УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДИСБАЛАНСА Российский патент 1997 года по МПК G01M1/22 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для динамической многоплоскостной балансировки вращающихся деталей механизмов, а также для балансировки роторов в сборе в различных областях машиностроения.

Известно измерительное устройство к балансировочному станку (авт.св. СССР N1226086 G 01 M 1/22, 29.01.81.), содержащее вибродатчик, два канала измерения ортогональных составляющих дисбаланса, последовательно соединенные сумматор, фильтр низких частот и измеритель значения дисбаланса. Сигнал дисбаланса, поступающий с выхода вибродатчика на входы двух каналов измерения ортогональных составляющих дисбаланса, преобразуются в две ортогональные последовательности знакопеременных импульсов с амплитудой, равной проекциям дисбаланса, после чего обрабатывается с помощью управляемых дешифратором коммутаторов, выходы которых соединены с сумматором так, что спектр сигнала на выходе сумматора, кроме основной гармоники, содержит составляющие, которые подавляются фильтром низких частот.

Данное устройство обеспечивает повышение точности определения параметров дисбаланса за счет исключения гармоник в спектре сигнала дисбаланса ниже 11-й. Однако при измерениях дисбаланса всегда имеются в наличии паразитные вибрационные колебания, которые приводят к возникновению погрешности измерения, пропорциональной величине вибрационных помех. Фильтр низких частот не может полностью отфильтровать случайную составляющую вибраций, особенно значительную при измерении дисбалансов. При наличии шума и мощных несинхронных периодических вибраций соседних узлов и механизмов возникают дополнительные случайные погрешности измерения параметров дисбаланса, не устраняемые данным фильтром.

Кроме того, на результат измерения накладывается ошибка, связанная с непостоянством частоты вращения балансируемого устройства.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство измерения параметров дисбаланса (авт.св. СССР N1795318 G 01M 1/22 от 24.04.90.). Данное устройство, предназначенное для динамической балансировки якорей коллекторных электродвигателей, содержит датчики дисбаланса, подключенные к аналоговому коммутатору, выход которого через последовательно соединенные аналого -цифровой преобразователь (АЦП) и микроЭВМ (микропроцессор с блоком памяти и портом вывода) подключен к блоку отображения информации, и датчик углового положения. Под управлением микроЭВМ осуществляется последовательное измерение параметров датчиков, начиная с первого, в P-точках отсчета за период. Количество отсчетов равно числу пазов якоря. Затем осуществляется подсуммирование значений отсчетов сигнала дисбаланса за n-периодов и вычисление среднего арифметического значения, после чего устройство переходит к обработке информации с другого датчика аналогичным образом. Синхронизация приема измерительной информации с началом каждого периода вращения обеспечивается взаимодействием датчика углового положения с пазами вращающегося якоря и подачей сигнала на микроЭВМ с выхода делителя частоты, коэффициент деления которого задается равным Р. МикроЭВМ производит Фурье-преобразование усредненных значений P-отсчетов и вычисление амплитуды и фазы дисбаланса в каждой плоскости измерения. Полученные значения передаются в блок отображения информации.

Данное устройство позволяет с достаточной надежностью измерять параметры дисбаланса в условиях изменения частоты вращения за счет формирования импульсов запуска АЦП посредством взаимодействия пазов якоря и датчика углового положения. Однако, так как датчик углового положения взаимодействует с пазами вращающегося якоря, данное устройство может использоваться только для измерения дисбаланса якоря электродвигателя, что ограничивает область его применения.

Обработка сигналов дисбаланса в данном устройстве осуществляется путем последовательного получения информации сначала с первого датчика, затем после переключения коммутатора процесс повторяется для следующего датчика. Такой порядок вычисления свидетельствует о низкой производительности устройства.

Применение в данном устройстве в процессе обработки полученных данных усреднения значений отсчетов и дискретные преобразования Фурье позволяют выделять полезный сигнал в условиях наличия помех. Однако из-за небольшого количества отсчетов сигнала дисбаланса, совпадающего с количеством пазов якоря, которое обычно невелико, высокая точность вычисления параметров дисбаланса не может быть достигнута.Как известно, чем больше количество отсчетов на цикле, тем выше точность Фурье-преобразования.

В данном устройстве не предусмотрено создание угловой шкалы, необходимой для жесткой "привязки" полученных значений дисбаланса к поверхности вращающейся детали для последующего осуществления ее балансировки, т.е. использование данного устройства не позволяет автоматизировать доводку "тяжелого" места балансируемой детали.

