（机械电子工程专业论文）基于虚拟仪器的微速差双转子系统动平衡技术的研究.pdf

基于虚拟仪器的微速差双转子系统动平衡技术的研究 摘要 为了提高工作效率，高速化已成为旋转机械的发展趋势，但这也给动平衡 技术提出更高的要求。现场动平衡技术以其方便、高效、成本低廉的特点取得 了越来越广泛的应用。 以卧螺式离，1 1 , 脱水机为代表的微速差双转子系统动平衡是一个复杂的工 程技术问题，因为其内外转子( 转鼓和螺旋) 以3 0 0 0 4 0 0 0 转分的速度同向旋 转，两者之间又有5 15 转分的转速差，在现场动平衡中测得的是拍振信号， 必须据此求出内外转子的不平衡量。本文利用牛顿质心运动定理在简化的模型 上建立了运动微分方程，采用不解拍动平衡法作为解决这一问题的理论基础e 不同于传统的动平衡仪器，本文将虚拟仪器( v i ) 、数字信号处理技术和现 场动平衡技术结合起来，利用图形化编程软件l a b v i e w 开发了基于虚拟仪器 的微速差双转子系统现场动平衡测试系统。 本系统的主要功能包括信号采集、信号分析和动平衡运算三部分。系统利 用国产采集卡进行数据采集，利用l a b v i e w 提供的信号处理v i 实现对信号的 频谱分析和振幅相位的获取，利用l a b v l e w 数学运算工具完成动平衡计算。 系统界面友好，使用方便。为利用虚拟仪器技术解决微速差双转子系统现场动 平衡问题探索出一条新的途径。 关键词：双转子系统、现场动平衡技术、虚拟仪器、l a b v i e w r e s e a r c ho n d y n a m i cb a l a n c i n gt e c h n o l o g yf o rd u a l r o t o rs y s t e m w i t h v b r y l i t t l es p e e dd i f f e r e n c eb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t a b s t r a c t i n c r e a s i n gi ns p e e d i st h ed e v e l o p t r e n do f m o d e m r o t a t i n gm a c h i n e s ，b u t i tc o m e st h e h i g h e rr e q u e s t f o rd y n a m i cb a l a n c i n gt e c h n i q u e t h ef i e l dw h o l e - m a c h i n eb a l a n c i n g m e t h o dh a sp r a c t i c a l l yb e e na p p l i e dm o r ea n dm o r e w i d e l y b e c a u s eo fi t sh i g b p r e c i s i o n ， l o wc o s ta n d h i g he f f i c i e n c y t h ed y n a m i cb a l a n c ef o rd u a l - - r o t o r s y s t e m s u c ha st h ed u a l - - r o t o rs c r e w t y p e c e n t r i f u g ei sac o m p l e xe n g i n e e r i n gp r o b l e m ，b e c a u s ei t si n n e ra n d o u t e rr o t o r sr o t a t ew i t h h i g l ls p e e do f3 0 0 0 - - 4 0 0 0r p m ，b u th a sal i t t l er o t a t i n gs p e e dd i f f e r e n c eo f5 - 1 5 r p m b e t w e e nt h e m w ec a no n l yg e tab e a ts i g n a lf o r m e db yt w ov i b r a t i o ns i g n a l si nf i e l d d y n a m i cb a l a n c e a n dm u s to b t a i nt h eu n b a l a n c ev a l u e so fb o t hr o t o r sf r o mi t i nt h i s p a p e r , t h el o c o m o t i o n d i f f e r e n t i a le q u a t i o nw a se s t a b l i s h e do nt h ep r e d i g e s tm o d e lb yu s i n g n e w t o nc e n t e ro ft h em a s sm o t i o nt h e o r e m ，a n ds e l e c tt h ew h o l em a c h i n eb a l a n c i n g m e t h o dw i t h o u ts e p a r a t eo ft h eb e a ta st h eb a s i