張志新，曾文亮，張傳藝

（浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所，杭州 310027）

基于易顯技術(shù)的新型動(dòng)平衡機(jī)測(cè)控系統(tǒng)研究開發(fā)*

張志新，曾文亮，張傳藝

（浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所，杭州 310027）

針對(duì)目前動(dòng)平衡機(jī)測(cè)控系統(tǒng)難以同時(shí)滿足人機(jī)交互友善和成本低康的要求，提出一種基于“VGA工控板+單片機(jī)+顯示器”結(jié)構(gòu)的新穎動(dòng)平衡機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。討論系統(tǒng)的硬件框架；基于相關(guān)分析的不平衡振動(dòng)響應(yīng)識(shí)別方法；基于ABC算法與試加重標(biāo)定的轉(zhuǎn)子不平衡綜合解算方法；基于易顯技術(shù)的上下位機(jī)數(shù)據(jù)通訊。用標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子對(duì)開發(fā)成功的系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)，平衡效果好能滿足實(shí)際轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡需求。

動(dòng)平衡機(jī)；互相關(guān)分析；綜合解算方法；易顯技術(shù)

0 引言

旋轉(zhuǎn)機(jī)械常常因?yàn)檗D(zhuǎn)子材質(zhì)不勻、結(jié)構(gòu)不對(duì)稱、加工與裝配誤差，發(fā)生不平衡振動(dòng)，嚴(yán)重影響機(jī)器可靠性與穩(wěn)定性。解決轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡問題的主要方法有在動(dòng)平衡機(jī)上對(duì)單體轉(zhuǎn)子進(jìn)行工藝動(dòng)平衡和在實(shí)際裝配條件下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整機(jī)動(dòng)平衡［1］?，F(xiàn)代平衡機(jī)的設(shè)計(jì)正向著高精度、數(shù)字化、通用化和模塊化方向前進(jìn)［2］。按支撐方式可以分為軟支撐動(dòng)平衡機(jī)和硬支撐動(dòng)平衡機(jī)，硬支承平衡機(jī)由于耐用，在靜態(tài)下可以進(jìn)行標(biāo)定的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，從而展現(xiàn)了旺盛的生命力［3］。目前按測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分主要分為以下兩類：①智能化儀器，主要特點(diǎn)是主要功能由硬件和固化的軟件構(gòu)成，由數(shù)碼管顯示，結(jié)構(gòu)笨重，人機(jī)交互性差；②由PC機(jī)為核心，用高級(jí)語(yǔ)言開發(fā)的智能型動(dòng)平衡檢測(cè)系統(tǒng)，這類儀器具有數(shù)字化、虛擬化和人性化的特點(diǎn)，但是成本高［4-6］。綜上所述，開發(fā)出成本低廉、性能穩(wěn)定和人機(jī)交互性好的動(dòng)平衡機(jī)測(cè)控系統(tǒng)是以后的研究方向。

針對(duì)上述現(xiàn)有動(dòng)平衡機(jī)的缺點(diǎn)，本文提出一種基于“VGA工控板+單片機(jī)+顯示器”結(jié)構(gòu)的新穎動(dòng)平衡機(jī)測(cè)控方案，采用相關(guān)分析識(shí)別不平衡振動(dòng)響應(yīng)，用ABC算法與試加重標(biāo)定綜合方法解算轉(zhuǎn)子不平衡，基于易顯技術(shù)實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)數(shù)據(jù)通訊。該測(cè)控系統(tǒng)解決了上述兩類平衡機(jī)的矛盾，具有成本低、人機(jī)交互好，穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。

1 易顯式動(dòng)平衡機(jī)測(cè)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于易顯式動(dòng)平衡機(jī)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要有機(jī)械裝置、信號(hào)預(yù)處理環(huán)節(jié)、單片機(jī)和VGA工控板四部分構(gòu)成。機(jī)械裝置包括轉(zhuǎn)子、支承和擺架等，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該保證擺架工作在線性范圍；信號(hào)預(yù)處理環(huán)節(jié)包含信號(hào)采集和信號(hào)預(yù)處理功能；單片機(jī)STC125410AD則主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、分析計(jì)算；VGA工控板和液晶顯示器主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互和顯示。MCU和VGA工控板采用RS232接口，采用易顯通信協(xié)議［7］進(jìn)行通信。

