度、日i 尼、质量) 1 1 4 i 变，系统的激恸j j 的钡率保捎小变时，系统的 卜、f ，衡晌f 、v 的相位，小f 7 衡激励力的年f 付的芹值为一向定值。足通过试 加重的方法，利用久酸池即可得到系统的小“i 静毓的人小，f o 胃。 假设系统的4 i 平衡疑为：( ，= u 。么a 。，婀小、 i 衡最0 l 起的小1 j 衡激励j 所产生的振动响应为：，, t o2 爿。么风，设系统 。加入试加重最g 矗的振动响 应为：a i 爿- 么卢：no t ，成之问相差一个嘲定的角度。十假没转了系 统是一个线性系统，斟此可以作一个，人最图( 如图l 一4 ) 。 图，1 ，0 , 4 = a 口，o b = a ，：矢量a b 等十久蕞o b - o a 为试加重前后所测 振动响戍的芹值，该手值为试加重量 所产， ：的振动响应。i i 寸二倒没系统为 线性系统，故可得剑 f f i j 的比例式： 战 ( j 一( ) aa b 推得原始f i 平衡最的人小为 t l o = 洲曩 7 o 阁1 4 试加羲父虽阁 浙礼人学硕士学位沦文 小平衡量的相位( 位置) 可通过i ：述的矢量三角形得到，图l 1 的o a 向嚣为原始振动响应的对应值，a b 向最为试加重照所产生的振动响应的 对应值，并且原始振动响应的相位j 原始不平衡爵位置的差值同试加重所 产生的振动响应的相位与试加重位置的差值相等。岗此从试加重位置沿o a 到o b 的方向旋转么矗彳d 即可得到原始不平衡量对面的位置，即配重位 置。 、 双校正面平衡原理 单向平衡适_ l j 于较窄的转_ - ，而对于宽转于来说，m 0 应进行双向r 摸。现以圈1 5 为倒，简述测卡h 测幅舣校j i ：面整机1 钠的原埋和步骤。亿 r 向的分析i j ，黑体宁表示复数。 没图1 5 所示转了的，t i 校j e 商和右校正面上- ，分别仔n ：小、r 衡器m ， 雨j m r 。其人t l , g ) - p i i j 为帆舸f 蟊，它们j 旋转基准成妒，和妒。角。n 轴承4 f 片处均装f ：测振传感器，分别测得j + 旋转4 i 平衡最帆和 如产牛的振 明( 包括振幅和牛 j 位) 。 i 、1 1 校i f t 面位* t l # 、2 # 测振传感然 图l 一5 双校【e 萄整机平衡简阔 整机_ l f 衡按r 列步骤进行： 1 分别测得1 j 作转速下由原始不平衡量肘j = m 。么办和m r = m 。么九造 成序轴承a 处的振动蜀= 。么九及存右轴承处的振动x 日= x 。厶靠。 2 在走校l 卜卣加试验质量l r l l = m l p 1 ，在左轴承爿和启轴承b 处 8 浙江大学硕上学位论义 一一 分别测得振动x a = m 么矽m 再ix m 2 爿m 么庐m 。 3 ，移盖试验质量m = m 。么吼，在右校止商j j 【l 试验质量r 。m n z 以 分别测得轴承和处的振动心月= 足厶 r 和旷x s s 么。 f a ) 试再mr 对e 钎1 承振动的影响 ( c ) 试醺m 。埘 ，钠承振动的影响 ( d ) i 式重m * 对也轴承振z 力彤岫j 罔1 6 双校硼i 移机动平衡矢量图 应注意，加试验质量时的加重半径应相等。 经过f ：述步骤试验，可获得影响系数( 也即效应系数) 如p a：生二当t 重【 匝：量尘 一 ：丝 口月 毋一x b r - - x b 皿r 根据影响系数的定义，从步骤l 的结果，获得 9 浙江大学硕士学位沦文 x a = a m l + a r m r x 自, = b l m i + b r m r 解此联丑方程，得 x 8r x 8 a r l 8 ra r 8l x 8 l x 8l a i 8 r 一 r 8l 按：面求得的各校j f ：面处的小、r 衡鼍对转了进行加重或去重后舣校 j l i 而f 衡使可完成。 