发动机飞轮动平衡微机测试系统研究
摘要
本论文结合发动机飞轮动平衡微机测试系统的开发过程，就如何提高动平衡测试精度进行了研究，主要包括以下内容：
第一章阐述了动平衡的一些基本情况，包括转子动平衡的意义和原理，动平衡机的发展概况和发展前景及动平衡机的基本构成和分类，提出本文研究内容。
第二章介绍了飞轮动平衡机结构原理及对其动力学模型的分析，飞轮动平衡机的平衡工艺，并结合厂方提出的要求设计动平衡系统测试整体方案。
第三章从提高测试精度的角度论述了飞轮动平衡测试原理、校准原理以及数据处理方法。
第四章介绍了飞轮动平衡测试系统硬件的选取和设计，结合系统方案在分析传感器、数据采集卡、工控机特性参数基础上完成选型工作，并介绍信号预处理部分的设计，重点是对传感器振动信号的预处理。
第五章介绍了飞轮动平衡测试系统软件设计，主要介绍信号采集卡驱动程序设计、校准部分功能的程序设计、测试部分功能的程序设计及波形显示部分功能的程序设计。
第六章对实验测试数据和现场测试数据进行了分析，并根据分析结果提出产生系统误差因素及其处理措施。
第七章对本课题进行了总结和展望。
The thesis concerns on how to improve the precision of the measurement of the Flywheel dynamic balancing machine in the development of the instrument's software and hardware.
It includes seven chapters and the contents are as follow:
In chapter 1, some basic things about dynamic balancing machine is introduced,including what unbalance is,the basic theory,the significance,some general development history and its prospect,basic element and the kinds of the dynamic balancing machine.Finally, the intention and the task of this paper are put forward.
In chapter 2,the structure of the Flywheel dynamic balancing machine is presened.Based on its actural structure, some certain analysis on its dynamics model is made.The next step is on balance procedure,at last the blueprint of the system's measurement is put forward.
In chapter 3,the scheme which in theory could ensure the unbalance measurement precision of the flywheel is researched, including how to measure the amount of unbalance and the phase of unbalance of the flywheel,how to calibrate the dynamic balancing and how to resovle the sampled data.
In chapter 4,the choice and the design of the instrument's hardware is introduced.Before decide the type of the sensor, the data acquisition card and the industry computer for the scheme the characteristic parameter of them are analysed. At last the design of the pretreatment circuit for cutting the direct voltage and the design of the lowpass filter are introduced.
In chapter 5, the software of the measurement system design is introduced,including the design of the driver which supports the acquision card,the design of calibration function,the design of measurement function and wave show function.
In chapter 6, the data from the lab and the test spot are analysed ,a conclusion based on the analysis is drawn.At last the basic influence which could debase the measurement precision is analysed and how to reduce the influence is refered.
Finally, the conclusion and expectation for the future study are shown.
第一章阐述了动平衡的一些基本情况，包括转子动平衡的意义和原理，动平衡机的发展概况和发展前景及动平衡机的基本构成和分类，提出本文研究内容。
第二章介绍了飞轮动平衡机结构原理及对其动力学模型的分析，飞轮动平衡机的平衡工艺，并结合厂方提出的要求设计动平衡系统测试整体方案。
第三章从提高测试精度的角度论述了飞轮动平衡测试原理、校准原理以及数据处理方法。
第四章介绍了飞轮动平衡测试系统硬件的选取和设计，结合系统方案在分析传感器、数据采集卡、工控机特性参数基础上完成选型工作，并介绍信号预处理部分的设计，重点是对传感器振动信号的预处理。
第五章介绍了飞轮动平衡测试系统软件设计，主要介绍信号采集卡驱动程序设计、校准部分功能的程序设计、测试部分功能的程序设计及波形显示部分功能的程序设计。
第六章对实验测试数据和现场测试数据进行了分析，并根据分析结果提出产生系统误差因素及其处理措施。
第七章对本课题进行了总结和展望。
The thesis concerns on how to improve the precision of the measurement of the Flywheel dynamic balancing machine in the development of the instrument's software and hardware.
