【正文】 旋轉(zhuǎn)體動(dòng)平衡測(cè)試數(shù)顯裝置的畢業(yè)設(shè)計(jì)1 引言在機(jī)械設(shè)備中，旋轉(zhuǎn)是一種很普遍的運(yùn)動(dòng)形式。日常見到的大部分機(jī)械都以轉(zhuǎn)子作為工作的動(dòng)力，如汽輪發(fā)電機(jī)組軸系、陀螺轉(zhuǎn)子、風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)等都以轉(zhuǎn)子系統(tǒng)作為工作的主體。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性決定機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的可靠性，但機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不產(chǎn)生振動(dòng)是沒有的，且不說制造安裝工藝及環(huán)境條件等因素會(huì)引起轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡振動(dòng)，即使以上各方面都是很理想的，在一定條件下正確安裝高精度的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)也會(huì)因?yàn)檫\(yùn)行過程中磨損及負(fù)載沖擊而產(chǎn)生較大的振動(dòng)。振動(dòng)過大危害極多直接造成機(jī)組事故，例如，汽輪機(jī)組高壓端振動(dòng)過大，可能引起危及保安器運(yùn)作而停機(jī)；損害機(jī)組零件，如造成軸瓦和軸承的緊固螺釘、聯(lián)接管道、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件損害；造成機(jī)組動(dòng)靜部分摩擦或咬合，導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞而被迫停機(jī)；過大的振動(dòng)將會(huì)使各個(gè)部件之間的聯(lián)接發(fā)生松動(dòng)，削弱軸承座、基礎(chǔ)臺(tái)板和基礎(chǔ)之間聯(lián)接的剛性，甚至使基礎(chǔ)松裂、建筑物共振，造成嚴(yán)重事故。 研究表明，旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因是由于轉(zhuǎn)子具有不平衡的慣性力或慣性力矩，其在高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械中這一現(xiàn)象顯得更為突出。由于結(jié)構(gòu)材質(zhì)、均勻以及制造安裝誤差等原因，轉(zhuǎn)子中慣性主軸或多或少的偏離其旋轉(zhuǎn)主軸。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子各微元質(zhì)量的離心慣性力所組成的力系不是一個(gè)平衡力系，這種情況就稱為轉(zhuǎn)子具有不平衡。因此，研究本課題對(duì)提高校正轉(zhuǎn)子的校正效率及校正精度，以及提高其自動(dòng)化程度具有重要意義。動(dòng)平衡技術(shù)是隨著旋轉(zhuǎn)機(jī)械的。發(fā)展而發(fā)展起來的在旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)展初期，由于機(jī)器的工作轉(zhuǎn)速低，對(duì)平衡精度的要求不高，只需對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行靜平衡即可。隨著機(jī)器工作轉(zhuǎn)速的不斷提高，對(duì)平衡的要求也日益嚴(yán)格。靜平衡已經(jīng)不再適應(yīng)工業(yè)發(fā)展的需要，由此，動(dòng)平衡技術(shù)開始產(chǎn)生、發(fā)展并日益成熟起來。 動(dòng)平衡機(jī)是動(dòng)平衡技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，其作用是測(cè)量并校正轉(zhuǎn)子的不平衡[1]。第一臺(tái)動(dòng)平衡機(jī)的出現(xiàn)至今已有一百多年的歷史，而動(dòng)平衡的迅速發(fā)展主要還近幾十年的事。二十世紀(jì)四十年代，平衡工序一般在純機(jī)械式的動(dòng)平衡設(shè)備上進(jìn)行，用千分表觀測(cè)振幅以估算不平衡量的幅值，用機(jī)械系統(tǒng)諧振方法判斷不平衡相位。但是上述測(cè)量方法不能準(zhǔn)確得到不平衡量的幅值和相位。 從二十世紀(jì)五十年代開始，隨著電子測(cè)量技術(shù)迅速發(fā)展，動(dòng)平衡機(jī)的電子測(cè)量系統(tǒng)逐漸取代了機(jī)械測(cè)量系統(tǒng)。從國(guó)外的平衡機(jī)發(fā)展過程來看，德國(guó)的平衡機(jī)制造業(yè)歷史悠久，一直處于領(lǐng)先地位。