转轴临界转速的测量与实时显示刨刀

转轴临界转速的测量与实时显示

转轴临界转速的测量与实时显示 2011年12月02日 来源： 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0MOV TL0，# 00HMOV TH0，# 00HMOV TMOD，# 10H；定时器T1 预装值为0MOV TL1，# 00HMOV TH1，# 00HMOV SCON，# 00H；串行口初始化为方式0SETB P3.2；中断口置1SETB EA；开总中断SETB ET0；定时器T0 中断溢出位置1SETB ET1；定时器T1 中断溢出位置1SETB 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。

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