（电工理论与新技术专业论文）载重轮胎动平衡机的研究.pdf

a b s t r a c t t i r ed y n a m i cb a l a n c i n gm a c h i n ei sah i g ht e c h n i q u ei n s t r u m e n tp r o d u c tu s e dt o d e t e c tt i r ei m b a l a n c e s i t sc o r es o f t w a r ei n t e g r a t e ss e v e r a lm o d u l e ss u c ha ss i g n a l a c q u i s i t i o n , d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，a sw e l la sp a r a m e t e rc a l i b r a t i o n b a s e do i l a s t r o n ge n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d , t h i sp a p e rd e a l sw i t hs o m ek e yt e c h n i q u e so ft i r e i n b a l a n c ed e t e c t i o n m a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e ra r es u m m a r i z e df l sf o l l o w s ： 1 am e t h o do fc u r v ef i t t i n gi sd e v e l o p e df o rp a r a m e t e rc a l i b r a t i o n ，i nw h i c ht h e a b n o r m a ld a t ah a v el i t t l ee f f e c to nt h er e s u l to fc a l c u l a t i o n a sar e s u l t ，t h ea c c u r a c y o ft i r ei m b a l a n c ed e t e c t i o nh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e d 2 b yu s i n gp o w e r b u i l d e r , f lp o w e r f u lv i s u a lt o o l s u i t a b l ef o ro b j e c t - o r i e n t e d p r o g r a m m i n g ，t h eh m im o d u l ef o rt i r ei m b a l a n c ec a l c u l a t i o na n d t e s td a t ac o l l e c t i o n i sd e s i g n e d i th a st h es t r i k i n gf e a t u r e ss u c ha sf r i e n d l yi n t e r f a c e ，i n t u i t i v ea n de a s yt o o p e r a t e 3 w a v e l e tf i l t e r i n ga n dac h a n g i n gr a t eb a s e dd e n o i s i n gm e t h o da r eu s e di nt y r e r u n o u tm e a s u r e m e n t e x p e r i m e n t a lr e s u r sh a v es h o w nt h a t ，t h ep r e s e n t e dm e t h o d c a ns u c c e s s f u l l yr e m o v ea l lt h es i g n a ln o i s ec a u s e db ym a r k sa n dl e t t e r s0 nt h e s i d e w a l lw h i l ep r e s e r v i n gt h eo r i g i n a lt i r ep r o f i l eo ft h et i r e ，s ot h a tt h er u n o u tc a nb e m e a s u r e de a s i l y e n g i n e e r i n gp r a c t i c e sh a v es h o w nt h a t ，t h ew o r ko ft h i sp a p e ri sv e r yh e l p f u lt o i m p r o v et h et y r eq u a l i t yo fc h i n