论述硬支承动平衡机电测系统的实现方法

1　概述

　　绕定轴旋转的零件或部件称为转动件，简称转子。当转子材料分布均匀，安装良好，转动必平稳。在理想情况下，支承只受重力，转子转动与不转动一样只有静载荷。当转子材料分布不均匀，安装不当，使转子的中心惯性主轴与旋转轴不重合，产生惯性离心力和离心力偶，在支承上造成额外的转动载荷称为动载荷。
　　对于旋转轴线有约束的不平衡转子，动不平衡在支承上造成动载荷，不仅会引起整个旋转机械的振动，产生噪音，增加能耗，还会加快轴承的磨损，造成转子部件的高频疲劳破坏和支承机匣及某些部件强迫振动损坏，降低旋转机械的寿命，严重时还会导致重大事故。
　　对于旋转轴线无约束的转子（如卫星等），动不平衡将会影响其在空间的姿态，进而影响其工作质量。
　　由于这些不平衡是在转子转动时出现的，故一般需要在转动时进行测量，然后校正，因此称为动平衡。动平衡效果如何，在很大程度上要受到测量系统精度的制约。
　　从原理上分，测量系统可分为软支承动平衡机和硬支承动平衡机。硬支承动平衡机是自70年代初迅速发展起来的一种用途广泛的通用动平衡机。由于其标定与转子的M（质量）和I（转动惯量）无关，因此只需要一次标定（而软支承动平衡机的标定系数随转子的M和I而异，故对于不同类型的转子时，需要一一重新标定）。近年来，由于结构上的不断改进，电测系统也日益完善，平衡精度不断提高，加上通用性强，目前除了超高速、高精度、小转子和大批量（如曲轴）的平衡仍用软支承动平衡机外，其余已多改用硬支承动平衡机。
　　动平衡机由以下几部分组成：机械测振系统（含振动传感器和相位信号发生器）、驱动系统、电子测量系统、校正装置和安全防护装置。其中，机械测振系统等变化相对缓慢，而电测系统发展却十分迅速。由于微机的日益普及，微机化的电测系统已经成为国内外动平衡机设计的新潮流。
　　由此可见，动平衡技术是一种机电一体化的复杂技术，也是制约机械工业发展的关键技术，它直接影响各种旋转机械的工作质量和寿命。以德国为代表的先进工业国家在动平衡研究领域起步早，发展快。而我国虽然起步不晚，但是由于种种原因，发展缓慢。国内用户使用的动平衡机多为六、七十年代的产品，精度差、故障多、效益低，严重影响了生产和企业的发展。大型企业或国家重点企业纷纷花费巨额外汇进口动平衡机。中小企业由于经济原因，只能继续使用过时的产品，这样，一方面浪费了大量的宝贵外汇，另一方面仍严重影响机械工业的发展。近年来，国内动平衡机的设计、制造发展很快，但总的来看，一部分是引进国外淘汰或即将淘汰的型号，一部分是国内自行设计的产品，功能少，精度和可靠性等方面也不理想，因此，研究制造先进的动平衡机已成为机械工业发展的一个迫切需要。
　　为了跟踪世界先进的动平衡技术，提高国内电测系统的水平，作者对通用硬支承动平衡机微机化电测系统的硬软件进行了系统深入的研究，研制出精度高、功能齐备、操作简单、符合国内实际需要的电测系统——CAB792型通用硬支承动平衡机微机化电测系统。

2　系统的总体设计方案

2.1　影响系统方案的一些因素
　　动平衡机电测系统的主要任务是从机械测振系统所得到的含干扰的微弱的动不平衡信号中提取与转子旋转同频的有用信号的幅值和相位信息，同时还要配合机械测振系统解决转子的平面分离（解算）以及转子的自动定相问题。这是我们电测系统设计的基本出发点。
　　本系统是为配有动圈式速度传感器硬支承动平衡机而专门设计的通用电测系统，因此需要考虑以下问题：
　　①　硬支承动平衡机是测力平衡机，因此，传感器输出的不平衡量信号正比于#p#分页标题#e#ω³（ω——转子的旋转角速度）。
　　②　机械杠杆放大器输出的高频噪声。
　　③　通过地基传来的低频干扰和传动干扰。
　　④　转子的平衡转速不可能做到绝对稳定。
　　⑤　在信号滤波放大的过程中要考虑如何减小参考通道对小信号通道的干扰以及环境温度变化对直流零位漂移的影响等。
　　⑥　在实现高精度和多功能这个目标时，要考虑如何充分发挥硬软件各自的优势以使系统获得较高的性能价格比。

