專利名稱：一種在線主動(dòng)動(dòng)平衡測控裝置及測控方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械自動(dòng)動(dòng)平衡領(lǐng)域，涉及一種在線主動(dòng)動(dòng)平衡測控裝置及測控方法，具體涉及一種基于功能模塊化的可重構(gòu)的轉(zhuǎn)子在線自動(dòng)平衡測控裝置及測控方法。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)機(jī)械的不平衡振動(dòng)一直是影響機(jī)器運(yùn)行質(zhì)量的主要原因之一。由于誘發(fā)轉(zhuǎn)子不平衡的因素很多，如轉(zhuǎn)子本身的設(shè)計(jì)與加工缺陷、轉(zhuǎn)子的裝配與安裝精度和轉(zhuǎn)子工作過程中的磨損與變形，這些因素都會(huì)使旋轉(zhuǎn)機(jī)械的質(zhì)量不平衡問題不可避免。在線自動(dòng)平衡是降低不平衡的一種新的技術(shù)手段，為了實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的在線自動(dòng)動(dòng)平衡，不僅需要對其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，更重要的是進(jìn)行不平衡主動(dòng)控制。目前國內(nèi)外對動(dòng)平衡狀態(tài)的監(jiān)測與主動(dòng)控制已開展了廣泛的研究，并形成了一些 技術(shù)，如中國專利申請“磨床砂輪動(dòng)態(tài)平衡測控系統(tǒng)”(CN1405541A，申請日期2002. 11. 21)采用DSP芯片TMS320F240設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對磨床砂輪動(dòng)態(tài)平衡的監(jiān)測與控制。其主要特點(diǎn)是采用F240芯片設(shè)計(jì)，其組成的測控系統(tǒng)雖然具有一定的監(jiān)測與控制功能，但由于不能進(jìn)行數(shù)據(jù)的浮點(diǎn)型運(yùn)算且芯片運(yùn)算速度低，因此在高速磨削機(jī)床的高實(shí)時(shí)性、高精度的要求方面具有一定的不足，并且不能實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)測控功能。中國專利申請“一種機(jī)床功能部件可重構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)及其方法”(CN102073304A，申請日期2011.01. 17)是基于“嵌入式監(jiān)測單元+傳感器信號(hào)調(diào)理模塊”硬件架構(gòu)的機(jī)床功能部件可重構(gòu)監(jiān)測硬件裝置，其能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)床轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的在線監(jiān)測，且具有較高的監(jiān)測精度，但由于沒有相應(yīng)的控制信號(hào)輸出功能，因此不能實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械動(dòng)平衡的自動(dòng)控制。同樣，在國內(nèi)很多研究中，一些系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)平衡狀態(tài)的監(jiān)測功能或者控制功能而不能將監(jiān)測與控制集成在一個(gè)裝置中，這就給動(dòng)平衡的測控帶來了一定的難度，因此需要設(shè)計(jì)一種既能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測又能夠?qū)崿F(xiàn)對不平衡量的主動(dòng)控制的測控方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在線主動(dòng)動(dòng)平衡測控裝置及測控方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案一種在線主動(dòng)動(dòng)平衡測控裝置，包括上位機(jī)以及嵌入式測控裝置，所述嵌入式測控裝置包括背板總線模塊以及與背板總線模塊相連的數(shù)據(jù)處理與控制模塊、模擬信號(hào)調(diào)理與輸出模塊和配電電源模塊，模擬信號(hào)調(diào)理與輸出模塊的輸入端連接有傳感器適配模塊，傳感器與傳感器適配模塊相連，模擬信號(hào)調(diào)理與輸出模塊的輸出端連接有驅(qū)動(dòng)放大單元，上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)處理與控制模塊相連。所述上位機(jī)裝有動(dòng)平衡監(jiān)測與控制軟件，動(dòng)平衡監(jiān)測與控制軟件包括動(dòng)平衡遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制主模塊和動(dòng)平衡狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示模塊。