ct h e o r yo fd y n a m i cb a l a n c ef o rd u a l r o t o r s y s t e m w i t hl i t t l es p e e dd i f f e r e n c e d i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a ld y n a m i cb a l a n c i n gi n s t r u m e n t s ，t h i sp a p e rc o m b i n e dt h e t e c h n i q u eo f v i r t u a li n s t r u m e n t sw i t l lt h a to ff i e l dw h o l em a c h i n ed y n a m i c b a l a n c i n g a n da d y n a m i cb a l a n c i n gm e a s u r i n ga n dt e s ts y s t e mf o rd u a l r o t o rs y s t e mw i t hl i t t l es p e e d d i f f e r e n c ew a s d e v e l o p e du s i n gl a b v i e w t h em a i nf u n c t i o no ft h es y s t e mi sc o n s t i t u t eo ft h r e ep a r t s ：s i g n a lc o l l e c t i o n ，s i g n a l p r o c e s s i n g a n d d y n a m i cb a l a n c i n gc a l c u l a t i o n t h es y s t e mu s e dh o m e m a d e d a t a c o l l e c t i o n c a r dt oc o l l e c tt h es i g n a l ；u s e dt h ev io f s i g n a lp r o c e s s i n g i nl a b v i e wt og e tt h ef r e q u e n c y c o m p o s eo ft h es i g n a l ，t h em a g n i t u d e sa n dt h ep h a s e s ；u s e dt h em a t h e m a t i c st o o l so f l a b v i e wt of i n i s ht h eb a l a n c i n gc a l c u l a t i o n t h e s y s t e mh a saf r i e n d l yi n t e r f a c ea n d c a n b eu s e dc o n v e n i e n t l y i ti sas u c c e s s f u lp r o b eo fv it e c h n i q u ea p p l i e di nt h ed y n a m i c b a l a n c i n go f d u a l r o t o rs y s t e m w i t h v e r yl i t t l es p e e d d i f f e r e n c e k e y w o r d s ：d u a l r o t o rs y s t e m ，f i e l dd y n a m i cb a l a n c i n gt e c h n i q u e ，v i r t u a li n s t r u m e n t ， l a b v i e w 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金l b 王些盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 黝虢彳巧巾 签字日蜘孕月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒目b 王些盘堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 剃魏q 怖 签字日期0 忉t 年幽谚日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签 签字日 电话 邮编 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士 学位论文质量要求。 主席： 委员： 导 答辩委员会签名( 工作单位、职称) 步乏合舵 j l 文学撇十亭手 了m 、一 危j 已i 姒学渤厥硬 仓把工业犬淫副教砖 钏嗵黼龆研i 南膨峄 怠糖越蛾黝磁 念眈呶瑶剐磁 磁凇w 致谢 本人在三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得 到了我的导师吕新生老师的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是到l 改 集资料、论文成稿，都倾注了吕新生老师的心血，由衷感谢吕新生老师在学业 指导及各方面所给予我的关心班及从言传身教中学到的为人品质和道德情操， 老师广博的学识、严谨的泊学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，必 将使我终身受益，并激励我勇往直前。 