轉軸臨界轉速的測量與實(shí)時(shí)顯示

在旋轉機械的運轉中，當轉軸的轉速達到某一定值時(shí)，轉軸的運轉會(huì )變得不穩定且會(huì )出現振動(dòng)，轉軸形狀也會(huì )發(fā)生明顯的彎曲變形；而當轉軸的轉速繼續升高時(shí)，上述現象則逐漸消失；但當轉軸的轉速繼續升高到另一新的定值時(shí)，上述現象又會(huì )重新出現。轉軸發(fā)生上述現象時(shí)的轉速稱(chēng)為臨界轉速。由于轉軸處于臨界轉速(或與之接近)時(shí)會(huì )發(fā)生振動(dòng)，嚴重時(shí)甚至可能損壞整臺機器，因此設計轉軸工作轉速時(shí)應遠離臨界轉速，如果轉軸的轉速不能隨意變動(dòng)，則可通過(guò)改變轉軸尺寸來(lái)改變臨界轉速值，以保證軸、軸系以及整臺機器正常運轉。雖然轉軸臨界轉速的測量非常重要，但目前確定臨界轉速的方法大多還停留在理論計算階段，且理論計算值常常與實(shí)測值不符。為此，我們開(kāi)發(fā)了一種可實(shí)時(shí)測量旋轉機械臨界轉速的測量裝置。該裝置可在計算機上實(shí)時(shí)顯示測量曲線(xiàn)，直觀(guān)地反映轉速與位移的變化過(guò)程，且測得的臨界轉速值可與實(shí)際轉速較好吻合。

2 測量原理

臨界轉速的測量原理是通過(guò)跟蹤轉軸振動(dòng)位移的變化，以確定最大位移處的轉速值(即臨界轉速值)。由于轉速與位移的測量需一一對應，因此可以轉速脈沖為啟動(dòng)測量點(diǎn)，以時(shí)間為尺度同時(shí)測量轉速和位移。測量方法如下：當轉速脈沖到來(lái)時(shí)，打開(kāi)定時(shí)器T1測量時(shí)間，打開(kāi)定時(shí)器T0測量轉速，同時(shí)進(jìn)行A/D轉換；A/D轉換完畢后進(jìn)入中斷，將轉換結果及此時(shí)的時(shí)間值存入相應存儲區；轉速測量結束后將轉速值及此時(shí)的時(shí)間值存入相應存儲區。
采用計時(shí)法(即測周原理)測量轉速時(shí)，在相鄰兩個(gè)轉速脈沖之間插補時(shí)鐘脈沖作為計數脈沖。設計數值為N，轉速脈沖周期為T(mén)x，時(shí)鐘脈沖周期為T(mén)c，則Tx=NTc=N/fc，轉速v=60/Tx=60fc/N。時(shí)鐘脈沖可通過(guò)單片機時(shí)鐘或經(jīng)分頻后獲得。采用計時(shí)法測量轉速的測量誤差為±1個(gè)時(shí)鐘脈沖。為提高測量精度，可增加插補時(shí)鐘信號的頻率。本測量裝置采用單片機的16位計數器，所用晶振頻率為12MHz，則相鄰轉速脈沖之間插補時(shí)鐘信號的頻率為1MHz，每個(gè)周期的最大誤差為1μs，即使在高速測量場(chǎng)合下也可滿(mǎn)足測量要求。

3 硬件設計

本測量裝置的硬件電路設計。采用Atmel的高性能微控制器(MCU)AT89C51作為下位機。AT89C51的標準配置為：4K字節閃速存儲器，256字節片內RAM，32個(gè)I/O口，2個(gè)16位定時(shí)器/計數器。為測量轉速，在轉軸上預先加工一個(gè)深度為幾毫米的鍵槽，用電磁開(kāi)關(guān)作為轉速傳感器。當轉軸轉動(dòng)時(shí)，電磁開(kāi)關(guān)即輸出脈沖信號(每轉動(dòng)一圈產(chǎn)生一個(gè)脈沖)，產(chǎn)生的脈沖符合單片機的中斷觸發(fā)要求。在轉子平面與軸線(xiàn)垂直的方向安裝了兩個(gè)相互垂直的電渦流傳感器，它們與被測物無(wú)直接接觸，具有較寬的使用頻率范圍(DC～10kHz)，特別適合測量轉子的振動(dòng)。電渦流傳感器將與被測物之間的位移變化轉換為電壓變化，然后將電壓值送入A/D轉換芯片進(jìn)行A/D轉換。A/D轉換芯片采用12位并行ADC芯片MAX197，其供電電壓為+5V，轉換時(shí)間為6μs，采樣速率為100ksps，有8個(gè)模擬量輸入通道(可通過(guò)編程全選或選擇一部分)。通過(guò)串行通信可將單片機數據傳給上位機。電平轉換通過(guò)MAX232實(shí)現。