所述數(shù)據(jù)處理與控制模塊包括DSP處理芯片、FPGA處理器、網(wǎng)絡(luò)處理芯片、SDRAM存儲(chǔ)芯片、FLASH存儲(chǔ)芯片、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、USB串口、計(jì)數(shù)器接口和脈沖編碼器，DSP處理芯片分別與網(wǎng)絡(luò)處理芯片、SDRAM存儲(chǔ)芯片、FLASH存儲(chǔ)芯片和FPGA處理器相連，ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的輸出端、DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的輸入端、USB串口、計(jì)數(shù)器接口和脈沖編碼器分別與FPGA處理器相連；背板總線模塊分別與FPGA處理器的FILTERCLK輸出端，DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的輸出端，ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的輸入端以及DSP處理芯片與FPGA處理器的供電端連接。所述模擬信號(hào)調(diào)理與輸出模塊由多路并行的信號(hào)隔離放大濾波電路與多路并行輸出通道組成，信號(hào)隔離放大濾波電路包括依次連接的信號(hào)隔離放大器、可編程增益放大器、可編程低通濾波器和阻抗匹配電路，信號(hào)隔離放大器與傳感器適配模塊相連，阻抗匹配電路與背板總線模塊相連；多路并行輸出通道的一端與背板總線模塊相連，另一端與驅(qū)動(dòng)放大單元相連,驅(qū)動(dòng)放大單元和轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡頭線圈相連。所述傳感器包括轉(zhuǎn)速傳感器和振動(dòng)加速度傳感器。一種在線主動(dòng)動(dòng)平衡測控方法，包括以下步驟 I)將轉(zhuǎn)速傳感器安裝在機(jī)器的殼體上，轉(zhuǎn)速傳感器的探頭對準(zhǔn)轉(zhuǎn)子的軸頸，將加速度振動(dòng)傳感器直接安裝在支承轉(zhuǎn)子的軸承外殼上；2)開啟嵌入式測控裝置并初始化系統(tǒng)，在上位機(jī)上啟動(dòng)動(dòng)平衡監(jiān)測與控制軟件，初始化網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，然后通過上位機(jī)更新嵌入式測控裝置中的動(dòng)平衡程序，并將配置參數(shù)下載到嵌入式測控裝置；3)啟動(dòng)帶有動(dòng)平衡頭的轉(zhuǎn)子，將傳感器采集到的振動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)通過模擬信號(hào)調(diào)理與輸出模塊送入數(shù)據(jù)處理與控制模塊進(jìn)行信號(hào)的處理與分析；4)嵌入式測控裝置將信號(hào)處理與分析得到的特征信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機(jī)的動(dòng)平衡監(jiān)測與控制軟件并自動(dòng)診斷是否需要?jiǎng)悠胶猓缓髣?dòng)平衡監(jiān)測與控制軟件對不平衡信息進(jìn)行在線顯示；5)若需要?jiǎng)悠胶?，通過上位機(jī)的動(dòng)平衡監(jiān)測與控制軟件將動(dòng)平衡設(shè)置為自動(dòng)平衡模式并將這一設(shè)置結(jié)果下載到嵌入式測控裝置的數(shù)據(jù)處理與控制模塊中，在數(shù)據(jù)處理與控制模塊中通過動(dòng)平衡控制算法計(jì)算輸出脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)；6)將脈沖信號(hào)通過模擬信號(hào)調(diào)理與輸出模塊送至驅(qū)動(dòng)放大單元放大后傳輸給動(dòng)平衡頭的線圈，驅(qū)動(dòng)動(dòng)平衡頭轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平衡。所述信號(hào)處理與分析包括以下步驟將傳感器采集到的信號(hào)變換成離散的數(shù)字信號(hào)，然后通過快速傅立葉變換將數(shù)字信號(hào)從時(shí)域信號(hào)變成頻域信號(hào)，從頻域信號(hào)獲得最大頻域幅值及與最大頻域幅值對應(yīng)的頻率大小，通過最大頻域幅值計(jì)算出不平衡量，當(dāng)采用整周期采樣時(shí)，計(jì)算出不平衡量的相位。所述動(dòng)平衡控制算法包括坐標(biāo)尋優(yōu)法和影響系數(shù)法，通過上位機(jī)的動(dòng)平衡監(jiān)測與控制軟件選擇坐標(biāo)尋優(yōu)法或者影響系數(shù)法進(jìn)行動(dòng)平衡控制，同時(shí)在線設(shè)定不平衡量的門限值從而使嵌入式測控裝置能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子不平衡控制。所述坐標(biāo)尋優(yōu)法包括平衡相位過程和平衡幅值過程，首先動(dòng)平衡頭的兩個(gè)配重盤沿順時(shí)針方向同向轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中檢測不平衡量是否減小，若不平衡量未減小，則調(diào)整兩個(gè)配重盤沿逆時(shí)針方向同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)檢測到的不平衡量達(dá)到最小時(shí)，兩配重盤相迎轉(zhuǎn)動(dòng)并判斷不平衡量增大還是減小，若不平衡量減小則繼續(xù)相迎轉(zhuǎn)動(dòng)，若不平衡量增大則將兩配重盤相背轉(zhuǎn)動(dòng)，直到監(jiān)測的不平衡量減小到可以接受的范圍。
