轉(zhuǎn)軸臨界轉(zhuǎn)速的測量與實時顯示

在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)中，當(dāng)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速達(dá)到某一定值時，轉(zhuǎn)軸的運(yùn)轉(zhuǎn)會變得不穩(wěn)定且會出現(xiàn)振動，轉(zhuǎn)軸形狀也會發(fā)生明顯的彎曲變形；而當(dāng)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高時，上述現(xiàn)象則逐漸消失；但當(dāng)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高到另一新的定值時，上述現(xiàn)象又會重新出現(xiàn)。轉(zhuǎn)軸發(fā)生上述現(xiàn)象時的轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速。由于轉(zhuǎn)軸處于臨界轉(zhuǎn)速(或與之接近)時會發(fā)生振動，嚴(yán)重時甚至可能損壞整臺機(jī)器，因此設(shè)計轉(zhuǎn)軸工作轉(zhuǎn)速時應(yīng)遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速，如果轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速不能隨意變動，則可通過改變轉(zhuǎn)軸尺寸來改變臨界轉(zhuǎn)速值，以保證軸、軸系以及整臺機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)。雖然轉(zhuǎn)軸臨界轉(zhuǎn)速的測量非常重要，但目前確定臨界轉(zhuǎn)速的方法大多還停留在理論計算階段，且理論計算值常常與實測值不符。為此，我們開發(fā)了一種可實時測量旋轉(zhuǎn)機(jī)械臨界轉(zhuǎn)速的測量裝置。該裝置可在計算機(jī)上實時顯示測量曲線，直觀地反映轉(zhuǎn)速與位移的變化過程，且測得的臨界轉(zhuǎn)速值可與實際轉(zhuǎn)速較好吻合。

2 測量原理

臨界轉(zhuǎn)速的測量原理是通過跟蹤轉(zhuǎn)軸振動位移的變化，以確定最大位移處的轉(zhuǎn)速值(即臨界轉(zhuǎn)速值)。由于轉(zhuǎn)速與位移的測量需一一對應(yīng)，因此可以轉(zhuǎn)速脈沖為啟動測量點，以時間為尺度同時測量轉(zhuǎn)速和位移。測量方法如下：當(dāng)轉(zhuǎn)速脈沖到來時，打開定時器T1測量時間，打開定時器T0測量轉(zhuǎn)速，同時進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；A/D轉(zhuǎn)換完畢后進(jìn)入中斷，將轉(zhuǎn)換結(jié)果及此時的時間值存入相應(yīng)存儲區(qū)；轉(zhuǎn)速測量結(jié)束后將轉(zhuǎn)速值及此時的時間值存入相應(yīng)存儲區(qū)。
采用計時法(即測周原理)測量轉(zhuǎn)速時，在相鄰兩個轉(zhuǎn)速脈沖之間插補(bǔ)時鐘脈沖作為計數(shù)脈沖。設(shè)計數(shù)值為N，轉(zhuǎn)速脈沖周期為Tx，時鐘脈沖周期為Tc，則Tx=NTc=N/fc，轉(zhuǎn)速v=60/Tx=60fc/N。時鐘脈沖可通過單片機(jī)時鐘或經(jīng)分頻后獲得。采用計時法測量轉(zhuǎn)速的測量誤差為±1個時鐘脈沖。為提高測量精度，可增加插補(bǔ)時鐘信號的頻率。本測量裝置采用單片機(jī)的16位計數(shù)器，所用晶振頻率為12MHz，則相鄰轉(zhuǎn)速脈沖之間插補(bǔ)時鐘信號的頻率為1MHz，每個周期的最大誤差為1μs，即使在高速測量場合下也可滿足測量要求。

3 硬件設(shè)計

本測量裝置的硬件電路設(shè)計。采用Atmel的高性能微控制器(MCU)AT89C51作為下位機(jī)。AT89C51的標(biāo)準(zhǔn)配置為：4K字節(jié)閃速存儲器，256字節(jié)片內(nèi)RAM，32個I/O口，2個16位定時器/計數(shù)器。為測量轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)軸上預(yù)先加工一個深度為幾毫米的鍵槽，用電磁開關(guān)作為轉(zhuǎn)速傳感器。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，電磁開關(guān)即輸出脈沖信號(每轉(zhuǎn)動一圈產(chǎn)生一個脈沖)，產(chǎn)生的脈沖符合單片機(jī)的中斷觸發(fā)要求。在轉(zhuǎn)子平面與軸線垂直的方向安裝了兩個相互垂直的電渦流傳感器，它們與被測物無直接接觸，具有較寬的使用頻率范圍(DC～10kHz)，特別適合測量轉(zhuǎn)子的振動。電渦流傳感器將與被測物之間的位移變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，然后將電壓值送入A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換芯片采用12位并行ADC芯片MAX197，其供電電壓為+5V，轉(zhuǎn)換時間為6μs，采樣速率為100ksps，有8個模擬量輸入通道(可通過編程全選或選擇一部分)。通過串行通信可將單片機(jī)數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。電平轉(zhuǎn)換通過MAX232實現(xiàn)。