e s em a n u f a c t u r e r sa n dr e d u c eo u rd e p e n d e n c eo p o n f o r e i g nt e c h n i q u e s k e y w o r d s ：d y n a m i cb a l a n c i n gm a c h i n e ，c a l i b r a t i o n , r u n o u t ，c h a n g i n g r a t e 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞盗盘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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：壶金幂1 1 签字日期： 妒驴年多月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：主食呆t l 签字同期：删了年，z 月7 同 导师签名：次怛己饧 签字日期m 脚夕同 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题的提出及意义 第一章绪论 现代许多机器正在向高速、高精密方向发展，在旋转机械中，轮胎振动问题 己经成为比较突出的关键技术问题之一，对汽车的寿命、可靠性和平稳性有着重 要影响。对于高速旋转的汽车车轮来说，每秒钟旋转十几圈以上，即使有极小的 偏心距也会引起很大的不平衡力，导致车轮的持续振动，尤其是方向轮的振动会 导致方向盘的抖动。而且振动大的汽车难于驾驶，会直接导致车辆故障，当汽车 平均行驶速度提高后，车轮不平衡所造成的交通事故将会增加【i 】。 在当前国家大力发展高速、高等级公路的情况下，随着我国中、高级轿车的 日益增多，车轮行驶速度不断提高，保证车轮的动平衡已经成为汽车安全行驶的 一项重要条件。因此，车轮的平衡对于现代的汽车来讲，是非常重要的一项工作， 轿车在出厂前或者运行一段时间后，都要对车轮进行动平衡调试，测出轮圈内外 不平衡量，在轮圈边缘上适当的位置安装平衡块，以达到车轮要求的平衡精度。 目前，定期对车轮进行动平衡检测已经成为中、高档车辆维护保养的一项重要内 容。 随着人们生活水平的提高，安全、舒适、迅速、高效已成为人们对汽车的期 望和要求。汽车在高速条件下，操纵稳定性、乘坐舒适性以及安全性已成为汽车 业必须解决的关键性问题。 车辆在行驶中的振动不仅与道路状况有关，而且也与车辆本身的技术有关， 车辆中轮胎动不平衡是造成振动的重要因素。由于轮胎生产工艺不能完全保证轮 胎橡胶层均匀一致，以及汽车使用过程中轮胎偏磨、平衡块丢失和零件配合间隙 的改变会导致车轮的质心与其转动轴心不重合，这些都会造成车轮的不平衡。因 此，在汽车生产与维修中，特别是目前条件下，对轮胎的不平衡状态，应给予足 够的重视。 轮胎动平衡试验机是检测轮胎质量分布，检测轮胎动平衡性能的关键设备。 我国轮胎工业要发展就离不开先进的动平衡技术及其设备的应用，并且具有越来 越强烈的需求。 下面具体介绍本课题的背景。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 1 轮胎制造业发展的需求 伴随轮胎工业的兴起，汽车轮胎动平衡实验机也在9 0 年代初悄然进入我国市 场 2 1 ，成为一种不可少的检测工具。但轮胎动平衡的检测技术，一直以来是我国 的一项空白，技术只掌握在外国人的手里。轮胎平衡实验机的研究能填补该类产 品的空白，替代进口产品，结束该类产品依赖进口的状况，推动我国轮胎动平衡 技术在轮胎生产中的应用，提高我国轮胎的质量，并促进我国公路客运、货运的 效率和质量的提高，推进我国轮胎制造业的发展。 1 1 2 转子的高速化需要高精度的动平衡测量技术 随着科学技术的发展，旋转机械由过去的小功率、低转速日益向大型、高速、 精密和自动化方向发展【3 】。旋转机械的高效、安全和长期运行，不仅创造了巨大 的物质财富，也带来了巨大的社会效益。与此同时，机械振动问题也成为制约旋 转机械发展的最大障碍。与过去的低速、小功率输出的机械相比，在现代高速、 大功率输出的机械中由于振动而造成故障的比例要大得多【4 】。解决这些问题的主 要途径是提高高速旋转机械的平衡精度。 1 1 3 产品品质一致性、质量管理及国际竞争的要求 随着我国加入w t o ，旋转机械行业面临着越来越激烈的竞争。竞争的主要方 面之一是产品质量的竞争。对旋转部件进行高精度的动平衡，是减少振动和噪声、 提高使用寿命，从而提高整机性能、质量的最重要的措施之一。 轮胎生产的大批量、规模化以及对提高产品品质的迫切性决定了对应用于这 一行业的动平衡机有着高效、高精度的要求1 5 。 1 1 4 测控技术数字化、智能化以及相关技术的发展 近年来，许多新技术如微处理器技术、计算机技术、网络技术、自动控制技 术、总线技术等日新月异的发展和广泛应用，带来测控系统的巨大变革，使测量 控制设备朝着数字化、智能化、网络化等方向发展，并在性能上向高精度、高可 靠性、高环境适应性方向发展 3 3 【8 。