It includes seven chapters and the contents are as follow:
In chapter 1, some basic things about dynamic balancing machine is introduced,including what unbalance is,the basic theory,the significance,some general development history and its prospect,basic element and the kinds of the dynamic balancing machine.Finally, the intention and the task of this paper are put forward.
In chapter 2,the structure of the Flywheel dynamic balancing machine is presened.Based on its actural structure, some certain analysis on its dynamics model is made.The next step is on balance procedure,at last the blueprint of the system's measurement is put forward.
In chapter 3,the scheme which in theory could ensure the unbalance measurement precision of the flywheel is researched, including how to measure the amount of unbalance and the phase of unbalance of the flywheel,how to calibrate the dynamic balancing and how to resovle the sampled data.
In chapter 4,the choice and the design of the instrument's hardware is introduced.Before decide the type of the sensor, the data acquisition card and the industry computer for the scheme the characteristic parameter of them are analysed. At last the design of the pretreatment circuit for cutting the direct voltage and the design of the lowpass filter are introduced.
In chapter 5, the software of the measurement system design is introduced,including the design of the driver which supports the acquision card,the design of calibration function,the design of measurement function and wave show function.
In chapter 6, the data from the lab and the test spot are analysed ,a conclusion based on the analysis is drawn.At last the basic influence which could debase the measurement precision is analysed and how to reduce the influence is refered.
Finally, the conclusion and expectation for the future study are shown.
引文
[1] 叶能安，余汝生．动平衡原理与动平衡机．武汉：华中工学院出版社，1985
[2] [日] 三轮修三，下村玄．旋转机械的平衡．北京：机械工业出版社，1992
[3] 张正松，傅尚新，冯冠平，徐玉铮等．旋转机械振动监测与故障诊断．北京：机械工业出版社，1994
[4] 胡亚庆．简明汽车知识词典．北京：北京理工大学出版社，2002
[5] 顾家柳．转子动力学．北京：国防工业出版社，1985
[6] 钟一谔，何衍宗，王正，李方泽．转子动力学．北京：清华大学出版社，1987
[7] 廖伯瑜．机械故障诊断基础．北京：冶金工业出版社，2002
