1　概述

　　繞定軸旋轉(zhuǎn)的零件或部件稱為轉(zhuǎn)動件，簡稱轉(zhuǎn)子。當(dāng)轉(zhuǎn)子材料分布均勻，安裝良好，轉(zhuǎn)動必平穩(wěn)。在理想情況下，支承只受重力，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動與不轉(zhuǎn)動一樣只有靜載荷。當(dāng)轉(zhuǎn)子材料分布不均勻，安裝不當(dāng)，使轉(zhuǎn)子的中心慣性主軸與旋轉(zhuǎn)軸不重合，產(chǎn)生慣性離心力和離心力偶，在支承上造成額外的轉(zhuǎn)動載荷稱為動載荷。
　　對于旋轉(zhuǎn)軸線有約束的不平衡轉(zhuǎn)子，動不平衡在支承上造成動載荷，不僅會引起整個旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動，產(chǎn)生噪音，增加能耗，還會加快軸承的磨損，造成轉(zhuǎn)子部件的高頻疲勞破壞和支承機(jī)匣及某些部件強迫振動損壞，降低旋轉(zhuǎn)機(jī)械的壽命，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致重大事故。
　　對于旋轉(zhuǎn)軸線無約束的轉(zhuǎn)子（如衛(wèi)星等），動不平衡將會影響其在空間的姿態(tài)，進(jìn)而影響其工作質(zhì)量。
　　由于這些不平衡是在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時出現(xiàn)的，故一般需要在轉(zhuǎn)動時進(jìn)行測量，然后校正，因此稱為動平衡。動平衡效果如何，在很大程度上要受到測量系統(tǒng)精度的制約。
　　從原理上分，測量系統(tǒng)可分為軟支承動平衡機(jī)和硬支承動平衡機(jī)。硬支承動平衡機(jī)是自70年代初迅速發(fā)展起來的一種用途廣泛的通用動平衡機(jī)。由于其標(biāo)定與轉(zhuǎn)子的M（質(zhì)量）和I（轉(zhuǎn)動慣量）無關(guān)，因此只需要一次標(biāo)定（而軟支承動平衡機(jī)的標(biāo)定系數(shù)隨轉(zhuǎn)子的M和I而異，故對于不同類型的轉(zhuǎn)子時，需要一一重新標(biāo)定）。近年來，由于結(jié)構(gòu)上的不斷改進(jìn)，電測系統(tǒng)也日益完善，平衡精度不斷提高，加上通用性強，目前除了超高速、高精度、小轉(zhuǎn)子和大批量（如曲軸）的平衡仍用軟支承動平衡機(jī)外，其余已多改用硬支承動平衡機(jī)。
　　動平衡機(jī)由以下幾部分組成：機(jī)械測振系統(tǒng)（含振動傳感器和相位信號發(fā)生器）、驅(qū)動系統(tǒng)、電子測量系統(tǒng)、校正裝置和安全防護(hù)裝置。其中，機(jī)械測振系統(tǒng)等變化相對緩慢，而電測系統(tǒng)發(fā)展卻十分迅速。由于微機(jī)的日益普及，微機(jī)化的電測系統(tǒng)已經(jīng)成為國內(nèi)外動平衡機(jī)設(shè)計的新潮流。
　　由此可見，動平衡技術(shù)是一種機(jī)電一體化的復(fù)雜技術(shù)，也是制約機(jī)械工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，它直接影響各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工作質(zhì)量和壽命。以德國為代表的先進(jìn)工業(yè)國家在動平衡研究領(lǐng)域起步早，發(fā)展快。而我國雖然起步不晚，但是由于種種原因，發(fā)展緩慢。國內(nèi)用戶使用的動平衡機(jī)多為六、七十年代的產(chǎn)品，精度差、故障多、效益低，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)和企業(yè)的發(fā)展。大型企業(yè)或國家重點企業(yè)紛紛花費巨額外匯進(jìn)口動平衡機(jī)。中小企業(yè)由于經(jīng)濟(jì)原因，只能繼續(xù)使用過時的產(chǎn)品，這樣，一方面浪費了大量的寶貴外匯，另一方面仍嚴(yán)重影響機(jī)械工業(yè)的發(fā)展。近年來，國內(nèi)動平衡機(jī)的設(shè)計、制造發(fā)展很快，但總的來看，一部分是引進(jìn)國外淘汰或即將淘汰的型號，一部分是國內(nèi)自行設(shè)計的產(chǎn)品，功能少，精度和可靠性等方面也不理想，因此，研究制造先進(jìn)的動平衡機(jī)已成為機(jī)械工業(yè)發(fā)展的一個迫切需要。
　　為了跟蹤世界先進(jìn)的動平衡技術(shù)，提高國內(nèi)電測系統(tǒng)的水平，作者對通用硬支承動平衡機(jī)微機(jī)化電測系統(tǒng)的硬軟件進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，研制出精度高、功能齊備、操作簡單、符合國內(nèi)實際需要的電測系統(tǒng)——CAB792型通用硬支承動平衡機(jī)微機(jī)化電測系統(tǒng)。