我國(guó)對(duì)平衡機(jī)的研制和開發(fā)是從1958 年開始的，平衡機(jī)制造業(yè)取得了迅速發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)的平衡機(jī)產(chǎn)品均已達(dá)到系列化生產(chǎn)，平衡機(jī)標(biāo)準(zhǔn)已全部采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，這都標(biāo)志著國(guó)內(nèi)的平衡機(jī)制造業(yè)已接近國(guó)際先進(jìn)水平。根據(jù)國(guó)家試驗(yàn)機(jī)質(zhì)檢中心的檢測(cè)結(jié)果，國(guó)產(chǎn)平衡機(jī)的兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)(即最小可達(dá)剩余不平衡量Umar 和不平衡量減少率URR）與國(guó)際先進(jìn)水平已很接近。隨著旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)速的不斷提高，對(duì)平衡技術(shù)的要求也越來越高，因此，新的技術(shù)不斷產(chǎn)生，微機(jī)控制的窄帶自動(dòng)跟蹤數(shù)字濾波等技術(shù)已經(jīng)成功的應(yīng)用于動(dòng)平衡機(jī)測(cè)試系統(tǒng)。近年來，智能化動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)成為研究和發(fā)展點(diǎn)。2 總體方案設(shè)計(jì) 由轉(zhuǎn)子平衡的力學(xué)原理可知，要平衡一個(gè)轉(zhuǎn)子必須測(cè)量出它在預(yù)先選定的校平面的不平衡量的大小和相位，然后用加、減重量的方法進(jìn)行校正，使轉(zhuǎn)子達(dá)到衡。其測(cè)量原理是利用轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中，由于不平衡所產(chǎn)生的離心力引起平衡擺架系統(tǒng)振動(dòng)，通過傳感器將此機(jī)械振動(dòng)量變成電信號(hào)，然后經(jīng)過濾波放大、平面分離、定標(biāo)等過程，最后在儀器上顯示出不平衡量的大小和相位。測(cè)試系統(tǒng)從傳感器得到的電信號(hào)，由于不可避免的機(jī)械干擾，除了不平衡量起的主振動(dòng)以外，還包含各種干擾信號(hào)[2]。特別在不平衡量比較小的情況下，雜亂干擾信號(hào)比主信號(hào)還要強(qiáng)。因此，要想從這些干擾信號(hào)中將微弱的不平衡信號(hào)精確的提取出來，所設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)必須具有優(yōu)良的選頻濾波性能。此外，為了提高平衡精度，還要求測(cè)量系統(tǒng)具有足夠的靈敏度，以便把微小的不平衡量值測(cè)量出來。但是，高靈敏度和穩(wěn)定性在一定程度上是相互牽制的。在測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試中必須保持系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的前提下，使其具有高的靈敏度。同時(shí)測(cè)試系統(tǒng)還要足調(diào)整方便，顯示直觀等要求。由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)稱為拖動(dòng)。以電動(dòng)機(jī)為原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)方式稱為電力拖動(dòng)。電力拖動(dòng)系統(tǒng)是當(dāng)前各種拖動(dòng)方式中最主要的拖動(dòng)方式。一方面，是因?yàn)殡娔艿纳a(chǎn)、輸送和分配比較方便，電動(dòng)機(jī)的種類和規(guī)格很多，性能各異，可以充分的滿足各類生產(chǎn)的需要；另一方面電機(jī)易于控制，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。有的生產(chǎn)機(jī)械電動(dòng)機(jī)與工作機(jī)構(gòu)可以采用同軸連接，直接拖動(dòng)，這種系統(tǒng)稱為單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱單軸系統(tǒng)。有的生產(chǎn)機(jī)構(gòu)或因其轉(zhuǎn)速與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不同，或因其運(yùn)動(dòng)形式不一而需要在電動(dòng)機(jī)與工作機(jī)構(gòu)之間增加傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，例如齒輪箱和蝸輪、蝸桿等，這種系統(tǒng)稱為多軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱多軸系統(tǒng)。