1 3 4 挠性转子整机动平衡 对刚性转了而占，h 爱 ：丁作转速卜- 进行、r 衡，求得各校r f f i j 处的小 甲衡最并进行猢重或占重，、r 衡t ：作就完成，。对j ：挠性转了l m ，：“仪n ： t 作转速卜进行平衡还f i 能说l i 经、f 衡r ，i 矧为亿转了t 作转速以卜的若 下阶振型均未得到平衡，通过临界转速时的剧烈振动，宵可能使机器根本 无法达到丁作转速，故对挠性转予进行振型分殚、f ，衡足合理而仃效的。 现以图1 7 所示的悬臂挠性支承的转子为例，简述振型分理平衡原岬。 | 罨 l 一7 振犁分理平衡简图 。玲 j 浙江大学硕上学位论文 如果在转予两校j ! 面问加重睫矩g 。r 。及凸心，m 0 存一阶临界转速附近 时，转- 了二的不平衡鼓正比f ： q r 。y 卜9 ：r ：y ! 存二：阶临界转速附近时，转子1 ：平衡量正比于： p 。凡，y ? 一p 。r ：y ； 可见，只要使所加重景矩满足 g r i y ? 一致心v ；= 0 ( 1 ) 亦即当重最钳i 比为癸盟：譬2 时，所加的重量舞，只能使一阶临界转速附 p ，r ，v j 一“。 近的1 i 、 ，衡量情况发乍变化，m 对阶临界转速附近的小、卜衡情况没仃影 响。 n ：转鼓两个校l j 向i ：，分制枷i 反向的两个重鲥i a i r ：及 p ，r ，则可知仡一阶临界转速附近时。转了小、r 衡最l | 比f a ，e ，j ，卜铁凡：一 而在二阶临界转速附近时，转了的1 i 平衡最_ i j ；比十： a ：尺，y ：十q ；r ：，- ： 只要使所加重最知满足： a l r 。y f q 。凡：v ；= 0 ( 2 ) 姗皑重量钮比为器v m i 则它只旷阶临界转速附近m 俐青 况产生影响，而对一阶临界转速附近的不平衡情况f i 起作用。 由此，根据在低速和高速r 测得的振动信号，然后按式( 1 ) 和( 2 ) 确定的加重比例，在两个校i 卜i 上加重或去重，就能使挠性转了在整个t 作转速的范围内，达到平稳运行。 浙江大学硕士学位论文 根据上述分析，整个动平衡的过程可分为两大步骤，即先存低速下消 除静力小半衡，然后在高速f 消除小平衡力偶。 为厂使低速下进行的静力平衡彳i 致造成小平衡力偶的增加，以及高速 下进行的动力平衡不至于破坏原来的静力平衡，可利用振型函数具有正交 性的规律，进行分理平衡。根据分理平衡的原理，一个按简谐规律变化的 小平衡力作用在一个与该力有着小同频率的按简谐规律变化的振动位移 l ：时，该力并不作功，只有当两者频率相同时，力才作功。这种振型函数 正交性的规律，对于挠性转子动平衡的工艺方法有着重要的指导作用，前 面给出的式( 1 ) 和( 2 ) 是根据碟式分离机转子的振型特性使满足j ： 交性得j q j 的，是碟式分离机整机动平衡的核心。 从f ：面分析可知，用影响系数法进行整机平衡，方法简单，对操作 人员的理论水平要求1 i 高，对双百方针校l e 向刚性转子的平衡其优点尤为 突h ；而振型平衡法，要求操作者具有较高的有关转子动力学方面的知 识，且计算程序只能适片3 十特定的转子，缺乏普遍的应用性， f ：l 利用该平 衡，能保证转子在较宽的转速范围内处于平稳运行状态，所以此法比较适 合于挠行转子的平衡。 本课题所研制的仪器主要用于的刚性转子的现场平衡，闲而采用r 影 响系数法。 1 4 动平衡测试技术 转子系统的动平衡测试技术主要是指通过测量转子系统的振动信 号峰值与相位，并利用试加重获取转子系统不平衡量的大小与相位信息。 其测量过程的示意图如图1 8 所示。 