LED顯示器可實(shí)現轉速測量值的實(shí)時(shí)顯示。顯示器選用MAX7219作為顯示芯片。MAX7219是一種新型串行輸入輸出共陰極LED顯示驅動(dòng)器，其3線(xiàn)串行接口可方便地連接到各種通用微控制器上。串行數據為16位數據包，發(fā)送到DIN端，在每個(gè)CLK的上升沿移入內部16位移位寄存器中，然后數據在LOAD的上升沿被鎖存。顯示方式為片內動(dòng)態(tài)掃描模式，可通過(guò)編程控制亮度，為防止LED顯示失控，在靠近Max7219電源端并聯(lián)了一個(gè)47μF的鉭電容。該顯示電路具有結構簡(jiǎn)單、功耗低、靈活性好等特點(diǎn)。

4 軟件設計

將轉速脈沖信號接入AT89C51的P3.2。定時(shí)器T0設為方式1，預裝值為0，所用晶振頻率為12MHz，因此定時(shí)時(shí)間為65536μs；定時(shí)器T1設為方式1，預裝值為0。當轉速脈沖的下降沿到來(lái)時(shí)即進(jìn)入中斷過(guò)程，打開(kāi)定時(shí)器T0、T1開(kāi)始計時(shí)，同時(shí)打開(kāi)MAX197開(kāi)始A/D轉換。轉速測量及位移測量結束后，將測量結果及此時(shí)的時(shí)間值存入相應存儲區。測量轉速時(shí)共計算8個(gè)脈沖，當第8個(gè)脈沖下降沿到來(lái)時(shí)TR0清零，停止計時(shí)，即可計算轉速值。設脈沖周期為T(mén)，定時(shí)器溢出次數為N1，定時(shí)器中最后一次定時(shí)值為N2，則T定=65536N1+N2(μs)。由于定時(shí)器中為8個(gè)脈沖的時(shí)間，故轉速計算公式為
v=60/T=60(/T定/8)=(60×8×106)/(65536N1+N2)(r/min)

編制下位機程序。單片機初始化程序如下：
CLR EA；
MOV SP，# 60H；
MOV TMOD，# 01H；定時(shí)器T0 預裝值為0
MOV TL0，# 00H
MOV TH0，# 00H
MOV TMOD，# 10H；定時(shí)器T1 預裝值為0
MOV TL1，# 00H
MOV TH1，# 00H
MOV SCON，# 00H；串行口初始化為方式0
SETB P3.2；中斷口置1
SETB EA；開(kāi)總中斷
SETB ET0；定時(shí)器T0 中斷溢出位置1
SETB ET1；定時(shí)器T1 中斷溢出位置1
SETB EX0；開(kāi)INT0 中斷，中斷來(lái)臨時(shí)進(jìn)入轉速測量模塊
SETB PX0；令I(lǐng)NT0 為高優(yōu)先級
SETB IT0；令I(lǐng)NT0 為邊沿觸發(fā)
SETB EX1；開(kāi)INT1 中斷，中斷來(lái)臨時(shí)進(jìn)入AD 轉換測量模塊
SETB IT1；令I(lǐng)NT1 為邊沿觸發(fā)
HERE：AJMP HERE；等待中斷
轉速脈沖到來(lái)時(shí)的中斷程序框圖。AD中斷程序框圖。
本測量裝置通過(guò)串行通信實(shí)現遠程數據采集，由PC 機通過(guò)串行通信向下位機發(fā)出數據采集命令，下位機接受命令后進(jìn)行現場(chǎng)數據采集，并通過(guò)串行通信將數據發(fā)送到PC機。與并行通信相比，串行通信具有傳輸距離長(cháng)、連接簡(jiǎn)單、數據傳輸可靠性高等特點(diǎn)。上位機通信程序采用Visual C++6.0編寫(xiě)，它可提供一個(gè)Active控件MSComm，利用該控件可實(shí)現對AT89C51單片機串口的讀寫(xiě)管理。通過(guò)主界面可分別進(jìn)入轉速變化界面、位移變化界面和轉速位移變化界面，對轉速、位移變化曲線(xiàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。

5 結語(yǔ)

本測量裝置電路設計簡(jiǎn)單、可靠，經(jīng)實(shí)際測試，上位機能夠實(shí)時(shí)繪制轉軸工作曲線(xiàn)，監控轉速變化情況，測得的臨界轉速值與實(shí)際加工狀態(tài)相符，取得了令人滿(mǎn)意的效果。