簡(jiǎn)單的生產(chǎn)機(jī)械當(dāng)中的小容量電動(dòng)機(jī)可以用開關(guān)和斷路器等手動(dòng)控制電器實(shí)行手動(dòng)控制，而較大容量的電動(dòng)機(jī)，尤其要求啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)和要求有諸如短路保護(hù)、過載保護(hù)和欠壓保護(hù)等的電動(dòng)機(jī)就需要采用接觸器、繼電器和可編程控制器等來實(shí)行自動(dòng)控制。因此控制設(shè)備也是電力系統(tǒng)中不可缺少的部分。 在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，有的電動(dòng)機(jī)可以直接由電網(wǎng)供電，有的需要專用的電源設(shè)備供電，例如交流電機(jī)的變頻電源、直流電動(dòng)機(jī)的不控或可控整流電路等。綜上所述。電源電動(dòng)機(jī)控制設(shè)備傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作機(jī)構(gòu) 總體方案論證。光電編碼器[8]得到基準(zhǔn)信號(hào)以及經(jīng)過基準(zhǔn)信號(hào)電路處理送入8098的高速輸入端HSI得到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過倍頻電路倍頻后用于跟蹤帶通濾波器的中心頻率；振動(dòng)傳感器得到轉(zhuǎn)子的不平衡信號(hào)，經(jīng)過振動(dòng)信號(hào)電路處理后送入8098的ACH端(即P0口)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到轉(zhuǎn)子的相位、幅值信息，8098的P3口為數(shù)據(jù)/地址復(fù)用線,一方面經(jīng)過地址鎖存器74LS373 鎖存后與2766268279芯片連接的地址線連接，另一方面直接和它們的數(shù)據(jù)線連接。8098的P4口為高8位地址線，其中A14~A8直接和2764的高7位地址線相連接，A15和2764的片選端/CE相連接進(jìn)行片選A12~A8直接和6264的高4位地址線相連接；另一方面，A15~A13和A11~A9經(jīng)過片選譯碼電路分別與6268279和彩色液晶顯示器的片選端/CE相連接進(jìn)行片選。 系統(tǒng)總體框圖3 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 概述控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，應(yīng)兼顧儀器的性價(jià)比。根據(jù)這一原則，確定微處理器的型號(hào)。本次設(shè)計(jì)的動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)，以性價(jià)比較高的MCS96系列的8098單片機(jī)為主控核心。它擴(kuò)展了32K8大容量的EPROM固化程序和8K8的靜態(tài)RAM存儲(chǔ) A/D 變換結(jié)果和緩沖臨時(shí)數(shù)據(jù)。硬件部分分為控制部分和模擬信號(hào)電路部分，其中控制部分主要包括8098單片機(jī)、存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、鍵盤接口電路和液晶顯示接口電路；這部分電路主要負(fù)責(zé)信息輸入、處理、運(yùn)算、輸出、存儲(chǔ)、顯示等系統(tǒng)邏輯方面的事務(wù)。系統(tǒng)還配有RS232C串行通信口，可將采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)傳給PC機(jī),、光電編碼器、振動(dòng)信號(hào)電路、基準(zhǔn)信號(hào)電路組成；這部分電路負(fù)責(zé)原始信息的過濾、提取、變換等。其整：光電編碼器光電信號(hào)處理器振動(dòng)傳感器振動(dòng)信號(hào)處理器振動(dòng)傳感器8098單片機(jī)并行接口其他控制程序存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器串行接口數(shù)碼顯示器鍵盤 整體結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)的CPU本次智能化動(dòng)平衡測(cè)試儀的系統(tǒng)微處理器選用的是INTEL的高性能16位單片機(jī)8098。和MCS51系列相比，8098從以下幾個(gè)方面提高了系統(tǒng)的性能[3]: (1) CPU的算術(shù)邏輯單元不是采用常規(guī)的累加器結(jié)構(gòu),而是采用完全不同的面向寄存器的結(jié)構(gòu),消除了MCS51系列CPU結(jié)構(gòu)中存在的累加器的瓶頸效應(yīng)，加速了數(shù)據(jù)交換能力，提高了CPU的吞吐力，增強(qiáng)了運(yùn)算、處理數(shù)據(jù)的靈活性，提高了CPU的工作效率。 (2) 256字節(jié)的寄存器中，232字節(jié)是通