浙江入学硕士学位论文 h 卜8 动平衡洲试简图 卜面分别阐述动、t - 衡测试过程的各个环肖。 1 4 i 振动信号的测量 1 测振传感器 振动测带传感器足把被测对象的机械振动曼( 位移、速度、肌i 速度) 转换为j 2 _ 纠对应的电晕：( 如电流、电蛛、咀倚) 的器。传感器一般t 敏感j i 什年辅助件组成。按所选坐标系的小j 叫，义可分为卡 | 对一和绝对式 两人类。卡对式传感器测f 的足被测对象丰对j 一菜一参考系的运动。绝对 式测振传感器本身崮定f 被测对象l ：，蚱j 之起振动，从f l j 测得的足绝 对振动。f 1 前，应川j 二振动测最的传感器仃彩种。卜面陶单介绍一卜j j j 一 测最振动速度、位移、速度的几种腆犁的传感器。 ( 1 ) 磁电式速度传感器 常j h 的速度传感器为磁电式传感器。廷i ：要性能特点足： a 永久磁铁感应冉电动势，传感器小体0 i 需要电源。 b 容易获得高灵敏度，可测量微小振动。 c 输出信号大，输 阻抗低，电气性能稳定性好，小受外界噪声于扰。 对后接电路无特殊要求，且电路简单。 其 ：要缺点是：动态范围有限，尺、j 和重量人。但对于般化丁、轻 t 。”的旋转机械是非常适j f j 的。本课题的实验即采h jc d 1 喇速度传感器。 ( 2 ) 电涡流式位移传感器 电涡流式传感器j ：要是一只固定住框架i 的中线圈，它j 一个电容爿 联，构成并联谐振叫路。在没有被测导体时，该目路调谐剑某一频率( 如 浙江大学硕上学位论文 i m h z ) ，传感器的线圈由于高频信u - 的激励，将产等i 高频交，叟磁场砖， 、t j 被测导体靠近传感器时，根据电磁感应定律，在被测导体的表面就产牛 r 与磁场卡u 交链的涡流，此电涡流义将产牛一交变磁场，反作用于，l l i 十相位的落后，庐，总是抵抗谚的存在，它必须要消耗一部分磁场能鼓，| _ 使产生磁场的线圈阻抗发生变化，使调谐回路中的电感量产， ：变化。通过 适当的测量线路取其中一个输出曼的变化，可以把位移量的变化转换成输 m 日j 。k 的变化。 电涡流传感器| i j 十测量时不必接触被测物体，i 矧此近年来以：凹转机械 振动参数的测擘r p 得到越来越j l 泛的应j j 。它的 ：要缺点是对被测材料敏 感，电路复杂，成本较高。在现场安装比较困难，对被测轴表面光洁度爱 求高。 ( 3 ) 压电式加速度传感器 加速度传感器t ，使j j 较多的芝j l 、电式加速度计，它利川i i n 效内把 机械琏转换为电疑进行测量，其仃结构简单、体秘小、重最轻、灵敏瞍f ? n 测肇频率范围宽、动态范围人、性能稳定等优点。维修方便、使 j 寿命【： 足测羞振动平冲卉的一种较为理想的传感器。 f f 于压电式加速度计输出信 j e 常微弱，且内融l 抗榭4 高，| 六 此需没 置前置放人器，j j 卜变高阻抗输出为低阻抗输出，j f 放人弱信号。前胃放 大器育两种形式：一种是电压放人器另一种是电倚放人器。两者的l 受 区别是：使，h 电l , k 放大器时，整个测量系统对电缆电容的变化非常敏感， 尤其是连接电缆k 度的变化更为叫显。而使月j 电荷放大器时电缆k f 筻变 化的影响差1 i 多可以忽略不计。f l j 电压放人器比较，价格要商得名1 电 路也较复杂，调整又较困难，这是i 札荷放人器的4 i 足之处。 2 基准信号的获取 在旋转机械的振动测量中，绎常为测量转速及求取振动信号的卡| j 他f m 要求在转轴上设置一个基准，使得转轴在删中能得到一个基准脉冲信 浙江大学硕士学位论文 号。常用的基准捕获方法有两种： 其一，在转轴上贴一片薄铁片，利用电涡流传感器感应出电脉冲 其二，在转轴上贴反光材料，利用光电传感器感应出电脉冲。 