智能教學實驗動平衡機的製作方法

2023-05-24 20:13:11

專利名稱：智能教學實驗動平衡機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種微電子技術數位化的教學實驗設備，具體的說是一種智能教學動平衡機。
目前國內動平衡測試技術手段和動平衡測試工程需求之間矛盾突出。一方面各類旋轉機械的轉速越來越高、達到數萬乃至十數萬r/min，超臨界乃至超二階、三階臨界的柔性轉子在工程中已很多見，大型高速複雜設備對動平衡測試技術提出許多新課題，工業及家電產品的低振動和低噪聲指標都要求動平衡精度不斷提高，軍工、紡機等輕小轉子往往只允許幾個毫克甚至零點幾個毫克的殘餘不平衡量；另一方面國內的動平衡測試技術手段仍處於三依賴的水平依賴陳舊設備、依賴經驗摸索、依賴進口。而各高校機械、動力、能源、機電等專業的動平衡實驗課所使用的設備，要麼是原始的機械式動平衡機、要麼是通用硬支承工業動平衡機。前者陳舊落後已遠不適應教學需要，後者功能單一、價格昂貴、安裝要求高，無法在實驗室廣泛普及，僅能供學生參觀演示。單一的硬支承功能也只適合於低速平衡剛性轉子，而當今工程上已日漸普遍使用的高速、高精度和超臨界轉子的平衡方法以及現場動平衡方法不能通過實驗向學生演示，不能普及當然無法讓學生人人動手操作加深印象和理解。
針對上述問題，本實用新型的目的，是設計一種既能含蓋硬支承動平衡測量模式又能模擬高速、精密的軟支承測量模式還能獨立對剛性或柔性轉子進行現場整機動平衡、功能齊全、價格低廉的智能化教學實驗用動平衡機，易於教學和普及，以期通過實驗使學生對當今動平衡技術有一個較完整和深入的了解。
為了實現上述目的，本實用新型採取的技術方案是將微電子技術和機械技術有機的結合起來，設計一種智能教學實驗動平衡機。本機包括電測箱1和平衡工具機身兩大部分組成，其特點是電測箱是由箱體和設置在平衡工具機身上的一對有源壓電力傳感器4、光電傳感器6與計算機數字處理系統、限幅整形電路、鎖相倍頻電路、前置處理器、跟蹤濾波器、AGC電路、ADC電路連接等構成；平衡工具機身是由底座2、一對半硬支承搖擺架3、電動機5、開關按扭8、9、指示燈10所組成。
本實用新型的另一個特點是有源壓力傳感器將接收的信號送入前置處理器，經處理後的信號輸入跟蹤濾波器，與AGC電路組成左、右振動信號通道；光電傳感器將信號輸入限幅整形電路，和鎖相倍頻電路組成參考信號通道；振動信號通道輸入ADC電路轉換成數字量與信號參考通道一起輸入由89C51單片機為核心，配置有鍵盤接口、擴展ROM、RAM、擴展列印接口及LED顯示器的計算機數字處理系統中。
由於用本實用新型採用了微電子技術和機械技術的結合，最主要的特點是能在一個半硬支承的機架上不經調整即可實現硬支承動平衡的A，B，C尺寸解算和軟支承的影響係數法解算，既可進行動平衡校正亦可進行靜平衡校正，具有動平衡教學實驗所需的各種功能，從軟體代替硬體的智能化設計使得該平衡機的成本大為降低，從而使動平衡實驗教學普及成為可能。


圖1是本實用新型的結構簡圖；圖2是本實用新型的測試系統框圖；圖3是振動通道的原理圖；圖4是參考信號通道的電原理圖；圖5是計算機處理系統電原理圖；圖6是鍵盤和顯示器的電原理圖。
以下結合附圖及實施例對本實用新型做進一步的說明。
參見圖1，圖2。本實用新型的平衡工具機身的底座2上安裝有一對半硬支承架3，半硬支承架上安裝一對有源壓電力傳感器4，底座2上固定電動機5和光電傳感器6，底座下裝有減振底座7，電動機5的傳動皮帶和被測工件11相連接放置在硬支承架3上；兩個有源壓電力傳感器的信號連接到電測箱1上的限幅調整電路的輸入端，其輸出端連接在前置處理電路的輸入端，前置處理電路的輸出端接在跟蹤濾波器的輸入端，其輸出端接在AGC電路的輸入端組成左、右振動信號通道；光電傳感器的信號連接到限幅調整電路的輸入端，限幅調整電路的輸出端與鎖相倍頻電路相連，共同組成參考信號通道；兩路振動信號通道的輸出端進入ADC電路被轉換成數字量，和信號參考通道一起輸入以89C51單片機為核心，配置有鍵盤接口、擴展ROM、RAM、擴展列印接口及LED顯示器的計算機數字處理系統中。