2　系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

2.1　影響系統(tǒng)方案的一些因素
　　動平衡機(jī)電測系統(tǒng)的主要任務(wù)是從機(jī)械測振系統(tǒng)所得到的含干擾的微弱的動不平衡信號中提取與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)同頻的有用信號的幅值和相位信息，同時還要配合機(jī)械測振系統(tǒng)解決轉(zhuǎn)子的平面分離（解算）以及轉(zhuǎn)子的自動定相問題。這是我們電測系統(tǒng)設(shè)計的基本出發(fā)點。
　　本系統(tǒng)是為配有動圈式速度傳感器硬支承動平衡機(jī)而專門設(shè)計的通用電測系統(tǒng)，因此需要考慮以下問題：
　　①　硬支承動平衡機(jī)是測力平衡機(jī)，因此，傳感器輸出的不平衡量信號正比于#p#分頁標(biāo)題#e#ω³（ω——轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度）。
　　②　機(jī)械杠桿放大器輸出的高頻噪聲。
　　③　通過地基傳來的低頻干擾和傳動干擾。
　　④　轉(zhuǎn)子的平衡轉(zhuǎn)速不可能做到絕對穩(wěn)定。
　　⑤　在信號濾波放大的過程中要考慮如何減小參考通道對小信號通道的干擾以及環(huán)境溫度變化對直流零位漂移的影響等。
　　⑥　在實現(xiàn)高精度和多功能這個目標(biāo)時，要考慮如何充分發(fā)揮硬軟件各自的優(yōu)勢以使系統(tǒng)獲得較高的性能價格比。

2.2　系統(tǒng)的組成
　　根據(jù)上述考慮，在設(shè)計和組成系統(tǒng)時確定了以下一些原則：
　　①　前置級中采用三次積分器以消除動不平衡信號中ω³的影響。為了在高轉(zhuǎn)速工作時，有用信號不至于過小，將180～5000r/min的轉(zhuǎn)速分成4個轉(zhuǎn)速區(qū)間。每個轉(zhuǎn)速區(qū)間有自己的三次積分器。轉(zhuǎn)速區(qū)間以作為公比來劃分，即將180～5000r/min分為180～387r/min、388～835r/min、836～1799r/min和1800～5000r/min4個區(qū)間。這樣，相鄰區(qū)間間的標(biāo)定系數(shù)的公比將等于10。
　　②　選用MDAC窄帶自動跟蹤濾波器。通過合理選用RC,使硬件的BW_-40db控制在2Hz以下，以利系統(tǒng)排除高、低頻干擾。
　　③　選用AD574,加快數(shù)據(jù)采集步伐，以加大樣本。通過軟件進(jìn)行多次平均，以最大程度地減少近頻干擾和隨機(jī)干擾。
　　④　選用IBM-PC作主機(jī)，在保證測量精度的前提下，大力加強電測系統(tǒng)的功能：多種支承方式、多種顯示方式、多種補償方式、多種增益控制方式、多種時間平均、多次啟動平均、多面校正計算、多種打印輸出方式以及自動標(biāo)定和留言服務(wù)等。
　　系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。圖中x₁,y₁,x₂,y₂表示兩支承點不平衡信號在X和Y軸上的分量。