本發(fā)明的有益效果在于在線主動(dòng)動(dòng)平衡測控裝置主要針對安裝有電磁動(dòng)平衡頭的旋轉(zhuǎn)機(jī)械實(shí)現(xiàn)其運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測與不平衡的主動(dòng)控制，其主要是通過嵌入式測控裝置與上位機(jī)的實(shí)時(shí)通信保證了其在線遠(yuǎn)程測控的功能，具有較高的實(shí)時(shí)性和監(jiān)測控制精度，并能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程主動(dòng)控制。使用本發(fā)明的測控裝置以及測控方法可以對旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均問題進(jìn)行有效的監(jiān)測并對安裝有電磁動(dòng)平衡頭的轉(zhuǎn)子進(jìn)行有效的不平衡量控制，進(jìn)而能夠明顯降低旋轉(zhuǎn)機(jī)械的不平衡振動(dòng)，這有利于提高旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行質(zhì)量、效率和壽命。本發(fā)明開發(fā)了基于功能模塊化的可重構(gòu)在線動(dòng)平衡測控裝置，該測控裝置基于功能模塊化的硬件架構(gòu)和參數(shù)可組態(tài)的軟件架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和對轉(zhuǎn)子不平衡的在線主動(dòng)控制。


圖I是本發(fā)明轉(zhuǎn)子在線主動(dòng)動(dòng)平衡系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。圖2是本發(fā)明功能模塊化的可重構(gòu)動(dòng)平衡測控裝置總體方案圖。圖3是本發(fā)明基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理與控制模塊總體結(jié)構(gòu)圖。圖4是本發(fā)明模擬信號(hào)調(diào)理與輸出模塊的原理圖。圖5是本發(fā)明動(dòng)平衡監(jiān)測與控制流程圖。圖6是本發(fā)明動(dòng)平衡測控裝置總體軟件流程圖。圖7是本發(fā)明動(dòng)平衡量監(jiān)測流程圖。圖8是本發(fā)明動(dòng)平衡控制流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。參見圖1，本發(fā)明包括上位機(jī)以及通過網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)連接的嵌入式測控單元，所述上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡監(jiān)測與控制軟件的運(yùn)行、修改和結(jié)果顯示，所述嵌入式測控單元主要完成振動(dòng)和轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集、調(diào)理和計(jì)算。參見圖2，本發(fā)明所述動(dòng)平衡測控裝置采用功能模塊化思想設(shè)計(jì)，其主要模塊包括數(shù)據(jù)處理與控制模塊、模擬信號(hào)調(diào)理與輸出模塊、配電電源模塊和背板總線模塊等；還包括上位機(jī)軟件平臺(tái)和嵌入式底層測控算法軟件等。當(dāng)帶有電磁動(dòng)平衡頭的旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)平衡測控裝置通過振動(dòng)加速度傳感器不斷監(jiān)測軸承座的振動(dòng)信號(hào)，并通過轉(zhuǎn)速傳感器提取轉(zhuǎn)子的當(dāng)前工作轉(zhuǎn)速，然后基于振動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)在數(shù)據(jù)處理與控制模塊內(nèi)進(jìn)行信號(hào)處理來提取轉(zhuǎn)子的不平衡量，通過與不平衡量上限的對比可以決策是否需要主動(dòng)平衡，當(dāng)需要?jiǎng)悠胶鈺r(shí)，通過控制策略計(jì)算兩配重盤分別應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，然后計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)該角度時(shí)需要輸出的脈沖個(gè)數(shù)，最后輸出脈沖到驅(qū)動(dòng)放大單元并實(shí)現(xiàn)主動(dòng)平衡。所述上位機(jī)上裝有動(dòng)平衡監(jiān)測與控制軟件，動(dòng)平衡監(jiān)測與控制軟件包括動(dòng)平衡遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制主模塊和動(dòng)平衡狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示模塊，動(dòng)平衡遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制主模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)配置、采樣信息配置、動(dòng)平衡控制等，動(dòng)平衡狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示模塊負(fù)責(zé)配重盤轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)顯示、不平衡信息顯示等。