1 0 1 。 其他技术如实现计算机系统、测控系统、制造自动化系统等硬件互联和信息 传递的总线技术，对计算机测控系统和制造自动化系统在系统设计、生产、使用 和维护管理等方面具有很多优越性。以总线技术为基础的开放式体系结构数控系 统的发展【1 1 1 ，也为全自动动平衡机测控系统提供了很好的借鉴。 总之，测控技术数字化、智能化以及相关技术的发展，给动平衡机的设计开 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 发提供了更广阔、更先进的技术支持。 1 2 轮胎动平衡机的国内外发展动态及发展趋势 动平衡机分为通用和专用平衡机，本文主要是对用于检测汽车车轮动平衡的 专用动平衡机进行研究分析与汽车工业和道路交通建设发展相适应，工业发达 国家在平衡机的理论研究和设计制造方面起步较早，车轮动平衡机的生产和应用 已相当普及，技术也比较成熟。7 0 年代动平衡理论兴起，8 0 年代初期的产品是手 摇式，脚踏式等简易型产品，9 0 年代初已发展到多功能全电脑型产品，基本上都 是采用微处理器进行控制和进行不平衡量大小及相位的计算，用发光二极管或液 晶显示不平衡量的计算结果用于对车轮进行校正，具备一定的简易人机操作界 面，具有较高的精度和效率，自动化水平较高【1 2 - 1 6 1 。目前，随着微机技术的运 用，将动平衡机又带入一个崭新的年代，新一代动平衡机研发所追求的目标是将 机械工程、电气工程和计算机技术融合为一体，从而构成智能化程度极高的机械 电子产品。 国外平衡机的理论己日趋成熟，制造技术己经达到了比较高的水平，许多国 家己经研制出高精度的动平衡机。从发展过程来看，德国的动平衡机制造业历史 悠久，以申克公司和霍夫曼公司为代表，他们的产品质量在国际上都享有盛誉 【1 7 】，生产的平衡机已形成系列化产品【1 8 】。申克公司的动平衡机技术代表着目前 的世界水平，其生产的平衡机具有精度高、性能稳定、故障率低、效率高等优点。 霍夫曼公司的实力与技术水平虽远不及申克公司，但他在通用平衡技术与特大型 平衡领域也是独占鳌头的。日本起步较晚，但发展很快，以国际计测器株式会社 为代表 19 1 ，集平衡、校正一体化的多工位全自动动平衡机代表了当前该领域的最 高水平，这方面具有代表性的有申克目前最先进的4 4 0 k b t u - _ n 型多工位全自动动 平衡机。另外具有代表性的产品还有德国霍夫曼公司生产的四工位全自动动平衡 机，意大利米兰b a l a n c es y s t e m ss p a 公司生产的a b m 8 型多工位全自动动平衡 机。除此以外，还有韩国a c e 公司等。 与欧美国家相比，我国的轮胎检测行业比较落后，9 0 年代之前，国内的轮 胎生产不重视轮胎检测。至到9 0 年代之后，国内有些企业和高校才开始对轮胎 动平衡机进行研究，北京理工大学利用快速傅立叶变换和互相关滤波方法等对信 号进行分析处理；浙江大学对动平衡机不平衡信号提取方法和滤波方法进行了研 究晗o 】；杭柏林等采用量标定、零模式校正、m n 测试等方法对轮胎稳定性进行 检测【2 l 】；北京航空工艺研究所采用主轴系统在测量过程中与驱动电机脱开的方 法，消除传动皮带张力对主轴振动系统的干扰，并采用专门的速度补偿算法 2 2 1 。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 动平衡理论的研究为动平衡机的开发奠定了基础。北京航空工艺研究所在充 分调研的基础上于1 9 9 6 年研制出国内第一台轮胎动平衡单机，并于2 0 0 3 年又成功 开发出我国第一台在线式全自动轮胎动平衡测量机，出口越南 2 1 【2 3 1 。后来还有 青岛高校软控股份有限公司自行研制的q l p 一系列轮胎动平衡实验机m 】【2 5 1 。 总的来说，工业生产的需要和电子技术的发展，动平衡机的发展趋势是把机 械工程、电气工程和计算机技术融合为一体，从而构成精度高、灵活性强、人机 交互性好的智能化程度极高的机械电子产品。 1 3 本课题的研究内容 关于通用动平衡机的理论的研究工作已有很多成果，但用于检测轮胎动平衡 的专用平衡机的原理、机械结构和信号处理算法等介绍还比较少见，尤其是随着 计算机技术的快速发展，越来越多的硬件电路功能逐渐被软件所代替，所以有必 要对轮胎平衡机信号检测技术和信号处理方法进行深入研究。本课题主要是在老 师指导下，在上届同学已经完成的研究工作基础上通过大量的试验和研究，在掌 握了大量的第一手数据后，对样机进行完善。 本文主要从以下几个方面进行研究： ( 1 ) 在样机上反复试验，采集振动信号，分析信号的频谱特性，提取基频振 动信号，并对测算振动信号的幅值和相位的方法作进一步的探讨。 ( 2 ) 不平衡量标定算法的推导及计算机软件设计。目前许多人对影响系数法 进行了改进，我研究了基于最小二乘法的影响系数法，把最小二乘法的思想应用 于影响系数法。 ( 3 ) 跳动度采样信号预处理及计算机软件设计。跳动度测量过程中我们要判 别那些干扰是轮胎固有的比如沟槽花纹，图标等，那些是轮胎本身的缺陷，这就 对我们对信号的处理提出了很高的要求。