整個(gè)系統(tǒng)工作原理如下：左右擺架內(nèi)裝有壓電傳感器用于拾取平衡所需的振動(dòng)信號(hào)，光電傳感器對(duì)準(zhǔn)黏貼在轉(zhuǎn)子表面的反光標(biāo)簽用于拾取平衡所需的基準(zhǔn)信號(hào)。振動(dòng)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)過放大、濾波、整形等系列環(huán)節(jié)后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，單片機(jī)對(duì)采樣得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析、平衡解算，將結(jié)果送給VGA工控板顯示。

圖1 易顯式動(dòng)平衡機(jī)測(cè)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

2 不平衡響應(yīng)識(shí)別和動(dòng)平衡算法

2.1 不平衡響應(yīng)的識(shí)別

由壓電傳感器獲得的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)預(yù)處理電路后的信號(hào)，除不平衡振動(dòng)成份外，還包含其它干擾信號(hào)，可表示為vi（t）=|Vi|sin（ωt+θi）+Nc（t），其中ω動(dòng)平衡轉(zhuǎn)速，i=L，R，θi為vi（t）與鍵相信號(hào)的相位差。動(dòng)平衡的關(guān)鍵是從vi（t）中分離出不平衡振動(dòng)信號(hào)，本文采用整周期采樣，用互相關(guān)方法進(jìn)行識(shí)別，具體過程如下：

轉(zhuǎn)速方波信號(hào)上升沿為零相位起始點(diǎn)，時(shí)滯τ=0時(shí)，構(gòu)造函數(shù)sinωt，cosωt和vi（t）的互相關(guān)函數(shù)分別為式（1）、（2）［8］：

2.2 動(dòng)平衡算法

圖2 動(dòng)平衡機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模型

圖2為動(dòng)平衡機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模型（忽略阻尼），左右支承處位移為xL，xR。在振動(dòng)振幅不大情況下，認(rèn)為系統(tǒng)是線性系統(tǒng)，硬支承下，系統(tǒng)固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω情況下，可以忽略慣性力部分影響，則系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程為式（4）［8］。

3 通信協(xié)議

動(dòng)平衡機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的單片機(jī)（下位機(jī)）與VGA工控板（上位機(jī)）之間用RS232接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。上下位機(jī)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送控制命令，結(jié)構(gòu)參數(shù)A，B，C，rI，rII，設(shè)定轉(zhuǎn)速SP和試加重?cái)?shù)據(jù)，以及檢驗(yàn)錯(cuò)誤命令；下位機(jī)向上位機(jī)查詢結(jié)構(gòu)參數(shù)指令以及上傳測(cè)試數(shù)據(jù)如不平衡響應(yīng)信號(hào)幅值和相位

根據(jù)上述分析，定義三類消息結(jié)構(gòu)：設(shè)置變量，查詢變量和檢驗(yàn)錯(cuò)誤，對(duì)應(yīng)功能代碼分別為0x0，0x1，0x2，其具體指令結(jié)構(gòu)如表1，2，3所示。上位機(jī)VGA發(fā)送消息包括發(fā)送變量和檢驗(yàn)錯(cuò)誤功能，下位機(jī)發(fā)送消息包括查詢變量和發(fā)送變量功能。查詢變量指令和發(fā)送變量指令通過變量地址進(jìn)行關(guān)聯(lián)，當(dāng)接收到的CRC和計(jì)算得到的CRC不一致時(shí)，上位機(jī)才會(huì)發(fā)送檢驗(yàn)錯(cuò)誤命令。消息結(jié)構(gòu)包括幀頭，功能代碼，地址，數(shù)據(jù)和檢驗(yàn)和基本結(jié)構(gòu)。上下位機(jī)依據(jù)功能代碼識(shí)別消息類別，依據(jù)地址存取變量，依據(jù)接受到的CRC和計(jì)算消息除最后兩字節(jié)所得到CRC是否相等判斷數(shù)據(jù)是否有效。例如結(jié)構(gòu)參數(shù)A=30mm，下位機(jī)MCU發(fā)送查詢消息為0x810102D400000004005C01，上位機(jī)VGA工控板響應(yīng)并返回發(fā)送變量消息為0x810002D40000 0004001E0000007901。