參見圖3，所述數(shù)據(jù)處理與控制模塊是由DSP C6713處理芯片和FPGA處理器為核心所組成的硬件處理框架，DSP處理芯片分別與網(wǎng)絡(luò)處理芯片、SDRAM存儲(chǔ)芯片、FLASH儲(chǔ)存芯片和FPGA處理器相連，ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、USB串口、計(jì)數(shù)器接口和脈沖編碼器分別與FPGA處理器相連；背板總線模塊分別與數(shù)據(jù)處理與控制模塊、模擬信號(hào)調(diào)理與輸出模塊和配電電源模塊相連。參見圖4，所述模擬信號(hào)調(diào)理與輸出模塊包括多路并行的信號(hào)隔離放大濾波電路，信號(hào)隔離放大濾波電路包括依次連接的信號(hào)隔離放大器、可編程增益放大器、可編程低通濾波器和阻抗匹配電路，信號(hào)隔離放大器與傳感器適配模塊相連，阻抗匹配電路與背板總線模塊相連，模擬信號(hào)調(diào)理與輸出模塊的輸出端為多路并行輸出通道，多路并行輸出通道的一端與背板總線模塊相連，另一端與驅(qū)動(dòng)放大單元相連。所述傳感器包括轉(zhuǎn)速傳感器和振動(dòng)加速度傳感器。參見圖5，前端軟件流程為程序開始首先初始化在程序運(yùn)行中的各種全局變量、 控件和線程等，隨后啟動(dòng)數(shù)據(jù)接收和波形顯示線程，接下來設(shè)置網(wǎng)絡(luò)IP和端口號(hào)請求網(wǎng)絡(luò)連接，如果連接不成功重新設(shè)置網(wǎng)絡(luò)IP，如果連接成功自動(dòng)測試網(wǎng)絡(luò)收發(fā)數(shù)據(jù)并設(shè)定采樣參數(shù)，接下來進(jìn)行采樣信息配置并開啟采樣命令，接收數(shù)據(jù)包并對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，通過解析的數(shù)據(jù)包信息顯示實(shí)時(shí)波形和特征值信息，然后判斷是否需要顯示動(dòng)平衡信息，如果不需要顯示動(dòng)平衡信息則返回上一步，如果需要顯示動(dòng)平衡信息則打開動(dòng)平衡信息顯示界面并進(jìn)行主界面與此界面的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，在動(dòng)平衡信息顯示界面可以設(shè)置濾波參數(shù)并可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡參數(shù)的顯示和軸心軌跡的顯示，判斷是否進(jìn)行動(dòng)平衡如果選擇動(dòng)平衡命令則選擇平衡模式進(jìn)行在線動(dòng)平衡，判斷是否采樣結(jié)束如果結(jié)束則停止顯示各種內(nèi)容并返回結(jié)果，如果采樣不結(jié)束返回到數(shù)據(jù)包接收并分析的步驟，循環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。參見圖6，底層軟件主要線程及其通信中數(shù)據(jù)采樣與處理線程(TSK_C0NTR0L)是程序主線程并采用循環(huán)工作方式，負(fù)責(zé)調(diào)度其他線程交互工作、數(shù)據(jù)采集與處理及控制策略計(jì)算等，其主要的程序流程包括首先啟動(dòng)DSP并初始化，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采樣與處理線程(TSK_C0NTR0L)，啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信線程RTDX，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信線程和整周期采樣控制線程的反饋進(jìn)行多通道定長度數(shù)據(jù)采集，接下來對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處理后的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)通信線程實(shí)時(shí)上傳給上位機(jī)，根據(jù)處理得到的特征值判斷是否需要控制，若需要控制則首先進(jìn)行控制策略計(jì)算，啟動(dòng)控制命令輸出中斷線程，此后一直循環(huán)往復(fù)；整周期采樣控制線程(HWI_INT5_PR0C)是為了給數(shù)據(jù)采集提供標(biāo)準(zhǔn)外信號(hào)參考標(biāo)記從而實(shí)現(xiàn)測控系統(tǒng)整周期采樣。