[8] 孙序梁．飞轮设计．北京：高等教育出版社，1988
[9] [联邦德国] R．伽西，H．菲次耐．转子动力学导论．北京：机械工业出版社，1986
[10] 崔宁博．设备诊断技术—振动分析及其应用．天津：南开大学出版社，1988
[11] 胡正蓉．平衡机的设计与应用．北京：国防工业出版社，1988
[12] 汪曾祥，魏先英，刘祥至．弹簧设计手册．上海：上海科学技术文献出版社，1986
[13] 程耀东．机械振动学．杭州．浙江大学出版社，1988
[14] [西德] 哈托．施奈德．平衡技术理论与实践．北京：机械工业出版社，1981
[15] [日] 明石和彦，浅羽正三，下村玄．动平衡试验．长春：吉林人民出版社，1980
[16] 沈兰荪．数据采集技术．合肥：中国科学技术大学出版社，1990
[17] 严普强，黄长艺．机械工程测试技术基础．北京：机械工业出版社，1984
[18] 郑君离，杨为理，应启珩．信号与系统．北京：高等教育出版社，1981
[19] 雨宫好文，佐藤幸男．信号处理入门．北京：科学出版社，2000
[20] 程佩清．数字信号处理．北京：清华大学出版社，1995
[21] 俞卞章．数字信号处理．西安：西北工业大学出版社，2002
[22] 李培芳．离散信号与系统分析．杭州：浙江大学出版社，2001
[23] 冯博琴，冯岚，丛臻，刘鹰．信号、系统与信号处理．北京：机械工业出版社，2001
[24] 谭浩强．C程序设计．北京：清华大学出版社，1991
[25] 郑莉，董渊．C++语言程序设计．北京：清华大学出版社，2001
[26] 潘爱民，王国印．Visual C++技术内幕．北京：清华大学出版社，1996
[27] 李兰友．Visual C++．NET图形图像编程．北京：电子工业出版社，2002
[28] 殷福亮，宋爱军．数字信号处理C语言程序集．沈阳：辽宁科学技术出版社，1997
[29] 李经纬．数字信号处理及其C语言算法．北京：北京希望电脑公司
[30] 郑建彬．基于DFT的动平衡机不平衡量提取算法．武汉理工大学学报，2002，26(3)：318-320
[31] 佟德纯，黄文振．转子动平衡技术．机电一体化，2002．2：63-66，2002．3：77-80
[32] 黄迪山．FFT相位误差分析及实用修改方法．振动工程学报，1994，7(6)：185-189
[33] 谢飞，张小飞．丁康．频谱分析中用相位和频率校正的相位差校正法．振动工程学报，1999，12(4)：454-459
[34] 谢明，丁康，莫克斌．频谱校正时谱线干涉的影响及其判定方法．振动工程学报，1998，10(2)：52-57
[35] 谢明，丁康．频谱分析的校正方法．振动工程学报，1994，7(2)：172-179
[32] 谢明，丁康．离散频谱分析的一种新校正方法．重庆大学学报，1995，18(2)：47-54
[36] 丁康，谢明等．离散频谱的幅值、相位和频率的新校正方法及误差分析．动态分析与测
试技术，1996，14(1)：10-29
[37] 丁康，谢明．离散频谱三点卷积幅值修正法的误差分析．振动工程学报，1994，7(4)：92-98
[38] 丁康，朱小勇．适合于加各种窗的一种离散频谱相位差校正法．电子学报，2001，29(7)：987-989
[39] 丁康，罗江凯，谢明．离散频谱时移相位差校正法．应用数学和力学，2002，23(7)：719-735
[40] 丁康，朱小勇，谢明，钟舜聪，罗江凯．离散频谱综合相位差校正法．振动工程学报，2002，15(1)：114-118
[41] 刘进明，应怀憔．FFT谱连续细化分析的付立叶变换法．振动工程学报，1995，8(2)：162-166
[42] 刘渝．正弦波频谱快速估计方法．数据采集与处理，1998，13(1)：7-11
[43] 李康银，陈志业，宁宇．快速傅立叶变换的两种改进算法．电力系统自动化，1997，21(12)：37-39
[44] 邱宽民，赵胜凯．DFT与FFT在实际应用时的性能比较．北方交通大学学报，2000，24(5)：60-61
[45] 林东涛．实现真正动平衡的理论基础和手段．航空精密制造技术，38(4)：33-35
[46] 刘玉辉．相干平均在刚性转子单面动平衡中的应用．冶金设备，2002，134(4)：5-8
[47] 余先涛，余明辉．相干分析在刚性转子动平衡测试中的应用．武汉大学学报，2001，34(4)：100-102
[48] 王洪，彭熙伟，李占宏，候增广．基于FFT的车轮动平衡检测技术．北京理工大学学报，2002，22(3)：300-302
[49] 金雪欣．关于工件在单面立式平衡机上校正好平衡后用静平衡检测剩有少量静不平衡量的分析．试验技术与试验机，2002，42(1、2)：46-47
[50] 吴瑛．动平衡机精度误差测试及其算法．中小型电机，2001，28(3)：65-65
[57] 余佳兵，史铁林，陈培林，杨叔子．窗谱校正方法的实用峰值搜寻算法研究．振动工程学报，1996，9(4)：378-382