表1 發(fā)送變量消息結(jié)構(gòu)

表2 查詢變量消息結(jié)構(gòu)

表3 檢驗(yàn)錯(cuò)誤消息結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

動(dòng)平衡機(jī)測(cè)控系統(tǒng)軟件模塊主要包括通信模塊、不平衡計(jì)算模塊、人機(jī)交互控制模塊、顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。通信模塊主要保證數(shù)據(jù)流在上、下位機(jī)間準(zhǔn)確傳輸，不平衡計(jì)算模塊是得到信號(hào)響應(yīng)信息和最終不平衡計(jì)算結(jié)果，人機(jī)交互控制模塊則是輸入各轉(zhuǎn)子參數(shù)以及用開關(guān)啟動(dòng)系統(tǒng)測(cè)量，顯示模塊則是實(shí)時(shí)顯示測(cè)量和計(jì)算結(jié)果，而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于保存歷史動(dòng)平衡數(shù)據(jù)。上下位機(jī)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)負(fù)責(zé)不同的模塊。

4.1 下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)VGA工控板內(nèi)核單片機(jī)已封裝了易顯單片機(jī)通信協(xié)議，只需要利用HMImaker軟件對(duì)各變量地址進(jìn)行定義，就可以和各變量進(jìn)行關(guān)聯(lián)，因而通信模塊關(guān)鍵是下位機(jī)如何設(shè)計(jì)。根據(jù)通信協(xié)議，數(shù)據(jù)流依靠變量地址進(jìn)行區(qū)分，下位機(jī)主動(dòng)查詢，上位機(jī)響應(yīng)方式獲取變量，為了解決實(shí)時(shí)接受和應(yīng)答，接受需要采用中斷方式，并且中斷函數(shù)不能有大量運(yùn)算。在實(shí)際通訊中，最主要的是識(shí)別消息幀頭和幀尾，需要程序不斷循環(huán)檢測(cè)已收到的字節(jié)數(shù)目，每次接受到一個(gè)字節(jié)重新啟動(dòng)定時(shí)器，檢測(cè)到接受消息完成并且檢驗(yàn)通過后置接受標(biāo)志位flag為1，返回主程序。

圖4 下位機(jī)測(cè)控主程序流程圖

解決好通信問題后，則可以進(jìn)行MCU主程序設(shè)計(jì)，如圖4所示。進(jìn)行不平衡計(jì)算前需要獲取轉(zhuǎn)子參數(shù)以及標(biāo)定傳遞系數(shù)α，β，然后再利用工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)量振動(dòng)數(shù)據(jù)從而得到不平衡量。圖中SP表示設(shè)定轉(zhuǎn)速，RS表示測(cè)得的真實(shí)轉(zhuǎn)速，Symbol表示試重的標(biāo)志位，主機(jī)標(biāo)定界面試重標(biāo)志按鈕有四個(gè)選項(xiàng)，默認(rèn)時(shí)用戶單片機(jī)接收到的Symbol=0；切換到不加試重時(shí)，用戶單片機(jī)接收到的Symbol=1；切換到左面試加重時(shí)，用戶單片機(jī)接收到Symbol=2；切換到右面試加重時(shí)，用戶單片機(jī)接收到的Symbol=3。AD及識(shí)別函數(shù)是采樣子函數(shù)和基于2.1算法的信號(hào)識(shí)別函數(shù)。

