一種軸扭轉(zhuǎn)變形動態(tài)測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

一種軸扭轉(zhuǎn)變形動態(tài)測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)丁珍紅;吉小軍;劉月華【摘要】ThispaperdesignedandachievedakindofrealtimekinematicmeasurementsystemtoangeloftorsionbasedonphasedifferencemethodwiththecoredesignofFPGA.Thissystem1scolorcodetransducerusedtomeasurespeedandtorquewascomposedofreflectivelaserprobeandcolorcodemadeontherevolvingshaft.Theoutputswereintheformofimpulseandphasedifferencewhileprofessionalphasedemodulation,periodandpulsewidthmeasurementmodulefocusonFPGA.Stimulating,fieldprovingandactualtestingshowthatthesystemmeasuringaccuracyissuperiorto0.5%fullspanwithinthemeasuringrangeof0to2000N-m.Asaresult,itcaneffectivelysolvekinematicmeasurementtoangeloftorsion,torqueandpowerofhighrollingshaftsundertoughcircumstances.%設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種以現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）為核心的相位差式的扭轉(zhuǎn)變形動態(tài)測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)以反射式激光測頭和制作在旋轉(zhuǎn)軸上的色標(biāo)帶構(gòu)成敏感轉(zhuǎn)速和作用扭矩的色標(biāo)傳感器，輸出信號為脈沖和相位差。此外，以FPGA為核心構(gòu)建了專用的鑒相、周期及相位脈寬測量模塊。仿真、現(xiàn)場標(biāo)定和實(shí)際測試表明，在0~2000N.m量程范圍內(nèi)，系統(tǒng)的綜合測量精度小于0.5%滿量程，能有效解決惡劣條件下高速轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)角、扭矩及功率等動態(tài)測量問題?！酒诳Q】《中國機(jī)械工程》【年(勤期】2011(022)014【總頁數(shù)】4頁(P1672-1675)【關(guān)鍵詞】FPGA；扭轉(zhuǎn)角測量;相位差;鑒相模塊【作者】丁珍紅;吉小軍;劉月華【作者單位】上海交通大學(xué)，上海200240;上海交通大學(xué)，上海200240;上海交通大學(xué)上海200240【正文語種】中文【中圖分類】TP2730引言軸扭轉(zhuǎn)變形可以反映出軸的材料特性、負(fù)載特性及安全性等許多信息。在機(jī)械工程中，軸扭轉(zhuǎn)變形的測量（包括靜態(tài)和動態(tài)測量）是一項(xiàng)基礎(chǔ)且極為關(guān)鍵的技術(shù)。靜態(tài)測量主要對材料的扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能進(jìn)行測試［1］;動態(tài)測量主要測試能夠間接表征旋轉(zhuǎn)動力機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀況的扭矩、功率等信息，以對設(shè)備的動力特性、運(yùn)行可靠性進(jìn)行監(jiān)測和故障診斷［2］。實(shí)現(xiàn)軸扭轉(zhuǎn)變形測量需要解決傳感器、能量供給和信號傳輸三方面的問題。目前，國內(nèi)夕卜研制的傳感器從原理上講主要分為應(yīng)變型、磁彈性型、轉(zhuǎn)角型等［3］。其中，應(yīng)變型使用最多,它采用在旋轉(zhuǎn)軸表面貼應(yīng)變片的傳統(tǒng)方法，利用適當(dāng)?shù)碾娐啡〉眯盘枺缓筮M(jìn)行分析處理［4］。此種傳感器因成本低、操作簡便而被廣泛使用在靜態(tài)和低速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)變形測量上,測量精度可達(dá)0.1%滿量程，量程范圍廣，可滿足多數(shù)應(yīng)用需求，但該類扭矩傳感器應(yīng)用時(shí)需要妥善解決旋轉(zhuǎn)條件下的可靠供電和信號傳輸問題。磁彈性型和轉(zhuǎn)角型傳感器因?qū)χ谱?