专利名称：智能教学实验动平衡机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种微电子技术数字化的教学实验设备，具体的说是一种智能教学动平衡机。
目前国內动平衡测试技术手段和动平衡测试工程需求之间矛盾突出。一方面各类旋转机械的转速越来越高、达到数万乃至十数万r/min，超临界乃至超二阶、三阶临界的柔性转子在工程中已很多见，大型高速复杂设备对动平衡测试技术提出许多新课题，工业及家电产品的低振动和低噪声指标都要求动平衡精度不断提高，军工、纺机等轻小转子往往只允许几个毫克甚至零点几个毫克的残余不平衡量；另一方面国內的动平衡测试技术手段仍处于三依赖的水平依赖陈旧设备、依赖经验摸索、依赖进口。而各高校机械、动力、能源、机电等专业的动平衡实验课所使用的设备，要么是原始的机械式动平衡机、要么是通用硬支承工业动平衡机。前者陈旧落后已远不适应教学需要，后者功能单一、价格昂贵、安装要求高，无法在实验室广泛普及，仅能供学生参观演示。单一的硬支承功能也只适合于低速平衡刚性转子，而当今工程上已日渐普遍使用的高速、高精度和超临界转子的平衡方法以及现场动平衡方法不能通过实验向学生演示，不能普及当然无法让学生人人动手操作加深印象和理解。
针对上述问题，本实用新型的目的，是设计一种既能含盖硬支承动平衡测量模式又能模拟高速、精密的软支承测量模式还能独立对刚性或柔性转子进行现场整机动平衡、功能齐全、价格低廉的智能化教学实验用动平衡机，易于教学和普及，以期通过实验使学生对当今动平衡技术有一个较完整和深入的了解。
为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是将微电子技术和机械技术有机的结合起来，设计一种智能教学实验动平衡机。本机包括电测箱1和平衡机床身两大部分组成，其特点是电测箱是由箱体和设置在平衡机床身上的一对有源压电力传感器4、光电传感器6与计算机数字处理系统、限幅整形电路、锁相倍频电路、前置处理器、跟踪滤波器、AGC电路、ADC电路连接等构成；平衡机床身是由底座2、一对半硬支承摇摆架3、电动机5、开关按扭8、9、指示灯10所组成。
本实用新型的另一个特点是有源压力传感器将接收的信号送入前置处理器，经处理后的信号输入跟踪滤波器，与AGC电路组成左、右振动信号通道；光电传感器将信号输入限幅整形电路，和锁相倍频电路组成参考信号通道；振动信号通道输入ADC电路转换成数字量与信号参考通道一起输入由89C51单片机为核心，配置有键盘接口、扩展ROM、RAM、扩展打印接口及LED显示器的计算机数字处理系统中。
由于用本实用新型采用了微电子技术和机械技术的结合，最主要的特点是能在一个半硬支承的机架上不经调整即可实现硬支承动平衡的A，B，C尺寸解算和软支承的影响系数法解算，既可进行动平衡校正亦可进行静平衡校正，具有动平衡教学实验所需的各种功能，从软件代替硬件的智能化设计使得该平衡机的成本大为降低，从而使动平衡实验教学普及成为可能。
图1是本实用新型的结构简图；图2是本实用新型的测试系统框图；图3是振动通道的原理图；图4是参考信号通道的电原理图；图5是计算机处理系统电原理图；图6是键盘和显示器的电原理图。
以下结合附图及实施例对本实用新型做进一步的说明。
参见图1，图2。本实用新型的平衡机床身的底座2上安装有一对半硬支承架3，半硬支承架上安装一对有源压电力传感器4，底座2上固定电动机5和光电传感器6，底座下装有减振底座7，电动机5的传动皮带和被测工件11相连接放置在硬支承架3上；两个有源压电力传感器的信号连接到电测箱1上的限幅调整电路的输入端，其输出端连接在前置处理电路的输入端，前置处理电路的输出端接在跟踪滤波器的输入端，其输出端接在AGC电路的输入端组成左、右振动信号通道；光电传感器的信号连接到限幅调整电路的输入端，限幅调整电路的输出端与锁相倍频电路相连，共同组成参考信号通道；两路振动信号通道的输出端进入ADC电路被转换成数字量，和信号参考通道一起输入以89C51单片机为核心，配置有键盘接口、扩展ROM、RAM、扩展打印接口及LED显示器的计算机数字处理系统中。