В основу изобретения положена задача разработать такое устройство для измерения параметров дисбаланса, которое позволило бы повысить производительность и точность вычисления параметров дисбаланса, расширить область применения (класс балансируемых механизмов), обеспечить возможность автоматизации процесса балансировки.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для измерения параметров дисбаланса, содержащем датчики дисбаланса, подключенные к аналоговому коммутатору, выход которого через последовательно соединенные АЦП и микроЭВМ подключен к блоку отображения информации, и датчик углового положения, согласно изобретению аналоговый коммутатор выполнен в виде мультиплексора, в устройство введены умножитель частоты, фазовращатель и формирователь сигнала направления вращения, причем выход датчика углового положения соединен с умножителем частоты, выход которого подключен к первому входу формирователя сигнала направления вращения, второй вход которого через фазовращатель соединен с выходом умножителя частоты, выходы датчика углового положения, умножителя частоты, формирователя сигнала направления вращения и АЦП подключены к порту ввода микроЭВМ, а управляющие входы мультиплексора и АЦП соединены с портом вывода микроЭВМ.

Использование в качестве аналового коммутатора мультиплексора позволяет микроЭВМ получить и обработать за один цикл (период) информацию со всех датчиков, что значительно повышает производительность устройства.

Использование умножителя частоты, формирующего импульсную последовательность из 1024 импульсов на цикле, позволяет получать информацию о дисбалансе в 1024 точках отсчета (1024 реперные точки), что при обработке значений полученных сигналов с помощью Фурье-преобразования значительно повышает точность определяемых параметров дисбаланса. Кроме того, поскольку эта импульсная последовательность формируется от сигнала с датчика углового положения, установленного на вращающейся детали, создание реперных точек возможно при измерении параметров дисбаланса на любом классе балансируемых механизмов, вне зависимости от наличия пазов, что расширяет область применения данного устройства.

Импульсная последовательность, сформирования в умножителе частоты, и синхронная импульсная последовательность, сдвинутая на 90^o, образованная в фазовращателе, позволяет сформировать сигнал направления вращения, который вместе с сигналом начала отсчета с датчика углового положения и импульсной последовательностью с умножителя частоты образует в микроЭВМ угловую шкалу, жестко привязанную к ротору механизма. Угловая шкала позволяет осуществить "привязку" полученных значений дисбаланса к поверхности вращающейся детали, что создает возможность автоматизации последующего процесса доводки "тяжелого" места под маркер или сверло.

На чертеже представлена функциональная схема измерительного устройства, содержащего m-датчиков дисбаланса 1, подключенных к мультиплексору 2, выход которого через последовательно соединенные АЦП 3 и микроЭВМ 4 подключен к блоку отображения информации 5, а также датчик углового положения 6, соединенный с умножителем частоты 7, фазовращатель 8 и формирователь сигнала направления вращения 9. Выход умножителя частоты 7 подключен к первому входу формирователя сигнала направления вращения 9, второй вход которого через фазовращатель 8 соединен с выходом умножителя частоты 7. Выходы датчика углового положения 6, умножителя частоты 7, формирователя сигнала направления вращения 9 и АЦП 3 подключены к порту ввода микроЭВМ 4, а управляющие входы мультиплексора 2 и АЦП 3 соединены с портом вывода микроЭВМ 4.

Устройство работает следующим образом. Балансируемый механизм разгоняют до необходимой скорости вращения. При этом сигнал с датчика углового положения 6 умножается в умножителе частоты 7 для получения 1024 фазовых отсчетов угла на цикле и подается на микроЭВМ 4 для обеспечения возможности синхронной обработки вибросигналов в 1024 точках. Одновременно импульсная последовательность с умножителя частоты 7 поступает на фазовращатель 8, где формируется сдвинутая на 90^o синхронная импульсная последовательность. Обе последовательности поступают на информационный D-вход и синхровход (C-вход) соответственно формирователя сигнала направления вращения 9, выполненного в виде D-триггера. При этом в зависимости от направления вращения фронту импульсной последовательности, сдвинутой на 90^o, на C-входе будет соответствовать либо "1" (например, при вращении по часовой стрелке), либо "0" (против часовой стрелки) для импульсной последовательности с умножителя частоты 7 на D-входе. В момент поступления сигнала на C-вход происходит опрос D-входа и полученный результат ("0" или "1" в зависимости от направления вращения) передается на выход формирователя сигнала направления вращения 9. Сигнал направления вращения поступает в микроЭВМ 4, где вместе с сигналом начала отсчета с датчика углового положения 6 и сигналом с умножителя частоты 7 образует угловую шкалу, жестко привязанную к ротору балансируемого механизма.

Далее приступают непосредственно к процессу измерения дисбаланса.