當(dāng)采樣模式為外觸發(fā)采樣時(shí)，每次啟動(dòng)硬件中斷INT5都會(huì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣一次，一次數(shù)據(jù)采樣將實(shí)現(xiàn)定長度(如1024個(gè)點(diǎn))數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集，從而增加了數(shù)據(jù)采樣的速度和處理效率，其過程包括首先開啟外部信號(hào)觸發(fā)命令監(jiān)測，判斷是否有觸發(fā)命令，若有觸發(fā)命令則啟動(dòng)硬件中斷并輸出整周期采樣控制命令，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；控制信號(hào)輸出中斷線程(TimerEventHandler)采用定時(shí)器中斷方式(屬于硬件中斷INT15),其主要流程包括開啟定時(shí)中斷，實(shí)時(shí)輸出可調(diào)頻寬的脈沖信號(hào)。網(wǎng)絡(luò)通信線程流程為首先連接主機(jī)服務(wù)器，開啟本機(jī)服務(wù)器并接受主機(jī)的信息，對接收的主機(jī)數(shù)據(jù)報(bào)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)包命令字，判斷是否觸發(fā)采樣模式，如果是，則啟動(dòng)周期采樣控制線程等待外界觸發(fā)中斷信號(hào)啟動(dòng)(HWI_INT5_PR0C)，根據(jù)對上位機(jī)傳下的數(shù)據(jù)包的解析實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)，并等待下次數(shù)據(jù)包的請求命令。整個(gè)測控程序各線程既可以獨(dú)立工作又相互之間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，它們之間將采用全局變量、信號(hào)量和郵箱隊(duì)等進(jìn)行線程間的交互通信。參見圖7，振動(dòng)信號(hào)不平衡量計(jì)算流程中，被傳感器采集到的模擬信號(hào)經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換后變換成離散的數(shù)字信號(hào)，然后通過快速傅立葉變換將其從時(shí)域信號(hào)變成頻域信號(hào)。在頻域信號(hào)中，可以獲得最大頻域幅值及其對應(yīng)的頻率大小即主頻等頻域信號(hào)特征量，通過頻域幅值可以計(jì)算出不平衡量大小，當(dāng)采用整周期采樣時(shí)，可以計(jì)算出不平衡量的相位。具體的程序流程如下外界的觸發(fā)信號(hào)控制進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將1024個(gè)采集到的數(shù)據(jù)組包，如果數(shù)據(jù)包里的數(shù)據(jù)為渦流位移振動(dòng)數(shù)據(jù)，則首先將這些數(shù)字信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后計(jì)算信號(hào)的峰-峰值，如果數(shù)據(jù)包里的數(shù)據(jù)為加速度振動(dòng)數(shù)據(jù)，則首先將這些數(shù)字信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后計(jì)算信號(hào)的有效值，將計(jì)算出峰-峰值/有效值之后的信號(hào)進(jìn)行加窗處理，將其轉(zhuǎn)換成復(fù)數(shù)形式，接著對數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，計(jì)算頻域幅值從而計(jì)算不平衡量的大小，計(jì)算主頻從而得到不平衡量的相位。參見圖8，控制策略計(jì)算流程中，控制策略軟件采用可選擇控制方法包括坐標(biāo)尋優(yōu)控制法和影響系數(shù)法，兩種方法的原理不同，因此實(shí)現(xiàn)過程也不盡相同，但結(jié)果都是通過計(jì)算兩個(gè)配重盤應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)的角度并計(jì)算輸出脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)來驅(qū)動(dòng)配重盤的轉(zhuǎn)動(dòng)。其主要程序流程包括通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測和分析，判斷是否需要平衡，如果需要?jiǎng)t選擇是用·坐標(biāo)尋優(yōu)法還是影響系數(shù)法。坐標(biāo)尋優(yōu)法包括平衡相位過程和平衡幅值過程，首先動(dòng)平衡頭的兩個(gè)配重盤沿順時(shí)針方向同向轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中檢測不平衡量是否減小，若不平衡量未減小，則調(diào)整兩個(gè)配重盤沿逆時(shí)針方向同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)檢測到的不平衡量達(dá)到最小時(shí)，兩配重盤相對轉(zhuǎn)動(dòng)，判斷不平衡量增大還是減小，若不平衡量減小則繼續(xù)相對轉(zhuǎn)動(dòng)，若不平衡量增大則將兩配重盤相背轉(zhuǎn)動(dòng)，直到監(jiān)測的不平衡量減小到可以接受的范圍。