2.2　系统的组成
　　根据上述考虑，在设计和组成系统时确定了以下一些原则：
　　①　前置级中采用三次积分器以消除动不平衡信号中ω³的影响。为了在高转速工作时，有用信号不至于过小，将180～5000r/min的转速分成4个转速区间。每个转速区间有自己的三次积分器。转速区间以作为公比来划分，即将180～5000r/min分为180～387r/min、388～835r/min、836～1799r/min和1800～5000r/min4个区间。这样，相邻区间间的标定系数的公比将等于10。
　　②　选用MDAC窄带自动跟踪滤波器。通过合理选用RC,使硬件的BW_-40db控制在2Hz以下，以利系统排除高、低频干扰。
　　③　选用AD574,加快数据采集步伐，以加大样本。通过软件进行多次平均，以最大程度地减少近频干扰和随机干扰。
　　④　选用IBM-PC作主机，在保证测量精度的前提下，大力加强电测系统的功能：多种支承方式、多种显示方式、多种补偿方式、多种增益控制方式、多种时间平均、多次启动平均、多面校正计算、多种打印输出方式以及自动标定和留言服务等。
　　系统的总体框图如图1所示。图中x₁,y₁,x₂,y₂表示两支承点不平衡信号在X和Y轴上的分量。

图1　CAB-792型硬支承动平衡机通用电测系统总体框图

　　下面对系统框图中的某些部分做简单介绍：
　　*　三次积分电路
　　根据硬支承动平衡机的原理，其摆架振幅与离心力成正比。两个支承处的振动信号经由动圈式速度传感器检出。因此，测量到的振动信号振幅与平衡转速的三次方成正比。在前置处理中设置三次积分电路，可消除平衡转速的影响。同时，由于积分电路的低通特性，可以抑制高频噪声，保留有用的低频振动信号。本系统的三次积分电路由三阶Butterworth低通滤波器来实现。系统将工作转速分成4个转速档，对应于每个转速档，有相应的积分器通道（转速的分档是由硬件来实现的）。
　　*　人工/自动增益控制AGC
　　增益控制AGC是为了在扩大量程范围基础上，减少A/D的量化误差而设计的。该电路使A/D转换精度得以充分利用，保证平衡机的指标不因信号小而降低。本系统的增益控制可以实现人工控制和自动控制的切换。一般情况下选用“自动增益控制”方式，当干扰特别强烈并且起伏较大时建议选用“人工增益控制”方式。
　　*　MDAC相关滤波
　　动平衡机传感器的输出信号中包括有与转子转速同频的信号、确定性干扰和随机干扰。电测系统的主要任务之一就是滤波：抑制各种干扰，提取有用信号即与转子同频的信号。设计滤波器时带宽越窄，分离的精度也就越高，同时一个通用的动平衡机要求能在不同的转速下工作；即使在某一特定转速下平衡时，由于各种原因，转速也会发生一定偏移，要求它恒定是困难的，也是不经济的，因此，系统中采用自动跟踪带通滤波器。当动平衡机转速不稳定时，跟踪带通滤波器的中心频率可自动跟踪转速，从而保证有用信号辐值和相位的稳定，提高测量精度。由于MDAC滤波器的特点，本系统采用MDAC相关滤波。所谓相关滤波，就是选定一对正交信号sin#p#分页标题#e#ω₀t和cosω₀t作为参考信号，使信号f（t）分别与它们相关，便可得到ω₀频率分量的辐值和相位。
　　*　参考通道电路
　　参考通道电路主要包括：①　转速测量电路；②　为三次积分电路提供通道地址的译码电路，以控制积分器的自动切换；③　为自动增益控制电路（AGC）提供计数器时钟信号，使得在光电脉冲有输出时，允许AGC电路每秒钟动作一次；④　为MDAC主滤波电路提供360f₀及f₀信号，以控制计数器计数，使得EPROM能为MDAC提供一完整的正余弦波形。
　　*　A/D转换电路
　　为了在软件中实现多点平均（相当于软件低通滤波器），本系统采用AD574。AD574是快速12位逐次逼近型A/D转换器，是目前我国市场应用最广泛、价格适中的A/D转换器。由于其片内包含高精度的参考电压源和时钟电路，这使它在不需要任何外部电路和时钟信号的情况下完成一切A/D转换功能，应用非常方便。
　　*　系统接口电路
　　系统接口电路是指硬件电路处理后的信息通过ISA总线与微机接口的部分，主要完成以下功能：①　输入MDAC主滤波电路送出的4路直流量的A/D转换结果；②　输入16位二进制转速码；③　输入10位系统状态信息码；④　输出控制A/D转换电路前的多路开关的地址码；⑤　输出4位人工/自动增益控制码和2位用于留言服务的控制码；等等。