圖1　CAB-792型硬支承動平衡機(jī)通用電測系統(tǒng)總體框圖

　　下面對系統(tǒng)框圖中的某些部分做簡單介紹：
　　*　三次積分電路
　　根據(jù)硬支承動平衡機(jī)的原理，其擺架振幅與離心力成正比。兩個支承處的振動信號經(jīng)由動圈式速度傳感器檢出。因此，測量到的振動信號振幅與平衡轉(zhuǎn)速的三次方成正比。在前置處理中設(shè)置三次積分電路，可消除平衡轉(zhuǎn)速的影響。同時，由于積分電路的低通特性，可以抑制高頻噪聲，保留有用的低頻振動信號。本系統(tǒng)的三次積分電路由三階Butterworth低通濾波器來實現(xiàn)。系統(tǒng)將工作轉(zhuǎn)速分成4個轉(zhuǎn)速檔，對應(yīng)于每個轉(zhuǎn)速檔，有相應(yīng)的積分器通道（轉(zhuǎn)速的分檔是由硬件來實現(xiàn)的）。
　　*　人工/自動增益控制AGC
　　增益控制AGC是為了在擴(kuò)大量程范圍基礎(chǔ)上，減少A/D的量化誤差而設(shè)計的。該電路使A/D轉(zhuǎn)換精度得以充分利用，保證平衡機(jī)的指標(biāo)不因信號小而降低。本系統(tǒng)的增益控制可以實現(xiàn)人工控制和自動控制的切換。一般情況下選用“自動增益控制”方式，當(dāng)干擾特別強烈并且起伏較大時建議選用“人工增益控制”方式。
　　*　MDAC相關(guān)濾波
　　動平衡機(jī)傳感器的輸出信號中包括有與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同頻的信號、確定性干擾和隨機(jī)干擾。電測系統(tǒng)的主要任務(wù)之一就是濾波：抑制各種干擾，提取有用信號即與轉(zhuǎn)子同頻的信號。設(shè)計濾波器時帶寬越窄，分離的精度也就越高，同時一個通用的動平衡機(jī)要求能在不同的轉(zhuǎn)速下工作；即使在某一特定轉(zhuǎn)速下平衡時，由于各種原因，轉(zhuǎn)速也會發(fā)生一定偏移，要求它恒定是困難的，也是不經(jīng)濟(jì)的，因此，系統(tǒng)中采用自動跟蹤帶通濾波器。當(dāng)動平衡機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定時，跟蹤帶通濾波器的中心頻率可自動跟蹤轉(zhuǎn)速，從而保證有用信號輻值和相位的穩(wěn)定，提高測量精度。由于MDAC濾波器的特點，本系統(tǒng)采用MDAC相關(guān)濾波。所謂相關(guān)濾波，就是選定一對正交信號sin#p#分頁標(biāo)題#e#ω₀t和cosω₀t作為參考信號，使信號f（t）分別與它們相關(guān)，便可得到ω₀頻率分量的輻值和相位。
　　*　參考通道電路
　　參考通道電路主要包括：①　轉(zhuǎn)速測量電路；②　為三次積分電路提供通道地址的譯碼電路，以控制積分器的自動切換；③　為自動增益控制電路（AGC）提供計數(shù)器時鐘信號，使得在光電脈沖有輸出時，允許AGC電路每秒鐘動作一次；④　為MDAC主濾波電路提供360f₀及f₀信號，以控制計數(shù)器計數(shù)，使得EPROM能為MDAC提供一完整的正余弦波形。
　　*　A/D轉(zhuǎn)換電路
　　為了在軟件中實現(xiàn)多點平均（相當(dāng)于軟件低通濾波器），本系統(tǒng)采用AD574。AD574是快速12位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，是目前我國市場應(yīng)用最廣泛、價格適中的A/D轉(zhuǎn)換器。由于其片內(nèi)包含高精度的參考電壓源和時鐘電路，這使它在不需要任何外部電路和時鐘信號的情況下完成一切A/D轉(zhuǎn)換功能，應(yīng)用非常方便。
　　*　系統(tǒng)接口電路
　　系統(tǒng)接口電路是指硬件電路處理后的信息通過ISA總線與微機(jī)接口的部分，主要完成以下功能：①　輸入MDAC主濾波電路送出的4路直流量的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；②　輸入16位二進(jìn)制轉(zhuǎn)速碼；③　輸入10位系統(tǒng)狀態(tài)信息碼；④　輸出控制A/D轉(zhuǎn)換電路前的多路開關(guān)的地址碼；⑤　輸出4位人工/自動增益控制碼和2位用于留言服務(wù)的控制碼；等等。