同时，真诚感谢c a d c a m 中心的王晓枫老师、曹文刚老师、陈科老师、张晔老 师在我三年的学习和论文撰写过程中的给予的悉心指导。 感谢实验室和我一起学习的黄继武、胡月嘲、李立波、王淑杰、孙海潮同学给予 我的帮助。 最后感谢我的家人，没有他们的支持我是不可能完成学业的。 作者：锅一帕 2 0 0 3 年6 月5 臼 1 1 动平衡技术概述 11 1 不平衡的原因 第一章绪论 旋转机械是现代工业生产中的一类重要的设备，随着现代机器产品向高 速、高效、高精度方向发展，各种机械设备的振动幅度也随着速度的提高而加 剧。造成机器振动的原因多种多样，根据统计，产生振动的主要原因是由于动 不平衡的造成的。 由于设计和结构方面的因素，材质不均匀以及制造安装误差的原因，所 有实际转子的中心惯性主轴都或多或少的偏离起旋转轴线。这样，当转子转动 时，转子各微元质量的转动惯性力所组成的力系不是一个平衡力系。这种情况 称之为转子的动不平衡或失衡。按国际标准化组织( i s o ) 定义，在一个旋转的系 统( 转子) 中不平衡的存在是由于离心力没有消除，振动负荷或振动位移传给 轴承所造成的。 按国际标准化组织( i s o ) 定义，所谓平衡是“检测以及在必要时校正转子 的质量分布的程序，以保证在工作转速下轴颈运转时产生的振动和轴承力在规 定的范围内”。平衡的具体目标是减少转子的挠曲、减少机器的振动以及减少轴 承的动反力。这三个目标有时是矛盾的，有时是一致的，但他们必须统一于平 衡的最终目标：保证机器平稳、安全、可靠地运行。 1 1 2 动平衡技术的发展 “平衡”工艺这个课题是随着旋转机械的出现而提出的，并且随着气轮 机、发动机、电动机、离心泵以及压缩机的出现而变得越来越突出。在旋转机 械发展初期，由于机器的工作转速低，对平衡精度要求不高，只需对转子进行 静平衡即可。随着机器工作转速的不断提高，静平衡已不再适应工业生产的需 要，动平衡技术在此时开始产生、发展并日益成熟起来。 到目前为止，动平衡技术大致可分为三类：工艺平衡法、现场整机动平 衡法以及自动在线动平衡法。前两种均限于不平衡量不经常变化的转子，后一 种则针对运转时随时可能发生的不平衡状况变化的转子。 工艺平衡法是指在机器安装前将转子安装在专用的动平衡机上加以平 衡处理，然后再将转予安装在整机上，该法特别适用于对的旋转机械零件做单 体平衡。虽然随着科技的发展，动平衡的功能日益多样，结构更加完善，在动 平衡领域发挥着相当重要的作用，但是该方法有其固有的局限性，即它不能解 决在装配中产生的新不平衡。整机动平衡能有效解决这个问题。 现场整机平衡技术是旋转机械在工作状态或接近工作状态下对其进行 振动测量分析和平衡校正的一种平衡实验方法。它广泛用于：( 1 ) 大型机组等由 于条件限制，其零件或部件安装前未做精确平衡的场合；( 2 ) 由于安装时支承条 件改变或加装连接件、工作条件与平衡试验条件不同的场合；( 3 ) 由于维修后更 换零件等原因，运转时机械的振动超过允许值的。早在2 0 世纪5 0 年代，就有 人对挠性转子的整机现场动平衡做过尝试，当时由于电测水平低，平衡效果不 令人满意。到了8 0 年代，电测技术有了很大的发展，这给整机现场动平衡技术 的研究与应用提供了有利条件。1 9 8 0 年日本的明日和彦1 33 】提出了现场法的概 念。由于此法不需要昂贵的动平衡机等设备，并能达到较高的精度，从而引起 的人们的重视。1 9 8 8 年王汉英【33 】在其著作中对现场动平衡做了比较详尽的阐 述。目前，整机平衡技术在我国工业生产中己得到了越来越多的应用。 自动在线平衡是指在转子运转过程中，在不影响转子正常工作的平衡技 术。由于在线自动平衡装置结构复杂、成本高，故只适用于特大型机组或精度 要求特别高的旋转机械设备上，以及无备用机和长期连续运转的机组上。 本文讨论的属现场整机动平衡技术。 1 1 3 整机平衡 对回转体做熬机动平衡，根据转子的类型，有不同的动平衡方法。 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 和挠性转予。在国际标准化组织( i s o ) 制定的“平衡词汇”标准i s 0 1 9 2 5 1 9 8 l 和我国“试验机名词术语”z b y 0 3 3 8 2 中，刚性转子被更确切地定义为“可以 在一个或任意选定的两个校正面上，以低于转子工作转速的任意转速进行平衡 校正，且校正之后，在最高工作转速及低于工作转速的任意转速和接近实际的 工作条件下，其不平衡量均不明显超过所规定的平衡要求”的转子。凡是不满 足刚性转子定义的转予均视为挠性转子。 1 1 4 刚性转子的平衡 刚性转子因其动刚度相当大，由不平衡离心力引起的挠曲在转子工作和平 衡中可以忽略，因此可以用刚体力学的办法来处理其平衡问题，这时平衡转速 一般选梅远低于第一临界转速。故称为低速平衡。因此平衡刚性转子的不平衡 力与不平衡力矩仅需一个或两个校正面即可。 1 1 5 挠性转子的平衡 挠性转子的平衡必须考虑在不平衡离心力下转子产生的挠曲变形。在不同 转速下，离心力的大小是不一样的，因此转子有不同的挠曲变形，轴承的振动 和动反力亦不同。