基于计算机控制的动平衡实验台的分析与应用

　　1 引言

　　为了消除或减少机械系统中的构件所产生的惯性力, 提高机械的工作性能, 需要研究机械平衡问题。机械的平衡有静平衡和动平衡两种情况。经过静平衡的转子仅消除了惯性力的影响, 不一定能够满足动平衡的条件, 所以在机械设计时要需要考虑这个问题。另外, 这种动平衡机主要用于高校机类专业开设的动平衡原理实验, 它的转子支承的刚度大, 且没有摆架结构。这里针对这种硬支承动平衡机的特点, 基于计算机软件控制, 采用软硬件相结合的信号处理方法, 讨论了这种试验机的测量原理和方法。

　　2 测量系统结构分析

　　该动平衡试验机分为机械和电气两大部分。机械部分的基本结构如下图所示:

　　本机的机械桥架部分采用的是万向连轴节传动形式, 当然也可以设计成带传动的形式。安装在床头箱内的电机拖动床头主轴旋转, 经万向联轴节带动支承在支架上的工件旋转, 由于工件的不平衡产生离心力, 迫使支架振动, 经压力传感器是把机械振动信号转换成电信号送入电测系统, 光电传感器则为系统提供一个频率 / 相位基准信号。转子通过调整两支架距离来调整中心高。对于软件部分, 其主要是完成运算、控制和其他扩展功能的实现。本系统在信号处理方面采用了多阶积分电路, 用来控制噪音, 改善信噪比。程控放大器在计算机的控制下根据不平衡信号电平而改变增益。窄带跟踪式滤波器完成被测信号的信噪分离。AD 采集卡将经过滤波的信号, 也就是不平衡信号量进行采集、量化并输入计算机, 它还完成对其他信号 ( 系统自检、转速信号) 的采集和处理。下图为整个电路部分的原理图:

　　3 系统的工作原理

　　此动平衡机测试台中, 采用的初始偏心质量两偏心盘都为 15g,两偏心盘的偏心半径为 45mm, 材质为铝制的合金, 左右两个支点的距离为 280mm, 左偏心盘到左支点的距离 L1 为 75mm, 两个偏心盘之间的距离为 L2 为 130mm, 两偏心矢量夹角 θ=30°, 压力传感器可以很灵敏的实测到每个状态下的偏心盘所给支点的瞬时压力。如下图

　　在每个偏心盘的背面都贴有反观光贴片, 我们取贴片的初始位置为0°, 以偏心轮的旋转方向为正方向。为了使两个偏心盘的初始位置一致, 使两偏心盘的反光贴片在同一个水平面上。在实测系统中, 转子的不平衡而产生的离心力和力偶矩, 使转子的支承产生强迫振动, 其振动的强度反应了不平衡情况, 测力传感器时时检测支承处的压力。当所检测到力的最大值时, 计算机开始计时, 当偏心盘的反光贴片转到光电开关触发脉冲时停止计时, 计时所得到的时间差乘以转子的转速就是所要得到的相位偏角。左支点的偏角为 θ1, 右支点的偏角为 θ2。由于各要素的影响, 例如电机转速的微小波动、偏心轮所受的摩擦力、传感器的滞后以及电磁杂波的干扰, 在实际的测量中相位偏角时常会在某一定的范围内波动, 所以在所测得的相位角中要剔除波动较大的值, 并将剩余的值去平均值。所得到的偏角值要加减一个常量, 这样才使结果符合理论值。由于测力传感器所检测到力的最大值也会收到各种干扰的综合影响, 而且随着速度的变化所收到的综合影响会有一定的变化, 所以在软件中我们设置将所测得的压力减去一个值△P 即可认为求得的值为实际偏心所构成的压力值。对计算结果取最大值, 即是偏心量转到垂直向下时的压力值, 取几个最大值的平均值可得 P1, P2。根据 P1、P2、θ1、θ2以及转速 ω可以得到两个偏心盘的偏心量的质径积。具体计算见以下公式: