轉(zhuǎn)軸臨界轉(zhuǎn)速的測(cè)量與實(shí)時(shí)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(shí),轉(zhuǎn)軸的運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)變得不穩(wěn)定且會(huì)出現(xiàn)振動(dòng),轉(zhuǎn)軸形狀也會(huì)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(shí),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(shí),上述現(xiàn)象又會(huì)重新出現(xiàn)。轉(zhuǎn)軸發(fā)生上述現(xiàn)象時(shí)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(shí)會(huì)發(fā)生振動(dòng),嚴(yán)重時(shí)甚至可能損壞整臺(tái)機(jī)器,因此設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)軸工作轉(zhuǎn)速時(shí)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(dòng),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(tái)機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)。雖然轉(zhuǎn)軸臨界轉(zhuǎn)速的測(cè)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(jì)算階段,且理論計(jì)算值常常與實(shí)測(cè)值不符。為此,我們開發(fā)了一種可實(shí)時(shí)測(cè)量旋轉(zhuǎn)機(jī)械臨界轉(zhuǎn)速的測(cè)量裝置。該裝置可在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示測(cè)量曲線,直觀地反映轉(zhuǎn)速與位移的變化過程,且測(cè)得的臨界轉(zhuǎn)速值可與實(shí)際轉(zhuǎn)速較好吻合。
2 測(cè)量原理
臨界轉(zhuǎn)速的測(cè)量原理是通過跟蹤轉(zhuǎn)軸振動(dòng)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(cè)量需一一對(duì)應(yīng),因此可以轉(zhuǎn)速脈沖為啟動(dòng)測(cè)量點(diǎn),以時(shí)間為尺度同時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)速和位移。測(cè)量方法如下:當(dāng)轉(zhuǎn)速脈沖到來時(shí),打開定時(shí)器T1測(cè)量時(shí)間,打開定時(shí)器T0測(cè)量轉(zhuǎn)速,同時(shí)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(shí)的時(shí)間值存入相應(yīng)存儲(chǔ)區(qū);轉(zhuǎn)速測(cè)量結(jié)束后將轉(zhuǎn)速值及此時(shí)的時(shí)間值存入相應(yīng)存儲(chǔ)區(qū)。
采用計(jì)時(shí)法(即測(cè)周原理)測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí),在相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖之間插補(bǔ)時(shí)鐘脈沖作為計(jì)數(shù)脈沖。設(shè)計(jì)數(shù)值為N,轉(zhuǎn)速脈沖周期為Tx,時(shí)鐘脈沖周期為Tc,則Tx=NTc=N/fc,轉(zhuǎn)速v=60/Tx=60fc/N。時(shí)鐘脈沖可通過單片機(jī)時(shí)鐘或經(jīng)分頻后獲得。采用計(jì)時(shí)法測(cè)量轉(zhuǎn)速的測(cè)量誤差為±1個(gè)時(shí)鐘脈沖。為提高測(cè)量精度,可增加插補(bǔ)時(shí)鐘信號(hào)的頻率。本測(cè)量裝置采用單片機(jī)的16位計(jì)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(shí)鐘信號(hào)的頻率為1MHz,每個(gè)周期的最大誤差為1μs,即使在高速測(cè)量場(chǎng)合下也可滿足測(cè)量要求。
3 硬件設(shè)計(jì)
本測(cè)量裝置的硬件電路設(shè)計(jì)。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(chǔ)器,256字節(jié)片內(nèi)RAM,32個(gè)I/O口,2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。為測(cè)量轉(zhuǎn)速,在轉(zhuǎn)軸上預(yù)先加工一個(gè)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(dòng)時(shí),電磁開關(guān)即輸出脈沖信號(hào)(每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈產(chǎn)生一個(gè)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(gè)相互垂直的電渦流傳感器,它們與被測(cè)物無直接接觸,具有較寬的使用頻率范圍(DC~10kHz),特別適合測(cè)量轉(zhuǎn)子的振動(dòng)。電渦流傳感器將與被測(cè)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(shí)間為6μs,采樣速率為100ksps,有8個(gè)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(shí)現(xiàn)。
LED顯示器可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量值的實(shí)時(shí)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(dòng)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(gè)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(dòng)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(gè)47μF的鉭電容。該顯示電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、靈活性好等特點(diǎn)。
4 軟件設(shè)計(jì)
將轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)接入AT89C51的P3.2。定時(shí)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(shí)時(shí)間為65536μs;定時(shí)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(shí)即進(jìn)入中斷過程,打開定時(shí)器T0、T1開始計(jì)時(shí),同時(shí)打開MAX197開始A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)速測(cè)量及位移測(cè)量結(jié)束后,將測(cè)量結(jié)果及此時(shí)的時(shí)間值存入相應(yīng)存儲(chǔ)區(qū)。測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)共計(jì)算8個(gè)脈沖,當(dāng)?shù)?個(gè)脈沖下降沿到來時(shí)TR0清零,停止計(jì)時(shí),即可計(jì)算轉(zhuǎn)速值。設(shè)脈沖周期為T,定時(shí)器溢出次數(shù)為N1,定時(shí)器中最后一次定時(shí)值為N2,則T定=65536N1+N2(μs)。由于定時(shí)器中為8個(gè)脈沖的時(shí)間,故轉(zhuǎn)速計(jì)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(shí)器T0 預(yù)裝值為0
MOV TL0,# 00H
MOV TH0,# 00H
MOV TMOD,# 10H;定時(shí)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(shí)器T0 中斷溢出位置1
SETB ET1;定時(shí)器T1 中斷溢出位置1
SETB EX0;開INT0 中斷,中斷來臨時(shí)進(jìn)入轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊
SETB PX0;令I(lǐng)NT0 為高優(yōu)先級(jí)
SETB IT0;令I(lǐng)NT0 為邊沿觸發(fā)
SETB EX1;開INT1 中斷,中斷來臨時(shí)進(jìn)入AD 轉(zhuǎn)換測(cè)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(shí)的中斷程序框圖。AD中斷程序框圖。
本測(cè)量裝置通過串行通信實(shí)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(chǎng)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(jiǎn)單、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高等特點(diǎn)。上位機(jī)通信程序采用Visual C++6.0編寫,它可提供一個(gè)Active控件MSComm,利用該控件可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)轉(zhuǎn)速、位移變化曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
5 結(jié)語
本測(cè)量裝置電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠,經(jīng)實(shí)際測(cè)試,上位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)繪制轉(zhuǎn)軸工作曲線,監(jiān)控轉(zhuǎn)速變化情況,測(cè)得的臨界轉(zhuǎn)速值與實(shí)際加工狀態(tài)相符,取得了令人滿意的效果。
評(píng)論