旋转圆盘振动检测控制装置及方法与流程

本发明涉及一种振动检测控制装置，尤其是一种旋转圆盘振动检测控制装置及方法，属于柔性旋转结构的振动检测与控制领域。

背景技术

随着高速旋转机械在工业领域的广泛应用，由旋转机械本身的横向振动引发的故障层出不穷。其中，旋转圆盘属于工业应用中基本旋转机械结构，如涡轮机、圆锯、陀螺仪、计算机存储设备等，随着旋转圆盘的厚度减小和转速升高，由于安装轴的偏心或外界扰动导致的横向振动会影响或限制机械的使用性能，甚至使结构发生破坏。因而对旋转圆盘类结构的振动控制以及稳定性的要求越来越严格，需要加入作动器施加主动控制。但对于旋转结构，有线式的传感器或作动器安装成为难题，实施非接触式的测量以及作动是对其振动控制的关键环节。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种旋转圆盘振动检测控制装置，该装置可以实现对旋转圆盘横向振动的快速稳定检测及主动控制。

本发明的另一目的在于提供一种旋转圆盘振动检测控制方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

旋转圆盘振动检测控制装置，包括圆盘、旋转驱动机构、振动激励机构、振动控制机构、振动检测机构以及控制组件，所述圆盘垂直于水平面，所述旋转驱动机构与圆盘连接，用于驱动圆盘旋转；所述振动激励机构用于激励圆盘产生横向振动；所述振动控制机构用于抑制圆盘的横向振动；所述振动检测机构包括激光位移传感器和无线加速度传感器，所述激光位移传感器的测量头正对圆盘的表面，所述无线加速度传感器设置在圆盘的表面，并与无线网关连接；所述控制组件分别与振动控制机构、激光位移传感器、无线网关连接。

进一步的，所述旋转驱动机构包括伺服电机、减速器、联轴器、法兰件和电机控制箱，所述伺服电机自带光电编码器，伺服电机的输出轴与减速器的输入轴连接，所述减速器的输出轴通过联轴器与法兰件的连接轴连接，所述法兰件与圆盘固定连接，所述电机控制箱与伺服电机连接。

进一步的，所述装置还包括支撑平台，所述伺服电机固定在支撑平台上。

进一步的，所述振动激励机构包括电涡流作动器、第一转换电路和信号发生器，所述电涡流作动器的铁芯两端关于圆盘对称，所述信号发生器通过第一转换电路与电涡流作动器连接。

进一步的，所述振动控制机构包括电涡流阻尼器和第二转换电路，所述电涡流阻尼器的铁芯两端关于圆盘对称，所述控制组件通过第二转换电路与电涡流阻尼器连接。

进一步的，所述控制组件包括工控机、a/d采集卡、调理电路和d/a转换卡；

所述工控机通过a/d采集卡与调理电路连接，通过usb接口与无线网关连接，以及通过d/a转换卡与振动控制机构连接，所述调理电路与激光位移传感器连接。

进一步的，所述装置还包括工作平台，所述激光位移传感器的测量头设置在工作平台上。

进一步的，所述激光位移传感器的测量头固定在端面连接板上，所述端面连接板与工作平台的竖向支撑杆滑动连接。

进一步的，所述无线加速度传感器吸附于圆盘表面，其内置有传感模块、电源模块、采集处理模块和无线收发模块。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

旋转圆盘振动检测控制方法，所述方法包括：

在旋转驱动机构中，电机控制箱控制伺服电机带动圆盘稳定旋转；

在振动激励机构中，信号发生器产生激励信号，经第一转换电路转换为电涡流作动器线圈内的电流信号，引起圆盘表面附近区域磁场变化，圆盘内产生的电涡流与磁场作用，产生电磁激振力，激起旋转圆盘的横向振动；

