专利名称：一种无附加传感器的水平回转体动平衡检测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种动平衡检测系统，尤其涉及一种无附加传感器的动平衡检测系统。
背景技术：
常用机械中包含着大量的作旋转运动的零部件，例如各种传动轴、主轴、转台和电动机等，统称为回转体。在理想的情况下回转体旋转时与不旋转时，对轴承产生的压力是一样的，这样的回转体是平衡的回转体。但工程中的各种回转体，由于材质不均匀或毛坯缺陷、加工及装配中产生的误差，甚至设计时就具有非对称的几何形状等多种因素，使得回转体在旋转时，其上每个微小质点产生的离心惯性力不能相互抵消，离心惯性力通过轴承作用到机械及其基础上，弓I起振动，振动的幅度将和物体的角速度、物体的不均衡点的有效质量、有效半径、以及支撑物的刚度有关，产生了噪音，加速轴承磨损，运行不稳等，严重影响设备的使用寿命、安全性和设备的精度，严重时能造成破坏性事故。为此，必须对回转体进行平衡分析和补偿，使其达到允许的平衡精度等级，或使产生的机械振动幅度降在允许的范围内。国外的一些厂商提供的现场动平衡检测设备一般都采用加速度传感器和转速传感器的方法进行平衡检测计算，这样不仅成本高，而且在某些场合操作不方便，所以一种根据实际机械设备的特性，而研制一种适于在数控系统中应用，进行实时的动平衡监测的无附加传感器动平衡检测系统，是十分必要的。注本实用新型的系统中利用了下列技术内容如
图1所示动平衡分析装置部分，包括前端信号处理单元，主要用于对由于电机不平衡旋转产生的振动信号进行采集和转换(外部表示不平衡旋转产生振动的信号，包含振动的频率，幅度和相位等信息)，进行AD采样等操作，以达到调整信号输入范围，把振动信号的模拟量转换成数字量，保证FFT信号处理有足够的带宽。FIFO，主要作为外部输入数据的缓冲单元(即对外部输入电机不平衡旋转造成振动信号进行缓冲);将外部高速AD采集的数据暂存到FIFO中，等到FIFO满后一次性将数据送到双端口 RAM储存单元中，用于FFT处理器计算；控制单元主要作为各个单元协调工作的控制器。控制单元负责产生读地址、写地址、使能信号以及各个相关模块的启动信号。双端口 RAM储存单元，用于对外部输入的原始数据进行缓存，以及用来暂存经过蝶形运算后的中间数据，每个蝶行运算的输入输出数据均要经过RAM的读写操作。因此，RAM的频繁读写操作速度对FFT的处理速度影响较大。为了加快FFT的运算速度，需要构造双端口 RAM来加快数据传输的吞吐量；本实施例采用两个双端口 RAM存储单元(即双口RAMl和双口 RAM2)。显示单元，用于对数据处理单元传送过来的振动信息和补偿信息的数据进行显示。FFT处理器，利用傅立叶变换对高速A/D采集到的时域信号转换为频域信号；FFT处理器把FFT实时化的要求和芯片设计灵活性结合了起来，实现并行算法与硬件结构的优化配置，提高了 FFT处理速度，满足了振动信号分析处理的高速度、高分辨率、高可靠性的要求。快速傅立叶变换可以精确对振动频率提纯，而且可以得到由于回转体不平衡旋(即电机不平衡旋转造成振动信号)转导致振动特征频率的幅值和相位。数据处理单元，用于对FFT处理后的复域数据进行求模值运算和相位计算，根据在转速一定的情况下，振动的模值和偏心点质量成线性比例关系。通过求初始化质量与振动信号的模值的比例系数，在转速不变的情况下，通过再次测量振动信号的模值和相位，利用这个比例系数来确定需要补偿的质量(添加或是削减)M和相对位置，以输出包括当前转速，需要补偿的质量(添加或是削减)和相对位置结果(即得到振动信号的幅频特性和相位特性，基频信号的幅值和相位反映出偏心点的相对质量和相对位置与振动频率的关系)。如图2所示FFT处理器包括地址控制模块、蝶形运算单元、旋转因子表存储单元和倒序模块地址控制模块用来产生使能信号，并起到各单元的时序控制作用，以及产生正确的旋转因子表查找地址，以及RAM的读写地址，对各模块的时序进行有效控制，保证系统正