Виброакустические сигналы с m-датчиков 1, установленных на опорах ротора механизма в каждой плоскости коррекции, поступают на мультиплексор 2, на выходе которого в каждой из 1024 точек отсчета цикла формируется импульсная последовательность m-выборок сигналов с опор. Эта последовательность поступает на АЦП 3, оцифровывается и далее подается на микроЭВМ 4. Необходимая синхронизация осуществляется микроЭВМ 4 через управляющие входы мультиплексора 2 и АЦП 3. Принятые значения отсчетов m-датчиков 1 накладываются на угловую шкалу и запоминаются в блоке памяти микроЭВМ 4. Таким образом, за один цикл измерения (период вращения) устройство позволяет получить информацию в каждой из 1024 точек со всех датчиков 1 одновременно. По сигналу начала отсчета с датчика углового положения 6 начинается второй (и последующие) цикл измерений, в течение которого микроЭВМ 4 анаголичным образом осуществляет прием и запоминание значений отсчета аналогового сигнала дисбаланса в каждой из 1024 точек цикла со всех датчиков 1. Накопление информации осуществляется в течение n-периодов.

Таким образом микроЭВМ 4 осуществляет синхронизацию приема измерительной информации с началом каждого цикла вращающегося механизма, при этом происходит не только запоминание, но и подсуммирование значений сигнала в каждой точке и определение их положения на угловой шкале, жестко привязанной к ротору механизма.

По окончании приема и подсуммирования данных n-го периода со всех датчиков 1 микроЭВМ 4 с использованием записанной программы выделяет для всех плоскостей коррекции периодическую составляющую как функцию угла поворота вращающейся детали относительно начальной фазы цикла, что обеспечивает фильтрацию ее от шума мощных несинхронных периодических вибраций соседних узлов и механизмов. Выделенные периодические составляющие вибросигналов со всех опор с использованием программы (практически одновременно) обрабатывают с помощью Фурье-преобразования, вычисляют амплитуду и фазу дисбаланса в каждой плоскости коррекции. Полученные значения индицируются в блоке отображения информации 5.

Предлагаемое устройство обладает рядом преимуществ. Использование в качестве аналогового коммутатора мультиплексора позволяет обрабатывать сигналы дисбаланса практически одновременно со всех датчиков, что приводит к повышению производительности, а осуществление Фурье-преобразования для 1024 точек отсчета значительно повышает точность определения параметров дисбаланса. Кроме того, наложение значений отсчета с вибросигнала на угловую шкалу, жестко привязанную к вращающейся детали, позволяет автоматизировать процесс доводки "тяжелого" места под маркер или сверло. Предлагаемое устройство может быть использовано для широкого класса балансируемых механизмов, т.к. угловая шкала, создаваемая в устройстве, может быть привязана к поверхности любой конфигурации.

Использование: в измерительной технике, в частности может быть использовано для динамической многоплоскостной балансировки вращающихся деталей механизмов. Сущность изобретения: устройство содержит датчики дисбаланса 1, подключенные к аналоговому коммутатору, выполненному в виде мультиплексора 2, выход которого через последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь 3 и микроЭВМ 4 подключен к блоку отображения информации 5, и датчик углового положения 6. Выход датчика углового положения 6 соединен с умножителем частоты 7, выход которого подключен к первому входу формирователя сигнала направления вращения 9, второй вход которого через фазовращатель 8 соединен с выходом умножителя частоты 7. Кроме того, выходы датчика углового положения 6, умножителя частоты 7, формирователя сигнала направления вращения 9 и АЦП 3 подключены к порту ввода микроЭВМ 4, а управляющие входы мультиплексора 2 и АЦП 3 соединены с портом вывода микроЭВМ 4. 1 ил.

Устройство для измерения параметров дисбаланса, содержащее датчики дисбаланса, подключенные к аналоговому коммутатору, выход которого через последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь и микроЭВМ подключен к блоку отображения информации, и датчик углового положения, отличающееся тем, что аналоговый коммутатор выполнен в виде мультиплексора, в устройство введены умножитель частоты, фазовращатель и формирователь сигнала направления вращения, причем выход датчика углового положения соединен с умножителем частоты, выход которого подключен к первому входу формирователя сигнала направления вращения, второй вход которого через фазовращатель соединен с выходом умножителя частоты, выходы датчика углового положения, умножителя частоты, формирователя сигнала направления вращения и аналого-цифрового преобразователя подключен к порту ввода микроЭВМ, а управляющие входы мультиплексора и аналого-цифрового преобразователя соединены с портом вывода микроЭВМ.