转轴临界转速的测量与实时显示

2009-10-12 10:53:46来源: 机械专家网

在旋转机械的运转中,当转轴的转速达到某一定值时,转轴的运转会变得不稳定且会出现振动,转轴形状也会发生明显的弯曲变形;而当转轴的转速继续升高时,上述现象则逐渐消失;但当转轴的转速继续升高到另一新的定值时,上述现象又会重新出现。转轴发生上述现象时的转速称为临界转速。由于转轴处于临界转速(或与之接近)时会发生振动,严重时甚至可能损坏整台机器,因此设计转轴工作转速时应远离临界转速,如果转轴的转速不能随意变动,则可通过改变转轴尺寸来改变临界转速值,以保证轴、轴系以及整台机器正常运转。虽然转轴临界转速的测量非常重要,但目前确定临界转速的方法大多还停留在理论计算阶段,且理论计算值常常与实测值不符。为此,我们开发了一种可实时测量旋转机械临界转速的测量装置。该装置可在计算机上实时显示测量曲线,直观地反映转速与位移的变化过程,且测得的临界转速值可与实际转速较好吻合。

2 测量原理

临界转速的测量原理是通过跟踪转轴振动位移的变化,以确定最大位移处的转速值(即临界转速值)。由于转速与位移的测量需一一对应,因此可以转速脉冲为启动测量点,以时间为尺度同时测量转速和位移。测量方法如下:当转速脉冲到来时,打开定时器T1测量时间,打开定时器T0测量转速,同时进行A/D转换;A/D转换完毕后进入中断,将转换结果及此时的时间值存入相应存储区;转速测量结束后将转速值及此时的时间值存入相应存储区。
采用计时法(即测周原理)测量转速时,在相邻两个转速脉冲之间插补时钟脉冲作为计数脉冲。设计数值为N,转速脉冲周期为Tx,时钟脉冲周期为Tc,则Tx=NTc=N/fc,转速v=60/Tx=60fc/N。时钟脉冲可通过单片机时钟或经分频后获得。采用计时法测量转速的测量误差为±1个时钟脉冲。为提高测量精度,可增加插补时钟信号的频率。本测量装置采用单片机的16位计数器,所用晶振频率为12MHz,则相邻转速脉冲之间插补时钟信号的频率为1MHz,每个周期的最大误差为1µs,即使在高速测量场合下也可满足测量要求。

3 硬件设计

本测量装置的硬件电路设计。采用Atmel的高性能微控制器(MCU)AT89C51作为下位机。AT89C51的标准配置为:4K字节闪速存储器,256字节片内RAM,32个I/O口,2个16位定时器/计数器。为测量转速,在转轴上预先加工一个深度为几毫米的键槽,用电磁开关作为转速传感器。当转轴转动时,电磁开关即输出脉冲信号(每转动一圈产生一个脉冲),产生的脉冲符合单片机的中断触发要求。在转子平面与轴线垂直的方向安装了两个相互垂直的电涡流传感器,它们与被测物无直接接触,具有较宽的使用频率范围(DC~10kHz),特别适合测量转子的振动。电涡流传感器将与被测物之间的位移变化转换为电压变化,然后将电压值送入A/D转换芯片进行A/D转换。A/D转换芯片采用12位并行ADC芯片MAX197,其供电电压为+5V,转换时间为6µs,采样速率为100ksps,有8个模拟量输入通道(可通过编程全选或选择一部分)。通过串行通信可将单片机数据传给上位机。电平转换通过MAX232实现。

LED显示器可实现转速测量值的实时显示。显示器选用MAX7219作为显示芯片。MAX7219是一种新型串行输入输出共阴极LED显示驱动器,其3线串行接口可方便地连接到各种通用微控制器上。串行数据为16位数据包,发送到DIN端,在每个CLK的上升沿移入内部16位移位寄存器中,然后数据在LOAD的上升沿被锁存。显示方式为片内动态扫描模式,可通过编程控制亮度,为防止LED显示失控,在靠近Max7219电源端并联了一个47µF的钽电容。该显示电路具有结构简单、功耗低、灵活性好等特点。

4 软件设计

将转速脉冲信号接入AT89C51的P3.2。定时器T0设为方式1,预装值为0,所用晶振频率为12MHz,因此定时时间为65536µs;定时器T1设为方式1,预装值为0。当转速脉冲的下降沿到来时即进入中断过程,打开定时器T0、T1开始计时,同时打开MAX197开始A/D转换。转速测量及位移测量结束后,将测量结果及此时的时间值存入相应存储区。测量转速时共计算8个脉冲,当第8个脉冲下降沿到来时TR0清零,停止计时,即可计算转速值。设脉冲周期为T,定时器溢出次数为N1,定时器中最后一次定时值为N2,则T定=65536N1+N2(µs)。由于定时器中为8个脉冲的时间,故转速计算公式为
v=60/T=60(/T定/8)=(60×8×106)/(65536N1+N2)(r/min)

编制下位机程序。单片机初始化程序如下:
CLR EA;
MOV SP,# 60H;
MOV TMOD,# 01H;定时器T0 预装值为0
MOV TL0,# 00H
MOV TH0,# 00H
MOV TMOD,# 10H;定时器T1 预装值为0
MOV TL1,# 00H
MOV TH1,# 00H
MOV SCON,# 00H;串行口初始化为方式0
SETB P3.2;中断口置1
SETB EA;开总中断
SETB ET0;定时器T0 中断溢出位置1
SETB ET1;定时器T1 中断溢出位置1
SETB EX0;开INT0 中断,中断来临时进入转速测量模块
SETB PX0;令INT0 为高优先级
SETB IT0;令INT0 为边沿触发
SETB EX1;开INT1 中断,中断来临时进入AD 转换测量模块
SETB IT1;令INT1 为边沿触发
HERE:AJMP HERE;等待中断
转速脉冲到来时的中断程序框图。AD中断程序框图。
本测量装置通过串行通信实现远程数据采集,由PC 机通过串行通信向下位机发出数据采集命令,下位机接受命令后进行现场数据采集,并通过串行通信将数据发送到PC机。与并行通信相比,串行通信具有传输距离长、连接简单、数据传输可靠性高等特点。上位机通信程序采用Visual C++6.0编写,它可提供一个Active控件MSComm,利用该控件可实现对AT89C51单片机串口的读写管理。通过主界面可分别进入转速变化界面、位移变化界面和转速位移变化界面,对转速、位移变化曲线进行实时监控。

5 结语

本测量装置电路设计简单、可靠,经实际测试,上位机能够实时绘制转轴工作曲线,监控转速变化情况,测得的临界转速值与实际加工状态相符,取得了令人满意的效果。

关键字:转轴  测试

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2009/1012/article_2145.html
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