通过阅读大量文献，小波在信号处理中 有无可比拟的作用，小波分析具有多分辨率分析的特点，很适合探测正常信号中 夹带的瞬态反常现象并展示其成分，有效区分信号中的突变部分和噪声，因此我 们将探究小波理论在跳动度信号处理中的作用。 ( 4 ) 采用p o w e r b u i l d e r 平台设计人机交互式操作界面，使显示信息更丰富、 直观和便于操作。 天搏大学硬士学位论文 第二章载重轮胎动平街机简介 第二章载重轮胎动平衡机简介 轮胎动平衡试验机是检测轮胎质量分布的关键设备，轮胎的动平衡性是指轮 胎旋转时，各方向上离心力的不同程度，是考核轮胎质量的一个重要参量。当轮 胎动平衡状态好时，轮胎旋转过程中各方向上受力基本相同，动平衡状态不好时， 则向某个方向的离心力过大或过小，从而引起轮胎的振动，影响汽车的舒适性， 平稳性，振动大的汽车难于驾驶，会直接导致车辆故障。因此一般轮胎在出厂前 或维修后都要经过动平衡的测试，以确保轮胎的质量，消除安全隐患。动平衡的 测试由轮胎动平衡试验机来完成。 2 1 实验机工艺流程简介 打标丁位 图2 - 1 载重轮胎动平衡机外型结构 图2 - l 为载重轮胎动平衡机外型结构，其工艺由五部分组成：第一工位为人 口输送工位，第- - i 位润滑及尺寸测量工位，第三工位为动平衡测量工位，第四 工位为打标工位，第五工位为分级工位。 ( 一) 输入工位 1 ) 功能：入口输送工位主要是将待检测轮胎逐个送入润滑及尺寸测量工位。 2 ) 机构组成：辊道轮胎输送长辊、定中心臂等。 3 ) 工作原理：输送长辊滚动带动轮胎运动到润滑工位。 ( 二) 润滑及尺寸测量工位 天津大学硕士学位论文第二章载重轮胎动平衡机简介 1 ) 功能：对待测轮胎的胎圈进行润滑以保证轮胎与轮辋配合紧密及顺利装 卸。轮圈润滑效果对动平衡机系统的重复性精度至关重要，润滑液涂抹太多或者 润滑不充分会导致轮胎装卡不到位，将影响其重复性能。测量轮胎的内径、外径、 断面宽，称量轮胎重量，以判定轮胎的规格型号，实现自动混装测试。 2 ) 机构组成：轮胎旋转左辊道、轮胎旋转右辊道、润滑棒、升降机构、尺 寸测量机构、称重机构等。 3 ) 工作原理：润滑工位倾斜6 。角，润滑时，左右辊道相对运动，使轮胎旋 转，由于重力作用，轮胎倾斜，胎圈在润滑棒上，使润滑液均匀地涂抹。包裹海 绵的润滑棒大量吸收润滑剂，使润滑更加充分。激光传感器从轮胎中心位置沿轮 胎径向向外移动，以中心位置为原点，第一次脉冲跳变走过的距离即为内径，第 二次跳变时为外径，激光测距测得断面宽，称量机构测出轮胎重量。 ( 三) 测量工位 1 ) 功能：实现轮胎动不平衡量的测量，测试项目包括：上面不平衡量及其 角度、下面不平衡量及其角度、静不平衡量及其角度以及偶不平衡量及其角度等。 2 ) 机构组成：上轮辋及伺服电机、下轮辋、轮胎输送辊道、升降台、压力 传感器、主轴、主轴电机、定中心臂等。 3 ) 工作原理：轮胎以一定速度旋转时，不平衡量产生一个离心力作用，通 过安装于主轴的压力传感器测量作用力，然后经过一系列的力学模型、数学算法 结算出轮胎的不平衡量。主轴被伺服电机驱动，平皮带传动；不平衡量测量使用 压电式测力传感器；角度定位采用增量型旋转编码器；量标定采用一次标定程序， 即选一个有代表性的轮胎标定后作为其他相同规格轮胎的标定值使用。 ( 四) 打标工位 1 ) 功能：根据测试结果对轮胎进行打标，打标位置为静不平衡量的轻点或 者重点。系统根据不同的轮胎半径自动调整打标位置。 2 ) 机构组成：打标机构、定中心臂、轮胎输送辊道等。 3 ) 工作原理：打标器温控系统是一个闭环回路，实时调节使加热头始终维 持在设定温度范围内；打标采用色带热压式，高温加热将色带融化在轮胎上；根 据测试结果对轮胎进行打标，打标位置为静不平衡量的轻点或者重点；打标形状 两种。 ( 五) 分级输出工位 1 ) 功能：根据测试结果对轮胎进行分级：一级运输带升起到最高位置；二级 运输带到中间位置；三级运输带下降到最低位置；实现分级。 2 ) 机构组成：轮胎输送辊道、双气缸等。 3 ) 工作原理：根据测试结果将轮胎分级输送，双气缸驱动输送带在三个位 天津大学硕士学位论文 第二章载重轮胎动平衡机简介 置分级。 2 2 测控系统简介 轮胎动平衡试验机主要用于对轮胎的动平衡性能进行全自动测量，测量项目 包括轮胎上下面的动不平衡量及其角度、静合成不平衡量及其角度、力偶不平衡 量及其角度、径向跳动度及测向跳动度。 动平衡机测控系统的工作原理为：首先启动电机带动轮胎旋转，由于不平衡 参量的存在，使得轮胎各方向上施加于压电传感器上的离心力被转换成电信号， 经滤波放大后输入至采集卡的a d 转换器，a d 转换器将模拟量转换为数字量， 再由计算机系统对该信号进行分析，计算出不平衡量的大小及位置，并由显示系 统显示出来。 2 2 1 硬件组成 为了完成动平衡量的测试，测试系统硬件由伺服电机、压电传感器、旋转编 码器、工控机等部分组成，系统图2 - 2 如下： 上轮 图2 - 2控制系统框图 天津大学硕士学位论文第二章载重轮胎动平衡机简介 2 2 2 软件部分 具备了必要的硬件之后，测控系统的核心部分还是软件设计。