3　系統(tǒng)軟件分析

　　動平衡機(jī)電測系統(tǒng)微機(jī)化的目的并非主要在于提高平衡精度（實際上用軟件實現(xiàn)的對時間的平均化處理也有助于讀數(shù)的穩(wěn)定，從而減小讀數(shù)誤差；而且通過非線性補償以及其它算法可大大提高系統(tǒng)的測量精度，補償硬件電路的缺陷），而是在于增加系統(tǒng)的功能。通過微機(jī)化可以減少硬件開銷并增加系統(tǒng)功能。有不少硬件功能，如軟支承機(jī)的解算、硬支承機(jī)的a-b-c-r₁-r₂運算、各種補償（如轉(zhuǎn)子的初始不平衡量補償、工裝的系統(tǒng)誤差補償、鍵補償以及直流零位補償?shù)龋⑵骄幚怼?shù)據(jù)存儲、坐標(biāo)變換和矢量分解等，用軟件來實現(xiàn)更為方便。有一些用硬件難以實現(xiàn)的功能，如畫奈魁斯特（Nyquist）圖、畫伯德（Bode）圖、畫多次開車的測量數(shù)據(jù)散布圖、圖文打印、操作指南以及操作者留言等，通過微機(jī)化就可以輕而易舉地得到解決。本系統(tǒng)的控制軟件就是基于這種基本原則而設(shè)計的，其流程框圖如圖2所示，以下對流程圖作簡單介紹。

圖2　系統(tǒng)軟件流程總體框圖

　　①　初始化及其自校
　　軟件運行時，首先對硬件部分（如8255等）進(jìn)行初始化，并將其本身所用到的狀態(tài)標(biāo)志進(jìn)行初始設(shè)置，然后進(jìn)入系統(tǒng)自校。系統(tǒng)自校主要是對硬件電路的校驗，判斷硬件是否正常工作。若有故障，顯示并提請用戶排除故障；若無故障，自校通過。該功能的設(shè)置，主要是為了增加系統(tǒng)的可靠性，方便用戶使用、維護(hù)。

