智能动平衡测试装置设计.docx
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智能动平衡测试装置设计
摘要
本文设计了基于MCS-96系列8098的智能动平衡测量系统。
利用振动传感器采集信号，通过单片机处理，用RS-232C串口实现与PC机通讯来实现远程测量。
硬件部分分为控制部分和不平衡信号处理部分。
控制部分主要包括8098单片机、存储器扩展、键盘接口、数码显示和输入/输出控制接口等电路。
这部分电路主要实现信息输入、存储、输出、显示等系统逻辑方面的功能。
不平衡信号处理部分由基准信号电路和振动信号电路组成。
基准信号电路用于测量转速、为测量相位提供基准以及为带通滤波器的中心频率提供跟踪脉冲。
振动信号电路用于不平衡信号的跟踪滤波、放大等。
软件部分主要包括系统的初始化、自检、量程选择、平衡参数设置、定标系数确定、动平衡测量、键盘中断处理、数码显示等模块。
利用单片机8098在数据处理方面的突出优势，使系统具有一定的高可行性和高性价比。
该方案还具有通用性，可用于工业控制、金融、交通行业、具有很广阔的发展前景。
关键词：
单片机振动传感器动平衡测量
Abstract
DesignedbasedonMCS-96Series8098SmartBalancemeasurementsystem.
Useofvibrationsignalscollectedbysensors,processingthroughtheMCU,withRS-232CserialinterfaceandPC-communicationtoremotemeasurement.
Hardwareisdividedintocontrolpartandunbalancedsignalprocessing.Controlsectionincludes8098singlechip,memoryexpansion,keyboardinterface,digitaldisplayandinput/outputcontrolinterfacecircuit.Thispartofthemaincircuittoachieveinformationinput,storage,output,anddisplaysystemsoflogicfunctions.Unbalancedsignalprocessingcircuitandthevibrationsignalfromthereferencesignalcircuit.Referencesignalcircuitformeasuringspeed,andprovidethebasisformeasuringthephaseaswellasthecenterfrequencybandpassfiltertoprovidetrackingpulse.Vibrationsignalcircuitfortheunbalancedsignaltrackingfilter,zooming.Softwarecomponentsincludesysteminitialization,selftest,rangeselection,balanceparametersettings,calibrationcoefficientsdetermined,dynamicbalancemeasurement,keyboardinterrupthandling,thedigitaldisplaymodule.
UseindataprocessingComputer8098theoutstandingadvantagesofthesystemhasahighfeasibilityandcost-effective.Theprogramalsohasaversatile,canbeusedforindustrialcontrol,finance,transportationindustry,hasverybroadprospectsfordevelopment.
Keywords:
microcontrollervibrationsensorsdynamicbalancetest
第1章绪论
1.1选题意义
在机械设备中，旋转是一种很普遍的运动形式。
日常见到的大部分机械都以转子作为工作的动力，如汽轮发电机组轴系、陀螺转子、风机、泵、压缩机等都以转子系统作为工作的主体。