当前软件的开 发方式向着多层次应用结构发展，在通常的情况下，自动化测试系统的软件由于 涉及到硬件的控制和操作，其层次化结构就表现得更为明显。 测控软件主要由人机界面程序模块、数字信号处理程序模块、数据库程序模 块等组成，硬件实时操作通过动态数据连接库d l l 文件、w i n d o w sa p i 函数等编 程实现。采用p o w e r b u i i d e r 作为开发平台，实现前后台的数据交换。p o w e r b u i i d e r 是s y b a s e 公司推出的可视化软件开发工具，在面向对象程序设计、w i n d o w s 应用 程序开发，数据库系统开发，分布式计算机和跨越操作系统软件开发等方面具有 很大优越性。 各模块之间是一种层层调用的关系。他们之间相互独立，而又不可分割。在 层层调用的过程中，测试系统的操作对象一信号的变化如图2 3 。 轮胎 图2 3信号的处理过程 ( 一) 信号采集部分 信号采集部分指a d 转换部分，它是最接近硬件的软件部分，其作用是获取 原始的数字信号，并生成信号采集数据文件，以便于信号分析。 ( 二) 信号分析部分 信号分析部分包括频谱分析，数字滤波等，它的作用，简单地说，就是软件 化了的各种仪器。信号分析部分与硬件无关，只对获取的数字信号进行操作、分 析，提供诸如f f t 分析、数字滤波、各种统计数据的计算等一系列和信号分析有 关的功能测试，并生成滤波数据文件，然后将分析结果提供给测试管理部分。同 时，将获取的数据和分析的结果显示在界面上。本系统中信号分析部分主要包括： 基准信号频率计算，基频检测( 用与振幅、相位的求取) ，频谱分析等。 ( - - ) 测试管理部分 测试管理部分，原则上说它与硬件和信号处理无关，只对信号处理的结果数 据和中间数据进行操作。本部分的具体功能主要包括：各种动平衡计算程序，结 天津大学硕士学位论文 第二章载重轮胎动平衡机简介 果显示、数据文件存储、文件读取、数据管理程序，打印功能，帮助信息( 测试 系统信息和使用方法) 等。 2 3 技术参数 1 ) 试验轮胎规格 ( 1 ) 实验轮胎 ( 2 ) 轮辋直径 ( 3 ) 轮胎外径 ( 4 ) 轮胎最大断面宽度 ( 5 ) 轮胎最大重量 2 ) 测试条件 ( 1 ) 动平衡测试转速 ( 2 ) 跳动度测试转速 ( 3 ) 测试压力 3 ) 重复精度 ( 1 ) 动平衡1xl o 澳l j 试 ( 2 ) 动平衡自动5 5 测试 ( 3 ) 跳动度测试 4 ) 测试项目 ( 1 ) 上不平衡量及其角度 ( 2 ) 下不平衡量及其角度 ( 3 ) 静不平衡量及其角度 ( 4 ) 偶不平衡量及其角度 ( 5 ) 径向跳动度 ( 6 ) 测向跳动度 载重子午轮胎 1 6 ”2 4 5 ” 7 0 0 1 3 6 0 m m 4 0 0 m m 1 3 0 k g 4 0 0 r p m 6 0 r p m 0 6 5 m p a 3 o g 以内( j h l o o g 砝码) 5 o g 以内 万0 1 m m 天津大学硕士学位论文第三章轮胎动平衡机测量系统设计 第三章轮胎动平衡机测量系统设计 动平衡机测量系统对压电传感器传送来的代表不平衡量的电信号，经电荷放 大器的调理转换成5 v 的电压信号，经工控机滤波器、高速高精度采样卡上的 a d 转换器，进行数据采样，再经数字信号处理器软件的处理之后，计算出对应 在线测量的轮胎不平衡量值。 动平衡测量系统是整个轮胎动平衡机的关键部分，它涉及到的关键技术有信 号采集、振动信号特征提取、量标定、偏心校正、零校正等，本章我们将对它的 某些关键技术进行研究。 3 1 测量模型的建立 图3 - 1 为轮胎动力学模型。轮胎动平衡机的工作转速较低，频率大大低于支 承架的固有频率，从而可以将标准的校验转子视为旋转钢体。应用力学平衡原理， 则被测试的轮胎在主轴上均匀转动时将产生上、下面离心力分别为j f = f 、局( u - u p ，d _ d o w n ) ，通过动平衡机的二组传感器受力虬、反映出来。 l 图3 - 1轮胎一轮辋一主轴系统动力学模型 天津大学硕士学位论文第三章轮胎动平衡机测量系统设计 图中：f - 轮辋上校正面所受的力； e 轮辋下校正面所受的力； m轮辋上不平衡量；u 肘。轮辋下不平衡量； 玑上传感器1 所受的力； “下传感器2 所受的力； a 轮辋上、下校正面之间的距离( 宽度) ； b _ 一轮辋下校正面至上传感器1 之间的距离； c 上传感器l 至下传感器2 之间的距离； 3 2 信号采集分析系统 完成了机械振动系统的构建后，接下来就是在平台上开发出一套振动信号采 集分析系统。 动平衡机在实际使用中会遇到各种干忧，其中有电气干扰和机械振动干扰。 电气干扰一般有工频干扰和尖峰脉冲干扰，而机械干扰包含了各种杂散振动干 扰。测振传感器的输出不仅有不平衡量引起的基频振动信号，还含有各种频率成 分的干扰信号，使得测取信号的信嗓比大大降低，给信号分析与识别带来困难， 其结果直接影响到动平衡检测的精度。 因此要完成转子的动平衡测量，其前提是要精确的测出不平衡量的大小和所 在位置，这就需要从振动信号中精确地分离出由不平衡量引起的振动分量的幅度 值和相位，因此从振动信号中分离出基频信号，并准确地测量出其幅值和相位， 是实施动平衡的关键。