维普资讯 http://www.cqvip.com 超微型转子动平衡机设计 １９ 超微型转子动平衡机设计 Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ－ｒｏｔｏｒ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｂａｌａｎｃｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ 口郑建彬周 伟 （武汉理工大学信息工程学院，武汉４３００７０） 摘要：介绍了超微型转子（质量小于１０ｇ）动平衡测试、去重原理。给出了测试机原理框图、数据采集 及处理过程，详细介绍了智能去重模块的实现。该平衡机的设计采用了模块化的设计方法，模块间通信采用 ＣＡＮ现场总线网络。 关键词：动平衡 测试 去重 现场总线 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｉｒｄｉｎｇ ｏｆ ｕｎｂａｌａｎｃｅ ｉｎ ｍｉ，ｉｆａｔｕｒｅ－ｒｏｔｏｒ（ｗｈｏｓｅ ｍａｓｓ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １０ｇ）ｄｙ— ｎａｍｉｃ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｂｌｏｃｋ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｉｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｄｅｖｉｃｅ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ ｂｒｉｅｆｌｙ，ｗｈｉｌｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｒｉｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅ ｏｆ ｕｎｂａｄｌａｎｃｅ ｉｓ ｐｒｅ— ｅｎｔｅｓｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｍｏｄｕｌｅ ｉｓ ａｄｏｐｔｄ ｉｅｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｍｏｄｕｌｅｓ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｆｅｌｄ ｂｕｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｙｎａ￣ｃ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｒｉｎｇ ｏｆ ｕｎｂａｌａｄｎｃｅ ｉｆｅｌｄ ｂｕｓ ０引言 结构，模块之间通信采用ＣＡＮ现场总线网络，其 结构如图１所示。主控机采用工控机，其上的应 用软件具有系统管理、功能配置、单元组态、运行 维护等，因而能适应不同类型转子的测试机和去 重机，也能改变测试机和去重机的数目，而无须 振动问题涉及到产品性能、使用寿命等，因 此，人们在设计产品时，尽可能设法减少振动。如 对汽车各旋转零部件（如汽车里程表的铝罩和机 芯等）中的超微型转子进行动平衡的测试与去重， 正越来越引起各配套生产厂家的关注＿１， 。 通用微型转子（质量小于１０ｇ、直径小于４ｃｍ） 动平衡机ｌ３ Ｊ由测试机和去重机组成。测试机通过 更改系统结构。该工控机中配有一块ＣＡＮ适配 器网卡与分布式控制系统的网络通信接口模块 相连。 微型打印机Ｉ —— 广一工控机装在支架上的振动传感器将转子不平衡量转换为 电信号，通过数字信号处理器（ＤＳＰ）处理后，提取 其振动幅度Ａ。和相角 。去重机构根据Ａ。的 大小在角度０ 处进行相应去重，从而使转子动不 平衡量减小。 