精密离心机的一种现场动平衡方法

【摘要】精密离心机是测试与标定高精度加速度计在高过载下性能的惯导测试设备。精密离心机动平衡系统主要用来减小由不平衡量引起的振动，以提高旋转速率的平稳性和减小对大臂测试半径的影响。针对精密离心机具体结构的特点，为了提高动平衡调整的效率，给出了基于影响系数法的现场动平衡的方法，取得了较好的效果。

【关键词】离心机；动平衡；影响系数法

精密离心机是测试与标定高精度加速度计在高过载下性能的惯导测试设备。离心机旋转所产生的加速度的精度直接影响加速度计的标定精度[1~5]。精密离心机所产生的加速度的精度主要是由大臂的半径精度和主轴旋转速率的平稳性决定的。由于在使用中要经常要随着被测加速度计的不同，调整离心机的转子的不平衡量，所以要设计一种现场动平衡的方法，来实现对精密离心机转子系统中存在的不平衡量进行校正，消除或减小不平衡量对系统精度的影响。

精密离心机动平衡系统由数据采集、数据分析处理、不平衡量的解算、执行部分等组成。为了保证系统平衡的精度，选用高性能的电容测微仪作为振动量的测试传感器，通过对震动信号的数据处理，分离出由产生不平衡振动的一次谐波分量；利用影响系数法原理对不平衡量进行解算，最后由PLC 控制步进电机驱动离心机调整面的平衡滑块，完成对精密离心机的动平衡。

1 影响系数法的原理

影响系数法是将转子及支承系统近似的看作黑箱，平衡面上的试加重量作为这一封闭系统的输入，在一定的转速下，在相同测振位置和相同测振方向上，试加重量所引起的振动变化作为输出，对系统进行辩识，得出系统输入和输出之间的关系—影响系数，并利用得出的输入与输出之间的关系，改变试加重量，使系统的输出振动量达到最小，从而达到动平衡的目的。

用影响系数法进行动平衡的优势在于把动平衡问题最终转化为线性方程组的求解，方法十分简单，而且非常便于计算机数值计算。由于采用空气轴承的离心机轴系的刚度是很高的，是准刚性的，通过对轴系振动响应的测试，精密离心机上下测试面上测微仪测得的振动响应与上下校正面的不平衡量是线性关系，它们之间的关系系数即是所谓的影响系数。影响系数法就是通过给动平衡系统附加一个确定的激励，即附加不平衡量，测量出其振动响应，根据它们之间的关系，辨识出动平衡系统的影响系数，并根据影响系数，计算出原始不平衡量。

精密离心机动平衡系统的测试面和校正面的机械结构示意图,如图1 所示，精密离心机有两个测试面和两个校正面，上下校正面上各有两个步进电机驱动的平衡滑块。

影响系数法就是对平衡滑块移动前后的测微仪测得数据和平衡滑块移动距离的大小和方向进行解算，得出原始不平衡量和系统达到动平衡状态平衡滑块需要移动的距离。

考虑到和不平衡有关的一次谐波和平衡滑块的移动都是矢量，包括幅值和相位两重信息，在解算过程中，影响系数的求得要用到矩阵运算，因为MATLAB 在矩阵运算方面的优势和方便性。同时动平衡控制系统的软件平台是用VC++实现的，所以影响系数法在动平衡控制系统中的应用是通过VC++和MATLAB 混合编程实现的。

2 谐波信号的提取

3 动平衡系统上位机软件的实现

动平衡系统上位机软件主要利用影响系数法或综合解算法进行不平衡量解算，最终解算出转子不平衡量的大小和方向。软件主要实现的功能包括：

1.同主轴计算机进行通讯，等待主轴运行到匀速状态，接收测微仪和角度数据，并对数据进行文件的记录。

2.对从测微仪采集的数据进行快速傅立叶变换，分离出和不平衡量密切相关的一次谐波，并进行数据的显示和日志文件的记录。

3.初始不圆度补偿、频率特性补偿、初始相位补偿。分别用影响系数法和综合解算法进行不平衡量的解算，得到不平衡量的大小和方向并进行显示。

4.同卸荷系统进行通讯，对力传感器数据进行转换、LED 显示、日志文件的记录。动平衡软件程序结构图如图4 所示

5 动平衡执行部分的实现

精密离心机中控制平衡滑块移动的系统称为动平衡的执行部分，动平衡执行部分由控制机构和动平衡执行机构组成。精密离心机的转子上设有上、下两个校正面，校正面上共设置了7 个动平衡执行机构，如图5 所示。其中4 个动平衡执行机构由步进电机驱动，称为自动动平衡执行机构，其设置平衡量的精度较高，主要用于转子的在线自动动平衡；另外的3 个动平衡执行机构是手动的，主要用于当转子的不平衡量超出一定范围时手动调整平衡滑块，使不平衡量的数值小于规定的数值后，再进行自动动平衡。自动动平衡执行部分主要由触摸屏、可编程控制器(PLC)、步进电机驱动器、动平衡执行机构等构成。其中动平衡执行机构由步进电机、平衡滑块、光杆、丝杠、限位开关等组成。其功能是由触摸屏输入解算所得的平衡滑块应该移动的距离信息，由触摸屏和PLC 控制驱动器来驱动步进电机移动平衡滑块，最终使系统达到平衡状态。图5 给出了上校正面自动动平衡执行部分的组成，下校正面的组成与上校正面的相同。

利用FP0- C16 两个脉冲输出端口Y0 和Y1 和相应的方向控制端口Y2 和Y3，直接接入步进电机驱动器，只需执行相应的脉冲控制指令就可以实现各种脉冲输出方式，从而控制上、下校正面上两个方向平衡滑块的移动。同时在步进电机控制中，为了避免在启动和停止的时候出现丢步或过冲的现象，需要设计如图6 所示的升降速曲线，这也可以通过PLC 的参数化编程很方便的实现。使脉冲以启动和结束频率为0.2kHz，最大脉冲频率是1kHz，加/减速时间为30ms 的设定开始输出，步进电机带动平衡滑块开始移动。当平衡滑块移动到指定位置时脉冲输出停止，并在触摸屏上显示出平衡滑块的当前位置的数据信息。为了安全起见，在平衡滑块移动过程中不再响应其它脉冲输出操作。同时在移动过程中，如果平衡滑块接触到两边的限位开关，与限位开关相连的常闭触点(X2 或X4)打开，此时脉冲输出停止。

6 结论

本文针对精密离心机机械结构的特点，用精密离心机动平衡系统采用电容测微仪作为振动量的数据采集、由计算机分离出由不平衡量引起的振动响应的一次谐波分量；用影响系数法实现不平衡量的解算，调整平衡滑块移动到要求的位置，实现精密离心机的现场动平衡。

本文所提出的方法还可以应用在其他非标设备的现场动平衡调试中。