即挠性转予的不平衡状态是随着转速而变化的。因此，对挠 性转子进行平衡，主要解决两个问题： 1 根据测量不平衡转子的动挠度或支承动反力，求出不平衡量沿转子分布 的规律。 2 根据不平衡量沿转予的分布规律，确定校正质量的分配位黄和相应数值， 以达到消除( 或减少 支承动反力或转子动挠凌的目的，从而保证在某转速范围 内( 或某特定转速下) 运转的平稳。 近3 0 年来，国内外许多学者和工业部门都做了大量的研究和实验，提出了很多 平衡的方法，比较有代表性的和经常使用的为振型法和影响系数法。 1 1 ，6 振型平衡法 根据振动理论，可以把转子的不平衡量按主振型分解成许多层次的不平衡 分量，每一分量只能激起转子相应的主振型。如果由低到高逐价平衡好这些分 量，则转子在整个转速范围内可达到平衡。这就是振型平衡法的基本思想。 1 1 7 影响系数法 影响系数法是基于系统为线性的假设前提下，利用力学中影响系数的概念 和一些数据处理技术，求得选定校正面上的最佳校正量。这种方法有它一定的优 点，尤其是对大型机组的现场平衡，由于机组系统复杂，其临界转速和振型不 再是简单的形式，振型法已无能为力，影响系数法更有其独到之处。该平衡方 法的基本手段是引入一个试重来测出一个具体的转予一轴承系统的不平衡振动 的影响系数。通常在转子某一个位置的平衡校正面内，依次加上一个试重，根 据加重前后转子或轴承座的租平衡振动响应的变化，求得影响系数a i j ，待影响 系数 a i j 求得后，由转子或轴承的初始不平衡振动求解得初试不平衡量 u j 或相应的平衡校正量 u j * = 一 u j 。 影响系数法是现场动平衡中应用得较为广泛且较为成功的技术，但是在实 际的多校正面转子的平衡中，由于方法的内核涉及复数方程组的求解，当影响 系数矩阵在病态时，容易得出不合理的平衡结果。转子平衡面的选择对系数矩 阵的性质有着决定性的作用，相关平衡面的存在是导致影响系数矩阵出现病态 的主要原因。因此，如何避免相关平衡面的出现。诊断出相关平衡面的存在和 消除相关平衡面的影响是多转孑平衡和轴系平衡的关键技术。 1 1 8 微速差双转子的动平衡 微速差双转子系统在工业用螺旋卸料沉降离心机和航空发动机中均得到 了广泛的应用。微速差双转子系统支承系统的振动是内、外转子的不平衡共同 引起的，而通过检测支承部分的振动很难区分内外转子的各自对系统不平衡的 影晌的大小。通过检测的方法得到的振动信号为一个拍振信号，将拍振信号分 离后即可得出内外转子的振动信号。这样我们就可咀将双转子动平衡问题转化 为单转子问题进行处理。 到目前为止，在国外有关文献资料上，尚未见到在解决微速差转子系统 因失衡而引起的振动问题上有什么新的方法和见解。主要是因为国外通过在生 产过程中提高制造精度和装配工艺的等方法来保证整机平衡。由于国内同类产 品无论在制造精度还是装配精度上都无法与国外相比因此国内的产品比国际上 工业发达国家生产的同类产品振动故障率高，动平衡的研究相对就多一些。 目前国内主要有以下几种方法( 1 ) 简易测试法( 2 ) 矢量瓦特机光点轨迹识 别法( 3 ) 外接信号补偿法( 4 ) 傅氏分析仪相关滤波法( 5 ) 计算机软件相关分析法 ( 6 ) 不解拍蹩机动平衡法。其中不解拍整机动平衡法是浙江大学化机研究所周保 堂教授等提出的无需解拍而可以实现微小速差双转子系统整机平衡的有效的方 法。该方法抓住了拍振的基本特点：在一个拍振周期中，当拍振的两个振动分 量相位相同时，拍振的振幅达到最大值，当拍振中的两个拍振分量相位反相时， 拍振的振幅达到最小值。根据这一特点，仅需要测得拍振的振幅最大值和最小 值，就可以得到内外转子各自的振动振幅。同时测得备自的相位从而可以实现 内外转子的动平衡。 1 2 动平衡测试技术 转子系统的动平衡测试技术主要指通过转子系统的振动信号峰值与相位 获取转子系统不平衡的大小和相位信息的技术。如图1 1 所示： 图1 1 动平衡测试简图 1 2 1 振动测试 利用振动测量传感器可以把被测对象的机械振动量( 位移、速度、加速度) 转化为与之相对应的电量( 如电流、电压、电荷) 。按所选坐标系的不同，振动 测量传感器可分为相对式和绝对式两种。相对式传感器测出的是被测对象相对 于某一参考系的运动。绝对式测振传感器本身紧固于被测对象上，并与之一起 4 振动，从而测得的是绝对振动。按照工作原理分类，可分为应变式、电容式、 电感式、地磁式、压电式、热电式等传感器。 1 2 2 基准信号的获取 旋转机械的振动测量中，经常为测量转速及求取振动信号的相位而需要设 置一个基准，使得转轴在旋转一周中能得到一个基准脉冲信号。常用的基准获 取方法有两种：( 1 ) 在转轴上贴上一片薄铁片，利用电涡流传感器感应出电脉冲； ( 2 ) 在转轴上贴反光材料，利用光电传感器感应出电脉冲，如图l ，2 所示 图1 2 反射式光电传感器测量转子基准示意图 1 2 3 信号的预处理 从传感器得到的信号，有些为电荷量，有些为频率变化量，因此必须经过 转换电路将他们转变为电压信号，然后进行后续处理。这主要由传感器自己的 前鸯处理器来完成。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、鉴频鉴相器、电荷放大器、积分器、电流一电压转换器及频率一电压转换 器等。同时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算放大器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，故应将其他频率的信号滤除。