崔 焱，秦 穎

(河南省工業(yè)科技學(xué)校，河南新鄉(xiāng)453003)

0 引言

軸作為廣泛使用的機(jī)械器件，其正常轉(zhuǎn)動(dòng)的理想狀態(tài)是軸頸的圓心與軸孔中心線是重合的，但在實(shí)際運(yùn)行時(shí)由于振動(dòng)、負(fù)荷過大等原因軸頸的軸心往往偏離軸孔的中心，偏離的距離越大，對軸的損壞越大，還會(huì)引起軸瓦和軸頸之間產(chǎn)生嚴(yán)重的摩擦、磨損，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致惡性事故的發(fā)生。因此，軸的跳動(dòng)位移測量是對軸承運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷和控制的關(guān)鍵技術(shù)［1］。

1 測量原理

本系統(tǒng)采用在軸的水平和垂直兩個(gè)方向上測量軸的跳動(dòng)位移，傳感器固定的位置為:在軸靜止時(shí)，水平方向沿著軸水平中心線進(jìn)行固定，垂直方向沿著垂直中心線固定，距離軸的起始距離分別為a、b。當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)后由于軸的跳動(dòng)，傳感器與軸的距離會(huì)發(fā)生改變，設(shè)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)后傳感器與軸的直線距離分別為a′、b′，如圖1所示，則在水平和垂直方向上跳動(dòng)位移分別是:

當(dāng)X>0時(shí)，軸在水平方向向右跳動(dòng);當(dāng)X<0時(shí)，軸在水平方向向左跳動(dòng)。

當(dāng)Y>0時(shí)，軸在垂直方向向上跳動(dòng);當(dāng)Y<0時(shí)，軸在垂直方向向下跳動(dòng)。

2 測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

依據(jù)公式(1)(2)，需要同時(shí)測量出軸頸在X軸方向和Y軸方向相對于軸孔中心線的跳動(dòng)量X、Y，因此要對兩路信號(hào)同時(shí)采集。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩通道的信號(hào)采集測量系統(tǒng)，它主要由光電轉(zhuǎn)換模塊、采樣保持放大電路模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊組成。

2.1 光電轉(zhuǎn)換模塊的組成

光電轉(zhuǎn)換模塊主要由:一支DG650-13-3半導(dǎo)體激光器、四根纖芯直徑為1 mm，數(shù)值孔徑為0.5的塑料光纖和兩個(gè)OPT101光電二極管組成。

圖1 軸的跳動(dòng)位移測量原理圖

2.2 采樣保持放大電路的設(shè)計(jì)

采樣保持電路中采用LF398采樣保持器，它具有采樣速度快、保持下降速度慢、精度高等特點(diǎn)，采樣時(shí)間小于6 μs時(shí)精度可達(dá)0.01%;電源電壓可在±5 V和±15 V之間變化，其電路連接圖如圖2所示:

圖2 LF398電路連接圖

圖2中8和7引腳分別為邏輯電平和邏輯參考電平，用于控制其工作方式;當(dāng)8為低電平時(shí)，電路工作在采樣狀態(tài)，反之，電路工作在保持狀態(tài)，另一路采樣保持電路與圖2相同。

放大電路中核心器件是OP-07，由于OP-07運(yùn)算放大器輸出端的電壓在－15 V～+15 V變化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過AD轉(zhuǎn)換器件TLC0820的信號(hào)電壓輸入范圍，一旦超過TLC0820限定的最大輸入值VCC+0.1 V就會(huì)燒壞TLC0820芯片，因此在放大電路之后要接保護(hù)電路。保護(hù)電路是在OP-07輸出端分別接一個(gè)8.2 k和3.6 k的電阻，并反向接一個(gè)二極管，TLC0820的信號(hào)輸入端接在8.2 k和3.6 k兩個(gè)電阻之間的節(jié)點(diǎn)處，這樣不會(huì)超過TLC0820的VREF+的值。

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以TLC0820為模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，TLC0820是一種經(jīng)過改進(jìn)的高速并行的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，8位數(shù)據(jù)三態(tài)并行輸出，讀方式最快轉(zhuǎn)換時(shí)間為2.5 μs，不需外部時(shí)鐘和振蕩元件能很好地與各種微處理器連接。通過MODE的設(shè)置，TLC0820可工作在讀和寫讀兩種方式，當(dāng)MODE為低電平時(shí)轉(zhuǎn)換器為只讀方式，當(dāng)MODE為高電平時(shí)轉(zhuǎn)換器為寫讀方式［2］。

2.4 單片機(jī)選型

本系統(tǒng)選用AT89S52作為核心器件，用作數(shù)據(jù)處理。目前，AT89S52被廣泛的使用，成本越來越低，其在作為測量滑動(dòng)軸承偏心距的核心部件時(shí)，不僅具有運(yùn)行速度快、兼容性強(qiáng)的特點(diǎn)，而且可以降低產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)成本，能夠滿足本檢測系統(tǒng)的要求，模數(shù)轉(zhuǎn)換和信號(hào)采集程序部分代碼如下所示［3］:

2.5 數(shù)據(jù)顯示模塊的設(shè)計(jì)

為了便于操作者在現(xiàn)場對滑動(dòng)軸承的運(yùn)行狀況進(jìn)行診斷，設(shè)計(jì)了即時(shí)顯示模塊。采用LMB162A字符型液晶器，這種液晶顯示器主要是通過4、5、6三個(gè)引腳來控制液晶的顯示，RS、R/W、E分別與單片機(jī)的P1.0、P1.1和P1.2三個(gè)管腳相連，要顯示的數(shù)據(jù)由P0口并行輸出，與液晶顯示器的8位數(shù)據(jù)口相連，屬于非總線控制方式，因此在P0口外接10 k電阻排作為上拉電阻，否則不會(huì)顯示數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語

(1)經(jīng)過對X軸方向和Y軸方向光纖位移傳感器的靜態(tài)特性分別標(biāo)定［8］，得到系統(tǒng)的線性范圍是在與軸相距800～2 000 μm的范圍內(nèi)，即測量系統(tǒng)的線性范圍是0～1 200 μm;又計(jì)算出本系統(tǒng)半徑間隙為250 μm，即系統(tǒng)量程為0～500 μm，所以，本系統(tǒng)的線性范圍滿足量程的需要。我們使光纖傳感器端部沿著X、Y方向軸孔中心線且離軸表面的距離為

a=b=1 200 μm.進(jìn)行固定。并根據(jù)測得的數(shù)據(jù)得到反非擬合曲線。

(2)進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中數(shù)據(jù)采集流程圖如圖3所示:

圖3 數(shù)據(jù)采集流程圖

經(jīng)過運(yùn)行本測量系統(tǒng)工作穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)能顯示在液晶顯示器上。

(3)本系統(tǒng)的創(chuàng)新之處有三點(diǎn):第一，推導(dǎo)出了本系統(tǒng)的測量原理。第二，設(shè)計(jì)了特有的軸的跳動(dòng)位移在線測量系統(tǒng)。第三，得到了本系統(tǒng)的量程范圍。

［1］楊黎明.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊下冊［M］.北京:兵器工業(yè)出版社出版，1998:202－212.

［2］謝小平.改進(jìn)型高速8位ADC TLC0820及其在測光電路中的應(yīng)用［J］.國外電子元器件，2000，3:15 －17.