LED顯示器可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量值的實時顯示。顯示器選用MAX7219作為顯示芯片。MAX7219是一種新型串行輸入輸出共陰極LED顯示驅(qū)動器，其3線串行接口可方便地連接到各種通用微控制器上。串行數(shù)據(jù)為16位數(shù)據(jù)包，發(fā)送到DIN端，在每個CLK的上升沿移入內(nèi)部16位移位寄存器中，然后數(shù)據(jù)在LOAD的上升沿被鎖存。顯示方式為片內(nèi)動態(tài)掃描模式，可通過編程控制亮度，為防止LED顯示失控，在靠近Max7219電源端并聯(lián)了一個47μF的鉭電容。該顯示電路具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、靈活性好等特點。

4 軟件設(shè)計

將轉(zhuǎn)速脈沖信號接入AT89C51的P3.2。定時器T0設(shè)為方式1，預(yù)裝值為0，所用晶振頻率為12MHz，因此定時時間為65536μs；定時器T1設(shè)為方式1，預(yù)裝值為0。當(dāng)轉(zhuǎn)速脈沖的下降沿到來時即進(jìn)入中斷過程，打開定時器T0、T1開始計時，同時打開MAX197開始A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)速測量及位移測量結(jié)束后，將測量結(jié)果及此時的時間值存入相應(yīng)存儲區(qū)。測量轉(zhuǎn)速時共計算8個脈沖，當(dāng)?shù)?個脈沖下降沿到來時TR0清零，停止計時，即可計算轉(zhuǎn)速值。設(shè)脈沖周期為T，定時器溢出次數(shù)為N1，定時器中最后一次定時值為N2，則T定=65536N1+N2(μs)。由于定時器中為8個脈沖的時間，故轉(zhuǎn)速計算公式為
v=60/T=60(/T定/8)=(60×8×106)/(65536N1+N2)(r/min)

編制下位機(jī)程序。單片機(jī)初始化程序如下：
CLR EA；
MOV SP，# 60H；
MOV TMOD，# 01H；定時器T0 預(yù)裝值為0
MOV TL0，# 00H
MOV TH0，# 00H
MOV TMOD，# 10H；定時器T1 預(yù)裝值為0
MOV TL1，# 00H
MOV TH1，# 00H
MOV SCON，# 00H；串行口初始化為方式0
SETB P3.2；中斷口置1
SETB EA；開總中斷
SETB ET0；定時器T0 中斷溢出位置1
SETB ET1；定時器T1 中斷溢出位置1
SETB EX0；開INT0 中斷，中斷來臨時進(jìn)入轉(zhuǎn)速測量模塊
SETB PX0；令I(lǐng)NT0 為高優(yōu)先級
SETB IT0；令I(lǐng)NT0 為邊沿觸發(fā)
SETB EX1；開INT1 中斷，中斷來臨時進(jìn)入AD 轉(zhuǎn)換測量模塊
SETB IT1；令I(lǐng)NT1 為邊沿觸發(fā)
HERE：AJMP HERE；等待中斷
轉(zhuǎn)速脈沖到來時的中斷程序框圖。AD中斷程序框圖。
本測量裝置通過串行通信實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，由PC 機(jī)通過串行通信向下位機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令，下位機(jī)接受命令后進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，并通過串行通信將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)。與并行通信相比，串行通信具有傳輸距離長、連接簡單、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高等特點。上位機(jī)通信程序采用Visual C++6.0編寫，它可提供一個Active控件MSComm，利用該控件可實現(xiàn)對AT89C51單片機(jī)串口的讀寫管理。通過主界面可分別進(jìn)入轉(zhuǎn)速變化界面、位移變化界面和轉(zhuǎn)速位移變化界面，對轉(zhuǎn)速、位移變化曲線進(jìn)行實時監(jiān)控。

5 結(jié)語

本測量裝置電路設(shè)計簡單、可靠，經(jīng)實際測試，上位機(jī)能夠?qū)崟r繪制轉(zhuǎn)軸工作曲線，監(jiān)控轉(zhuǎn)速變化情況，測得的臨界轉(zhuǎn)速值與實際加工狀態(tài)相符，取得了令人滿意的效果。