1　概述

　　繞定軸旋轉的零件或部件稱為轉動件，簡稱轉子。當轉子材料分布均勻，安裝良好，轉動必平穩。在理想情況下，支承只受重力，轉子轉動與不轉動一樣只有靜載荷。當轉子材料分布不均勻，安裝不當，使轉子的中心慣性主軸與旋轉軸不重合，產生慣性離心力和離心力偶，在支承上造成額外的轉動載荷稱為動載荷。
　　對于旋轉軸線有約束的不平衡轉子，動不平衡在支承上造成動載荷，不僅會引起整個旋轉機械的振動，產生噪音，增加能耗，還會加快軸承的磨損，造成轉子部件的高頻疲勞破壞和支承機匣及某些部件強迫振動損壞，降低旋轉機械的壽命，嚴重時還會導致重大事故。
　　對于旋轉軸線無約束的轉子（如衛星等），動不平衡將會影響其在空間的姿態，進而影響其工作質量。
　　由于這些不平衡是在轉子轉動時出現的，故一般需要在轉動時進行測量，然后校正，因此稱為動平衡。動平衡效果如何，在很大程度上要受到測量系統精度的制約。
　　從原理上分，測量系統可分為軟支承動平衡機和硬支承動平衡機。硬支承動平衡機是自70年代初迅速發展起來的一種用途廣泛的通用動平衡機。由于其標定與轉子的M（質量）和I（轉動慣量）無關，因此只需要一次標定（而軟支承動平衡機的標定系數隨轉子的M和I而異，故對于不同類型的轉子時，需要一一重新標定）。近年來，由于結構上的不斷改進，電測系統也日益完善，平衡精度不斷提高，加上通用性強，目前除了超高速、高精度、小轉子和大批量（如曲軸）的平衡仍用軟支承動平衡機外，其余已多改用硬支承動平衡機。
　　動平衡機由以下幾部分組成：機械測振系統（含振動傳感器和相位信號發生器）、驅動系統、電子測量系統、校正裝置和安全防護裝置。其中，機械測振系統等變化相對緩慢，而電測系統發展卻十分迅速。由于微機的日益普及，微機化的電測系統已經成為國內外動平衡機設計的新潮流。
　　由此可見，動平衡技術是一種機電一體化的復雜技術，也是制約機械工業發展的關鍵技術，它直接影響各種旋轉機械的工作質量和壽命。以德國為代表的先進工業國家在動平衡研究領域起步早，發展快。而我國雖然起步不晚，但是由于種種原因，發展緩慢。國內用戶使用的動平衡機多為六、七十年代的產品，精度差、故障多、效益低，嚴重影響了生產和企業的發展。大型企業或國家重點企業紛紛花費巨額外匯進口動平衡機。中小企業由于經濟原因，只能繼續使用過時的產品，這樣，一方面浪費了大量的寶貴外匯，另一方面仍嚴重影響機械工業的發展。近年來，國內動平衡機的設計、制造發展很快，但總的來看，一部分是引進國外淘汰或即將淘汰的型號，一部分是國內自行設計的產品，功能少，精度和可靠性等方面也不理想，因此，研究制造先進的動平衡機已成為機械工業發展的一個迫切需要。
　　為了跟蹤世界先進的動平衡技術，提高國內電測系統的水平，作者對通用硬支承動平衡機微機化電測系統的硬軟件進行了系統深入的研究，研制出精度高、功能齊備、操作簡單、符合國內實際需要的電測系統——CAB792型通用硬支承動平衡機微機化電測系統。

2　系統的總體設計方案

2.1　影響系統方案的一些因素
　　動平衡機電測系統的主要任務是從機械測振系統所得到的含干擾的微弱的動不平衡信號中提取與轉子旋轉同頻的有用信號的幅值和相位信息，同時還要配合機械測振系統解決轉子的平面分離（解算）以及轉子的自動定相問題。這是我們電測系統設計的基本出發點。
　　本系統是為配有動圈式速度傳感器硬支承動平衡機而專門設計的通用電測系統，因此需要考慮以下問題：
　　①　硬支承動平衡機是測力平衡機，因此，傳感器輸出的不平衡量信號正比于#p#分頁標題#e#ω³（ω——轉子的旋轉角速度）。
　　②　機械杠桿放大器輸出的高頻噪聲。
　　③　通過地基傳來的低頻干擾和傳動干擾。
　　④　轉子的平衡轉速不可能做到絕對穩定。
　　⑤　在信號濾波放大的過程中要考慮如何減小參考通道對小信號通道的干擾以及環境溫度變化對直流零位漂移的影響等。
　　⑥　在實現高精度和多功能這個目標時，要考慮如何充分發揮硬軟件各自的優勢以使系統獲得較高的性能價格比。