、安裝工藝要求高,目前在工業(yè)現(xiàn)場還很少獲得應(yīng)用。在實(shí)際測量，尤其是動態(tài)實(shí)時(shí)測量過程中,一些特殊的條件，如工作環(huán)境惡劣（高溫、高濕度、劇烈振動）,安裝空間有限，引線難度大，高轉(zhuǎn)速等實(shí)際條件下,測量系統(tǒng)對傳感器的性能會有更苛刻的要求［5］。光學(xué)測角法因具有非接觸、高準(zhǔn)確度和高靈敏度的特點(diǎn)而倍受人們的重視［6-7］。因此，筆者基于相位差測量原理提出并實(shí)現(xiàn)了一種扭轉(zhuǎn)變形動態(tài)測量系統(tǒng),可以解決惡劣條件下高速轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)變形的動態(tài)實(shí)時(shí)測量問題。1測量系統(tǒng)的工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)長度為L的彈性軸在受到大小為N的扭矩作用時(shí)，軸將產(chǎn)生變形，任意兩個橫截面繞中心軸發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，從而產(chǎn)生一個扭轉(zhuǎn)角0:式中,G為材料的剪切彈性模量;Ip為橫截面對圓心的極慣性矩。由式（1）可知，根據(jù)扭轉(zhuǎn)角0可以計(jì)算出扭矩N的值，但在實(shí)際應(yīng)用中,由于扭轉(zhuǎn)角非常小難于直接測量，一般都是通過一定的轉(zhuǎn)換裝置將其轉(zhuǎn)化為脈沖信號的相位差來進(jìn)行測量。目前常用的扭轉(zhuǎn)式測量系統(tǒng)通過在軸上安裝兩個規(guī)格完全相同的齒輪和磁電式傳感器實(shí)現(xiàn)［8-9］。扭矩作用時(shí)，兩個與齒輪相對應(yīng)的磁電式傳感器將輸出兩路脈沖信號,通過測量這兩路脈沖信號的相位差來實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)角的測量。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積與重量大,要求被測軸段有縮緊狀結(jié)構(gòu)，安裝不便。筆者在測量軸上加工出色標(biāo)帶,利用反射式激光測頭來得到包含轉(zhuǎn)速與扭轉(zhuǎn)角信息的脈沖信號，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。圖1測量原理示意圖在被測旋轉(zhuǎn)軸上相隔一定間距的位置處平行粘貼、噴涂或加工反光與不反光的材料或結(jié)構(gòu)，形成交替分布的反光與不反光的色標(biāo)帶，如圖1所示。在與被測軸通過軸承相固連的套筒上A、B位置處安裝2個反射式激光測頭。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)且承受一定的扭矩載荷時(shí),A、B處兩個色標(biāo)傳感器（包括激光測頭和色標(biāo)帶）的輸出為頻率相同但相位差一定的兩路脈沖信號脈沖信號的周期T反映了軸的轉(zhuǎn)速。在轉(zhuǎn)速一定的情況下,色標(biāo)條的數(shù)目決定了測量的動態(tài)特性。設(shè)色標(biāo)條的數(shù)目為m,則脈沖信號的周期T和轉(zhuǎn)速n(r/min)的關(guān)系為兩路信號的相位差反映了扭矩載荷的大小，隨著扭矩的增大，兩路信號的相位差也增大反之則變小，如圖2所示。設(shè)T1為兩信號的相位差脈寬，由式(1)推導(dǎo)可以得到將式(3)代入式(1)得由電工學(xué)原理可知式中,k為由測量構(gòu)件決定的比例系數(shù);P為功率,kW。圖2處理后的扭矩信號波形由式(3)~式(5)可看出，只要測出脈沖信號的周期T和相位差脈寬T1,就可以得知一定扭矩載荷下扭轉(zhuǎn)角的大小,通過測量扭轉(zhuǎn)角便可得知軸變形并間接得到扭矩、功率的大小。2測量電路系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)由上述測量原理可以看出,扭轉(zhuǎn)角測量的關(guān)鍵在于對色標(biāo)傳感器輸出的脈沖信號的周期和相位差脈寬的測量。本文以現(xiàn)場可編程門陣列(field-programmablegatearray,FPGA)為核心，設(shè)計(jì)了專用的測量電路進(jìn)行脈寬的測量和數(shù)據(jù)的存儲及傳輸。電路系統(tǒng)采取模塊化的設(shè)計(jì)思想,包括電源電路、放大電路、精密整形電路、FPGA主控電路、FLASH存儲電路、通信電路，其系統(tǒng)原理如圖3所示。色標(biāo)傳感器將扭矩信號轉(zhuǎn)化成電信號,經(jīng)放大整形后送入精密整形電路得到兩路同頻方波，兩路同頻方波在FPGA內(nèi)部經(jīng)過異或運(yùn)算得到表征相位差的脈沖信號,然后采用等精度測量技術(shù)測量其周期和脈寬，并將測量結(jié)果送到FLASH存儲芯片AT45DB081中存儲，需要時(shí)可將數(shù)據(jù)從存儲器中讀出，并經(jīng)串口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行顯示或后續(xù)處理。