以现场总线为基础的全数字控制系统，将现 ——一ＣＡＮ适配器 Ｉ 测试机 ＣＡＮ适配器 由１动平衡机原理 ］： 重 图１超微型转子动平衡机结构 有的模拟信号电缆用高容量的现场总线网络代 替，从而大大减轻现场信号电缆连接的费用和工 １．１动平衡测试机原理 作量，提高了信号的传输效率，保证系统的工作可 靠性。新型通用动平衡机的设计采用了模块化的 超微型转子（如专用于汽车仪表）动平衡测试 机结构如图２所示。图２（ａ）为其结构示意图，图 ＊湖北省科技攻关和武汉市科技攻关资助项目（编号：９８１１０５１７５）。 维普资讯 http://www.cqvip.com ２０ 机电一体化Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ ２００２年第６期 振动桥 ≯ ． ： ０：： 萄．１ ： ‘０ ． ．八八１＂３ Ｕ 一／＾＼八八一 —、 √ ２／・， ／ ，” ０毫 （ｂ）转子支承系统简化力学模型 （ａ）测试机结构示意图 图２动平衡测试机结构及其简化力学模型 ２（ｂ）为转子支承系统振动简化力学模型。在不平 衡量ｍ ｅ的激励下，振动运动微分方程为 ｍ ＋ｅｘ＋ ＝ｍｌ ｅ，ＱｏＺｓｉｎ（． ０ｔ一００） （１） 式中，ｍ——总质量； ｍ ——偏心质量； ｃ——阻尼； 簧板的刚度； 偏心距。 图３微型转子结构图 ｅ——的放大倍数有关）。由图３可见，去重体积为 Ｖ＝Ｗ・Ｔ・Ｈ （３） 式（１）的稳态解为 ＝Ａｏｓｉｎ［ｎ０ｔ一（００＋ ０）］ 、／（一 ｋ ｍＯ ） ＋（ ０） ， ５ｂｏ＝ｔｇ－１ 。 （２） 式（３）中， ——去重刀具的有效宽度； 微型转子的厚度； ， 微型转子下降的高度。 去重质量为 ｍ ＝Ｐ‘Ｖ＝Ｐ‘Ｗ・Ｔ‘Ｈ ７．Ｓｇ／ｃｍ３（４） 由于ｍ、ｋ、Ｃ以及阻尼引起的相位滞后角 是固定量，因此，通过检测最大位移Ａ０、模拟角频 率ｎ０以及００＋声０，便可以确定不平衡量ｍｌ ｅ及 式（４）中，Ｐ为转子材料的密度，例如铁的密度为 ，因而有 ｍ ＝ｋｌ・Ｈ＝。Ｃ Ｈ （５） 其相位０ 。在实际动平衡测试机中，由加速度传 感器获得连续变化的振动信号、转速传感器测量 式（５）中，ｋ１＝Ｐ・Ｗ・Ｔ，去重质量ｍ 的大小与微 型转子的下降高度 成比例。可见，只要控制下 降高度 ，就能达到去掉不平衡量的目的。 通 常由精密的位移传感器来测量。 ２动平衡测试机设计 ２．１测试机原理 转速ｎ 光电基准信号确定采样的起始时刻，从 而间接获得不平衡量的大小和位置。 １．２动平衡去重机原理 由测试机完成转子不平衡量幅度 和相角 ００的测试后，要使转子运转平衡，去重机根据 ０ 的大小在微型转子的角度０ 位置处进行相应去 在动平衡机中，通常将振动量转换为电量进 行测量，采用加速度传感器，通过处理器对测量结 果做进一步的分析和处理，精确提取Ａ。和０。。 重，从而使转子不平衡量减小。微型转子结构示 意图如图３所示。 设转子需要去重的质量为ｍ ，由于有ｍ ＝ 测试机包括机械驱动结构、传感器及信号调理电 路、Ａ／Ｄ转换器、ＤＳＰ（ＴＭＳ３２０Ｆ２０６）及ＣＡＮ总线网 络接口单元，其原理框图如图４所示。 ｋ・Ａ ，当然需要精确标定比例因子ｋ（如与放大器 维普资讯 http://www.cqvip.com 超微型转子动平衡机设计 １液晶显示器ｊ ——— —一 ２１ 匝垂亟巫一匪垂 圃一匹 巫一匿 靠按键 ——匡 巫 图４测试机原理框图 ２．２不平衡量信号采集及处理 会大大降低平衡机测试精度。 低频干扰的来源是由于外界的冲击振动，如 去重机构去重引起的冲击。这种低频振动经传感 器输出表现为干扰电信号。此外，电子电路静态 工作点的温漂，也是一种低频干扰的来源。 在本系统中，如转子工作转速设定为４８００ｒ／ ｍｉｎ，对应频率ｆｏ＝８０Ｈｚ，ｎｎ＝２ｘ・ｆｏｒａｄ／ｓ。Ａ／Ｄ转 换器完成对信号的采样，大约采样Ｌ＝２００个周 在理想情况下，由不平衡量引起振动，通过传 感器转换后，有用信号形式为Ａ ｓｉｎ［ｎ０ｔ一（ ０＋ ）］。