2.2　系統的組成
　　根據上述考慮，在設計和組成系統時確定了以下一些原則：
　　①　前置級中采用三次積分器以消除動不平衡信號中ω³的影響。為了在高轉速工作時，有用信號不至于過小，將180～5000r/min的轉速分成4個轉速區間。每個轉速區間有自己的三次積分器。轉速區間以作為公比來劃分，即將180～5000r/min分為180～387r/min、388～835r/min、836～1799r/min和1800～5000r/min4個區間。這樣，相鄰區間間的標定系數的公比將等于10。
　　②　選用MDAC窄帶自動跟蹤濾波器。通過合理選用RC,使硬件的BW_-40db控制在2Hz以下，以利系統排除高、低頻干擾。
　　③　選用AD574,加快數據采集步伐，以加大樣本。通過軟件進行多次平均，以最大程度地減少近頻干擾和隨機干擾。
　　④　選用IBM-PC作主機，在保證測量精度的前提下，大力加強電測系統的功能：多種支承方式、多種顯示方式、多種補償方式、多種增益控制方式、多種時間平均、多次啟動平均、多面校正計算、多種打印輸出方式以及自動標定和留言服務等。
　　系統的總體框圖如圖1所示。圖中x₁,y₁,x₂,y₂表示兩支承點不平衡信號在X和Y軸上的分量。

圖1　CAB-792型硬支承動平衡機通用電測系統總體框圖

　　下面對系統框圖中的某些部分做簡單介紹：
　　*　三次積分電路
　　根據硬支承動平衡機的原理，其擺架振幅與離心力成正比。兩個支承處的振動信號經由動圈式速度傳感器檢出。因此，測量到的振動信號振幅與平衡轉速的三次方成正比。在前置處理中設置三次積分電路，可消除平衡轉速的影響。同時，由于積分電路的低通特性，可以抑制高頻噪聲，保留有用的低頻振動信號。本系統的三次積分電路由三階Butterworth低通濾波器來實現。系統將工作轉速分成4個轉速檔，對應于每個轉速檔，有相應的積分器通道（轉速的分檔是由硬件來實現的）。
　　*　人工/自動增益控制AGC
　　增益控制AGC是為了在擴大量程范圍基礎上，減少A/D的量化誤差而設計的。該電路使A/D轉換精度得以充分利用，保證平衡機的指標不因信號小而降低。本系統的增益控制可以實現人工控制和自動控制的切換。一般情況下選用“自動增益控制”方式，當干擾特別強烈并且起伏較大時建議選用“人工增益控制”方式。
　　*　MDAC相關濾波
　　動平衡機傳感器的輸出信號中包括有與轉子轉速同頻的信號、確定性干擾和隨機干擾。電測系統的主要任務之一就是濾波：抑制各種干擾，提取有用信號即與轉子同頻的信號。設計濾波器時帶寬越窄，分離的精度也就越高，同時一個通用的動平衡機要求能在不同的轉速下工作；即使在某一特定轉速下平衡時，由于各種原因，轉速也會發生一定偏移，要求它恒定是困難的，也是不經濟的，因此，系統中采用自動跟蹤帶通濾波器。當動平衡機轉速不穩定時，跟蹤帶通濾波器的中心頻率可自動跟蹤轉速，從而保證有用信號輻值和相位的穩定，提高測量精度。由于MDAC濾波器的特點，本系統采用MDAC相關濾波。所謂相關濾波，就是選定一對正交信號sin#p#分頁標題#e#ω₀t和cosω₀t作為參考信號，使信號f（t）分別與它們相關，便可得到ω₀頻率分量的輻值和相位。
　　*　參考通道電路
　　參考通道電路主要包括：①　轉速測量電路；②　為三次積分電路提供通道地址的譯碼電路，以控制積分器的自動切換；③　為自動增益控制電路（AGC）提供計數器時鐘信號，使得在光電脈沖有輸出時，允許AGC電路每秒鐘動作一次；④　為MDAC主濾波電路提供360f₀及f₀信號，以控制計數器計數，使得EPROM能為MDAC提供一完整的正余弦波形。
　　*　A/D轉換電路
　　為了在軟件中實現多點平均（相當于軟件低通濾波器），本系統采用AD574。AD574是快速12位逐次逼近型A/D轉換器，是目前我國市場應用最廣泛、價格適中的A/D轉換器。由于其片內包含高精度的參考電壓源和時鐘電路，這使它在不需要任何外部電路和時鐘信號的情況下完成一切A/D轉換功能，應用非常方便。
　　*　系統接口電路
　　系統接口電路是指硬件電路處理后的信息通過ISA總線與微機接口的部分，主要完成以下功能：①　輸入MDAC主濾波電路送出的4路直流量的A/D轉換結果；②　輸入16位二進制轉速碼；③　輸入10位系統狀態信息碼；④　輸出控制A/D轉換電路前的多路開關的地址碼；⑤　輸出4位人工/自動增益控制碼和2位用于留言服務的控制碼；等等。

