Алгоритмы цифровой обработки информации при балансировке неравномерно вращающегося ротора

Непрерывный рост угловых скоростей роторов различных машин и приборов является одной из особенностей современного технического прогресса. Известно, что вращающиеся роторы могут надежно работать только при условии их сбалансированности. Например, в машинах с большими дисбалансами потери энергии на возбуждение вибрации достигают 36% [53]. Улучшение на 10% точности балансировки деталей автомобиля удлиняет его срок службы на 25−100% и повышает полезную мощность на 10%. В частности, балансировка колес автомобиля позволяет существенно снизить износ ходовой части автомобиля, автомобильных шин, а также повышает комфортность езды [1]. Следовательно, проблема балансировки роторов имеет в современном машиностроении очень важное значение.

Исследования, направленные на совершенствование процесса балансировки изделий различных отраслей техники проводятся во всем мире [76, 79, 80]. Стремление повысить точность балансировки заставляет специалистов рассматривать все новые факторы, негативно влияющие на процесс балансировки. Одним из таких факторов является непостоянство угловой скорости сорав ротора в процессе балансировки [51].

Актуальность темы

Вопросам учета непостоянства угловой скорости ротора о) раб при его балансировке в последнее время уделяется серьезное внимание. В специальной литературе рассмотрены факторы, вызывающие непостоянство сораб, разработана математическая модель поведения ротора в этих условиях, а также предложены варианты реализации процесса балансировки для балансировочных станков различных типов. Однако предлагаемые методы ориентированы, в первую очередь, на балансировочное оборудование, имеющее аналоговые измерительные системы. Для устранения влияния непостоянства угловой скорости о) раб на точность балансировки, рекомендуется включать в состав такой измерительной системы аналоговые полосовые фильтры, а также следящие фильтры, способные отслеживать изменение о) раб [54]. Однако аналоговые фильтры сложны в изготовлении и настройке, работоспособны в достаточно узком диапазоне изменения угловой скорости, и могут вносить в сигналы амплитудные и фазовые искажения. Кроме того, достигаемая точность определения угловых координат дисбалансов в 3.5 °в ряде случаев может оказаться недостаточной. Для дальнейшего повышения точности определения угловых координат дисбалансов рекомендуется совершенствовать привод вращения ротора, добиваясь его более равномерного вращения.

Большое количество используемых в промышленности балансировочных станков (до 8%) имеют бесконтактный привод вращения: пневматический или дуговой статор [5]. Для таких станков добиться существенного уменьшения неравномерности вращения ротора затруднительно.

В некоторых станках измерение параметров неуравновешенности производится на выбеге, что в ряде случаев ведет к существенному изменению угловой скорости балансируемого ротора. В этих станках стабилизация скорости ротора принципиально невозможна.

Бурное развитие цифровой и микропроцессорной техники, произошедшее в последнее десятилетие, сделало возможным создание балансировочных станков с аналого-цифровыми измерительными системами, имеющими в своем составе микроконтроллер. Наличие микроконтроллера позволяет использовать для получения информации о параметрах неуравновешенности ротора методы цифровой обработки информации и создавать станки, точностные параметры и сервисные возможности которых превосходят аналогичные характеристик станков с аналоговыми системами. Наиболее полно способы компенсации влияния на точность балансировки непостоянства угловой скорости ротора при использовании аналого-цифровой измерительной системы рассмотрены в работе [7]. Точность определения параметров неуравновешенности при реализации этих способов в аналого-цифровой измерительной системе выше, чем при использовании аналоговых измерительных систем. Но применимость предложенных в [7] методов ограничена, так как требует знания закона изменения угловой скорости ротора в процессе балансировки.

Таким образом, задача определения параметров неуравновешенности ротора в условиях непостоянства угловой скорости сораб при неизвестном законе ее изменения является важной на нынешнем этапе развития средств балансировки.