影響系數(shù)法包括對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過兩次輸出控制信號(hào)使配重盤轉(zhuǎn)過特定的角度，再根據(jù)此后采集的信號(hào)的特征值計(jì)算出影響系數(shù)，最后計(jì)算配重盤應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)的角度實(shí)現(xiàn)在線平衡。在線主動(dòng)動(dòng)平衡測控方法，包括以下步驟I)將轉(zhuǎn)速傳感器安裝在機(jī)器的殼體上，其探頭對準(zhǔn)轉(zhuǎn)子軸頸，將振動(dòng)加速度傳感器直接安裝在支承轉(zhuǎn)子的軸承外殼上；2)開啟嵌入式測控裝置并初始化系統(tǒng)，在上位機(jī)上啟動(dòng)動(dòng)平衡監(jiān)測與控制軟件，初始化網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，然后通過上位機(jī)更新嵌入式測控裝置中的動(dòng)平衡程序，并將配置參數(shù)下載到測控裝置；3)啟動(dòng)帶有動(dòng)平衡頭的機(jī)器，將傳感器采集到的振動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)通過模擬信號(hào)調(diào)理與輸出模塊后，送入數(shù)據(jù)處理與控制模塊進(jìn)行信號(hào)的處理與分析；4)嵌入式測控裝置將信號(hào)處理與分析得到的特征信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機(jī)的動(dòng)平衡監(jiān)測與控制軟件，然后動(dòng)平衡監(jiān)測與控制軟件對不平衡信息進(jìn)行在線顯示并自動(dòng)診斷是否需要?jiǎng)悠胶猓?)通過上位機(jī)的動(dòng)平衡監(jiān)測與控制軟件將動(dòng)平衡設(shè)置為自動(dòng)平衡模式并將這一設(shè)置結(jié)果下載到嵌入式測控裝置的數(shù)據(jù)處理與控制模塊中，在數(shù)據(jù)處理與控制模塊中通過動(dòng)平衡控制算法計(jì)算輸出脈沖的個(gè)數(shù)；6)所需的若干個(gè)脈沖信號(hào)送至驅(qū)動(dòng)放大單元放大后傳輸給動(dòng)平衡頭的線圈，驅(qū)動(dòng)動(dòng)平衡頭轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平衡。實(shí)施例
本發(fā)明裝置主要具有以下特點(diǎn)I)該動(dòng)平衡測控系統(tǒng)主要包括嵌入式測控裝置及通過網(wǎng)絡(luò)連接的上位機(jī)，所述嵌入式測控裝置主要包括數(shù)據(jù)處理與控制模塊、模擬信號(hào)調(diào)理與輸出模塊、配電電源模塊和自定義背板總線模塊。所述數(shù)據(jù)處理與控制模塊是采用DSPC6713系列芯片和FPGA處理器為核心所組成的硬件處理框架，所述DSP處理芯片與網(wǎng)絡(luò)處理芯片相連，同時(shí)還與SDRAM儲(chǔ)存器、FLASH存儲(chǔ)器和FPGA處理器相連；所述FPGA處理芯片與ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、USB串口、計(jì)數(shù)器接口和脈沖編碼器相連；所述模擬信號(hào)調(diào)理與輸出模塊分別與六個(gè)信號(hào)輸入通道和六個(gè)信號(hào)輸出通道進(jìn)行聯(lián)接；所述自定義背板總線模塊分別與數(shù)據(jù)處理與控制模塊、模擬信號(hào)調(diào)理與輸出模塊和配電電源模塊相連。上述傳感器與傳感器適配模塊機(jī)箱直接相連，而適配器機(jī)箱則連接調(diào)理模塊用于采集信號(hào)的輸入。所述模擬信號(hào)調(diào)理與輸出模塊包括六路并行連接的信號(hào)預(yù)處理電路，包括隔離放大、濾波、阻抗匹配等；所述模擬信號(hào)調(diào)理與輸出模塊包括六路輸出通道則采用放大輸出且直接與自定義背板總線相連。 上述上位機(jī)上安裝有動(dòng)平衡監(jiān)測與控制系統(tǒng)軟件，所述動(dòng)平衡監(jiān)測與控制系統(tǒng)軟件包括實(shí)時(shí)信息監(jiān)測與組態(tài)軟件和動(dòng)平衡狀態(tài)監(jiān)測與控制軟件。上述嵌入式測控裝置的傳感器主要包括振動(dòng)加速度傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器。本發(fā)明還提出一種基于上述嵌入式測控系統(tǒng)的測控方法，具體包括以下步驟I)將轉(zhuǎn)速傳感器安裝在機(jī)器的殼體上，其探頭對準(zhǔn)轉(zhuǎn)子軸頸，將加速度振動(dòng)傳感器直接安裝在支承轉(zhuǎn)子的軸承外殼上；2)開啟嵌入式測控裝置并初始化系統(tǒng)，在上位機(jī)上啟動(dòng)動(dòng)平衡監(jiān)測與控制軟件，初始化網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，然后通過上位機(jī)更新嵌入式測控裝置中的動(dòng)平衡程序，并將配置參數(shù)下載到測控裝置；3)啟動(dòng)帶有動(dòng)平衡頭的機(jī)器，將傳感器采集到的振動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)通過模擬信號(hào)調(diào)理與輸出模塊后，送入數(shù)據(jù)處理與控制模塊進(jìn)行信號(hào)的處理與分析；4)嵌入式測控裝置將信號(hào)處理與分析得到的特征信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機(jī)的動(dòng)平衡監(jiān)測與控制軟件，然后動(dòng)平衡監(jiān)測與控制軟件對不平衡信息進(jìn)行在線顯示并自動(dòng)診斷是否需要?jiǎng)悠胶猓?)