3　系統軟件分析

　　動平衡機電測系統微機化的目的并非主要在于提高平衡精度（實際上用軟件實現的對時間的平均化處理也有助于讀數的穩定，從而減小讀數誤差；而且通過非線性補償以及其它算法可大大提高系統的測量精度，補償硬件電路的缺陷），而是在于增加系統的功能。通過微機化可以減少硬件開銷并增加系統功能。有不少硬件功能，如軟支承機的解算、硬支承機的a-b-c-r₁-r₂運算、各種補償（如轉子的初始不平衡量補償、工裝的系統誤差補償、鍵補償以及直流零位補償等）、平均化處理、數據存儲、坐標變換和矢量分解等，用軟件來實現更為方便。有一些用硬件難以實現的功能，如畫奈魁斯特（Nyquist）圖、畫伯德（Bode）圖、畫多次開車的測量數據散布圖、圖文打印、操作指南以及操作者留言等，通過微機化就可以輕而易舉地得到解決。本系統的控制軟件就是基于這種基本原則而設計的，其流程框圖如圖2所示，以下對流程圖作簡單介紹。

圖2　系統軟件流程總體框圖

　　①　初始化及其自校
　　軟件運行時，首先對硬件部分（如8255等）進行初始化，并將其本身所用到的狀態標志進行初始設置，然后進入系統自校。系統自校主要是對硬件電路的校驗，判斷硬件是否正常工作。若有故障，顯示并提請用戶排除故障；若無故障，自校通過。該功能的設置，主要是為了增加系統的可靠性，方便用戶使用、維護。

　　②　轉子文件的建立、修改和刪除
　　轉子文件記錄了轉子動平衡所需的全部平衡參數信息。一個轉子的平衡測量必須在其轉子文件基礎上進行，這是因為測量中所有的運算、補償及其它特殊處理（包括多面校正計算）所需要的參數都是由轉子文件和標定文件提供的。轉子文件包括了動平衡機的信息、轉子的幾何尺寸、電測系統的信息以及平衡的方式和不平衡的表述方式，綜合起來有下述一些方面：轉子文件名、動平衡機類別（硬支承/軟支承）、測振傳感器（位移型/速度型/力型）、轉子支承方式（6種）、a-b-c-r#p#分頁標題#e#₁-r₂尺寸、顯示模式（左右校正面/準靜-偶/偶-準靜/支承動載荷）、顯示方式（極坐標/分量）、輕/重區、增益控制方式（人工/自動）、寬/窄帶、平均化處理（延遲時間、平均時間）、平衡允差、平衡轉速、校正方式（不要/人工/自動）、補償（不要/初值補償/工裝偏心補償/鍵補償/多次啟動平均）等等。用戶根據實際需要，建立或修改轉子文件。軟件將給用戶提供一個轉子文件名目錄，用戶可以選擇調用某一轉子文件，也可重新建立或刪除原有文件。由于本系統主要是為通用硬支承動平衡機設計，故一般來講，用戶都需進行轉子文件的新建（對于一個新的轉子而言），而專用用戶（轉子類型不變）則可以選用某一文件即可。總之，所有的測量、標定功能都必須在某一轉子文件基礎之上。另外，由于轉子文件包含了轉子的重要平衡信息，修改某些項目將使得文件表達的意義面目全非，軟件設有口令檢查，禁止無關人員修改、刪除文件，保證系統的安全。