一般采用带通滤波电路实现， 其可由运放、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号的预处理电路。 1 2 4 信号的处理与分析 一般来说，在转子系统整机动平衡过程中，测得的振动信号及基准信号经 过预处理后，不会是纯粹的正弦波，而是各种成分的合成波形。还要通过仪器 的硬件或软件作进一步的处理，如傅氏变换、频谱分析以及大量的数值运算等 等，最后获得不平衡量的大小、相位等最终结果。 1 2 5 基频检测 振动波形除转速的基频成分外，可能还有2 ，3 ，4 等的倍频，1 2 的亚倍 频成分，随机振动成分等等。其中，由不平衡质量引起的振动是基频振动。因 此，在做动平衡时，需要从合成波形中检测出基频信号，并准确地测定其幅值 与相位。基频检测是整个平衡测试系统的核心。 1 2 6 频谱分析 回转机械的故障有很多种，并不是所有的振动都是由不平衡引起的，这时， 即使对旋转机械进行动平衡校核，也不能排除故障。所以，在做动平衡之前， 通过一定的故障诊断方法，确定故障的原因所在，是非常必要的。频谱分析功 能是仪器必备的基本功能之一。 1 3 动平衡测试仪器 做动平衡，不但要有完善的动平衡理论，还必须要借助于一定的动平衡仪 器。动平衡仪器的好坏，直接影响到动平衡的效果。 测试仪器发展至今，大体可分为四代：模拟仪器、数字化仪器、智能仪器 和虚拟仪器。 第一代模拟仪器。主要是光电矢量瓦特计、测振仪、指针式万用表以及晶 体管电压表等。它们的基本结构是电磁机械式的，借助指针来显示最终的结果。 第二代数字化仪器。数字化仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率 计等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出 最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。 第三代智能仪器。智能仪器内置微处理器，既能进行自动测试，又具有一 定的数据处理能力，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。它的功能块 全部都是以硬件的形式存在，无论是开发还是应用都缺乏灵活性。 第四代虚拟仪器。虚拟仪器是现代计算机技术、通讯技术和测量技术相结 合的产物，是传统仪器观念的一次巨大的变革，是将来仪器产业发展的一个重 要方向。虚拟仪器是以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据 处理能力，提供对测量数据的分析和显示功能。 本文研究的就是将最新的虚拟仪器技术应用到微速差双转子动平衡技术上 来。 6 1 4 虚拟仪器概述 1 4 1 虚拟仪器的概念 所谓虚拟仪器( v i r t u a li i s t r u m e n t ，简称v i ) ，就是在以通用计算机为核 心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、测试功能由测试软件实现 的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标点击虚拟面板，就可操作这台计算机硬 件平台，就如同使用一台专用电测量仪器。虚拟仪器的出现使人与计算机的界 线模糊了。 虚拟仪器的思想，可以先从仪器的基本功能入手进行分析。 所有测量仪器的功能可由“数据采集”，“数据分析”，“结果输出”三大部 分组成。在这三大功能中，数据分析和结果显示完全可由基本计算机的软件完 成，只要另外提供一定的数据采集硬件，可就构成由计算机组成的测量仪器。 由此可以看到虚拟仪器与传统仪器的基本区别：传统仪器的这些功能都是以硬 件或固化的软件形式存在，而虚拟仪器的功能则是用软件完成。所以说，软件 是虚拟仪器的核心。 应用程序将可选硬件( 如g p i b 、v x i 、r s 一2 3 2 、d a q 板) 和可重复使用的原代 码库函数等软件结含在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。原代码 库函数为用户构造自己的v i 系统提供了基本的软件模块。由于v i 的模块化、 开放性和灵活性，以及以软件技术为核心的特点，当用户的测试要求变化时， 可以方便地由用户自己来增减软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试 要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的v i 系统而不丢弃已有的硬件和软件资源。十多年前，美国n i 公司提出的“软件就 是仪器”的口号，形象地概述了软件在v i 中的重要作用。 虚拟仪器这一思想的实现，得益于以下科学技术基础： ( 1 ) 微处理器技术的快速进步，使得计算机的饿处理能力一直按指数率提 高；其性能价格比的不断上升，使微机应用得到普及。 ( 2 ) 数字信号处理技术( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，简称d s p ) 的不断进步 和完善，原先许多硬件完成的功能可以依靠软件实现。 ( 3 ) 面向对象技术，可视化程序语言的软件的利用为更多易于使用，功能强 大的软件提供了可能性。 总的来说，虚拟仪器就是基于计算机全数字化测量分析仪器，是现代计算 机系统，d s p 和仪器系统技术相结合的产物。它主要有以下几个特点 ( 1 ) 在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功 能。 ( 2 ) 仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是由厂家事先定义好 7 的。 ( 3 ) 仪器性能的改进和功能的扩充只需进行相关软件的设计更新，而不需购 买新的仪器。 ( 4 ) 研制周期较传统仪器大为缩短 ( 5 ) 虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展可与网络及周边设备互联。 虚拟仪器在工程应用中和社会经济效益方面具有突出优势。目前，我国高 档台式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依靠进口，这些 仪器加工工艺复杂，对制造水平要求高，生产突破困难，而采用虚拟仪器技术， 可以通过采购必要的通用仪器硬件来设计自己的高性能价格比的仪器系统。 1 4 2 虚拟仪器的组成 如图1 3 所示可知虚拟仪器主要由以下几个部分构成： 图1 3 虚拟仪器的构成 ( 1 ) 功能软件：用于编程，测试和分析。 ( 2 ) 计算机及其附件：各种类型的高性能计算机，如p c 机，笔记本，工控机 等，是v i 系统的心脏和动力。 ( 3 ) 数据采集硬件：具有高性能的a d 转换、d a 转换性能。 ( 4 ) 传感器及前置抗混滤波调制放大器：是测试系统获取信息的基础。 1 4 3 虚拟仪器的硬件系统 按照虚拟仪器的发展和采用总线方式的不同，虚拟仪器硬件系统可分为以 d a q 板和信号调理为仪器硬件而组成的p c d a q 测试系统，以g p i b 、v x i 、s e r i a l 和f i e l d b u s 等标准总线仅器为硬件组成的g p i b 系统、v x i 系统、串口系统和 现场总线系统等多种形式。 ( 1 ) p c 总线一一插卡型虚拟仪器硬件系统 这种方法借助于插入计算机内部的数据采集卡与专用的软件( 如l a b v i e w ) 相结合，完成测试任务。该类型的虚拟仪器硬件采用的是d a q ( d a t aa c o u i s i t i o n ) 8 卡，是基于计算机标准总线( 如i s a 、p c i 、p c 1 0 4 等) 的内置功能插卡，它更加 充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性，利用d a q 可以方便快速组建虚拟仪器，实现“一机多型”和“一机多用”。在性能上，随 着a i d 转换技术、仪器放大技术、抗混叠滤波技术与信号调理技术的迅速发展， d a q 的采样速率已达到1 g b s ，精度高达2 4 位，通道数高达6 4 个，并能任意结 合数字i o 、模拟i o 、计数器定时器等通道。仪器生产厂家生产了大量的d a q 功能模块可供用户选择，如示波器、数字万用表、串行数据分析仪、动态信号 分析仪、任意波形发生器。在p c 机挂接若干d a q 功能模块，配相应软件，就可 以构成一台具有若干功能的虚拟仪器。d a q 虚拟仪器既具有高档仪器的测量品 质，又能满足测量需要的多样性。对大多数用户来说，这种方案不但实用，而 且具有很高的性能价格比，是一种比较适合我国国情的虚拟仪器方案。 ( 2 ) g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 总线方式的虚拟仪器硬件系统 g p i b 是计算机和仪器间的标准通信协议，g p i b 的硬件规格和软件协议已纳 入国际工业i e e e 4 8 8 1 和i e e e 4 8 8 2 中。g p i b 是最早的仪器总线，目前多数仪 器都配置了遵循i e e e 4 8 8 标准的g p i b 接口。典型的g p i b 测试系统包括计算机 一台，一块g p i b 接口控制器卡和若干台g p i b 仪器。，每台g p i b 仪器具有单独 的地址，由计算机控制操作。仪器中的仪器可以增加、减少或更换，只需要对 计算机的控制软件作相应改动。在价格上，g p i b 仪器覆盖了从比较便宜到异常 昂贵的仪器。g p i b 的数据传输速度一般不低于5 0 0 k b s ，不适合对系统速度要 求较高的场合使用。 ( 3 ) v x l ( v m e b u se x t e n s i o n f o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 接口总线的虚拟仪器 硬件系统 v x i 总线是v m e 总线在仪器领域的扩展，1 9 8 7 年在v m e 总线、e u r o c a r d 标 准( 机械结构标准) 和i e e e 4 8 8 标准的基础上，由主要仪器制造商共同制定的开 放性仪器总线标准。v x i 系统最多可包含2 5 6 个装置，主要有主机箱、“零槽” 控制器、具有多种功能的模块仪器和驱动软件、系统应用软件等成。系统各功 能模块可随意更换，即插即用组成新系统。