通過上位機(jī)的動(dòng)平衡監(jiān)測與控制軟件將動(dòng)平衡設(shè)置為自動(dòng)平衡模式并將這一設(shè)置結(jié)果下載到嵌入式測控裝置的數(shù)據(jù)處理與控制模塊中，在數(shù)據(jù)處理與控制模塊中通過動(dòng)平衡控制算法計(jì)算輸出脈沖的個(gè)數(shù)；6)所需的若干個(gè)脈沖信號(hào)送至驅(qū)動(dòng)放大單元放大后傳輸給動(dòng)平衡頭的線圈，驅(qū)動(dòng)動(dòng)平衡頭轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平衡。
權(quán)利要求
1.一種在線主動(dòng)動(dòng)平衡測控裝置，其特征在于包括上位機(jī)以及嵌入式測控裝置，所述嵌入式測控裝置包括背板總線模塊以及與背板總線模塊相連的數(shù)據(jù)處理與控制模塊、模擬信號(hào)調(diào)理與輸出模塊和配電電源模塊，模擬信號(hào)調(diào)理與輸出模塊的輸入端連接有傳感器適配模塊，傳感器與傳感器適配模塊相連，模擬信號(hào)調(diào)理與輸出模塊的輸出端連接有驅(qū)動(dòng)放大單元，上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)處理與控制模塊相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種在線主動(dòng)動(dòng)平衡測控裝置，其特征在于所述上位機(jī)裝有動(dòng)平衡監(jiān)測與控制軟件，動(dòng)平衡監(jiān)測與控制軟件包括動(dòng)平衡遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制主模塊和動(dòng)平衡狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種在線主動(dòng)動(dòng)平衡測控裝置，其特征在于所述數(shù)據(jù)處理與控制模塊包括DSP處理芯片、FPGA處理器、網(wǎng)絡(luò)處理芯片、SDRAM存儲(chǔ)芯片、FLASH存儲(chǔ)芯片、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、USB串口、計(jì)數(shù)器接口和脈沖編碼器，DSP處理芯片分別與網(wǎng)絡(luò)處理芯片、SDRAM存儲(chǔ)芯片、FLASH存儲(chǔ)芯片和FPGA處理器相連，ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的輸出端、DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的輸入端、USB串口、計(jì)數(shù)器接口和脈沖編碼器分別與FPGA處理器相連；背板總線模塊分別與FPGA處理器的FILTERCLK輸出端，DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的輸出端，ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的輸入端以及DSP處理芯片與FPGA處理器的供電端連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種在線主動(dòng)動(dòng)平衡測控裝置，其特征在于所述模擬信號(hào)調(diào)理與輸出模塊由多路并行的信號(hào)隔離放大濾波電路與多路并行輸出通道組成，信號(hào)隔離放大濾波電路包括依次連接的信號(hào)隔離放大器、可編程增益放大器、可編程低通濾波器和阻抗匹配電路，信號(hào)隔離放大器與傳感器適配模塊相連，阻抗匹配電路與背板總線模塊相連；多路并行輸出通道的一端與背板總線模塊相連，另一端與驅(qū)動(dòng)放大單元相連，驅(qū)動(dòng)放大單元和轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡頭線圈相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種在線主動(dòng)動(dòng)平衡測控裝置，其特征在于所述傳感器包括轉(zhuǎn)速傳感器和振動(dòng)加速度傳感器。