參見圖3。運放U1及其外圍元件R1-R5和C1、C2構成前置變換級，用來把傳感器輸出的電荷量變換成電壓量。R1、R2和R3接成T型網絡，其目的在於由低值電阻獲得GΩ級的足夠大的等效傳輸阻抗以保證電路的低頻響應，避免使用高值電阻引起的噪聲和漂移。C2的引入可以抑制傳感器輸出的漂移，本級電路有20dB的增益。
U2A、U3和外圍元件R6-R12組成自動增益控制電路(AGC)，顯而易見該電路實質上是一個程控增益放大器。採樣瞬間CPU自動判別信號的幅度大小並據此向本電路發出二位控制指令碼以改變4051的選通端、決定R8、R9、R10或R1的接入，從而自動改變電路的增益。4051的接法能保證雙極性模擬信號通過，兩位控制碼可實現4種增益。採樣時CPU共寫出4位增益碼分別控制左、右通道，以保證合適的採樣電平。U2B(TL072的另一半)足跟隨器電路，對U2A的輸出進行緩衝隔離。
U4是MF10單片積成開關電容濾波器，該晶片是萬能濾波器，具有多種工作模式，由時鐘信號CLK控制實現跟蹤濾波。MF10及其外接電阻R15-R22的接法使得本電路在高、低通組合模式下工作，複合構成四階帶通濾波器，用以提高信噪比，與軟體的相關濾波模塊共同完成同頻振動分量提取。傳感器來的振動信號經前置處理、AGC電路、跟蹤濾波後由U5隔離輸出。
參見圖4。U6、R28、R29、R30構成比較器電路，用來對光電傳感器來的參考信號進行整形處理。R26和R27對電源電壓分壓決定比較門限，R32、R34和D3用來限幅和信號極性保護。發光管D2是比較器工作提示。
集成數字鎖相環4046(U7)4040(U8)構成鎖相倍頻電路，外接元件R36、R33、C4和C5共同決定電路的低端頻率，輸出信號CLK一方面用來作為MF10的工作時鐘，另一方面與CLKA信號同時輸入給計算機，由軟體完成轉速測量和相位測量。
圖5是計算機處理系統的原理電路，它是以U9(89C51)為核心構成的單片機系統。U9的P00-P07為系統的數據總線，系統的低8位地址由U10(74LS373)鎖存，高8位地址為P20-P27。U9的P1口(低4位)作為AGC電路控制口，增益控制是由該口整字節寫出的。系統擴展一片ROM(U12 27256)和一片RAM(U11 6264)。U13(8155)是鍵盤接口。U14(8255)是A/D變換器接口，U14的PA口為數據口，PB口用作控制口，PC0作為左、右通道切換控制用，左、右通道分時整周期採樣。
U17(74LS138)、U18(74LS245)是顯示器接口U17對地址A3、A4解碼形成三個選通信號(DISCS1、DISCS2、DISCS3)用來選通顯示板的三個地址段，與低三位地址A[0...2]共同選通顯示板的各字位、字型碼則是由數據總線經U18緩衝後的DD[0..7]寫出。
U19A、U19B、R37、R38與E1構成復位電路，手控復位由RST經由插座CT-1與鍵盤板上的復位鍵相連。
U16B把U9的第29腳和第17腳複合作為讀信號，系統採用ROM、RAM、埠統一編址，高三位地址(A13、A14、A15)經U15(74LS138)解碼作為片選信號。U16A對U15的前四個8K地址進行複合形成32K的程序地址，地址分配為程序區佔用000H-7FFFH，顯示器佔用8000H-9FFFH，鍵盤接口佔用0A000H-0BFFFH，RAM的地址為0C000H-0DFFFH，採樣通道佔用0E000H-0FFFFH。
參考信號通道來的CLK與CLKA信號配合共同完成轉速測量、相位測量、跟蹤濾波控制和同步整周期採樣。
圖6上部為顯示器的系統連接圖；右下部方框內為每個顯示位的驅動控制連接圖，共陽數碼管由74F273鎖存驅動；左下部為鍵盤部分的電路。
21個七段數碼管的鎖存驅動連接完全相同，U19用來選通前8個顯示位，U20用來選通第9到第16個顯示位，其餘5位由U21選通，字型碼則是由CPU直接寫在總線DD[0..7]上。測量和運行的全部信息由這21個數碼管靜態顯示，其位地址為8000H-8014H。其中8000H-8003H和8008H-800BH位分別為左、右幅度信息段，8014H-8012H和800EH-800CH分別為左、右相位信息段，8004H-8007H為轉速信息段，8011H-800FH為機器運行狀態信息段。