前一种方法的缺点是贴片困难，在转子运转时可能出现铁片脱落飞出 的事故，另外电涡流传感器需外接价格昂贵的变换器，体积显得有些笨重。 相比之下，后一种方法具有很多优点，如贴片相对容易，只需一薄层发光 纸即可，转换电路简单、价格低廉等。故在本课题中采用了后一种方法。 用反射式光电传感器捕获基准信号的测试示意图如图1 - 9 所示。 图1 - 9反射式光电传感器测试图 1 4 2 信号的预处理 从传感器得到的信号，有些为电荷量，有些为频率的变化量，必 须经过转换电路，将它们转变为电压信号，然后进行后续的处理。转 换电路根据被转换量的不同，有许多种形式，如高频振荡器、电荷放 大器、积分器、微分器、电流一电压转换器及频率一电压转换器等等。 通常，输入的信号有强有弱，还需要一放大电路来控制输入到下一级 处理的信号的幅度。一般振动信号的放大由集成运放组成的线性放大 器来实现。再者，由振动传感器得到的信号包含着多种频率成分，对 于动平衡测量，仅需要工频信号，故应将其它频率的信号滤除。一般 采用带通滤波电路实现，其可由运放及电容电阻组成，也可由专用的 带通滤波集成芯片组成。这些电量转换、放大及滤波等电路构成了信 浙江大学硕 ：学位论义 号的预处理电路。具体硬件电路的设计详见第i 拳。 1 4 3 信号分析 在动平衡测试过程中，信号经过预处理电路后，便可对其进行数 据处理，通过各种分析计算，得到振动幅值和年h 位以及小平衡量人小 和位置等最终结果。该信号处理通常由微处理器( 单片机或通川汁算 机) 完成。 1 4 4 结果显示 祚：以单i 机作为【| j 央处理器的鹤1 能仪表【f 1 ，一般采j f jl e d ( 发光 ：极管) 作为显示器输出结果。l e d 显示器成本低廉，配置灵活， 单片机接u 的技术也较为成熟，n ：单片机系统t l t 心j 】极为“泛。似l e d 只能显示数7 产和些简单的，钳，l 耵尢法实现汉，和图形等较为复杂 的内容。荇采用c r t ( 阴极射线管) 作为显示器，虽然可以扫：屏幕f 卣接显示数字、产符、图形和汉亨等，但冈体税人，仃碍于仪器轻 巧、便携式发展。f 1 二者均功耗较人。鉴于此本课题采j t jl c d ( 液d 6 显示器) 作为显示终端，用于显示 符、汉 图形等。l c d 的隧川足 本课题的核心内容之一。 1 5 转子的动平衡精度 对于一个质量为m ，偏心距为e 的转子，当它以角速度旋转时，产 乍的不平衡离一t l , 惯i 生7 - j 为m e m2 。统计经验表明，人量由于振动而0 l 起机 器破坏是同转速和偏心距的乘积成i i 比的，故引入 爿：兰生m m j f 1 0 0 0 a 是速度计量单位其实质足由于存在不平衡导致质，1 1 , 偏移而产q i 的 转子质心的速度，通常也将a 称为动平衡精度，a 值越小则动平衡精度也 浙江大学硕上学位论文 越高。闰际标准化协会将转予质心的速度m 0 4 m m s 到4 0 0 0 m m s 分成 | i _ 一个等级，每十1 1 邻两级之比为2 5 ，称为动平衡精度级。动、r 衡精度级 列于表i - l 。化丁机械常川的动平衡精度等级是g 6 3 ，即质心速度为 a = 6 3 m m h 。 各种不同、f 衡精度等级的最人t 作转速与许用残余，1 i 甲衡量如表1 2 所示。 对于可用单校i 1 - 而的转了。其许h 残余不平衡最可随接从图r ，取值： 对于需要用两个校i e 面进行平衡的转了- ，m 0 成按转了i 质量的分布情7 兕水 分配图表中的推荐值。 1 6 本课题研究的意义与目标 本谍题的研究过n 二原有整机动f 衡仪的壤础 ：的改j f 平深化。