4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，定義變量和變量地址，例如結(jié)構(gòu)參數(shù)、測(cè)量數(shù)據(jù)以及平衡結(jié)果等，根據(jù)通信要求，設(shè)計(jì)控制開關(guān)標(biāo)志位flag_start，flag_DB和Symbol等，根據(jù)顯示要求設(shè)計(jì)不平衡量相位以極坐標(biāo)顯示。根據(jù)任務(wù)要求設(shè)計(jì)不同的子界面，如圖5所示：轉(zhuǎn)子參數(shù)界面，定標(biāo)界面和歷史記錄界面，上述子界面和測(cè)量主界面通過變量進(jìn)行關(guān)聯(lián)。轉(zhuǎn)子參數(shù)界面用來輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)、轉(zhuǎn)子類型及設(shè)定轉(zhuǎn)速，定標(biāo)界面用來以試加重方式進(jìn)行定標(biāo)，主界面用來顯示測(cè)量結(jié)果，測(cè)量完畢后上述數(shù)據(jù)保存在歷史記錄界面。

5 實(shí)驗(yàn)

用開發(fā)成功的動(dòng)平衡測(cè)控系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)，如圖5所示，現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程作以下說明：

（1）標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子，結(jié)構(gòu)參數(shù)A=30mm，B=55mm，C= 25mm，rI=28，rII=28mm。

（2）平衡轉(zhuǎn)速n=1340r/min，人為的在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子校正面I面45°位置加上1.0g不平衡量，在校正面II面180°位置加上0.5g不平衡量。

（3）進(jìn)行動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果如表4所示，不平衡量結(jié)果以加重位置表示。

圖5 動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖

表4 動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（4）對(duì)上述數(shù)據(jù)分析知，I面不平衡量大小最大誤差率為1%，相位最大誤差為1°，II面I面不平衡量大小最大誤差率為4%，相位最大誤差為1°。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果表4和分析可知每次測(cè)量的重復(fù)性很好，本平衡機(jī)測(cè)量精度較高，平衡效果很好。

6 結(jié)論

本文提出了一種基于“VGA工控板+單片機(jī)+顯示器”結(jié)構(gòu)的新穎動(dòng)平衡機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，用相關(guān)法識(shí)別不平衡響應(yīng)，以綜合方法解算不平衡量，設(shè)計(jì)開發(fā)了上下位機(jī)的軟件，成功實(shí)現(xiàn)了上下位機(jī)的通信。通過實(shí)際應(yīng)用，證明本文提出的動(dòng)平衡機(jī)測(cè)控系統(tǒng)方案是正確的。本文設(shè)計(jì)的動(dòng)平衡機(jī)測(cè)控系統(tǒng)相對(duì)目前的動(dòng)平衡機(jī)，人機(jī)交互更加友善，價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，呈現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際動(dòng)平衡中有很好的應(yīng)用前景。

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（編輯 李秀敏）

Research and Development on New M easure-control System for Dynam ic Balancing M achine Based on Easy Eisplaying Technology

ZHANG Zhi-xin，ZENGWen-liang，ZHANG Chuan-yi
（Institute of Process Equipment&Control Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

One new measure-control system for dynam ic balancing machine based on“VGA industrial control board+MCU+monitor”structure has been proposed to solve the problem that currentmachines can hardly meet the demand of friendly human-computer interaction and low cost at the same time.In this paper，the hardware frame of system，the unbalance response identificationmethod based on correlation analysis，the rotor unbalance comprehensive solutionmethodology based on ABC algorithm and trialweights calibration and the communication between upper computer and the lower computer based on easy displaying technology are discussed.The balancing experimentwas conducted on standard rotor on the system developed，and the results show the system can meet the actual needs of rotor balancing.

dynam ic balancing machine；correlation method；comprehensive calibration method；easy displaying technology

TH166；TG659

A

1001-2265（2015）07-0083-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.07.023

2014-10-23；

2014-11-24

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（2013QNA4033）；浙江省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃資助（2011R50005）

張志新（1974-），男，浙江紹興人，浙江大學(xué)副教授，工學(xué)博士，研究方向?yàn)樾D(zhuǎn)機(jī)械整機(jī)動(dòng)平衡、故障診斷和振動(dòng)分析，（E-mail）birdflyzzx@zju.edu.cn。