常见的有傅立叶分析和自相关分析。 3 2 1 傅立叶分析 ( 一) 理论分析 压电传感器的输出是一个含有丰富谐波分量的复杂信号，可以用傅立叶级数 表示为： p ( f ) = e o + 巨c o s ( w f + q ) + ec o s ( i w t + 0 , ) + n ( t ) ( 3 - 1 ) ，1 = 2 式中：为传感器输出的直流分量，与机械结构和压电传感器有关。 巨c o s ( w t + q ) 为基频分量，即为所需的不平衡量信号；e 。为不平衡量信 号的幅值，与不平衡量的大小有关；幺为不平衡量信号的初相位，与不平衡量的 位置有关；w 为相应工作转速下的角频率。 天津大学硕士学位论文第三章轮胎动平衡机测量系统设计 巨c o s ( i w t + 谚) 为传感输出的各次谐波分量。 赢) 为随机信号，包括各种异频分量和干扰噪声。 在系统中采用频域分析法，对式( 3 - 1 ) 的振动信号从时域表示取傅立叶变换 f ( w ) = 专r 邝) e x p ( 一一f ) 就是将时域上的振动信号与时间的关系转化为频域上信号与频率的关系。我 们只是对信号的基频感兴趣，所以只要能够从频谱中提取到基频谱线，就可达到 计算不平衡量的目的。 将信号离散化后有效采样点序列表示为：厂( 0 ) ，厂( 1 ) ，( 2 ) ，厂( n s - 1 ) 。 m 为一周采样点数，那么离散后的傅立叶变换为 州) = 瓦1n 白, - i 似) e x p ( - 等啪 设形= e x p ( j - 等) 妣f ( z ) = 瓦1n 白, - i ( 七矿 其中：l = 1 ，2 ，3 ，n 。一1 为谐波次数；k = 1 ，2 ，3 ，n ，- 1 为采样点序 数；f ( k ) 为采样实数；f ( 1 ) 为复数频谱。 么( 胪2 f ( 胪瓦2n 刍, - 1 似) 形一雎 ( 3 - 2 ) 将e x 刚等) - c o s ( 等) + 一n ( 等) 代入式( 3 - 2 ) 得： 刖) = 专篆( 坝c o s ( 等腩) + j s i n ( 等= q + j b , = 4 么1 9 i 则幅值为：4 = 彳+ 砰，相位为q = a r c t a n ( v - l ) 。从式( 3 2 ) 中提取基频分量 口， 得到不平衡质量的相关信息。 ( - - ) 频谱分析 由此可知采样信号f ( k ) 经过傅立叶变换后得a ( i ) ( f ( i ) ) 信号，如图3 2 ，3 3 分别为采样信号及其频谱图。从频谱分析图可以看到最高的频谱峰位于6 8 h z 左 右，系统还存在其它的干扰，但是幅值很低，频率较高，因此传感器接受振动信 天津大学硕士学位论文第三章轮胎动平衡机测量系统设计 号中由不平衡量引起的部分起主要作用，这与轮胎转速为4 0 0 r m i n 符合。我们以 此为根据设计数字低通滤波器( o 一1 0 h z ) 对其进行滤波，由于快速傅立叶变换 ( f f t ) 具有很高的计算速度，所以采用了f f t 算法，它要求采样点数为2 形式， 选取n = 1 2 ，实际选采样周期t = 1 f _ 1 2 0 0 0 = 0 5 m s j 四 馨 ( 1 0 3 v ) 1 5 0 0 理 j 錾1 0 0 0 茛 霎5 0 0 样本数 图3 - 2采样振动信号 一一一；一i 一一：- 一；一一；一：一一一一一；一；一 f ) ( ：6 8 3 6 ： ：一一y ：1 5 1 9 i 一- ：一一：一一0 ：一一：一 l f l p 一一0 一- 一一一一一卜- 一一一一一i 一一一一一_ 一一一一一- 一一一一一卜一一一一一一一一一一4 一一一一一 一一一一 l 卜，、一一 ：，i ， 3 2 2 自相关分析 振动信号表达式还可以改写成 p ( f ) = e ( o ) + g e s i n ( w t + 仍) + n ( t ) ( 3 3 ) 式中e ( 0 ) 是直流偏置分量；n ( t ) 为总嗓声干扰，由于增益g 是固定不变的， 可以通过实验来测量。为了计算待测信号的幅值和相位，将( 3 3 ) 式的第二项展 开 g e s i n ( w t + 1 = g e c o ss i n w t + g e s m 仍c o s w t ：r e s i n w t + i m c o s w t( 3 4 ) 利用式( 3 - 4 ) 可得： 谱 频，号艏率振 o 频 ； 图 天津大学硕士学位论文第三章轮胎动平衡机测量系统设计 缈2 a r e t a n ( 嚣e ) 可以通过相关滤波的方法去除信号中的直流和高次谐波分量，互相关函数可 以理解为两个信号的乘积的时间平均，是一个统计量。根据车轮的稳定转速可以 得出其角速度缈，利用计算机产生与基频信号相同频率的正弦基准信号s i n c o t 和 余弦基准信号c o s a j f 。利用这两个标准信号与p ( f ) 进行互相关运算就可求出幅值 和相位。 