　　②　轉(zhuǎn)子文件的建立、修改和刪除
　　轉(zhuǎn)子文件記錄了轉(zhuǎn)子動平衡所需的全部平衡參數(shù)信息。一個轉(zhuǎn)子的平衡測量必須在其轉(zhuǎn)子文件基礎(chǔ)上進(jìn)行，這是因為測量中所有的運算、補償及其它特殊處理（包括多面校正計算）所需要的參數(shù)都是由轉(zhuǎn)子文件和標(biāo)定文件提供的。轉(zhuǎn)子文件包括了動平衡機(jī)的信息、轉(zhuǎn)子的幾何尺寸、電測系統(tǒng)的信息以及平衡的方式和不平衡的表述方式，綜合起來有下述一些方面：轉(zhuǎn)子文件名、動平衡機(jī)類別（硬支承/軟支承）、測振傳感器（位移型/速度型/力型）、轉(zhuǎn)子支承方式（6種）、a-b-c-r#p#分頁標(biāo)題#e#₁-r₂尺寸、顯示模式（左右校正面/準(zhǔn)靜-偶/偶-準(zhǔn)靜/支承動載荷）、顯示方式（極坐標(biāo)/分量）、輕/重區(qū)、增益控制方式（人工/自動）、寬/窄帶、平均化處理（延遲時間、平均時間）、平衡允差、平衡轉(zhuǎn)速、校正方式（不要/人工/自動）、補償（不要/初值補償/工裝偏心補償/鍵補償/多次啟動平均）等等。用戶根據(jù)實際需要，建立或修改轉(zhuǎn)子文件。軟件將給用戶提供一個轉(zhuǎn)子文件名目錄，用戶可以選擇調(diào)用某一轉(zhuǎn)子文件，也可重新建立或刪除原有文件。由于本系統(tǒng)主要是為通用硬支承動平衡機(jī)設(shè)計，故一般來講，用戶都需進(jìn)行轉(zhuǎn)子文件的新建（對于一個新的轉(zhuǎn)子而言），而專用用戶（轉(zhuǎn)子類型不變）則可以選用某一文件即可。總之，所有的測量、標(biāo)定功能都必須在某一轉(zhuǎn)子文件基礎(chǔ)之上。另外，由于轉(zhuǎn)子文件包含了轉(zhuǎn)子的重要平衡信息，修改某些項目將使得文件表達(dá)的意義面目全非，軟件設(shè)有口令檢查，禁止無關(guān)人員修改、刪除文件，保證系統(tǒng)的安全。

　　③　標(biāo)定和測量
　　動平衡機(jī)系統(tǒng)包括機(jī)械測振系統(tǒng)（含傳感器）和電測硬件線路的整體。標(biāo)定就是確定整個機(jī)電系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的增益系數(shù)和相位移。對于硬支承機(jī)，為減小原理誤差，本系統(tǒng)采取了逐段（轉(zhuǎn)速段）標(biāo)定的辦法。標(biāo)定系數(shù)的單位為g^.mm/單位輸出，可由系統(tǒng)自動生成。標(biāo)定時需要建立一個標(biāo)定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子文件，然后進(jìn)入標(biāo)定狀態(tài)。根據(jù)需要選擇鍵盤設(shè)置或自動標(biāo)定。鍵盤設(shè)置適合于對標(biāo)定系數(shù)作小的調(diào)整，并確定各轉(zhuǎn)速段的特征頻率（或特征轉(zhuǎn)速）。自動標(biāo)定采用兩點標(biāo)定法并能自動消除初始不平衡量，自動生成標(biāo)定系數(shù)。無論鍵盤設(shè)置或自動標(biāo)定都將標(biāo)定系數(shù)送入標(biāo)定文件中，新的標(biāo)定文件將代替舊的。因此，本系統(tǒng)增加密碼檢查，禁止無關(guān)人員進(jìn)行標(biāo)定操作，保證系統(tǒng)的安全。測量模塊包括對不平衡量的測量以及各種特殊處理、打印和增益控制切換等。不平衡量的測量是本系統(tǒng)的主要任務(wù)，也是系統(tǒng)軟件的主要功能，它包括采集硬件系統(tǒng)來的不平衡信號、系統(tǒng)狀態(tài)信息碼、平衡轉(zhuǎn)速和增益控制電路的增益碼等；進(jìn)行矢量運算、增益運算、非線性補償運算和a-b-c-r₁-r₂矢量分離運算；顯示不平衡量、轉(zhuǎn)速及增益等。