转子系统运行的平稳性决定机器运转时的可靠性，但机器运转时不产生振动是没有的，且不说制造安装工艺及环境条件等因素会引起转子系统不平衡振动，即使以上各方面都是很理想的，在一定条件下正确安装高精度的转子系统也会因为运行过程中磨损及负载冲击而产生较大的振动。
振动过大危害极多直接造成机组事故，例如，汽轮机组高压端振动过大，可能引起危及保安器运作而停机；损害机组零件，如造成轴瓦和轴承的紧固螺钉、联接管道、传动机构等部件损害；造成机组动静部分摩擦或咬合，导致机组发生严重损坏而被迫停机；过大的振动将会使各个部件之间的联接发生松动，削弱轴承座、基础台板和基础之间联接的刚性，甚至使基础松裂、建筑物共振，造成严重事故。
转子的振动是多种多样的，常见的振动故障为转子质量不平衡、轴线不中、轴弯曲、轴裂纹、轴承松动、基础变形、油膜涡动、高次谐波振动、随机振动等。
由振动故障诊断统计表明，引起振动过大的激振力中有90％源于的不平衡力，所以转子的动平衡处理是最重要的消振工作之一。
研究表明，旋转机械产生振动的主要原因是由于转子具有不平衡的惯性力或惯性力矩，其在高速旋转机械中这一现象显得更为突出。
由于结构材质、均匀以及制造安装误差等原因，转子中惯性主轴或多或少的偏离其旋转主轴。
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，这种情况就称为转子具有不平衡。
动平衡是根据转子-支承系统的动力学特性，测量与转子-支承系统有关测振点振动的幅值和相位信息进而对转子进行不平衡校正，使转子-支承系统的振动减小
到允许的范围以内。
因此，研究本课题对提高校正转子的校正效率及校正精度，以及提高其自动化程度具有重要意义。
1.2动平衡技术的发展
动平衡技术是随着旋转机械的。
发展而发展起来的在旋转机械发展初期，由于机器的工作转速低，对平衡精度的要求不高，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，对平衡的要求也日益严格。
静平衡已经不再适应工业发展的需要，由此，动平衡技术开始产生、发展并日益成熟起来。
动平衡机是动平衡技术的一个重要组成部分，其作用是测量并校正转子的不平衡。
第一台动平衡机的出现至今已有一百多年的历史，而动平衡的迅速发展主要还是近几十年的事。
二十世纪四十年代，平衡工序一般在纯机械式的动平衡设备上进行，用千分表观测振幅以估算不平衡量的幅值，用机械系统谐振方法判断不平衡相位。
但是上述测量方法不能准确得到不平衡量的幅值和相位。
从二十世纪五十年代开始，随着电子测量技术迅速发展，动平衡机的电子测量系统逐渐取代了机械测量系统。
从国外的平衡机发展过程来看，德国的平衡机制造业历史悠久，一直处于领先地位。
我国对平衡机的研制和开发是从1958年开始的，平衡机制造业取得了迅速发展。
目前，国内的平衡机产品均已达到系列化生产，平衡机标准已全部采用国际标准，这都标志着国内的平衡机制造业已接近国际先进水平。
根据国家试验机质检中心的检测结果，国产平衡机的两项技术指标（即最小可达剩余不平衡量Umar和不平衡量减少率URR）与国际先进水平已很接近。
随着旋转机械转速的不断提高，对平衡技术的要求也越来越高，因此，新的技术不断产生，微机控制的窄带自动跟踪数字滤波等技术已经成功的应用于动平衡机测试系统。
近年来，智能化动平衡测试系统已经成为研究和发展点。
1.3本文研究的主要内容
本课题主要完成刚性转子的动平衡测量系统的实现。
其中主要包括单片机控制系统的硬件结构及特点，软件结构、功能、以及若干关键技术的实现。
本论文的主要工作如下：
（1）总结动平衡的基本理论、刚性转子的平衡原理、测量不平衡的影响系数法等。
（2）仪器硬件系统的设计：
包括单片机控制电路、矢量平衡控制电路、存储器扩展电路、键盘接口电路、数码显示电路、振动信号电路、基准信号电路等。
主要完成基准信号的提取、振动信号的预处理和采集。
（3）仪器软件系统的设计：
包括系统初始化及自检模块、量程选择、平衡参数设置、动平衡测量模块、键盘中断处理模块、数码显示模块。
主要介绍动平衡测量模块需要完成转速测量、DFT变换、不平衡量计算、影响系数测量的功能。
第2章平衡理论和测试系统
2.1转子平衡理论
2.1.1转子的分类
大体上转子可以分为两大类：
刚性转子和柔性转子。
如果转子的工作转速远于一阶临界转速，此时不平衡离心力相对较小而转子的刚度较大，挠曲变形可以忽略（不平衡力引起的挠曲变形与转子偏心量相对较小），这种转子称为刚性转子。
反之，不平衡力引起的挠曲变形不能忽略的转子则称为柔性转子（或称为挠性转子）。
但是从平衡的角度来讲国际标准协会的五级分类更为细致。
五级分类如下：