16鍵鍵盤通過插座CT-1與接口晶片8155相連。其中SETUP、EXE為功能鍵，RESET為控制鍵，HALT和+/-為桌球鍵、POINT/PRINT為小數點或可擴展列印接口引導的復用鍵，其餘為數字鍵。
當被測(工件)轉子11在平衡工具機身上被電動機5的皮帶拖動旋轉後，由於轉子的中心慣性，主軸與其旋轉軸線存在偏移產生不平衡離心力，迫使半硬支承搖擺架做強迫振動，安裝在半硬支承搖擺架上的兩個有源電力傳感器受此力而發生機電換能，產生兩路包含不平衡信息的電信號輸出供給測試系統；與此同時，安裝在轉子附近的光電傳感器也產生與轉子旋轉同頻同相的參考信號做為基準信號被輸入測試系統中。平衡工具機身上設置的開關按紐8、9和指示燈10用於顯示平衡工具機身的工作狀態。
測試系統接收此三路信號後，由硬體電路進行前置處理、跟蹤濾波、幅度調整，改善信噪比並獲得合適的電平後經由ADC電路變換為數字量輸入至計算機處理系統，在固化在測試系統內部的動平衡軟體包支持下，通過靜噪、幅、相分離，相關提取，校正面之間的分離解算，最小二乘加權處理等，最終算出左右兩平面的不平衡量(克)和校正角(度)，由數碼管顯示，並同時給出實測轉速(r/min)。
半硬支承模式的分離解算是利用轉子的A、B、C尺寸算法與軟支承模式影響係數解算法混合實現，系統參數的運行模式切換均是在停機狀態下由命令設置。軟/硬模式都是在同一硬支承搖擺架上進行，切換時支承搖擺架無需更換或調整。
權利要求1.一種智能教學實驗動平衡機，包括電測箱[1]和平衡工具機身兩大部分組成，其特徵在於電測箱[1]是由箱體和設置在平衡工具機身上的一對有源壓電力傳感器[4]、光電傳感器[6]與計算機數字處理系統、限幅整形電路、鎖相信頻電路、前置處理器、跟蹤濾波器、AGC電路、ADC電路連接等構成；光電傳感器[6]將接收的信號送入限幅整形電路，經限幅整形後輸入鎖相信頻電路，鎖相倍頻電路將信號的一部分送入計算機數字處理系統，另一部分輸入跟蹤濾波器，經AGC電路、ADC電路也輸入計算機數字處理系統中；平衡工具機身上的一對有源壓電力傳感器[4]設置在被測工件的兩端，將接收的信號送入前置處理器，經處理後的信號輸入跟蹤濾波器與AGC電路，並通過ADC電路輸入計算機數字處理系統中；平衡工具機身包括一個底座[2]，底座[2]上固定有一對半硬支承搖擺架[3]，一對半硬支承搖擺架[3]上均安裝有源壓電力傳感器[4]，半硬支承搖擺架[3]上用於放置和支撐被測工件，底座[2]上還固定有電動機[5]，電動機[5]通過皮帶與被測工件相連，底座[2]上裝有開關按扭[8]、[9]、指示燈[10] 和光電傳感器[6]。
2.根據權利要求1所述的智能教學動平衡機，其特徵在於所述的一對有源壓電力傳感器[4]將接收的信號送入前置處理器，經處理後的信號輸入跟蹤濾波器與AGC電路共同組成左、右振動信號通道；光電傳感器[6]將信號輸入限幅整形電路，與鎖相倍頻電路組成參考信號通道；振動信號通道輸入ADC電路轉換成數字量與信號參考通道一起輸入由89C51單片機為核心、配置有鍵盤接口、擴展ROM、RAM、擴展列印接口及LED顯示器的計算機數字處理系統中。
專利摘要本實用新型公開了一種智能教學實驗動平衡機,包括電測箱和平衡工具機身兩大部分,電測箱由有源壓電力傳感器,光電傳感器及計算機處理系統及限幅整形電路,鎖相倍頻電路,前置處理器,跟蹤濾波器,AGC電路,ADC電路等組成,平衡工具機身是由底座、一對半硬支承搖擺架、電動機等組成,具有動/靜平衡,硬/軟支承平衡等多項設置功能,體積小,使用安全可靠,可讓學生動手操作,通過實驗使學生對當今動平衡技術有一個較完整和深入的了解。
文檔編號G01M1/00GK2478196SQ0121313
公開日2002年2月20日 申請日期2001年3月30日 優先權日2001年3月30日
發明者蔡書平, 李平安, 賈煥如, 李建海, 趙穩年, 顧正祥 申請人:西安交通大學, 西安市高凱電子技術應用研究所