然而，当被测试转子高速旋转时，平衡机的 驱动装置、传动装置、支承部件以及外部环境，都 会产生各种频率的振动，这些振动同样经传感器 转换为各种频率的干扰电信号。 同频干扰主要是由于驱动主轴箱内的主轴存 在较大不平衡，旋转时产生同频振动。同频干扰 与转子旋转频率相同，只能通过改进机械系统结 构、反复标定测试系统，减少这种干扰。 期。所有周期的采样起始时刻，由光电基准信号 准确同步，每周采样点数Ｎ＝５１２。为了提高测试 高频干扰主要有支承系统固有频率（３００～ ４００Ｈｚ）振动干扰，如电机轴承润滑不良、疲劳损 精度，对采样得到的信号先通过离散小波变换 （ＤＷＴ）ｌ４ Ｊ去噪，再进行离散傅里叶变换 （ＤＦＴ）ｌ ，提取不平衡量的幅度和相位，最后采用 伤、滚轮外圆磨损、齿轮箱传动等引起及其他各种 瞬态高频干扰。这种不平衡的高频干扰很大时， 中值滤波法得到Ａ。和 的估计值Ａ。和 。。其 信号采集及处理流程图如图５所示。 振动信号 Ｉ｝＋Ｉ …一…… Ａ，Ｄ转换器 ：！ 图５不平衡量信号采集及处理流程图 ３动平衡去重机设计 ３．１去重机原理 在去重机中，处理器可采用通用单片机 ＭＣＳ８０３１。去重机的执行部件是步进电机，完成 去重机由机械去重机构及相应的控制驱动电 路组成，其原理框图如图６所示。为了去掉不平 电信号到机械量的转换，由驱动电路驱动。单片 机协调整个去重机的工作，通过ＣＡＮ适配器对外 交换数据。 伺服执行机构由步进电机和步进驱动电源组 衡量，需要控制微型转子旋转的角度和下降的高 度。因而，在去重机中设计了两个步进电机，并配 备了精密的位移传感器，同时设计了ＣＡＮ现场总 线接口。 ３．２去重模块的实现 ＭＣＳ８Ｉ１３ｌ 成，步进电机型号１１０ＢＦ００３，由功率驱动电路驱 动。１１０ＢＦ００３是一种将电脉冲信号转换为直线 位移或角位移的控制电机，相数３，步距角０．７５。， 工作电压８０Ｖ，工作方式为三相六拍。 为了保证电机工作安全可靠，电路设置了上 ＰＩ（）Ｐｌｌ Ｐ１２ Ｐ１５ Ｐ１６ Ｐｌ７ 限位开关和下限位开关。同时，为了提高精度，安 装了位移传感器ＢＷＧ ４～５ｍｍ。该位移传感器是 电感调频式，在一１０ｃ【＝～５０ｃ【＝平均频率漂移 ０．０８Ｈｚ／ｃ【＝。其位移和频率的关系如表１所示。 因此可以通过单片机计算频率，从而间接得到转 子下降的精确高度。 位移传感器 上限位开关 一ＮＴ（ １ＰＰ３０ ＡＤ（】～７ ＩＮＴｌ ｌ３ Ａ１５ＡＬＥ 下限位开关卜．． Ｐ１４ ｂ－－Ｒ 图６去重机原理框图 维普资讯 http://www.cqvip.com ２２ 机电一体化Ｍｅｃｈａｔｍｎｉｃｓ ２ＯＯ２年第６期 步进电机驱动微型转子旋转。当步距角是 ０．７５。时，如单片机输出脉冲节拍数为ｎ，则微型 转子的旋转角度为０．７５。×ｎ。 为了提高角度的定位精度，安装了位置传感 器，起始位置由电感应式接近开关来定位。为了 减小误差，使转子始终朝一个方向旋转，当接近开 关动作时，即作为角度的起始基准。此时，单片机 才开始计数，从而精确定位角度。 ４ ＣＡＮ总线接口模块 ４．１ ＣＡＮ总线的特点 控制设备和监控设备之间的互联。ＣＡＮ可以多主方 式工作，网络上任意节点均可主动向其他节点发送 信息。网络节点可按系统实时性要求分成不同的优 先级，一旦发生总线冲突，可减少总线仲裁时间。 ＣＡＮ采用短帧结构，每一帧为８个字节，保证了数据 的出错率极低，是最有发展前途的现场总线之一。 ４．２ ＣＡＮ接口的实现 ＭＣＳ８０３１与ＳＪＡ１０００的接口电路如图７所 示。为了近一步提高系统的抗干扰能力，在ＣＡＮ 控制器ＳＪＡ１０００和ＣＡＮ驱动器８２Ｃ２５０之间，使用 了由高速光耦６Ｎ１３７构成的隔离电路，ｓＪＡ１０００通 过ＲＸＤＯ、ＲＸＤＩ和ＴＸ０与８２Ｃ２５０相连。 ＣＡＮ总线即控制器局域网络，是由德国Ｂｏｓｃｈ 公司生产的总线式串行通信网络，适用于工业过程 ＡＤ０ＡＬ—７ ＝ ＡＤ０—７ ＭＯＤＥ ＝＝ｊ— Ｅ ＡＬＥ，ＡＳ ＶＤＤ Ａｌ５ ； ＩＴ 一— 广—————］ 而 ＲＤ，Ｅ ＴＸ０ Ｖ ｃ Ｉ 鱼 ＿旦ｒ ｌ ＩＮＷＴＲｌ Ｗ ＩＮＲＴ ＲＲＸＤＯｌ ｌ 翰Ｋ卜 Ｖ 图７ ＭＣＳ８０３１与ＳＪＡ１０００的接口电路 Ｈ ＳＪＡ１０００为ＣＡＮ通信控制器，是ＣＡＮ总线接 口电路的核心，主要完成ＣＡＮ总线数据链路层的 通信协议。