3　系统软件分析

　　动平衡机电测系统微机化的目的并非主要在于提高平衡精度（实际上用软件实现的对时间的平均化处理也有助于读数的稳定，从而减小读数误差；而且通过非线性补偿以及其它算法可大大提高系统的测量精度，补偿硬件电路的缺陷），而是在于增加系统的功能。通过微机化可以减少硬件开销并增加系统功能。有不少硬件功能，如软支承机的解算、硬支承机的a-b-c-r₁-r₂运算、各种补偿（如转子的初始不平衡量补偿、工装的系统误差补偿、键补偿以及直流零位补偿等）、平均化处理、数据存储、坐标变换和矢量分解等，用软件来实现更为方便。有一些用硬件难以实现的功能，如画奈魁斯特（Nyquist）图、画伯德（Bode）图、画多次开车的测量数据散布图、图文打印、操作指南以及操作者留言等，通过微机化就可以轻而易举地得到解决。本系统的控制软件就是基于这种基本原则而设计的，其流程框图如图2所示，以下对流程图作简单介绍。

图2　系统软件流程总体框图

　　①　初始化及其自校
　　软件运行时，首先对硬件部分（如8255等）进行初始化，并将其本身所用到的状态标志进行初始设置，然后进入系统自校。系统自校主要是对硬件电路的校验，判断硬件是否正常工作。若有故障，显示并提请用户排除故障；若无故障，自校通过。该功能的设置，主要是为了增加系统的可靠性，方便用户使用、维护。

　　②　转子文件的建立、修改和删除
　　转子文件记录了转子动平衡所需的全部平衡参数信息。一个转子的平衡测量必须在其转子文件基础上进行，这是因为测量中所有的运算、补偿及其它特殊处理（包括多面校正计算）所需要的参数都是由转子文件和标定文件提供的。转子文件包括了动平衡机的信息、转子的几何尺寸、电测系统的信息以及平衡的方式和不平衡的表述方式，综合起来有下述一些方面：转子文件名、动平衡机类别（硬支承/软支承）、测振传感器（位移型/速度型/力型）、转子支承方式（6种）、a-b-c-r#p#分页标题#e#₁-r₂尺寸、显示模式（左右校正面/准静-偶/偶-准静/支承动载荷）、显示方式（极坐标/分量）、轻/重区、增益控制方式（人工/自动）、宽/窄带、平均化处理（延迟时间、平均时间）、平衡允差、平衡转速、校正方式（不要/人工/自动）、补偿（不要/初值补偿/工装偏心补偿/键补偿/多次启动平均）等等。用户根据实际需要，建立或修改转子文件。软件将给用户提供一个转子文件名目录，用户可以选择调用某一转子文件，也可重新建立或删除原有文件。由于本系统主要是为通用硬支承动平衡机设计，故一般来讲，用户都需进行转子文件的新建（对于一个新的转子而言），而专用用户（转子类型不变）则可以选用某一文件即可。总之，所有的测量、标定功能都必须在某一转子文件基础之上。另外，由于转子文件包含了转子的重要平衡信息，修改某些项目将使得文件表达的意义面目全非，软件设有口令检查，禁止无关人员修改、删除文件，保证系统的安全。