[51] 郑建斌，田春仿．基于离散小波变换的动平衡机不平衡量提取算法研究．测控技术，2002，21(8)：21-24
[52] 鲍国华．车轮动平衡机的测量原理及其计算标准．上海测量技术，2001，28(5)：16-20
[53] 张志新．智能动平衡仪中硬件频谱分析的实现．流体机械，2002，30(10)：40-42
[54] 梁志国，孙璟宇，朱济杰．正弦波相位差的一种精确评价方法．计量学报，2002，23(3)：224-228
[55] 王蕴琦，史新宇，王军．影响平衡质量的工艺要素分析．航空发动机，2001，3：29-31
[56] 詹国华，张量．动态抑止交流干扰的软件滤波算法及应用．计算机应用，2000，9：103-105
[57] 刘灿涛，赵涛，袁俊．基于数字相关原理的相位差测量新方法．计量学报，2002，23(3)：219-223
[58] 张毅刚，付平，王丽．采用数字相关法测量相位差．计量学报，2000，21(3)：216-221
[59] 杨强，李堂秋．Win9x虚拟设备驱动程序编程指南．北京：清华大学出版社，1999．
[60] 张维名．使用VtoolsD开发Windows95虚拟设备驱动程序．中国计算机用户，1997，12．
[61] 郭武，王仁华，马仲柯．Windows95设备驱动程序的编写．中国计算机用户，1997，12．
[62] 屈其清．检测系统的测试误差及对仪器设备的要求．微电机，1991，2(23)
[63] 童诗白．模拟电子技术．北京：清华大学出版社，1988
[64] Thomas Kugelstadt.Active Filter Design Techniques
[65] Thomas Grandke.Interpolation algorithons for discrete Fourier transforms of weighted signals.IEEE Transactions on Instrumentation and measurement, 1983, IM-32 (2): 350-355
[66] Xie Ming, Ding Kang.Correction for frequency, amplitude and phase in FFT of harmonic signal.Mechanical System and Signal Processing, 1996, 10 (2): 211-221
[67] Offelli C, Petri D.A frequency-domain procedure for accurate real-time signal parameter measurement.IEEE Trans, IM, 1990, 39 (2): 363-368
[68] Qu L, Liu X, Peyronne Getnal.The hoiospectrum: a new method for rotor surveillance and diagnoais.Mechanical System and Signal Porcessing, 1989, 33:255-267
[69] Deyst J P, Soulders T M, Sotomon O M Jr.Rounds on Least Squares Four-Parameter Sine-Fit Errors due to Harmonic Distortion and Noise[J].IEEE Trans Instrm Meas, 1995, 443:637-642
[70] Kathryn E.Stecki.Procedures to determine part mix ratios for independent demands in flexible manufacturing systems.IEEE Trans Engineering Management, 1992, 39 (4): 359-369
[71] ISO 2953-1981.Balancing Machine-Description and Evaluation
[72] C.H. Chen.Signal Processing Handbook.Marcel Dekker, Inc
[73] Parks T W, McClellan J H.Chebyshev Approximation for Nonrecursive Digital Filters with Linear Phrae.IEEE Trans.Circuit Theory, Mar.1972, Vol. CT-19:189-194
[74] PCL-818L User's Guide.Taiwan, Oct. 1995
[2] [日] 三轮修三，下村玄．旋转机械的平衡．北京：机械工业出版社，1992
[3] 张正松，傅尚新，冯冠平，徐玉铮等．旋转机械振动监测与故障诊断．北京：机械工业出版社，1994
[4] 胡亚庆．简明汽车知识词典．北京：北京理工大学出版社，2002