由于它具有标准开放，结构紧凑， 数据吞吐能力强，定时和同步准确，稳定可重复利用地特点，因此得到广泛应 用，但是造价比较高。 ( 4 ) p x i 总线方式的虚拟仪器硬件系统 p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 是p c i 在仪器领域的扩展，n i 公司于1 9 9 7 年发布的一种新的开放性、模块化、仪器总线规范，其核心是 c o m p a c t p c i 结构和m i c r o s o f tw i n d o w s 软件。p x i 总线是在p c i 总线内核技术 上增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发的参考时钟。用 于精确定时的星形触发总线，以及使用于相邻模块的高速通讯的局部总线。p x i 具有高度可扩展性，具有8 个扩展槽，通过使用p c i p c i 桥接技术，可扩展到 9 2 5 6 个扩展槽，台式机的性价比和p c i 总线面向仪器领域的扩展优势结合起来， 将形成未来主要的虚拟仪器平台。 ( 5 ) 并行口式的虚拟仪器硬件系统 最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，他们把硬件集成在 一个采集盒或一个探头上。软件装在计算机上，通常可以完成各种虚拟仪器的 功能。它最大的好处是可以和笔记本电脑相连，方便现场操作，又可与台式p c 机相连。 1 4 4 虚拟仪器的软件系统 虚拟仪器最核心的思想，就是利用计算机的软件和硬件资源，使本来需 要硬件或电路实现的技术软件化和虚拟化，最太限度地降低系统的成本，增强 系统的功能与灵活性。从底层到顶层，虚拟仪器的软件系统框架包括三个部分： v i s a 库、仪器驱动程序、应用软件。虚拟仪器的软件结构如图1 4 所示。 图1 4 虚拟仪器的软件结构图 1 v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ns o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 库 v i s a 库实质就是标准的i o 函数库及其相关规范的总称，一般称这个i o 函数库为v i s a 库。它驻留于计算机系统中，执行仪器总线的特殊功能，是计算 机与仪器之间的软件层连接，用来实现对仪器的控制。对于仪器驱动程序开发 者来说，v i s a 库是一个可调用的操作函数库或集合。 2 仪器驱动程序 仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序集合，是应 用程序实现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂 商以源码的形式提供给用户，用户在应用程序中调用仪器驱动程序。 3 应用软件 应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观、 友好的操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。应用软 1 0 件还包括通用数字处理软件。通用数字处理软件包括用于数字信号处理的各种 功能函数，如频谱分析的功率谱估计、f f t 、逆f f t 、逆f h t 和细化分析等；时 域分析的相关分析、卷积运算、反卷积运算、均方根估计、差分积分运算和排 序等；滤波设计中的数字滤波等。这些功能函数为用户进一步扩展虚拟仪器的 功能提供了基础。 1 4 5 虚拟仪器的编程软件 按照测试的要求在计算机上定义一台虚拟仪器，必须要有功能强大的编 程软件。现在可用于虚拟仪器编程的软件较多，按编程方式来说，可分为文本 式和图形化两种。一种是基于传统的文本式语言的开发平台，包括微软的 v i s u a lc + 十，b o r l a n d 公司的c + + b u i l d e r ，d e l p h i ，n i 公司的l a b w i n d o w s c v i 等；一种是基于图形化编程语言的平台，包括n i 公司的l a b v i e w ，h p 公司的 v e e 等。 在过去，一个测量系统的软件通常用v c + + ，v b 等工具编写，作为通用的 编程软件，它们功能强大，灵活，可以从系统低层编起，然而，同样对开发人 员的编程能力和对仪器硬件的掌握要求较高，而且开发周期长。 现在虚拟仪器软件最流行的趋势之一是图形化编程环境。最早应用图形 化编程技术开发v i 始于n i 公司1 9 8 6 年推出的l a b v i e w 软件包。根据n i 公司 2 0 0 1 年度的市场调查在虚拟仪器的编程领域l a b v i e w 的使用人数超过了包括 v c 在内的其他语言，排在第一位，并且还在里不断上升的趋势。 1 4 7 面向仪器与溅控过程的图形化开发平台一一l a b v i e w l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，实验 室虚拟仪器工程平台) 是美国国家仪器( n a t i o n a li n s t r u m e n tc o m p a n y ) 推出的 一准基于g 语言( g r a p h i c sp r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，图形化编程语言) 的虚拟仪 器软件开发工具。 