激光位移传感器检测振动信号，通过调理电路滤波放大后，经a/d采集卡采集传给工控机；

无线加速度传感器检测吸附位置圆盘的振动信息，通过beenet网络协议传输给无线网关，无线网关传输给工控机；

工控机对检测信号进行对比加权分析后，运行控制算法，输出相应控制量，通过d/a转换卡转换为模拟量，再经第二转换电路改变电涡流阻尼器的线圈电流，产生阻尼力抑制旋转圆盘的振动。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明将激光位移传感器的测量头正对圆盘的表面，以及将无线加速度传感器设置在圆盘的表面，采用激光位移传感器进行非接触测量，结合无线传感器接触测量远距离无线传输，多种避免绕线的检测方式结合，相互验证提高可靠性，多点检测，提高精度。

2、本发明通过旋转驱动机构驱动圆盘旋转后，可以采用电涡流作动器激励旋转圆盘产生横向振动，并且可以采用电涡流阻尼器抑制旋转圆盘的横向振动，非接触方式施力，避免绕线问题，且无机械摩擦，驱动力大，实现对旋转圆盘的横向振动施加主动控制。

3、本发明采用伺服电机和减速器驱动旋转，编码器与电机控制箱实现旋转运动的闭环控制，提供稳定转速，优化控制性能；同时可通过改变减速器减速比研究转速变化对控制效果的影响。

附图说明

图1为本发明实施例1的旋转圆盘振动检测控制装置总体结构示意图。

图2为本发明实施例1的旋转圆盘振动检测控制装置的左视图。

图3为本发明实施例1的旋转圆盘振动检测控制装置的俯视图。

图4为本发明实施例1的圆盘与旋转驱动机构连接的示意图。

图5为本发明实施例1的旋转圆盘振动检测控制装置测点、作动点和阻尼点示意图。

其中，1-圆盘，2-伺服电机，3-减速器，4-联轴器，5-法兰件，6-电机控制箱，7-轴承，8-光电编码器，9-支撑平台，901-第一竖向支撑杆，902-横向支撑杆，903-第一层板，904-第二层板，10-第一底座，11-第二底座，12-电涡流作动器，13-第一转换电路，14-信号发生器，15-电涡流阻尼器，16-第二转换电路，17-第三底座，18-第四底座，19-激光位移传感器，20-无线加速度传感器，21-工作平台，2101-第二竖向支撑杆，2102-第三层板，2103-第四层板，22-端面连接板，23-无线网关，24-作动点，25-阻尼点，26-第一激光检测点，27-第二激光检测点，28-第三激光检测点，29-第四激光检测点，30-第一加速度检测节点，31-第二加速度检测节点，32-工控机，33-a/d采集卡，34-调理电路，35-d/a转换卡。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

非接触式的振动检测通常采用激光位移传感器、无线加速度传感器、视觉传感器等。激光位移传感器是通过接收到被测物表面反射回来的激光时间变化来实现振动量检测，响应快、测量可靠性高；无线加速度传感器是通过在被测物表面安装传感节点，检测振动信息后通过内部的无线收发模块将数据按照网络协议封装发送给无线网关，无线网关再通过usb接口将振动数据传给计算机，功耗低，采用数字信号传输，传输速率快且避免了电路噪声干扰；视觉传感器采用两个工业相机采集图像并处理得到旋转圆盘上标志点三维坐标变化从而检测振动，信息量大，精度高，但处理时间长对于后续实时控制具有难度。因此，本实施例采用激光位移传感器和无线加速度传感器实现非接触式的振动检测。

此外，现有的可对旋转结构施加阻尼进行振动控制的作动器主要有：挤压油膜阻尼器、形状记忆合金作动器、电涡流作动器。挤压油膜阻尼器可较好的抑制由于轴承安装偏心导致的旋转圆盘的横向振动，但设计不当时，将大幅度增加油膜反力的非线性特性，使控制效果变差，可靠性低。形状记忆合金可通过温度变化控制伸缩形成阻尼力，结构简单、质量轻，但受外界温度变化影响大，稳定性差；电涡流作动器借助电磁力对旋转圆盘进行振动控制，具有非接触、无机械摩擦和磨损、无需润滑和阻尼可控的优点。因此，本实施例采用电涡流作动器对旋转圆盘进行控制。