Цель работы — повышение точности определения параметров неуравновешенности ротора на балансировочных станках с аналого-цифровыми измерительными системами при непостоянной угловой скорости ротора и неизвестном законе ее изменения. Для достижения этой цели ставились и решались следующие задачи:

1) создание математической модели динамической системы балансировочного станка, включающей в себя и его измерительную систему;

2) выявление элементов балансировочного станка, изменяющих параметры сигналов при изменении угловой скорости ротора;

3) создание эффективных алгоритмов цифровой обработки информации, направленных на повышение точности балансировки в условиях непостоянства угловой скорости ротора.

Научная новизна.

1) Показано, что сигналы, пропорциональные проекциям на измерительную ось дисбалансов, действующих в плоскостях коррекции ротора, могут быть получены путем двойного интегрирования со сменой знака сигналов, пропорциональных проекциям соответствующих неуравновешенных сил, приведенным к этим плоскостям.

2) Предложен метод цифровой обработки информации, реализующий способ восстановления негармонического сигнала, искаженного аналоговым фильтром, входящим в состав аналого-цифровой измерительной системы.

3) Предложен алгоритм обработки информации, позволяющий определять параметры неуравновешенности ротора в условиях изменения в процессе балансировки его угловой скорости по заранее неизвестному закону.

Практическая ценность. Алгоритмы цифровой обработки информации, предложенные в работе, направлены на повышение точности балансировки в условиях изменения угловой скорости ротора в процессе балансировки по неизвестному закону. Данные алгоритмы были реализованы в виде программ для персонального компьютера, входящего в состав измерительной системы балансировочного станка, и в виде программ для аналого-цифровой измерительной системы станка ММ-18 для динамической балансировки автомобильных колес, выпускаемых НЛП «Монитор-механик» (г.Челябинск). Реализация алгоритмов позволила перейти к выпуску станков модели ММ-19 с существенно более высокими показателями точности и надежности.

Предложенные алгоритмы определения параметров неуравновешенности ротора при непостоянной угловой скорости могут служить основой для построения новых аналого-цифровых измерительных систем балансировочных станков, включающих в себя современную элементную базу, например цифровые сигнальные процессоры и быстродействующие микроконтроллеры. Кроме того, возможно осуществление модернизации существующих аналоговых измерительных систем балансировочных станков, позволяющей повысить точность их работы при непостоянной угловой скорости ротора.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на первой Всероссийской научно-технической конференции «Балансировочная техника» (г. Москва, 1994 г.), на научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников ЧГТУ, ЮУрГУ с участием представителей предприятий ракетно-космической техники (г. Челябинск, 1993;1998 гг.), на XIX Российской школе и XXIX Уральском семинаре по неоднородным конструкциям (г. Миасс, 1999 г.).

4.8 Выводы по главе

1) Вычислительный процесс, реализуемый в измерительной системе балансировочного станка с целью определения параметров неуравновешенности ротора, должен отражать реальный процесс прохождения информации о неуравновешенности ротора от ротора к микроконтроллеру.

2) Линейная цифровая фильтрация позволяет реализовать в вычислительном процессе рассмотренные ранее методы восстановления сигналов, искаженных аналоговыми фильтрами и определения параметров неуравновешенности неравномерно вращающегося ротора.

3) Особенностью рассмотренного вычислительного процесса, направленного на определение параметров неуравновешенности ротора при произвольном законе изменения его угловой скорости, является присутствие в нем дискретных сигналов, дискретизированных как через равные интервалы времени, так и через равные углы поворота ротора. Переход от одних сигналов к другим осуществляется при помощи интерполяции.

4) В вычислительном процессе может быть использована наиболее простая в реализации интерполяция — линейная. Показано, что она имеет приемлемую точность.

5) Для дорезонансного балансировочного станка вычислительный процесс может быть существенно упрощен за счет упрощения в математической модели механической системы такого станка.