　　④　二次處理
　　二次處理包括：①　頻率加權(quán)；②　放大器增益影響的扣除；③　a-b-c-r₁-r₂運算；④　補償運算；⑤　坐標(biāo)變換；⑥　標(biāo)定系數(shù)的自動生成和運用；⑦　多次啟動平均；⑧　校正量計算等。a-b-c-r₁-r₂運算是根據(jù)轉(zhuǎn)子文件中的a-b-c-r₁-r₂值、支承方式以及用戶要求的顯示模式（左右校正面/準(zhǔn)靜-偶/偶-準(zhǔn)靜/支承動載荷）的不同，利用有關(guān)公式進(jìn)行運算。補償運算主要用于消除各類系統(tǒng)誤差，主要有：初值補償、鍵補償和工裝偏心補償。通過初值補償可獲得一個不平衡讀數(shù)為零的“標(biāo)準(zhǔn)”轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)子的實際不平衡量并不為零）；通過鍵補償可使無鍵軸的不平衡讀數(shù)自動加上鍵的不平衡量的影響；通過工裝偏心補償則可以消除動平衡機(jī)工藝裝備（如工藝心軸、平衡夾具、聯(lián)軸節(jié)等）的偏心（相對于旋轉(zhuǎn)軸線）對轉(zhuǎn)子不平衡量的影響。多次啟動平均主要用于有松動零件的轉(zhuǎn)子（如帶葉片的渦輪轉(zhuǎn)子）的平衡，由于這種誤差的引起是隨機(jī)的，故采用多次啟動平均。不同的場合，要求動平衡量有不同的表示方式，如極坐標(biāo)、分量等等，用戶可根據(jù)自己的需要和要求進(jìn)行選擇，軟件將根據(jù)轉(zhuǎn)子文件的不同選擇，對平衡量進(jìn)行坐標(biāo)變換，為了給校正工序提供直接的數(shù)據(jù)，軟件可以根據(jù)不同的工藝要求，將不平衡量分解到需要校正的各個平面上。#p#分頁標(biāo)題#e#

4　結(jié)論

　　本文針對國內(nèi)外動平衡機(jī)電測系統(tǒng)的基本現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，提出了一種以IBM-PC機(jī)為主機(jī)的微機(jī)化硬支承動平衡機(jī)通用電測系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，并經(jīng)過對系統(tǒng)的實際調(diào)試和機(jī)電聯(lián)調(diào)，證明了方案的可行性。
　　系統(tǒng)的測量轉(zhuǎn)速范圍為180～5000r/min。
　　主濾波器采用先進(jìn)的MDAC數(shù)字模擬混合式的相關(guān)濾波，直流零漂穩(wěn)定，受溫度影響小。
　　前置濾波采用三次積分器，消除了轉(zhuǎn)速對不平衡信號的影響。自動增益控制采用純硬件實現(xiàn)，人工增益控制則采用硬軟件共同實現(xiàn)。
　　轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速測量采用閘門計數(shù)法，精確、可靠。
　　為進(jìn)一步提高測量精度。系統(tǒng)軟件中采用了非線性補償?shù)姆椒ǎ韵龑嶋H積分器線性化所引入的誤差。
　　由于三次積分器的電路參數(shù)配置要求嚴(yán)格，非線性補償?shù)囊胂魅趿似湓瓉淼膬?yōu)勢，本文提出了新的前置濾波器方案——跟蹤帶通濾波器，并在實驗中證明了該方案的可行性。
　　動平衡機(jī)電測系統(tǒng)微機(jī)化的好處是明顯的，不但以較小的代價增強了系統(tǒng)的功能，也由于各種平均和補償算法的加入，提高了測量精度。實現(xiàn)了高精度、多功能、易操作和低成本的總體目標(biāo)。