e n t 上 口( o ) + s i i l ( w f + 仍) + 刀( f ) 】水s i n w t d t r n tr n t 2 土e ( o ) s i n w t d t + ( r e s i n w t + i m c o s w t ) s i n w t d t + l ：n t ( 荟n s 缸咖f + w ) + 印) ) s i n w 砌 ( 3 _ 4 ) 式中t 为基准信号的周期，由于三角函数的周期性第一项积分为零；因为干 扰信号船( f ) 由随机干扰和谐波分量组成，上述式( 3 4 ) 中第三项积分结果也为零。 所以可以得出： w j = ( o ) + g e s i l l ( w f + 仍) + ，z o ) 木s i n w t d t t n t 2 上 r e s i n w t + i m c o s w t 木s i n w t d t = r 三r e 衍+ r 三( h s t n 2 w 卜r e c 碰w 懈 ：丝木r e 2 吼 斋r 砸袖w 砌峨 同理可得余弦基准信号和振动信号的互相关结果为： 寺n t 印) c 。s w 砒= i l n 在计算时振动信号的采样序列为e ( k ) ( k = 1 ，2 ，n ) ，车轮旋转一周的采 样点数是3 0 0 ( n ) ，则可以求出r e 、i m 的计算式： 黜= 吾鼢灿c 2 k 门x ) 天津大学硕士学位论文 第三章轮胎动平衡机测量系统设计 i m = 吾鼢徊s c 警， 其实现程序如下： # d e f i n e z n1 4 采样周期数 # d e f i n ep n 3 0 0 周期采样数 木说明：输入u i ( i = o ，1 ，z n * p n - i ) 存放数字滤波后数据 输出：幅值，相位 用到的变量：d o u b l es a ，s b ，x w ( 相位) ，f z ( 幅值) f s a = o ； s b = o ； f o r ( i = o ：i z n * p n ：i + + ) s a + = u i $ c o s ( 2 * p i * i ( z n * p n ) ) ： s b + = u i * s i n ( 2 * p i * i ( z n * p n ) ) ： s a = z n * p n ： s b = z n * p n ： s a = 2 s a ： s b = 2 s b ： 求幅值和相位信息 f z = p o w ( ( p o w ( s a ，2 ) + p o w ( s b ，2 ) ) ，0 5 ) ： x w = a s i n ( s a f z ) ： ) 3 2 3 计算结果 分别在已经平衡好的轮胎两侧加上试重平衡块，利用样机采样，使用上述两 种方法对采样数据进行计算，从精度和计算不平衡所耗时间进行对比，获得的试 验结果如表( 3 - i ) ( 3 - 2 ) 可以看出快速傅立叶变换的精度要高于互相关分析， 但是计算所用的时间要比互相关分析多，所以应当根据具体使用情况来选择合适 的方法。 天津大学硕士学位论文第三章轮胎动平衡机测量系统设计 表3 - 1互相关法计算结果 序号上不平下不平衡上不平衡上不平衡量下不平衡下不平衡量 衡量( g )量( g )量( g ) 相位( 。)量( g )相位( 。) 12 001 8 3 21 9 80 3 21 6 7 202 0o 3 62 5 61 8 5 71 5 5 表3 - 2f f t 算法计算结果 序号上不平卜1 、半上不平衡上不平衡量下不平衡量下不平衡量相 衡量( g )衡量( g )量( g ) 相位( 。) ( g ) 位( 。) 12 001 9 6 41 6 3o 1 21 5 4 202 00 2 12 4 91 9 2 11 3 1 3 3 量标定 表3 - 3计算时间比较 i 方法名称互相关f f t 变换 i 所用时间( 秒)0 4 0 1 - 3 0 数据采集系统一般由传感器和有关测量仪器组成，为了确保采集精度，在采 集之前必须准确掌握整个系统的性能，为此需进行必要的标定工作。一个数据采 集系统要精确采集各种参数，除选择适当的传感器、信号调理电路、采集电路和 记录器外，还必须有精确的标定和校准设备，只有经过标定的系统所采集的数据 才具有实际意义。数据采集系统的标定分为系统标定和分布标定两种形式。系统 标定是对数据采集系统整个测量链的输入量与输出量之间的转换关系的标定；分 布标定是选取测量链的某一局部进行标定。 本文所开发的动平衡测试系统包括机械振动系统( 含传感器) 、基本电测硬件 及软件系统等复杂系统。因此，在本文中的标定采用系统标定的方式，即确定整 个系统的传递函数。 3 3 1 标定原理 此项工作解决输入与输出之间的对应的函数关系，压电传感器的输出作为输 入信号x ，计算对应的上下不平衡量为输出信号y ，动平衡量的标定即为把测量 量换算成为测量的工程量。 天津大学硕士学位论文第三章轮胎动平衡机测量系统设计 根据振动测试原理( 文献2 6 ) ，设有n 个e ，f ，r 被测量，有n 个s 。，s ，s 独立的传感器进行测量，f 与s ，是线性相关的，则满足 互 五 f nk n lk m s 是 s n k 。( i l ， n ，j = l ，n ) 为标定系数。 转子一支承系统的振动可认为是上下校正面上的不平衡量分别作用结果的 叠加，设转子两校正面上分别有原始不平衡量： m 加2 m l o e m 2 口= m 2 0 p 7 锄 转子以一定转速旋转时，在支承上分别检测到的振动值为u 肺= u 护埔。、 u 2 。= u 2 。e 腧，所以可得上下不平衡量与传感器输出信号之间有如下方程： l 帆= k l 玑+ 七2 “ 【鸩= k 3 玑+ k 4 玑 ( 3 5 ) k 。、k 2 、k 3 、k 。就是需要标定的参数，它们是和设备尺寸、主轴转速相对 零度位置有关的特征常数，对于特定具体的动平衡机来说，相同型号轮胎的标定 参数是确定不变的，无论被测轮胎的不平衡质量1 1 1 怎样变化。 3 3 2 方程组标定方法 所以测算出标定系数k 。、k 2 、k ，、k 4 ，即可用数值的形式来表达出被测轮 胎上、下的不平衡质量。 以下是测算标定系数k ，、k ：、k ，、k 。的具体流程： 第一步：仅安装被测轮胎的测试取值。 将被测轮胎安装在上、下轮辋之间，并在转速为4 0 0 r p m 时测得轮胎和主轴 系统的整体不平衡量，即整体不平衡量对应上、下传感器的实测为玑。、。 测得上述实测值后，即停止旋转。 第二步，在上校正面加一定质量砝码后的测试取值， 在上校正面加质量为m 。的砝码，然后仍按照上步的转速进行旋转，测得加 砝码后的轮胎和主轴系统的整体不平衡量，即对应上、下传感器的实测值v ” ，测得上述实测值后，即停止旋转。 根据上述方程( 3 5 ) 可以得出： 肺 捕 脚锄一晰 天津大学硕士学位论文 第三章轮胎动平衡机测量系统设计 ( 3 - 6 ) 第三步：在下校正面加一定质量砝码后的测试取值。 从上校正面取下砝码，加在下校正面的同一角度上，并采用与上步相同的转 速旋转，测得加砝码后的轮胎和主轴的整体不平衡量，即对应上、下传感器的实 测值虬：、：，测得上述实测值后，即停止旋转。 基于相同原理，可以得出 ( 3 7 ) 实际上，乩。、o 、乩。、，、乩：、：、m 。均为已知值，因可将方程 组( 3 6 ) ( 3 7 ) 联立 设玑。一讥。= 互，玑：一乩。= 正，。一。= 互，u d ：一。= 五，从而可以解 得： 七： 丝互 ( ? 疋一? j 7 j ) k ： 丝圣 ( 2 ；2 ；一7 i ? j ) 致： 丝至 。( 2 j 2 ；一即j ) 缸= 意为 此时所求得的标定系数毛、k ：、k ，、k 4 是实际测算值。 应用动平衡实验机，对相同型号被测轮胎均可通过方程式( 3 5 ) ，并根据标 定系数k 。、k ：、k 3 、k 。，以及上、下力传感器实测值，最终确定被测轮胎上、 下校正面的不平衡质量。 3 3 3 基于最, j x - - 乘法的标定方法 ( 一) 建立方程 在轮胎动平衡机的研制中，采用了两个传感器进行测量的方法，由上文已知 当轮胎处于平衡状态时 f 帆= k l 玑+ 哎玑 i 心= k 3 玑+ 丸玑 谢瑚 o 一。义k “卜 k u 屯 一。眠姒如 ，j、【 瑚划 一：屯 么 又m 叱 u 一：屯 u 么讯船 ， 。、 天津大学硕士学位论文第三章轮胎动平衡机测量系统设计 在测量轮胎前，要对k 。，七：，k ，k 。四个参数进行标定，方法是在轮胎上 表面加质量确定的标定砝码，在轮胎的一个转动周期内对两个传感器各均匀采集 r ( r = 3 0 0 ) 个信号，在轮胎下表面加测试砝码，在轮胎的一个转动周期内对两个传 感器各均匀采集r 个信号，这样可以得到一个由4 r 个方程组成的方程组，每个 方程左边的m 。，m d 值将代入理论值，再利用最小二乘的方法，可解得k 。，k ：， k ，丸四个参数值。 具体步骤如下： 1 ) 对传感器输出信号u 。和u d 进行采样，设上传感器的离散信号为 u 砌( i = 0 ，1 ，n 一1 ) ，下传感器的输出为u 砌( i = 0 ，1 ，n 一1 ) ，其中 n 表示采样点数。 2 ) 在上轮辋0 。位置加装质量为m 。( 1 0 0 9 ) 的检测砝码，待轮胎转速达到 4 0 0 f r a i n ，传感器采集数据，此时上传感器输出为u 枷( i = 0 ，1 ，n 一1 ) ， 下传感器的输出为u 加( i = 0 ，1 ，n 1 ) ，秒是编码器零位与轮辋零位之间 的相位差，则不平衡量与传感器输出信号之间的关系可表示为： m 0c o s ( 2 n i n + 矽) = 岛u - 埘，+ 乞u 厶 ( 3 6 a ) 0 = 屯+ 屯 ( 3 - 6 b ) 其中： 玑。，= 讥l f u u o ， = l ，一u d o ， 3 ) 在下轮辋0 。位置加装质量为m 。的校正砝码，进行信号采样。设此时上传 感器的输出为u u ：，( 江0 ，1 ，n 一1 ) ，下传感器的输出为u 鼢( i = 0 ，1 ， n 一1 ) ，则不平衡量与传感器输出信号之间的关系可表示为： 0 = k l u d 。, + 如 ( 3 - 7 a ) m 0c o s ( 2 n i n + 秒) = k 3 u 幽，+ 缸u 五 ( 3 7 b )