第一级：
刚性转子。
转子设想为刚性的，其不平衡可以在任何两面（任意选定）上校正，校正后，其不平衡可以在转速升至最大运转速率后仍无有意义的变化。
第二级：
准-柔性转子。
转子不能设想为刚性的，但却能在低速平衡机械中加以适当的平衡。
第三级：
柔性转子。
转子无法在低速平衡机械中加以平衡，而需要使用到某些合适的高速平衡技术。
第四级：
柔性固轴转子。
转子可以归类为一级、二级或三级的转子，但本身却附加着具有挠性的构件，如风扇叶片。
第五级：
单速挠性转子。
转子可以是第三级的转子，但因某种缘故只于一个使用转速下加以平衡而已。
刚性转子与柔性转子的动力学特征有很大的不同，
因而它们的平衡方法差异很大。
2.1.2转子动平衡的动力学基础
一、转子不平衡状态的研究
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，组成一个惯性力系；要确定这个转子是否为平衡转子，必须根据其惯性力系合成的结果而定，利用力学中的力系向任一点简化的原理来分析。
设有一不平衡的刚性转子，其质量为m以等角速度ω绕一固定轴旋转，取其转轴上任一点o为坐标原点，转轴为z轴，并作出相应的ox及oy轴。
转子质心坐标为C（ox，oy，z）设质心C对旋转轴z的矢径为r则由动力学原理知,将该惯性力系向坐标原点o简化（o点称为简化中心）,
一般可以得到一个力（称为力系的主矢）和一个力偶M（称为力系向o点简化的主矩）,这个主矢作用于o点并等于力系中所有各力的矢量和,而主矩等于力系所有各力对o点的矢量和,即公式（2-1）和（2-2）:
（2-1）
（2-2）
式中，
为质点
产生的离心力，大小为
，其指向离心方向，为矢径
的方向，故公式（2-3）：
（2-3）
计算可得公式（2-4）：
（2-4）
其中m为转子质量。
简化的主矢
的大小和方向和转子质心的离心惯性力相等，只不过作用于o点同时
，其大小与方向和简化中心o点的位置有关。
惯性力系向o点简化的主矩可写为公式（2-5）：
（2-5）
式中，
、
及
为主矩
在坐标轴的投影，其大小等于力系所有各力对该轴之矩的代数和，他们都和o点的位置无关。
（2-6）
（2-7）
（
通过z轴）（2-8）
式中，
和
均称为转子的惯性积或转子的离心转动惯量。
所有公式（2-9）：
（2-9）
由上述分析可知，转子的惯性力向任一点简化的结果一般得到一个力（即主矢:
作用于o点,方向和
平行）和一个力偶（即主矩
）。
转子在旋转时，主矢和主矩方向都在变化，其矢量随同转子一同旋转成为引起轴承振动的激发源。
所以，转子平衡的充分必要条件是：
惯性力系向任一点简化的主矢和主矩都为零，即公式（2-10）：
（2-10）
由
=0，则
，这说明旋转轴必定通过质心C由
，则
，
满足此条件的转轴z在力学中称为惯性主轴，通过质心的惯性主轴称为中心惯性主轴。
因此，欲消除转子对轴承的动压力必须旋转轴和中心惯性主轴重合。
虽然旋轴重合，除非转子对旋转轴为中心的质量分布对称。
所以，一般转子几乎都是不平衡的，需要重新调整转子的质量分布，即在某个局部加重或去重，使转子的中心惯性主轴和旋转轴一致。
这时，其惯性力系能够满足（2-10）式，转子称为平衡的转子。
二、刚性转子的动平衡
刚性转子因其动刚度相当大，由不平衡离心力引起转子的挠曲在转子工作和平衡时可以忽略，因此可以用刚体力学的办法来处理其动平衡问题，这时平衡转速一般选的远低于第一临界转速，故又称为低速平衡。
所以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。
刚性转子的平衡方法主要有两种：
其一是将刚性转子放在动平衡机上进行动平衡。
即工艺平衡法；
其二是对刚性转子进行现场整机动平衡。
根据转子沿轴向的宽度又分为单校正平面平衡与双校正平面平衡。
2.1.3转子动平衡的几个要点
一、校正面的选择
消除转子的不平衡，使其处于平衡状态的操作叫做平衡校正，平衡校正是在垂直与转子轴线的平面上进行的，该平面称为校正平面。
只需要在一个校正平面内校正平衡的方式称为单面平衡，在两个或多个校正平面内进行校正的方式称为双面或多面平衡。
对于初始不平衡量很大，旋转时振动过大的转子，在做动平衡之前要做单面平衡，以消除静不平衡。
在这种情况下，有时由于校正平面位置选不当（即重心不在选择的校正平面内），校正静平衡后反而会使力偶不平衡增大。
因此，校正最好是在重心所在的平面内进行，以减小力偶不平衡。
若重心所在的平面不允许去重时，一般应在位于重心所在平面两侧的两个平面内进行。