[5] 顾家柳．转子动力学．北京：国防工业出版社，1985
[6] 钟一谔，何衍宗，王正，李方泽．转子动力学．北京：清华大学出版社，1987
[7] 廖伯瑜．机械故障诊断基础．北京：冶金工业出版社，2002
[8] 孙序梁．飞轮设计．北京：高等教育出版社，1988
[9] [联邦德国] R．伽西，H．菲次耐．转子动力学导论．北京：机械工业出版社，1986
[10] 崔宁博．设备诊断技术—振动分析及其应用．天津：南开大学出版社，1988
[11] 胡正蓉．平衡机的设计与应用．北京：国防工业出版社，1988
[12] 汪曾祥，魏先英，刘祥至．弹簧设计手册．上海：上海科学技术文献出版社，1986
[13] 程耀东．机械振动学．杭州．浙江大学出版社，1988
[14] [西德] 哈托．施奈德．平衡技术理论与实践．北京：机械工业出版社，1981
[15] [日] 明石和彦，浅羽正三，下村玄．动平衡试验．长春：吉林人民出版社，1980
[16] 沈兰荪．数据采集技术．合肥：中国科学技术大学出版社，1990
[17] 严普强，黄长艺．机械工程测试技术基础．北京：机械工业出版社，1984
[18] 郑君离，杨为理，应启珩．信号与系统．北京：高等教育出版社，1981
[19] 雨宫好文，佐藤幸男．信号处理入门．北京：科学出版社，2000
[20] 程佩清．数字信号处理．北京：清华大学出版社，1995
[21] 俞卞章．数字信号处理．西安：西北工业大学出版社，2002
[22] 李培芳．离散信号与系统分析．杭州：浙江大学出版社，2001
[23] 冯博琴，冯岚，丛臻，刘鹰．信号、系统与信号处理．北京：机械工业出版社，2001
[24] 谭浩强．C程序设计．北京：清华大学出版社，1991
[25] 郑莉，董渊．C++语言程序设计．北京：清华大学出版社，2001
[26] 潘爱民，王国印．Visual C++技术内幕．北京：清华大学出版社，1996
[27] 李兰友．Visual C++．NET图形图像编程．北京：电子工业出版社，2002
[28] 殷福亮，宋爱军．数字信号处理C语言程序集．沈阳：辽宁科学技术出版社，1997
[29] 李经纬．数字信号处理及其C语言算法．北京：北京希望电脑公司
[30] 郑建彬．基于DFT的动平衡机不平衡量提取算法．武汉理工大学学报，2002，26(3)：318-320
[31] 佟德纯，黄文振．转子动平衡技术．机电一体化，2002．2：63-66，2002．3：77-80
[32] 黄迪山．FFT相位误差分析及实用修改方法．振动工程学报，1994，7(6)：185-189
[33] 谢飞，张小飞．丁康．频谱分析中用相位和频率校正的相位差校正法．振动工程学报，1999，12(4)：454-459
[34] 谢明，丁康，莫克斌．频谱校正时谱线干涉的影响及其判定方法．振动工程学报，1998，10(2)：52-57
[35] 谢明，丁康．频谱分析的校正方法．振动工程学报，1994，7(2)：172-179
[32] 谢明，丁康．离散频谱分析的一种新校正方法．重庆大学学报，1995，18(2)：47-54
[36] 丁康，谢明等．离散频谱的幅值、相位和频率的新校正方法及误差分析．动态分析与测
试技术，1996，14(1)：10-29
[37] 丁康，谢明．离散频谱三点卷积幅值修正法的误差分析．振动工程学报，1994，7(4)：92-98
[38] 丁康，朱小勇．适合于加各种窗的一种离散频谱相位差校正法．电子学报，2001，29(7)：987-989
[39] 丁康，罗江凯，谢明．离散频谱时移相位差校正法．应用数学和力学，2002，23(7)：719-735
[40] 丁康，朱小勇，谢明，钟舜聪，罗江凯．离散频谱综合相位差校正法．振动工程学报，2002，15(1)：114-118
[41] 刘进明，应怀憔．FFT谱连续细化分析的付立叶变换法．振动工程学报，1995，8(2)：162-166
[42] 刘渝．正弦波频谱快速估计方法．数据采集与处理，1998，13(1)：7-11
[43] 李康银，陈志业，宁宇．快速傅立叶变换的两种改进算法．电力系统自动化，1997，21(12)：37-39
[44] 邱宽民，赵胜凯．DFT与FFT在实际应用时的性能比较．北方交通大学学报，2000，24(5)：60-61
[45] 林东涛．实现真正动平衡的理论基础和手段．航空精密制造技术，38(4)：33-35
[46] 刘玉辉．相干平均在刚性转子单面动平衡中的应用．冶金设备，2002，134(4)：5-8
[47] 余先涛，余明辉．相干分析在刚性转子动平衡测试中的应用．武汉大学学报，2001，34(4)：100-102
[48] 王洪，彭熙伟，李占宏，候增广．基于FFT的车轮动平衡检测技术．北京理工大学学报，2002，22(3)：300-302
[49] 金雪欣．关于工件在单面立式平衡机上校正好平衡后用静平衡检测剩有少量静不平衡量的分析．试验技术与试验机，2002，42(1、2)：46-47