　　③　標定和測量
　　動平衡機系統包括機械測振系統（含傳感器）和電測硬件線路的整體。標定就是確定整個機電系統的傳遞函數的增益系數和相位移。對于硬支承機，為減小原理誤差，本系統采取了逐段（轉速段）標定的辦法。標定系數的單位為g^.mm/單位輸出，可由系統自動生成。標定時需要建立一個標定轉子的轉子文件，然后進入標定狀態。根據需要選擇鍵盤設置或自動標定。鍵盤設置適合于對標定系數作小的調整，并確定各轉速段的特征頻率（或特征轉速）。自動標定采用兩點標定法并能自動消除初始不平衡量，自動生成標定系數。無論鍵盤設置或自動標定都將標定系數送入標定文件中，新的標定文件將代替舊的。因此，本系統增加密碼檢查，禁止無關人員進行標定操作，保證系統的安全。測量模塊包括對不平衡量的測量以及各種特殊處理、打印和增益控制切換等。不平衡量的測量是本系統的主要任務，也是系統軟件的主要功能，它包括采集硬件系統來的不平衡信號、系統狀態信息碼、平衡轉速和增益控制電路的增益碼等；進行矢量運算、增益運算、非線性補償運算和a-b-c-r₁-r₂矢量分離運算；顯示不平衡量、轉速及增益等。

　　④　二次處理
　　二次處理包括：①　頻率加權；②　放大器增益影響的扣除；③　a-b-c-r₁-r₂運算；④　補償運算；⑤　坐標變換；⑥　標定系數的自動生成和運用；⑦　多次啟動平均；⑧　校正量計算等。a-b-c-r₁-r₂運算是根據轉子文件中的a-b-c-r₁-r₂值、支承方式以及用戶要求的顯示模式（左右校正面/準靜-偶/偶-準靜/支承動載荷）的不同，利用有關公式進行運算。補償運算主要用于消除各類系統誤差，主要有：初值補償、鍵補償和工裝偏心補償。通過初值補償可獲得一個不平衡讀數為零的“標準”轉子（轉子的實際不平衡量并不為零）；通過鍵補償可使無鍵軸的不平衡讀數自動加上鍵的不平衡量的影響；通過工裝偏心補償則可以消除動平衡機工藝裝備（如工藝心軸、平衡夾具、聯軸節等）的偏心（相對于旋轉軸線）對轉子不平衡量的影響。多次啟動平均主要用于有松動零件的轉子（如帶葉片的渦輪轉子）的平衡，由于這種誤差的引起是隨機的，故采用多次啟動平均。不同的場合，要求動平衡量有不同的表示方式，如極坐標、分量等等，用戶可根據自己的需要和要求進行選擇，軟件將根據轉子文件的不同選擇，對平衡量進行坐標變換，為了給校正工序提供直接的數據，軟件可以根據不同的工藝要求，將不平衡量分解到需要校正的各個平面上。#p#分頁標題#e#

4　結論

　　本文針對國內外動平衡機電測系統的基本現狀及發展趨勢，提出了一種以IBM-PC機為主機的微機化硬支承動平衡機通用電測系統的實現方案，并經過對系統的實際調試和機電聯調，證明了方案的可行性。
　　系統的測量轉速范圍為180～5000r/min。
　　主濾波器采用先進的MDAC數字模擬混合式的相關濾波，直流零漂穩定，受溫度影響小。
　　前置濾波采用三次積分器，消除了轉速對不平衡信號的影響。自動增益控制采用純硬件實現，人工增益控制則采用硬軟件共同實現。
　　轉子轉速測量采用閘門計數法，精確、可靠。
　　為進一步提高測量精度。系統軟件中采用了非線性補償的方法，以消除實際積分器線性化所引入的誤差。
　　由于三次積分器的電路參數配置要求嚴格，非線性補償的引入削弱了其原來的優勢，本文提出了新的前置濾波器方案——跟蹤帶通濾波器，并在實驗中證明了該方案的可行性。
　　動平衡機電測系統微機化的好處是明顯的，不但以較小的代價增強了系統的功能，也由于各種平均和補償算法的加入，提高了測量精度。實現了高精度、多功能、易操作和低成本的總體目標。