燎仃的 仪器可利用c r t 良接显示振动信l j 的峰值、捌位和振动波形，并可通过参 数设置后，经过计赞：随接显示小1 7 衡砖人小、1 ：奇置。f 【 | 太1 为该仪器l j 能还 4 i 完善，困f 叮并未产；诮化。如h 适川寸二单转了、单校l l ：卣的整机动、l j 静， 手动量程选择无汪、使用，且原始。试加重振动测量必须处于同一最稃档， 使精乎衡无法进行，从而限制j ，仪器的、l j 衡效果。振动波形h 能进行、 ，波 显示等。c r t 的应h j 增加了仪器的体秘、重量及功耗，足仪器携带很4 i 方 便，瞳很难实现电池供电，从而无法小犁化。本课题针对孩仪器进行改进 和完善，要求实现液晶显示器( l c d ) 显示，增加双校j r 面动平衡功能 原始与试加重振动测量可在1 i 同肇程档进行同时实现全波显示，n ：此捧 础f ：，力求小型化。 表1 1符种典型刚性转r f 、r 衡等级与许用不平衡量 平衡等级g平衡精度典型刚性转子举例 g 4 0 0 04 0 0 0h 0 性按装的具有奇数汽缸的低速船爿j 柴油机 曲轴传动装簧 g 1 6 0 01 6 0 0目4 性安装的人型：冲程发动机曲轴传动装瞥 浙江大学硕士学位论文 g 6 3 06 3 0刚性安装的人型四冲程发动机曲轴传动装 置：弹性安装的船用柴油机曲轴传动装置 g 2 5 02 5 0刚性安装的高速四缸柴油机曲轴传动装置 g 1 0 01 0 0 六缸和六缸以上高速柴油机曲轴传动装置： 汽车、机车用发动机整机 g 4 04 0汽车轮、轮缘、轮组、传动轴：弹性安装的 六缸或六缸以l ：高速四冲程发动机曲轴传动 转詈 g 1 61 6 特殊要求的传动轴( 螺旋桨轴、万阳肖轴) ： 破碎机械零件：农q k 机械零件：j “i 特殊要 求的六缸或六缸似j - - 7 殳动机的曲轴传动装置 g 6 36 3 作、| k 机械、离心机转鼓、通风机、e 轮、泉 轮；一般机械零件及机床零件普通i l 土机电 椒：h 有特跌尊求“f 曲辅栅桂i 零件 g 2 52 5 喷气发动机转了，燃气轮机和汽轮机转了- ， 透平压缩机，涡轮发电机转子具仃特殊要求 的大、中型电机电枢：小型电机电栉f ：透平 驱动泉 g ll 磁带录音机及唱片机的传动装胃：磨床传动 装置：特殊要求的小型电机转子 g o 4 0 4 精密磨床的轴、砂轮及电机转了、陀螺仪 转子 浙江人学硕士学位论文 ! i 韩 鞯 丰 j 二 ? # l 1 _ j 圭 一 狂f 十 f l 王 垂 丰 雩 _三1： _ j 卜 圈；萋 工亡【 i 羊 二j - 群 1 _ _ l 千 一 - 一 重 j 一 lll 1 il j 二一 _ 一 | _ 1 j i 二 举i = l ； ：； 1 、l il 1l 斟 一 1l j 举li 蜇 枣 l l 争二釜s+ n 攀 、 i l 柒 、 l | 、i i | i ， 舯 ： h _ 一一 潜 陈司 一 一 渊鞘 ji ni n 、：i 、 lill 刊一斗s ilii i 1 、i 广 王 ； 二i iilii j “0 建 f 1 气 ： 1 r k 鞘i 粼 i 1 ! 3 可 怍 丰 、 j i 浙江人学颁p 学位论文 2 1 概述 第二章系统的硬件设计 一一个完整的单片机虑j j 系统由硬件和软件两人部分构成，i 丽硬竹的没 汁制约着软件的设计。肉此硬件系统的设汁是整个课题的革 1 f 。螋系统 的定位直接决定r 整个仪器的功能、成本。作为一台智能犁仪器小课题 的应用系统n ：改计时试蚓达剑以f 要求： 1 、，向较强的数据处胛能力。由f 微处胖器j 囱- 汁算和托制j 能，呵采 川。传统仪器， i 一j 的测吊：原胛，简化仪器的打史俐电路，提岛测啭聿占膻，“ 增加仪器的功能。