如图1～图3所示，本实施例提供了一种旋转圆盘振动检测控制装置，该装置包括圆盘1、旋转驱动机构、振动激励机构、振动控制机构、振动检测机构和控制组件，圆盘1垂直于水平面，图1中的虚线指示了各个设备之间的连线关系，方向箭头表明了检测信号流的传递方向，图2和图3中的虚线表示激光位移传感器的测量头方向。

如图1～图4所示，所述旋转驱动机构包括伺服电机2、减速器3、联轴器4、法兰件5和电机控制箱6，伺服电机2的输出轴与减速器3的输入轴连接，减速器3的输出轴通过联轴器4与法兰件5的连接轴连接，法兰件5通过端盖夹紧圆盘，并通过螺栓固定连接，电机控制箱6与伺服电机2连接；为了使旋转驱动机构更稳定，该旋转驱动机构还包括轴承7，减速器3的输出轴通过轴承7支承；此外，伺服电机2自带光电编码器8，可读取伺服电机2的转速，并反馈给电机控制箱6，形成位置闭环或速度闭环控制。

驱动过程中，伺服电机2的输出轴动力经减速器3以一定减速比减速后，通过联轴器4传递给法兰件5的连接轴，带动夹紧的圆盘1旋转，轴承7提供支撑作用，光电编码器8测得伺服电机2转速并反馈给电机控制箱6，电机控制箱6调整输出电压形成闭环控制。

优选地，为了更好地支撑旋转驱动机构和圆盘1，本实施例的旋转圆盘振动检测控制装置还包括支撑平台9，该支撑平台9包括六根第一竖向支撑杆901、八根横向支撑杆902和两块层板，两块层板从上到下分别为第一层板903和第二层板904，六根第一竖向支撑杆901中有两根是长杆，有四根是短杆，两根长杆和其中两根短杆通过其中四根横向支撑杆902分别与第一层板903连接，并且这两根短杆固定在第二层板904上，第二层板904的长度大于第一层板903，而圆盘1正好位于第二层板904比第一层板903长出的部分上方，两根长杆和另外两根短杆通过另外四根横向支撑杆902分别与第二层板904连接；伺服电机2固定在第一层板903的上表面，具体地，伺服电机2安装在第一底座10上，第一底座10通过螺栓固定在第一层板903的上表面，轴承7带有第二底座11，该第二底座11也安装在第一层板903的上表面，圆盘1位于第一层板903的侧向位置，法兰件5伸出第一层板903一定距离，保证圆盘1可自由横向振动，圆盘1的内边界为夹紧端，外边界为自由端。

在本实施例中，圆盘1选用低碳钢材质，外径600mm，内径150mm，厚度2mm，电导率δ＝1.7μωcm，弹性模量e＝200gpa，密度ρ＝7850kg/m3，泊松比υ＝0.3；伺服电机2选用安川电机有限公司的型号为sgmav-08ada61的三相交流伺服电机，功率为0.75kw，额定转速为3000r/min，配套有20位高分辨率串行光电编码器8，为增量式；减速器3采用新宝公司生产的行星减速器，型号为vrb-090-7-k3-19hb16，减速比为1:7；联轴器4选用米思米公司生产的mcslcwk50高扭矩夹持型膜片式联轴器；电机控制箱6主要为安川公司型号为sgdv-5r5a11a的伺服驱动器，内置稳压模块；轴承7选用米思米公司的型号6205zz的深沟球轴承，带铝合金构成的第二底座11；支撑平台9由长度不等的60mm×60mm的型材和两层不锈钢板搭建而成。

所述振动激励机构用于激励圆盘1产生横向振动，包括电涡流作动器12、第一转换电路13和信号发生器14，电涡流作动器12为基于电磁力的电涡流作动器，通过变化电流导致圆盘1表面电涡流的改变激起圆盘1的横向振动，电涡流作动器12的铁芯两端关于圆盘1对称，并靠近圆盘1的右边缘，信号发生器14通过第一转换电路15与电涡流作动器12连接，具体地，信号发生器14与第一转换电路15连接，第一转换电路15与电涡流作动器12的线圈连接，信号发生器14发出脉冲激振信号后，经第一转换电路15转换为电涡流作动器12的线圈脉冲电流，进而驱动圆盘1振动。