若知道转子的重心位置，可按如下方法求得两个平面上的校正量。
设被测不平衡量为U，设离左、右校正面的距离分别为a和b，换算在左右两平面的校正分量为
则根据力学平衡方程有公式（2-11）：
}
（2-11）
对于刚性转子而言，一般采用双面平衡法，即可在任意选择的与轴线垂直的两个校正面内进行平衡。
在可能的条件下，应尽量增加两校正平面的距离和校正半径，以取得校好的平衡效果。
而对于曲轴之类的转子，由于不平衡量校正的角度位置受到限制，用两个校正平面达不到平衡效果，因此一般采用三面或五面的方式进行平衡。
对于实际工作转速接近或超过临界转速的转子，在工作状态下已经呈挠性，故在平衡时必须考虑旋转引起的挠曲。
当实际工作转速接近临界转速时，可用
多转速两个以上校正面平衡；当转子转速远远超过一阶临界转速时，就必须采用四个校正平面以上的平衡法。
二、校正平面数目和轴向位置的选取
至于校正平面轴向位置的选取、主要考虑以下两点：
（1）能使平衡重量在相应振型下产生较大的平衡效果；
（2）在平面上加重的可能性和方便性；
但是在实际平衡中，选取的校正平面不仅要平衡一阶和二阶，而且还要平衡三阶振型，要满足以上两个条件是比较困难的。
所以校正平面实际选取一般尽可能均布在转子的有效长度内，这样近似地满足上述两个条件，而且对于减少高阶不平衡量也有利。
三、校正方法
平衡校正就是改变转子的质量分布，使其中心惯性主轴与旋转轴线相重合而达到平衡。
常用的校正方法有调整校正质量、加重或去重等。
调整校正质量是通过拧入或拧出螺钉以改变校正重量的半径；或在校正面的滑槽内调整两个或几个配重块的位置，改变配重矢量和的大小和方向而达到平衡；或转动与转子同轴的两个偏心块的相对位置来改变矢量和的大小和方向而达到平衡。
四、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，产生的不平衡离心力为
。
统计经验表明，大量由于振动而引起机器破坏是同转速和偏心矩的乘积成正比，故引入公式（2-12）：
（2-12）
A-速度计量单位，其实质是由于存在不平衡导致质心偏移而产生的转子质心
速度，通常也将A称为动平衡精度，A值越小则平衡精度越高。
国际标准化协会将转子的质心的速度由0.4mm/s到4000mm/s分成十一个等级，每相邻两级之比为2.5称为动平衡精度等级。
化工机械常用的动平衡精度等级是G6.3即平衡精度A=6.3mm/s.
2.1.4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。
具体方法如下：
（1）在机器上选定两个测点，通常选在左右两个轴承端盖上，如有不接触的传感器备用，也可以选在轴颈上或转子上。
用振动测量仪测得这两点的振动值
作为平衡前的原始值.
是矢量,它包括幅值
（振动幅值或速度幅值）和相位角
。
通常在转子上做标记作为计算相位角的基准，同时设法给出基准的脉冲信号，作为测量振动相位的基准。
（2）根据转子的结构选取左、右两个校正平面Ⅰ、Ⅱ，加重半径分别设为
和
在平面Ⅰ上加试重
（其质量为
相对于转子上的参考标志的方位角，顺时针计算为
），在同一平衡转速下测得左、右测点的振动为
。
显然，矢量
及
为平面Ⅰ上试重
所引起的轴承振动变化，称为试重
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
即公式（2-13）和（2-14）：
（2-13）
（2-14）
（3）取走
在平面Ⅱ加试重
（质量为
方位角为
半径为
）。
同样测得左、右测点的振动为
，从而算得效果矢量
和
以及其影响系数
;即公式（2-15）和（2-16）
（2-15）
（2-16）
（4）左、右校正平面中的不平衡量
可由下式求得式（2-17）和（2-18）：
（2-17）
（2-18）
（5）用解析法解得此矢量方程组的
，其模
表示左、右校正面上不平衡的大小，幅值表示
的相位。
2.2动平衡测试系统
由转子平衡的力学原理可知，要平衡一个转子必须测量出它在预先选定的校平面的不平衡量的大小和相位，然后用加、减重量的方法进行校正，使转子达到衡。
其测量原理是利用转子在旋转过程中，由于不平衡所产生的离心力引起平衡摆架系统振动，通过传感器将此机械振动量变成电信号，然后经过滤波放大、平面分离、定标等过程，最后在仪器上显示出不平衡量的大小和相位。
测试系统从传感器得到的电信号，由于不可避免的机械干扰，除了不平衡量起的主振动以外，还包含各种干扰信号。
特别在不平衡量比较小的情况下，杂乱干扰信号比主信号还要强。