| 一j 时可采川软件对测最数掘进行补偿从i m 排除或减 少t 1 扰信l j 和模拟电路r j l 越的以等，人人提高测鼠精度，也降低j 埘模拟 乜路的要求。 2 、仃较慢的控制能j 。可删软件灵活拧制测琏过程，特代常规仪器1 ， 的人最数。产f u 路，并可方便地实现量程切换、测最选择、f j 动渊冬等功能。 3 、友好的界面和人机对话功能。能文观输入输 数，化、。，约化。 输入采j j 键盛或屏幕对话方，输出采用数产显示或c r t 显1 j ，或聚h j l 益j 1 泛使 j 的l c d 显示。 4 、囱_ 较强的接口功能。最终定型的产- 避包括并行i ou 、计数器、 各种a d 、d a 及通讯接【j 等。 5 、结构规范化、易f 改造和更新换代。希望在硬件改动较小的情况 h ，改动一f 软件，就可以增加新的功能。 n ：硬件设计中，智能化程度的高低 ：要取决于所选n j 的微处辟器。这 足艘y i 。改汁的核心内容。确定r 微处理器的掣弓，再考虑单h 机系统的扩 腱及 j 于振动信号预处理的模拟电路的设计。 奉章将要阐述本仪器的硬件设计部分。 2 0 浙江大学硕士学位论文 根据模块化思想，水仪器的硬件构成 ：要分为四人部分，j f 已形成日 刷电路板：k 板、测量板、电源板，分别完成数捌处理、振动信； 测嚣、 电源供给i 人功能，于液晶显示器可以直接和8 0 3 l 接【j t 完成显示功 能，从1 h j 省去r 一块显示扳。 2 2 单片机应用系统结构 由十j 越用场合和系统功能要求4 q n ，单片机1 , 7 t + j 系统的结构、删模平l 复杂性等剐很大，大致i 二可以分为基本系统和扩艟系统两夫类。， 2 2 1 基本系统 单【机的基本系统也称为最小应_ i 系统。这种系统的单h 机外音| j 没自 程序存储器、数掇存储器或i o 电路等扩展部“，它是【j r o m 犁或e p r o m 型单片机外接一定的i o 设备所组成的单片微型计算机系统。外批镀较 人的单片机瓜本系统产品通常选 hr o m 型单机，性能价格= | 岛，h 何 样机才采川e p r o m 型单片机。 十受程序t a l 化条件的限制等隙闪，恫内 很少， jr o m 型单片机。通常仪往对系统体秘、j d t 等方面要求较高的场 合，l 选j f je p r o m 型单片机组成基本系统，典犁的单片机摹本系统如阁 2 1 所j ， 单片 一 输入输出设备 微型机 佃 2 2 2 扩展系统 图2 1o - 片机基本系统结构 单片机的扩展系统在单片机的外部扩展j ，程宇存储器、数捌存储器或 i o 接l i 乜路，以弥补单片机内部资源的不足，满足特定的应j j 系统的功能 要求。j 种类型( r o m 型、e p r o m 型和无r o m 型) 的单片机部可以用 浙江大学硕士学位论文 i 0 接ui ! 路，以弥补单j i 机内部资源的不足，满足特定的应用系统的功能 爱求- 种类犁( r o m 犁、e p r o m 型和无r o m 型) 的单i j 机都可以川 求构成 j 腱系统。化f i i f 无r o m 型的单片机价格最低，使用也方便，所 以n 胜系统一1 i 一般都选川无r o m 型的单片机。典型的单片机打鼹系统 结构如图2 2 所示。 按拟野船 劁2 - 2 典掣薄片机扩展系统 2 3 m c s 5 1 系列单片机的基本特性 随着mj r 、i k 的发胜，单片机的新品种也彳i 断涌现，除传统系列例鲥 炎困i n _ f e l ，公r d 的m c s 5 1 9 8 系列，m o t o r o l a 公司的6 8 0 5 系列外， 许多8 0 5 l 兼容的功能增强型单片机也层h 不穷，其中以串行总线接l i 的单h 机的川卅使接u 更为简单，考虑到本课题的实际需要仍旧选i j m c s 一5 l 系列的8 0 3 l 单片机作为微处理器。 