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。