[50] 吴瑛．动平衡机精度误差测试及其算法．中小型电机，2001，28(3)：65-65
[57] 余佳兵，史铁林，陈培林，杨叔子．窗谱校正方法的实用峰值搜寻算法研究．振动工程学报，1996，9(4)：378-382
[51] 郑建斌，田春仿．基于离散小波变换的动平衡机不平衡量提取算法研究．测控技术，2002，21(8)：21-24
[52] 鲍国华．车轮动平衡机的测量原理及其计算标准．上海测量技术，2001，28(5)：16-20
[53] 张志新．智能动平衡仪中硬件频谱分析的实现．流体机械，2002，30(10)：40-42
[54] 梁志国，孙璟宇，朱济杰．正弦波相位差的一种精确评价方法．计量学报，2002，23(3)：224-228
[55] 王蕴琦，史新宇，王军．影响平衡质量的工艺要素分析．航空发动机，2001，3：29-31
[56] 詹国华，张量．动态抑止交流干扰的软件滤波算法及应用．计算机应用，2000，9：103-105
[57] 刘灿涛，赵涛，袁俊．基于数字相关原理的相位差测量新方法．计量学报，2002，23(3)：219-223
[58] 张毅刚，付平，王丽．采用数字相关法测量相位差．计量学报，2000，21(3)：216-221
[59] 杨强，李堂秋．Win9x虚拟设备驱动程序编程指南．北京：清华大学出版社，1999．
[60] 张维名．使用VtoolsD开发Windows95虚拟设备驱动程序．中国计算机用户，1997，12．
[61] 郭武，王仁华，马仲柯．Windows95设备驱动程序的编写．中国计算机用户，1997，12．
[62] 屈其清．检测系统的测试误差及对仪器设备的要求．微电机，1991，2(23)
[63] 童诗白．模拟电子技术．北京：清华大学出版社，1988
[64] Thomas Kugelstadt.Active Filter Design Techniques
[65] Thomas Grandke.Interpolation algorithons for discrete Fourier transforms of weighted signals.IEEE Transactions on Instrumentation and measurement, 1983, IM-32 (2): 350-355
[66] Xie Ming, Ding Kang.Correction for frequency, amplitude and phase in FFT of harmonic signal.Mechanical System and Signal Processing, 1996, 10 (2): 211-221
[67] Offelli C, Petri D.A frequency-domain procedure for accurate real-time signal parameter measurement.IEEE Trans, IM, 1990, 39 (2): 363-368
[68] Qu L, Liu X, Peyronne Getnal.The hoiospectrum: a new method for rotor surveillance and diagnoais.Mechanical System and Signal Porcessing, 1989, 33:255-267
[69] Deyst J P, Soulders T M, Sotomon O M Jr.Rounds on Least Squares Four-Parameter Sine-Fit Errors due to Harmonic Distortion and Noise[J].IEEE Trans Instrm Meas, 1995, 443:637-642
[70] Kathryn E.Stecki.Procedures to determine part mix ratios for independent demands in flexible manufacturing systems.IEEE Trans Engineering Management, 1992, 39 (4): 359-369
[71] ISO 2953-1981.Balancing Machine-Description and Evaluation
[72] C.H. Chen.Signal Processing Handbook.Marcel Dekker, Inc
[73] Parks T W, McClellan J H.Chebyshev Approximation for Nonrecursive Digital Filters with Linear Phrae.IEEE Trans.Circuit Theory, Mar.1972, Vol. CT-19:189-194
[74] PCL-818L User's Guide.Taiwan, Oct. 1995