常工作。 所述蝶形运算单元，用于对存储双端口 RAM储存单元的电机不平衡旋转造成振动信号进行蝶形运算，所述蝶形运算按照抽取方式的不同可分为DIT-FFT (按时间抽取)和DIF-FFT (按频率抽取)算法。按照蝶形运算的构成不同可分为基2、基4、基8和任意因子(2n，n为大于I的整数)，以及分裂基等。为更清楚的表示蝶形运算单元的工作过程，以基-2循环结构为例进行说明(这也是本实用新型所述装置的最优实例，与流水线结构相t匕，运算速度下降，但由于其只使用一个蝶形处理器，所以占用的资源最少，流水线结构的运算速率是这种循环结构的Iog2N倍。)，模型如图3所示基-2FFT中，N为采样点数，N=2m，共有M级运算，每级有N/2个2点FFT蝶形运算，因此N点FFT共有(N/2) Iog2N个蝶形运算。I个基-2蝶形运算由I个复乘运算单元和2个复加运算单元组成。其公式如下
权利要求1.一种无附加传感器的水平回转体动平衡检测系统，包括 将采集到的模拟量信号即电机不平衡旋转造成振动信号转换成数字量的前端信号处理单元； 连接前端信号处理单元，对外部输入电机不平衡旋转造成振动信号的数字量进行缓冲的FIFO单元； 连接FIFO单元，将电机转速对应的频率转换成回转体不平衡旋转导致振动特征频率的幅值和相位的FFT处理器； 连接FFT处理器、前端信号处理单元和数据处理单元，用于产生读地址、写地址、使能信号以及各个相关模块的启动信号和控制信号的控制单元； 连接控制单元和FFT处理器，对外部输入的原始数据进行缓存，以及用来暂存经过蝶形运算后的中间数据的双端口 RAM储存单元； 连接双端口 RAM储存单元，对FFT处理后的复域数据进行求模值运算和相位处理，通过振动的模值和偏心点质量的关系对动平衡振动数据进行处理，输出补偿的质量和相对位置的数据处理单元； 连接数据处理单元，对数据处理单元传送过来的振动信息和补偿信息的数据进行显示的显示单元； 其特征在于前端信号处理单元通过电流传感器连接到水平回转体的驱动电机的伺服驱动器上获取驱动电流值； 上述各单元进行数据连接。
2.根据权利要求1所述的一种无附加传感器的水平回转体动平衡检测系统，其特征在于上述各组成模块都集成在现场可编程门阵列FPGA中。
专利摘要本实用新型公开了一种无附加传感器的水平回转体动平衡检测系统，其特征在于前端信号处理单元通过电流传感器连接到水平回转体的驱动电机的伺服驱动器上，将采集信号发送到与其连接的FIFO中；FFT处理器同FIFO相连接，将处理的中间数据和原始数据储存在于其连接的双端口RAM储存单元中；数据处理单元同双端口RAM存储单元相连接，通过计算获取输出补偿的质量和相对位置后发送于其连接的显示单元上进行显示；控制单元分别同前端信号处理单元、FFT处理器、双端口RAM存储单元以及数据处理单元相连接用于读地址、写地址、使能信号以及各个相关模块的启动控制。该系统具有误差小、安装方便和成本低廉等优点适于广泛推广。
文档编号G01M1/22GK202836884SQ20122022015
公开日2013年3月27日 申请日期2012年5月16日 优先权日2011年5月16日
发明者张赞秋, 于德海, 郝天阳, 李俊, 隋继平 申请人:大连光洋科技工程有限公司