用l a b v i e w 设计的虚拟仪器可脱离l a b v i e w 开发环境，最终用户看见的是 和实际的硬件仪器相似的操作面板。 i 4 7 g 语言编程 l a b v i e w 是为替代常规的b a s r c ，c 等常规语言设计的。除了编程方式不同 以下，具有语言的所有特性，所以，l a b v i e w 不仅仅是一个功能比较完整的软 件开发环境，而是种真正的编程语言，由于其独特的图形化编程方式，所以 又被称为g 语言。 如图1 5 所示，l a b v l e w 的编程环境包括两个面板，图中左面的是前面板 ( p a n e l ) ，用于编制虚拟仪器的软面板；右边的为程序面板( d i a g r a m ) ，用于编写 图形化的化的g 语言程序源代码。与c c + + 等传统的文本编程不同，l a b v i e w 的g 语言是把烦琐、费时的代码编写输入，简化为使用菜单图标提示的方法选 择功能，并用线条把各种功能连接起来的简单图形编程方式。比如，要进行f f t 运算，只需要从函数库中，调出f f t 子v i ( 相当于c 语言的子程序) 模块，然后 用连接线与输入控制和输出显示控件连接起来即可。降低了对编程者经验和熟 练程度的要求，易于学习和使用，大大提高了编程效率。被誉为“工程师和科 学家的语言”。 图1 5l a b v i e w 编程环境的两个面板 1 4 8l a b v i e w 的特点 l a b v i e w 软件的特点可以归纳为以下几点： ( 1 ) 图形化的仪器编程环境：使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界 面，针对测试，测量，以及过程控制等领域，l a b v i e w 提供了面板上所必须的 许多显示和控制对象，具有与实际仪器相似的旋扭，开关，指示灯，图表等。 用户还可以方便的将现有控制对象改成自己需要的形式。 ( 2 ) 内置的程序编译器：l a b v i e w 采用编译方式运行3 2 位应用程序，解决 了其他按解释方式工作的图形编程平台速度慢的问题，其速度与c 语言的编译 速度相当。 ( 3 ) 并行机制：l a b v i e w 运行机制是一种带有图形控制流结构的数据流模 式，程序框架从宏观上讲是一种多任务并行机制，而不是c 等传统语言的顺序 结构。 1 2 ( 4 ) 灵活的程序调试手段：用户可以在源代码中设置断点，单步执行代码， 在代码的数据流上设置探针，在程序运行中观察数据流的变化。 ( 5 ) 功能强大的函数库：l a b v i e w 提供了大量现成函数供用户直接调用，从 底层v x i 、g p i b 、串口及数据采集板的控制子程序到大量的仪器驱动程序，从 基本功能函数到高级分析库，覆盖了仪器设计中几乎所有需要的函数。 ( 6 ) 支持多种系统平台：l a b v i e w 支持多种系统平台，在w i n d o w s n t 9 x 3 x ，m a c i n t o s h ，h p ，s u ns p a r c 等系统平台上，都提供了相应版本的软件， 并且平台之间开发的应用程序可直接进行移植。 ( 7 ) 开放式的开发平台：l a b v i e w 提供了d l l 接口和c i n 接口，使用户在 l a b v i e w 平台上能调用其他软件平台编译的模块，提供对o l e 的支持。 总的来说，虚拟仪器系统具有灵活性、再扩张性、易维护性、高性价比、 易组建、高可靠性等特点。在机械参量c a t ( 计算机辅助测试) 中是一个很好 的解决方案。 第二章微速差双转子系统不解拍整机动平衡原理 2 1 微速差双转子系统简化与振动分析 2 1 1 概述 在转子固有振动分析中，我们能够通过数学的方法计算出转子振动的固有 频率、临界转速、主振型等。在转子振动分析中，我们能够应用的方法主要有 传递矩阵法、有限元法、模态分析法、牛顿力学分析法等。由于采用影响系数 法进行动平衡计算对系统振动模型精度要求不高，因此我们采用牛顿力学分析 的方法分析转子的动力学特性。 2 1 2 双转子系统的振动分析 图2 ，1 双转子振动模型 对于双转予振动分析，很多学者进行了深入的研究。浙江工学院的钟妙 坤、贾高顺以卧螺离心机为例利用传递矩阵法对其固有的振动特性进行了深入 的分析i 钔。王申生也对双转子差动式离心机的动力学系统进行了分析【32 1 。本文 利用牛顿力学简化模型对双转子系统的振动进行分柝。 为了便于分析，将双转子系统进行简化抽象成如图2 1 所示的模型。由于 平衡分析对振动分析的要求不高，为了简化方程我们对模型进行了如下的假设： ( 1 ) 内、外转子的轴承位置重叠并且左右轴承的刚度系数k 相等，转子系 统在水平方向和转轴方向的支承刚度无穷大，只讨论转子在垂直方向的的振动 情况。 f 2 ) ；r - 转子和内转子的的平面运动分解成各自质心c l 和的平动及绕质心水 1 4 平轴的转动。 ( 3 ) m 。、删，分别为外转子，内转子的总质量； 、t ，分别为外转子、内转 子绕过质心水平轴的转动惯量；k ，、足，分别为外转子、内转子相应轴承的刚 度系数。 由图2 1 可知系统共有四个自由度，x i 、x 2 、o l 、b ，系统所受的外力有： ( 1 ) 外转子两端相对应的轴承弹性恢复力。 ( 2 ) 外转子、内转子各自不平衡量引起的离心惯性力e