应用时，只要对ＳＪＡ１０００芯片的控制 寄存器进行正确的初始化即可进行通信了。 ＣＡＮ通信协议的实现，包括各种通信帧的组 织和发送，都是由集成在ＳＪＡ１０００通信控制器中 的电路实现的，因此系统的开发工作主要在应用 层软件的设计上。应用层软件的核心部分是ＣＰＵ 与ＳＪＡ１０００通信控制器之间的数据接收和发送程 较好的应用效果。 参考文献 １夏松波，刘永光，李勇．旋转机械自动动平衡综述．中国机械工 程，１９９９，１０（４）：４５８—４６１ ２ Ｋｒｏｐｓｅ Ｃ Ｒ．Ｒｏｂｕｓｍｅｓｓ ｏｆ Ｕｎｂａｌａｎｃｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ．Ｐｒｏｃｅｅｄ— ｈａｇｓ ３ｒｄ ｈａｔ．Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｂｅａｒｉｎｇｓ，Ｖｉｒｇ ａ，１９９２： １４７—１５４ ３郑建彬．微型转子自动平衡机的研究与实践．武汉汽车工业大 学学报，１９９８，２０（２）：５３～５６ ４ Ｓ Ｇ Ｍａｌｌａｔ．Ａ Ｔｈｅｏｒｙ ｆｏｒ Ｍｕｈｉｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｓｌｎ￣ｌｇ Ｄｅｅｏｍ￣ｉｔｉｏｎ：Ｔｈｅ Ｗａｖｅｌｅｔ Ｒｅｐｒｅｓｓｅｎｔａｔｉｏｎ．ＩＥＥＥ．Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｐａｔｔｅｒｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｍａ— 序，即ＣＰＵ把待发送的数据发给ＳＪＡ１０００通信控 制器，再由ＳＪＡ１０００通过收发器ＰＣＡ８２Ｃ２５０发到 总线上。当总线上数据经过收发器ＰＣＡ８２Ｃ２５０ 被ＳＪＡ１０００通信控制器收到后，ＣＰＵ再把数据取 走。首先，应对ＳＪＡ１０００中的有关控制器写入控 制字进行初始化，之后，ＣＰＵ即可通过ＳＪＡ１０００接 收／发送缓存区向物理总线接收和发送数据。 ５结束语 该动平衡机所达到的综合精度为不平衡量幅 度小于１０ｍｇ．ｎｌ／ｎ，相角小于２。。且设计了ＣＡＮ现 场总线接口的新型微型转子动平衡机，其结构新 颖、可靠性好、重构方便、易于操作与维护，达到了 ｃｈｉｎｅ ｈａｔｅＵｉｇｅｎｅｅ．１９８９．１１（７） ５ ＭＩｚｎｇ．Ｈ Ｇｕｏ．Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ａ Ｓｈｉｆｔ—ｈａｖａｒｉｎｔａ ＤＷＴｆｏｒ Ｎｏｉｓｅ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ．ｆ ｏｃ０ 【ｍ铲ｏ．ｆ ＳＨＥ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ２４９１，Ｗａｖｅｌｅｔ Ａｐ— ｐｌｉｅａｔｉｏｎｓⅡ，Ｏｒｌｎｄｏ，１９９５ ａ６ Ｄｕｈａｍａｅｌ Ｐ，Ｖｅｔｔｅｒｌｉ Ｍ．Ｆａｓｔ ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｈｉｌｌ Ａ Ｔｕｔｏｒｉｌａ Ｒｅｖｉｅｗ ｎｄ Ａ Ｓｔａａｔｅ ｏｆｔｈｅ Ａｒｔ．Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｇ，１９９０，１９：ｎ２５９～２９９ ７阳宪惠．现场总线技术及其应用．北京：清华大学出版社，２００１ 口郑建彬１９６６年生，华中科技大学电子与信息工程系 在职博士研究生。武汉理工大学信息工程学院副教 授，硕士生导师。主要研究方向为计算机测控技术、信 息处理。