因此，要想从这些干扰信号中将微弱的不平衡信号精的提取出来，所设计的测量系统必须具有优良的选频滤波性能。
此外，为了提高衡精度，还要求测量系统具有足够的灵敏度，以便把微小的不平衡量值测量出来。
但是，高灵敏度和稳定性在一定程度上是相互牵制的。
在测试系统设计和调试中必须保持系统长期稳定工作的前提下，使其具有高的灵敏度。
同时测试系统还要足调整方便，显示直观等要求。
2.2.1动平衡测试仪的发展与现状
工业上存在多种动平衡测试仪器，概括起来，主要有以下几种：
一、指针式动平衡仪
如光电矢量瓦特计和测振仪组成的动平衡测试装置。
它主要利用瓦特计良好的选频特性，从测振仪拾取的复杂振动信号中，提取转子的不平衡信号，借助指针或光点来显示不平衡信号的振幅与相位。
该仪器的优点是能够同时显示振幅与相位但
读数误差较大。
由于是电磁机械式，结构复杂、笨重不适合于携带且没有运算功能。
二、数字式动平衡仪
如闪频式动平衡仪，它主要由测振仪和闪频灯组成。
由测振仪测得的振动信号，经选频放大器提取转子的不平衡振动信号。
不平衡信号一路通过绝对值电路，经A/D变换，由数码管显示振动幅值。
另一路通过限幅电路，经微分和整流后，变成脉冲信号触发闪频灯瞬时发光，该脉冲信号刚好同出现振幅最大时的瞬间相对应。
由于闪频灯闪光频率同转速同频，当用闪频灯照转子时，由于视觉残留现象，旋转的转子看上去似乎静止不动。
若事先在转子上做好等分的数字标记，就可以确定不平衡信号的相位。
该仪器稳定可靠，测相直观。
但测相误差较大，可达
，且没有运算功能。
三、基于PC机的动平衡仪
该类动平衡仪以PC机为核心，用A/D卡对振动信号和基准信号进行采样。
通过相关分析，提取不平衡信号的振幅与相位。
该类仪器信号处理能力强、测试精度高，且有很好的用户界面，操作简单方便。
但如采用普通的PC机，携带不便，不适合现场使用。
而采用便携式电脑，由于适配的A/D卡价格昂贵，使得仪器成本陡增，限制了仪器的推广。
四、基于微处理器的动平衡仪
该类动平衡仪以微处理器为核心，外带扩展电路对振动信号和基准信号进行采样、处理。
通过相关运算，提取不平衡信号的振幅和相位。
由于单片机具有体积小、功能强、工作性能可靠等优点，同时与外围芯片结合使用，使得动平衡测试系统向着小型化、智能化、精密化方向发展。
2.2.2本课题测试系统的特点
鉴于上述各种动平衡仪的特点，研制了以单片机为内核的智能动平衡仪。
以往研制的以单片机为内核的动平衡仪大多采用8位CPU作为系统的主控核心，以发光二极管显示器或小屏幕单色液晶显示器作为显示器件。
从而测试系统的整体性能不高，人机交互性不好，为了克服以上缺点，设计了新型智能化动平衡测试仪，该测试系统具有以下两个突出的特点：
一、采用16位单片机为系统的主控核心
由于要求系统必须能快速处理10位的A/D转换、滤波、DFT运算，本系统选用INTEL高性能16位单片机8098为测控系统的心脏，它支持两操作数、三操作数指令，具有单位指令执行时间短、A/D转换快、二分频时钟等特点，从而使系统体性能有很大的提高。
二、采用彩色液晶显示屏
系统采用YD-711彩色液晶显示模块作为显示器件。
不仅可以显示各种字体的彩色中西文，还能以彩色图形显示转子形状等，显示的内容更为丰富和直观，人机交互性好，提高了仪器的智能化程度。
有自动矢量平衡控制系统
系统配置自动矢量平衡系统，在不平衡量被测得后，该系统会对不平衡器件进行补偿，是系统最终达到稳定平衡的状态，从而也能验证测量结果的正确性。
第3章硬件系统的设计
3.1概述
作为一台智能型仪器,本系统的硬件部分在设计时要达到如下要求：
（1）、有较强的数据处理能力。
由于微处理器具有计算和控制能力，可采用与传统仪器不同的测量原理，简化仪器的硬件电路，并增加仪器的功能，提高仪器的精度和稳定性。
同时，采用软件对测量数据进行补偿，排除或减少干扰信号引起的误差，大大提高了测量精度，也降低了对模拟电路的要求。
（2）、结构规范、易于改造和更新换代。
在硬件改动较小的情况下，改动软件，就可以增加新的功能。
（3）、较强的接口功能。
接口是CPU与外界的连接电路，对于不同的接口，仪器的功能也大不相同，本文所设计的测试仪器中的接口包括并行I/O口、计数器、A/D变换及通信接口。
（4）、友好的人机界面。
以键盘实现数字、命令的输入，以数码显示器实现数据的显示。
控制系统的硬件设计中，应兼顾仪器的性价比。
根据这一原则，确定微处理器的型号。
本次设计的动平衡测试系统，以性价比较高的MCS
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