6.一種在線主動(dòng)動(dòng)平衡測控方法，包括以下步驟 1)將轉(zhuǎn)速傳感器安裝在機(jī)器的殼體上，轉(zhuǎn)速傳感器的探頭對準(zhǔn)轉(zhuǎn)子的軸頸，將振動(dòng)加速度傳感器直接安裝在支承轉(zhuǎn)子的軸承外殼上； 2)開啟嵌入式測控裝置并初始化系統(tǒng)，在上位機(jī)上啟動(dòng)動(dòng)平衡監(jiān)測與控制軟件，初始化網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，然后通過上位機(jī)更新嵌入式測控裝置中的動(dòng)平衡程序，并將配置參數(shù)下載到嵌入式測控裝置； 3)啟動(dòng)帶有動(dòng)平衡頭的轉(zhuǎn)子，將傳感器采集到的振動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)通過模擬信號(hào)調(diào)理與輸出模塊送入數(shù)據(jù)處理與控制模塊進(jìn)行信號(hào)的處理與分析； 4)嵌入式測控裝置將信號(hào)處理與分析得到的特征信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機(jī)的動(dòng)平衡監(jiān)測與控制軟件并自動(dòng)診斷是否需要?jiǎng)悠胶?，然后?dòng)平衡監(jiān)測與控制軟件對不平衡信息進(jìn)行在線顯示； 5)若需要?jiǎng)悠胶?，通過上位機(jī)的動(dòng)平衡監(jiān)測與控制軟件將動(dòng)平衡設(shè)置為自動(dòng)平衡模式并將這一設(shè)置結(jié)果下載到嵌入式測控裝置的數(shù)據(jù)處理與控制模塊中，在數(shù)據(jù)處理與控制模塊中通過動(dòng)平衡控制算法計(jì)算輸出脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)； 6)將脈沖信號(hào)通過模擬信號(hào)調(diào)理與輸出模塊送至驅(qū)動(dòng)放大單元放大后傳輸給動(dòng)平衡頭的線圈，驅(qū)動(dòng)動(dòng)平衡頭轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平衡。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種在線主動(dòng)動(dòng)平衡測控方法，其特征在于所述信號(hào)處理與分析包括以下步驟將傳感器采集到的信號(hào)變換成離散的數(shù)字信號(hào)，然后通過快速傅立葉變換將數(shù)字信號(hào)從時(shí)域信號(hào)變成頻域信號(hào)，從頻域信號(hào)獲得最大頻域幅值及與最大頻域幅值對應(yīng)的頻率大小，通過最大頻域幅值計(jì)算出不平衡量，當(dāng)采用整周期采樣時(shí)，計(jì)算出不平衡量的相位。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種在線主動(dòng)動(dòng)平衡測控方法，其特征在于所述動(dòng)平衡控制算法包括坐標(biāo)尋優(yōu)法和影響系數(shù)法，通過上位機(jī)的動(dòng)平衡監(jiān)測與控制軟件選擇坐標(biāo)尋優(yōu)法或者影響系數(shù)法進(jìn)行動(dòng)平衡控制，同時(shí)在線設(shè)定不平衡量的門限值從而使嵌入式測控裝置能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子不平衡控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述一種在線主動(dòng)動(dòng)平衡測控方法，其特征在于所述坐標(biāo)尋優(yōu)法包括平衡相位過程和平衡幅值過程，首先動(dòng)平衡頭的兩個(gè)配重盤沿順時(shí)針方向同向轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中檢測不平衡量是否減小，若不平衡量未減小，則調(diào)整兩個(gè)配重盤沿逆時(shí)針方向同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)檢測到的不平衡量達(dá)到最小時(shí)，兩配重盤相迎轉(zhuǎn)動(dòng)，然后判斷不平衡量增大還是減小，若不平衡量減小則繼續(xù)相迎轉(zhuǎn)動(dòng)，若不平衡量增大則將兩配重盤相背轉(zhuǎn)動(dòng)，直到不平衡量減小到可以接受的范圍為止。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在線主動(dòng)動(dòng)平衡測控裝置及測控方法，包括上位機(jī)以及嵌入式測控裝置，所述嵌入式測控裝置包括背板總線模塊以及與背板總線模塊相連的數(shù)據(jù)處理與控制模塊、模擬信號(hào)調(diào)理與輸出模塊以及配電電源模塊，模擬信號(hào)調(diào)理與輸出模塊的輸入端連接有傳感器適配模塊，傳感器與傳感器適配模塊相連，模擬信號(hào)調(diào)理與輸出模塊的輸出端連接有驅(qū)動(dòng)放大單元，上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)處理與控制模塊相連，本發(fā)明的動(dòng)平衡測控裝置特點(diǎn)是集監(jiān)測與控制一體化、功能模塊化、可用于遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制場合，可以實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)的在線實(shí)時(shí)測控，配以相應(yīng)的動(dòng)平衡頭即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的減振，從而提高機(jī)器的運(yùn)行質(zhì)量和壽命。
文檔編號(hào)G01M1/16GK102890477SQ20121036393
公開日2013年1月23日 申請日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者景敏卿, 樊紅衛(wèi), 尹明泉, 劉恒, 智靜娟 申請人:西安交通大學(xué)