单片机在动平衡测量中的应用

　　1　引　言

　　现代机器正向高速、高效率、高精度和大型化发展,限制和减小各种机器的振动日趋重要。旋转机械产生振动的主要原因之一是不平衡质量的惯性力或惯性力矩。因此,对旋转部件进行动平衡处理是减小或消除机器振动的有效工艺措施,已在工业生产中得到广泛应用。

　　常规动平衡仪以分立元件为核心、微安表指示,或者采用光点瓦特计。近几年来,以单片机为核心的智能式测量系统正逐步取代微安表、光点瓦特计测量系统,成为新一代的动平衡测量系统。本文介绍8098单片机在动平衡测量中的应用方法。

　　2　系统组成

　　2.1　动平衡测量基本原理

　　动平衡机通常采用两点支承,基本校正面取在左右两侧,即将轴向各点的动不平衡量等效于左右两个平面上。工件(转子)左、右校正平面上的不平衡量PL、PR直接决定左、右支承动载荷FL、FR。转子—支承系统可近似看作一个线性系统,FL、FR与PL、PR的关系可由下式表示[1]:

　　FL=aLL·PL+aLR·PR

　　FR=aRL·PL+aRR·PR(1—1)

　　式中,aLL为左校正面上单位不平衡量所引起的左支承点振动量(动载荷量);aLR为右校正面上单位不平衡量所引起的左支承点振动量;aRL为左校正面上单位不平衡量所引起的右支承点振动量;aRR为右校正面上单位不平衡量所引起的右支承点振动量。它们统称为影响系数。当测得FL、FR后,由式(1—1)可计算出左、右校正面的平衡量PL、PR。

　　2.2　系统组成原理

　　根据上述测量原理构成的以8098单片机为核心的动平衡测量系统如图2—1所示。

　　振动传感器测出支承上的动载荷,经振动信号处理电路放大、滤波,得到与转子转动同频率的正弦信号和方波信号送8098单片机,完成振动信号的幅值和相位测量。光电传感器测出转子的转速信号,经光电信号处理电路进行信号变换、锁相倍频后,分别送振动信号处理电路和8098单片机,前者用于跟踪滤波,后者用于测量振动信号的频率(转速)及振动信号的幅值、相位。根据这些测量值,由软件计算出左、右校正面不平衡量的大小和相位,送LED数码显示器显示。

　　3　硬件组成

　　3.1　振动信号处理电路

　　该电路由有源低通滤波、程控放大、带通跟踪滤波和过零检测4部分组成,如图3—1所示。

　　振动传感器检测到的振动信号含有大量噪声信号,用示波器观察,几乎看不出有用的振动信号。为了得到有用信号,一类方法是用硬件进行带通跟踪滤波,另一类方法是用快速富里叶变换(FFT)技术,将时域采样到的振动信号,进行时域—频域变换,求得其频谱,并从中选出f0谱线,它就是动不平衡所引起的振动信号[1]。我们采用开关电容有源滤波集成电路构成四阶带通滤波器[2],转速信号经128倍频后作为滤波器的外部时钟。它与其它跟踪滤波器相比,具有稳定性高、结构简单、易于整定等优点。过零检测完成波形变换,将振动信号变换为方波,得到振动信号的相位点,为单片机进行相位测量提供方便。