参见图3。运放U1及其外围元件R1-R5和C1、C2构成前置变换级，用来把传感器输出的电荷量变换成电压量。R1、R2和R3接成T型网络，其目的在于由低值电阻获得GΩ级的足够大的等效传输阻抗以保证电路的低频响应，避免使用高值电阻引起的噪声和漂移。C2的引入可以抑制传感器输出的漂移，本级电路有20dB的增益。
U2A、U3和外围元件R6-R12组成自动增益控制电路(AGC)，显而易见该电路实质上是一个程控增益放大器。采样瞬间CPU自动判别信号的幅度大小并据此向本电路发出二位控制指令码以改变4051的选通端、决定R8、R9、R10或R1的接入，从而自动改变电路的增益。4051的接法能保证双极性模拟信号通过，两位控制码可实现4种增益。采样时CPU共写出4位增益码分别控制左、右通道，以保证合适的采样电平。U2B(TL072的另一半)足跟随器电路，对U2A的输出进行缓冲隔离。
U4是MF10单片积成开关电容滤波器，该芯片是万能滤波器，具有多种工作模式，由时钟信号CLK控制实现跟踪滤波。MF10及其外接电阻R15-R22的接法使得本电路在高、低通组合模式下工作，复合构成四阶带通滤波器，用以提高信噪比，与软件的相关滤波模块共同完成同频振动分量提取。传感器来的振动信号经前置处理、AGC电路、跟踪滤波后由U5隔离输出。
参见图4。U6、R28、R29、R30构成比较器电路，用来对光电传感器来的参考信号进行整形处理。R26和R27对电源电压分压决定比较门限，R32、R34和D3用来限幅和信号极性保护。发光管D2是比较器工作提示。
集成数字锁相环4046(U7)4040(U8)构成锁相倍频电路，外接元件R36、R33、C4和C5共同决定电路的低端频率，输出信号CLK一方面用来作为MF10的工作时钟，另一方面与CLKA信号同时输入给计算机，由软件完成转速测量和相位测量。
图5是计算机处理系统的原理电路，它是以U9(89C51)为核心构成的单片机系统。U9的P00-P07为系统的数据总线，系统的低8位地址由U10(74LS373)锁存，高8位地址为P20-P27。U9的P1口(低4位)作为AGC电路控制口，增益控制是由该口整字节写出的。系统扩展一片ROM(U12 27256)和一片RAM(U11 6264)。U13(8155)是键盘接口。U14(8255)是A/D变换器接口，U14的PA口为数据口，PB口用作控制口，PC0作为左、右通道切换控制用，左、右通道分时整周期采样。
U17(74LS138)、U18(74LS245)是显示器接口U17对地址A3、A4译码形成三个选通信号(DISCS1、DISCS2、DISCS3)用来选通显示板的三个地址段，与低三位地址A[0...2]共同选通显示板的各字位、字型码则是由数据总线经U18缓冲后的DD[0..7]写出。
U19A、U19B、R37、R38与E1构成复位电路，手控复位由RST经由插座CT-1与键盘板上的复位键相连。
U16B把U9的第29脚和第17脚复合作为读信号，系统采用ROM、RAM、端口统一编址，高三位地址(A13、A14、A15)经U15(74LS138)译码作为片选信号。U16A对U15的前四个8K地址进行复合形成32K的程序地址，地址分配为程序区占用000H-7FFFH，显示器占用8000H-9FFFH，键盘接口占用0A000H-0BFFFH，RAM的地址为0C000H-0DFFFH，采样通道占用0E000H-0FFFFH。
参考信号通道来的CLK与CLKA信号配合共同完成转速测量、相位测量、跟踪滤波控制和同步整周期采样。
图6上部为显示器的系统连接图；右下部方框内为每个显示位的驱动控制连接图，共阳数码管由74F273锁存驱动；左下部为键盘部分的电路。
21个七段数码管的锁存驱动连接完全相同，U19用来选通前8个显示位，U20用来选通第9到第16个显示位，其余5位由U21选通，字型码则是由CPU直接写在总线DD[0..7]上。测量和运行的全部信息由这21个数码管静态显示，其位地址为8000H-8014H。其中8000H-8003H和8008H-800BH位分别为左、右幅度信息段，8014H-8012H和800EH-800CH分别为左、右相位信息段，8004H-8007H为转速信息段，8011H-800FH为机器运行状态信息段。