　　③　标定和测量
　　动平衡机系统包括机械测振系统（含传感器）和电测硬件线路的整体。标定就是确定整个机电系统的传递函数的增益系数和相位移。对于硬支承机，为减小原理误差，本系统采取了逐段（转速段）标定的办法。标定系数的单位为g^.mm/单位输出，可由系统自动生成。标定时需要建立一个标定转子的转子文件，然后进入标定状态。根据需要选择键盘设置或自动标定。键盘设置适合于对标定系数作小的调整，并确定各转速段的特征频率（或特征转速）。自动标定采用两点标定法并能自动消除初始不平衡量，自动生成标定系数。无论键盘设置或自动标定都将标定系数送入标定文件中，新的标定文件将代替旧的。因此，本系统增加密码检查，禁止无关人员进行标定操作，保证系统的安全。测量模块包括对不平衡量的测量以及各种特殊处理、打印和增益控制切换等。不平衡量的测量是本系统的主要任务，也是系统软件的主要功能，它包括采集硬件系统来的不平衡信号、系统状态信息码、平衡转速和增益控制电路的增益码等；进行矢量运算、增益运算、非线性补偿运算和a-b-c-r₁-r₂矢量分离运算；显示不平衡量、转速及增益等。

　　④　二次处理
　　二次处理包括：①　频率加权；②　放大器增益影响的扣除；③　a-b-c-r₁-r₂运算；④　补偿运算；⑤　坐标变换；⑥　标定系数的自动生成和运用；⑦　多次启动平均；⑧　校正量计算等。a-b-c-r₁-r₂运算是根据转子文件中的a-b-c-r₁-r₂值、支承方式以及用户要求的显示模式（左右校正面/准静-偶/偶-准静/支承动载荷）的不同，利用有关公式进行运算。补偿运算主要用于消除各类系统误差，主要有：初值补偿、键补偿和工装偏心补偿。通过初值补偿可获得一个不平衡读数为零的“标准”转子（转子的实际不平衡量并不为零）；通过键补偿可使无键轴的不平衡读数自动加上键的不平衡量的影响；通过工装偏心补偿则可以消除动平衡机工艺装备（如工艺心轴、平衡夹具、联轴节等）的偏心（相对于旋转轴线）对转子不平衡量的影响。多次启动平均主要用于有松动零件的转子（如带叶片的涡轮转子）的平衡，由于这种误差的引起是随机的，故采用多次启动平均。不同的场合，要求动平衡量有不同的表示方式，如极坐标、分量等等，用户可根据自己的需要和要求进行选择，软件将根据转子文件的不同选择，对平衡量进行坐标变换，为了给校正工序提供直接的数据，软件可以根据不同的工艺要求，将不平衡量分解到需要校正的各个平面上。#p#分页标题#e#

4　结论

　　本文针对国内外动平衡机电测系统的基本现状及发展趋势，提出了一种以IBM-PC机为主机的微机化硬支承动平衡机通用电测系统的实现方案，并经过对系统的实际调试和机电联调，证明了方案的可行性。
　　系统的测量转速范围为180～5000r/min。
　　主滤波器采用先进的MDAC数字模拟混合式的相关滤波，直流零漂稳定，受温度影响小。
　　前置滤波采用三次积分器，消除了转速对不平衡信号的影响。自动增益控制采用纯硬件实现，人工增益控制则采用硬软件共同实现。
　　转子转速测量采用闸门计数法，精确、可靠。
　　为进一步提高测量精度。系统软件中采用了非线性补偿的方法，以消除实际积分器线性化所引入的误差。
　　由于三次积分器的电路参数配置要求严格，非线性补偿的引入削弱了其原来的优势，本文提出了新的前置滤波器方案——跟踪带通滤波器，并在实验中证明了该方案的可行性。
　　动平衡机电测系统微机化的好处是明显的，不但以较小的代价增强了系统的功能，也由于各种平均和补偿算法的加入，提高了测量精度。实现了高精度、多功能、易操作和低成本的总体目标。