所述振动控制机构用于抑制圆盘1的横向振动，包括电涡流阻尼器15和第二转换电路16，电涡流阻尼器15为基于电磁力的电涡流阻尼器，电涡流阻尼器15的铁芯两端关于圆盘1对称，并靠近圆盘1的左边缘，控制组件通过第二转换电路16与电涡流阻尼器15连接，具体地，控制组件与第二转换电路16连接，第二转换电路16与电涡流阻尼器15的线圈连接，控制组件通过第二转换电路16改变电涡流阻尼器15的线圈电流，产生抑制圆盘1振动的阻尼力。

进一步地，电涡流作动器12通过第三底座17固定在支撑平台9的第二层板904上表面比第一层板903长出的部分，电涡流阻尼器15通过第四底座18固定在支撑平台9的第二层板904上表面比第一层板903长出的部分，且电涡流作动器12和电涡流阻尼器15相对。

具体地，电涡流作动器12和电涡流阻尼器15由硅钢片铁芯、线圈组成，硅钢片铁芯由若干e型硅钢片堆叠而成，绕制线圈；电涡流作动器12的铁芯通过第三底座17夹持，电涡流阻尼器15的铁芯通过第四底座18夹持，配有调节旋钮调节夹持高度，第三底座17、第四底座18通过螺栓固定在支撑平台9的第二层板904上表面。

在本实施例中，电涡流作动器12和电涡流阻尼器15采用高磁导率的硅钢片堆叠作为铁芯，包卷线径0.59mm的铜线；信号发生器14选用选用优利德uni-t公司生产的型号为utg9002c的多函数信号发生器，可产生0.2hz～2mhz的正弦波或脉冲波，频率误差≤1％，最大幅值为20v；第一转换电路15和第二转换电路16具有电压转换及信号放大的作用。

所述振动检测机构包括激光位移传感器19和无线加速度传感器20。

激光位移传感器19有四个，每个激光位移传感器19包括测量头和控制器，配套控制器未示出，因此可认为图中的19指的是测量头，测量头对称安装，并正对圆盘1表面，相隔初始间距，激光位移传感器19检测圆盘1的振动信息后传给控制组件。

为了方便对测量头的测量间距进行调整，本实施例的旋转圆盘振动检测控制装置还包括工作平台21，该工作平台21包括四根第二竖向支撑杆2101和两块层板，两块层板从上到下分别为第三层板2102和第四层板2103，四根第二竖向支撑杆2101的上端分别第一层板2102的四个角固定连接，四根第二竖向支撑杆2101的下部分别与第二层板2103的四个角固定连接，激光位移传感器19的测量头设置在其中两根距离圆盘1较近的第二竖向支撑杆2101上，具体地，其中两个测量头设置在左边距离圆盘1较近的第二竖向支撑杆2101上，另外两个测量头设置在右边距离圆盘1较近的第二竖向支撑杆2101上，通过移动工作平台21可以调整测量头的测量间距；激光位移传感器19的测量头固定在端面连接板22上，端面连接板22与第二竖向支撑杆2101滑动连接，通过移动端面连接板22在第二竖向支撑杆2101上的位置，可以调整测量头的垂直位置。

所述无线加速度传感器20有两个，无线加速度传感器20吸附于圆盘1表面，具体通过粘贴磁座吸附于圆盘1表面，测量主轴与圆盘1的横向振动方向一致，两个无线加速度传感器20初始位置关于水平中线上下对称分布，无线加速度传感器20与无线网关23连接，无线网关23与控制组件连接。

进一步地，无线加速度传感器20为无线加速度传感器测量系统中的传感器节点，内置传感模块、电源模块、采集处理模块、无线收发模块，检测到圆盘1的横向振动信息后，通过beenet网络协议传输给无线网关23，无线网关23再传输给控制组件。