16键键盘通过插座CT-1与接口芯片8155相连。其中SETUP、EXE为功能键，RESET为控制键，HALT和+/-为乒乓键、POINT/PRINT为小数点或可扩展打印接口引导的复用键，其余为数字键。
当被测(工件)转子11在平衡机床身上被电动机5的皮带拖动旋转后，由于转子的中心惯性，主轴与其旋转轴线存在偏移产生不平衡离心力，迫使半硬支承摇摆架做强迫振动，安装在半硬支承摇摆架上的两个有源电力传感器受此力而发生机电换能，产生两路包含不平衡信息的电信号输出供给测试系统；与此同时，安装在转子附近的光电传感器也产生与转子旋转同频同相的参考信号做为基准信号被输入测试系统中。平衡机床身上设置的开关按纽8、9和指示灯10用于显示平衡机床身的工作状态。
测试系统接收此三路信号后，由硬件电路进行前置处理、跟踪滤波、幅度调整，改善信噪比并获得合适的电平后经由ADC电路变换为数字量输入至计算机处理系统，在固化在测试系统內部的动平衡软件包支持下，通过静噪、幅、相分离，相关提取，校正面之间的分离解算，最小二乘加权处理等，最终算出左右两平面的不平衡量(克)和校正角(度)，由数码管显示，并同时给出实测转速(r/min)。
半硬支承模式的分离解算是利用转子的A、B、C尺寸算法与软支承模式影响系数解算法混合实现，系统参数的运行模式切换均是在停机状态下由命令设置。软/硬模式都是在同一硬支承摇摆架上进行，切换时支承摇摆架无需更换或调整。
权利要求1.一种智能教学实验动平衡机，包括电测箱[1]和平衡机床身两大部分组成，其特征在于电测箱[1]是由箱体和设置在平衡机床身上的一对有源压电力传感器[4]、光电传感器[6]与计算机数字处理系统、限幅整形电路、锁相信频电路、前置处理器、跟踪滤波器、AGC电路、ADC电路连接等构成；光电传感器[6]将接收的信号送入限幅整形电路，经限幅整形后输入锁相信频电路，锁相倍频电路将信号的一部分送入计算机数字处理系统，另一部分输入跟踪滤波器，经AGC电路、ADC电路也输入计算机数字处理系统中；平衡机床身上的一对有源压电力传感器[4]设置在被测工件的两端，将接收的信号送入前置处理器，经处理后的信号输入跟踪滤波器与AGC电路，并通过ADC电路输入计算机数字处理系统中；平衡机床身包括一个底座[2]，底座[2]上固定有一对半硬支承摇摆架[3]，一对半硬支承摇摆架[3]上均安装有源压电力传感器[4]，半硬支承摇摆架[3]上用于放置和支撑被测工件，底座[2]上还固定有电动机[5]，电动机[5]通过皮带与被测工件相连，底座[2]上装有开关按扭[8]、[9]、指示灯[10] 和光电传感器[6]。
2.根据权利要求1所述的智能教学动平衡机，其特征在于所述的一对有源压电力传感器[4]将接收的信号送入前置处理器，经处理后的信号输入跟踪滤波器与AGC电路共同组成左、右振动信号通道；光电传感器[6]将信号输入限幅整形电路，与锁相倍频电路组成参考信号通道；振动信号通道输入ADC电路转换成数字量与信号参考通道一起输入由89C51单片机为核心、配置有键盘接口、扩展ROM、RAM、扩展打印接口及LED显示器的计算机数字处理系统中。
专利摘要本实用新型公开了一种智能教学实验动平衡机,包括电测箱和平衡机床身两大部分,电测箱由有源压电力传感器,光电传感器及计算机处理系统及限幅整形电路,锁相倍频电路,前置处理器,跟踪滤波器,AGC电路,ADC电路等组成,平衡机床身是由底座、一对半硬支承摇摆架、电动机等组成,具有动/静平衡,硬/软支承平衡等多项设置功能,体积小,使用安全可靠,可让学生动手操作,通过实验使学生对当今动平衡技术有一个较完整和深入的了解。
文档编号G01M1/00GK2478196SQ0121313
公开日2002年2月20日 申请日期2001年3月30日 优先权日2001年3月30日
发明者蔡书平, 李平安, 贾焕如, 李建海, 赵稳年, 顾正祥 申请人:西安交通大学, 西安市高凯电子技术应用研究所