6) Недостатком предложенного вычислительного процесса, реализуемого при помощи цифровой линейной фильтрации, является относительная длительность

120 выполнения вычислений, объясняемая необходимой избыточностью выборки обрабатываемых сигналов.

7) Использование цифровых сигнальных процессоров и современных быстродействующих микроконтроллеров позволяет существенно упростить реализацию вычислительного процесса определения параметров неуравновешенности и уменьшить время его выполнения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе ставились и решались задачи направленные на повышение точности технологической операции балансировки ротора в условиях меняющейся по заранее неизвестному закону его угловой скорости.

В ходе решения поставленных задач была выявлена не описанная ранее в литературе взаимосвязь между неуравновешенными силами, возникающими при вращении несбалансированного ротора, и дисбалансами ротора. Векторы неуравновешенных сил, приведенных к двум плоскостям коррекции ротора, являются взятыми с обратным знаком вторыми производными векторов дисбалансов по времени. Данная связь позволила описать процесс перехода от дисбаланса в плоскости коррекции к неуравновешенной силе при помощи динамического звена с простой передаточной функцией. Обратный переход от неуравновешенных сил к дисбалансам осуществляется путем двойного интегрирования со сменой знака.

В процессе анализа отдельных составляющих балансировочного станка были выявлены элементы, способные существенно менять параметры полезных сигналов, несущих информацию о параметрах неуравновешенности (дисбалансах) ротора. К этим элементам относятся аналоговые фильтры, входящие в состав измерительной системы балансировочного станка, а также собственно механическая система станка.

В работе предложена реализация цифрового восстанавливающего фильтра, позволяющая устранить влияние аналоговых фильтров на негармонический сигнал.

Для описания прохождения полезных сигналов при работе балансировочного станка, была разработана обобщенная динамическая схема, включающая в себя звенья, осуществляющие переход от дисбалансов к неуравновешенным силам, механическую систему станка, а также все элементы аналогового тракта измерительной системы. Для вычисления параметров неуравновешенности ротора микроконтроллерный блок измерительной системы должен реализовать вычислительный процесс, обратный прохождению сигнала через динамическую систему.

В работе приведена схема вычислительного процесса, позволяющая определять параметры неуравновешенности ротора исходя из сигналов на выходе аналогового тракта измерительной системы балансировочного станка. Анализ данного вычислительного процесса показал, что при его реализации не используется априорная информация об угловой скорости балансируемого ротора в процессе балансировки. В отличие от предложенных в других работах, данный вычислительный процесс не требует знания закона изменения угловой скорости ротора в процессе балансировки.

В ряде случаев, например для дорезонансного балансировочного станка, возможно существенное упрощение вычислительного процесса без потери точности.

Реализация предлагаемого вычислительного процесса в полном объеме возможна только в аналого-цифровой измерительной системе, содержащей микроконтроллерный блок. В качестве центрального устройства этого блока может быть использован цифровой сигнальный процессор. При этом осуществление некоторых специфических операций цифровой обработки сигналов, присутствующих в вычислительном процессе, будет проще.

Предлагаемый в работе вычислительный процесс может быть частично реализован для балансировочных станков, оснащенных аналоговыми измерительными системами. Для этого в каждый канал аналоговой измерительной системы необходимо после датчиков, регистрирующих перемещения механической системы балансировочного станка в процессе балансировки, встроить цифровой сигнальный процессор, реализующий функцию двойного интегрирования и смены знака. Это позволит устранить погрешности, связанные с колебаниями угловой скорости ротора в процессе его балансировки.

Предложенный вычислительный процесс был реализован в качестве программы для ПЭВМ и использован совместно с экспериментальной установкой. Эксперименты показали работоспособность вычислительного процесса.

Разработанный вычислительный процесс может служить основой для создания программного обеспечения создаваемых приводных и бесприводных балансировочных станков. Кроме того, он может применяться при модернизации существующего оборудования.