激光位移传感器19和无线加速度传感器20这两种传感器的检测可单独进行，当测量安装空间有限制时，可单独采用无线加速度传感器20检测，当需对圆盘1进行动态特性研究时，为了避免质量负载带来的结构特性改变，可单独采用激光位移传感器19检测。

在本实施例中，激光位移传感器19的测量头选用日本基恩士公司生产的lk-500，激光波长为670nm，最大功率为0.95mw，选用配套的lk-2500控制器进行激光光束调节；无线加速度传感器20采用博隆嘉兴公司的a101单轴无线加速度传感器，量程±10g，传输速率为250kbps，通讯距离可达100m，重量85克，搭配具有usb接口的无线网关23。

如图5所示，电涡流作动器12的作动点24在圆盘1的右边缘，和电涡流阻尼器15的阻尼点25在圆盘1的左边缘，由于设置了四个激光位移传感器19，因此在圆盘1表面上有四个激光检测点，分别为第一激光检测点26、第二激光检测点27、第三激光检测点28和第四激光检测点29，由于设置了两个无线加速度传感器20，因此在圆盘1表面上有两个加速度检测节点，分别为第一加速度检测节点30和第二加速度检测节点31。

所述控制组件包括工控机32、a/d采集卡33、调理电路34和d/a转换卡35，工控机32通过a/d采集卡33与调理电路34连接，通过usb接口与无线网关23连接，以及通过d/a转换卡35与第二转换电路16连接，调理电路34与激光位移传感器19连接。

如上所述，信号发生器14发出脉冲激振信号后，经第一转换电路13转换为电涡流作动器12的线圈脉冲电流，进而驱动圆盘1振动；激光位移传感器19检测圆盘1的振动信息后，通过调理电路34对信号进行处理，再由a/d采集卡33采集传给工控机32，无线加速度传感器20检测振动信息后，通过beenet网络协议传输给无线网关23，工控机32再通过usb接口读取数据，进而比较分析二者信息，其中两种传感器更新速率保持一致，保证工控机32的信息比对；工控机32运行控制算法输出控制量，通过d/a转换卡35将信号转换为模拟量，再通过第二转换电路16改变电涡流阻尼器15的线圈电流，产生抑制圆盘1振动的阻尼力。

在本实施例中，a/d采集卡33选用研华pcl-813b12位32路通道采集卡，采样率为25ks/s；d/a转换卡35采用研华型号pcl-727的d/a转换卡，内置12位分辨率双缓冲d/a转换电路，可实现工控机输出数字量向模拟量的即时转换。

如图1～图5所示，本实施例还提供了一种旋转圆盘振动检测控制方法，该方法基于上述装置实现，包括以下步骤：

步骤一、初始化各部分参数，设置电机控制箱6参数，使电机控制箱6控制伺服电机2带动圆盘1稳定旋转。

步骤二、信号发生器14产生激励信号，经第一转换电路13转换为电涡流作动器12线圈内的电流信号，引起圆盘1表面附近区域磁场变化，圆盘1内产生的电涡流与磁场作用，产生电磁激振力，激起旋转圆盘1的横向振动。

步骤三、激光位移传感器19检测振动信号，通过调理电路34滤波放大后，经a/d采集卡33采集传给工控机。

步骤四、无线加速度传感器20检测吸附位置圆盘1的振动信息，通过beenet网络协议传输给无线网关23，无线网关23传输给工控机32。

步骤五、工控机32对检测信号进行对比加权分析后，运行控制算法，输出相应控制量，通过d/a转换卡35转换为模拟量，再经第二转换电路16改变电涡流阻尼器15的线圈电流，产生阻尼力抑制旋转圆盘1的振动。

可以理解，上述步骤三和步骤四可同时进行。

综上所述，本发明将激光位移传感器的测量头正对圆盘的表面，以及将无线加速度传感器设置在圆盘的表面，采用激光位移传感器进行非接触测量，结合无线传感器接触测量远距离无线传输，多种避免绕线的检测方式结合，相互验证提高可靠性，多点检测，提高精度。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。