m c s - 5 1 系列单j l 机是 n t e l 公司1 9 8 0 年推出的产品，仃多种犁i j 典型产i ； 为8 0 5 1 、8 7 5 1 、8 0 3 1 。 2 3 1 m ( 、s 一5 1 单片机的内部结构 m c s 一5 i 单片机的内部资源如图2 - 3 所示。 2 3 2 结构特点 浙江大学硕f ，学位论文 2 2 a 古辛 1 j 髻?一兰三。兰二暑c巾n立 浙江大学硕士学位论文 8 0 3 l 在结构上主要有以下几个特点： 1 )面向控制的8 位c p u ： 2 )片内振荡器及时钟发生电路； 3 )3 2 位双向并行i o 线( p 0 、p 1 、p 2 、p 3 口) 4 )一个全双工的异步串行口； 5 )两个别1 6 位定时计数器； 6 )五个中断源，具有两个优先级的中断结构； 7 )具有位寻址功能的布尔处理功能； 8 )1 2 8 字节的片内数据存储器删； 9 )可寻址6 4 k 字节的外部程序存储器： 1 0 )可寻址6 4 k 字节的外部数据存储器： 2 3 3管脚功能 8 0 5 1 系列单片机大多采用4 0 个引脚的双列直插式塑料封装的芯片， 管脚图如图2 1 所示。图中管脚可分成四部分：电源管脚2 个，外接晶振 管脚2 个，i o 管脚3 2 个，控制信号引脚4 个。各部分管脚的定义和功能 ( 3 ) 并行i o 口 图2 48 0 5 1 管脚图 共有四个8 位i o 口，称为p o 、p 1 、p 2 、p 3 口。因此共有3 2 个管脚。 例如p o 口线为p 0 o p o 7 ，余下类推。除p 1 口外，其余三个口都有第 二功能。 浙江大学硕士学位论义 一一 ( 4 ) 控制信号 控制信号是芯片【 1 最为重要的部分。其中r s t ( r e s e t ) ：复位信吁 p s e n ：) ；外取指控制，a i e ：地址锁存控制，e a ：片外仔储器控制。 2 4 单片机系统的扩展技术 2 4 1扩展原理 一个单片机应用系统的硬件电路设计包括两个部分：一是系统扩腱， 即单”机内部的功能，如r o m 、r a m 、i ou 、定时计数器、中断系统等 容黾个能满足应用系统的要求时，必须f ：j 【外进行由展。 琏系统配置， 即按照系统功能要求配置外嘲设备，如键盘、娃示器、a d 、da 转换器等 木仪器功能复杂，涉及划人氐信号的采集和数据处理过 7 ，仪依靠8 0 3 l 提供的系统资源是刁i 够的必须进行扩展；根据本课题的需要，需进行存 储器的扩展和i o 的扩腱两方【f i 的扩展。蝤巾存储器的扩腱包括数据1 莩储 器年 引手行储器的扩胜。 ；协哪 的啦，扩? 、jj 二j 冬| j 、”j 图2 - 5m c s 一5 t 系统扩腱示意图 m c s 5 l 单片机主要是通过p o 口和p 2l 进行扩展的。p o l j 和p 2u 可 以直接作为输入口使川，也可以作为扩展总线【j 使用。 2 4 浙江人学硕 学位论文 2 4 2 存储器的扩展 8 0 3 l 芯片的程序存储空问剐数据存储空问足秆jq ：独0 的。柙序存储器 和数据存储器的寻址空间均为6 4 k 字节( 0 0 0 0 h f f f f h ) 。 由于紫外光可擦除电可编程只读存储器e p r o m 价格低廉，性能可靠 常j h 作m c s 5 1 的外部扩展程序存储器，典型的产。1 1 1 j 仃2 7 1 6 ( 2 k 8 ) 、 2 7 3 2 、2 7 6 4 、