FPGA采用硬件邏輯具有功耗低、速度快、時(shí)鐘頻率高等特點(diǎn)，同時(shí)所有相關(guān)邏輯運(yùn)算全部在芯片內(nèi)部完成，從而簡化了電路設(shè)計(jì)，并且高頻信號全部在芯片內(nèi)部，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力［10］。系統(tǒng)中，周期和脈寬的測量主要通過FPGA中的計(jì)數(shù)器完成。采用等精度測量技術(shù)，可保證對任何頻率的脈沖信號都能進(jìn)行整周期記數(shù)從而使因控制信號脈寬變化以及隨機(jī)出現(xiàn)時(shí)間造成的誤差，最多為標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的一個時(shí)鐘周期。圖3系統(tǒng)原理框圖3相位差的測定和仿真式（4）給出了扭轉(zhuǎn)角與相位差之間的換算公式，通過測量相位差便可進(jìn)行扭轉(zhuǎn)角的測量，如何對相位差進(jìn)行準(zhǔn)確測量是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。前述兩路信號的相位差與傳感器安裝的相對位置及旋轉(zhuǎn)軸傳遞扭矩的大小有關(guān)。旋轉(zhuǎn)軸在不受扭轉(zhuǎn)載荷作用時(shí)，兩路信號之間的相位差即初始相位差只與色標(biāo)傳感器的安裝相對位置有關(guān)?？蛰d情況下，使一端傳感器固定，調(diào)整另一端傳感器的位置。理論上講，應(yīng)保證兩組光電接收裝置輸出波形的初相位差T0=0,但由于色標(biāo)的加工誤差、激光傳感器的安裝偏差等因素，故只能保證T0盡可能接近于0。當(dāng)軸受扭轉(zhuǎn)載荷作用時(shí)，兩路信號（PA、PB）產(chǎn)生相位差，利用FPGA設(shè)計(jì)專門的鑒相模塊（原理見圖4）測量相位差。圖4鑒相模塊原理圖旋轉(zhuǎn)軸在扭轉(zhuǎn)過程中，輸出的兩路信號相位在理論上有兩種情況:PA超前、PB超前。但由于振動、色標(biāo)加工誤差以及兩個色標(biāo)傳感器的安裝偏差等因素,故輸出的兩路信號之間還會出現(xiàn)相位不固定的情況。為了驗(yàn)證圖4所示鑒相模塊的適用性，對以上3種情況進(jìn)行了仿真，如圖5所示。圖5相位差測量模塊對3種相位關(guān)系的仿真結(jié)果仿真結(jié)果表明，當(dāng)PA、PB超前、滯后固定時(shí)，鑒相模塊可以準(zhǔn)確提取出PA、PB的相位差，而當(dāng)PA、PB超前、滯后不固定時(shí)，鑒相模塊無法準(zhǔn)確獲得兩個信號間的相位差。為解決這一問題,本文中通過調(diào)整兩端傳感器的位置，改變PA、PB的初始相位差，使其理論值增大到兀以此保證軸旋轉(zhuǎn)過程中,PA、PB超前、滯后固定,這樣鑒相模塊就能正確提取兩信號間的相位差。4扭轉(zhuǎn)變形動態(tài)實(shí)時(shí)測量的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)根據(jù)上述扭轉(zhuǎn)變形動態(tài)實(shí)時(shí)測量的工作原理和技術(shù)特征，擬在某一大型高精密高轉(zhuǎn)速扭轉(zhuǎn)角的應(yīng)用系統(tǒng)中進(jìn)行測試,該系統(tǒng)主要在惡劣條件下對高速轉(zhuǎn)軸進(jìn)行扭矩、功率的測量，由式(4)、式(5)可知，只要通過測量扭轉(zhuǎn)角便可間接測量出旋轉(zhuǎn)扭矩和旋轉(zhuǎn)功率，在測試系統(tǒng)中，滿載工況下的旋轉(zhuǎn)速度控制為200r/min。在測試系統(tǒng)(原理如圖1所示)中,合金鋼旋轉(zhuǎn)軸的軸徑D為120mm,綜合考慮靈敏度及安裝方便兩個因素，反射式激光測頭所在的A、B兩點(diǎn)的軸向距離L取為600mm?？紤]到測量的可靠性、加工與計(jì)算的方便，系統(tǒng)中采用30個色標(biāo)條，即m=30?；跈z測距離、響應(yīng)時(shí)間、開關(guān)頻率和延遲時(shí)間等因素的考慮,系統(tǒng)選用基恩士公司的激光測頭FS-V30。此外，電路控制系統(tǒng)中采用的晶體振蕩器發(fā)出的信號頻率為20MHz,利用FPGA內(nèi)部的倍頻模塊PLL將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘頻率提高到100MHz,理論上的絕對測量誤差只有10ns。此相位差式扭轉(zhuǎn)變形動態(tài)測量系統(tǒng)在某計(jì)量站進(jìn)行了標(biāo)定和驗(yàn)證，取得了滿意的效果。表1所示為轉(zhuǎn)速為200r/min、不同扭矩載荷工況下扭轉(zhuǎn)角的測量數(shù)據(jù),通過標(biāo)準(zhǔn)扭矩加載裝置加載固定的扭矩載荷值燃后進(jìn)行2~3min連續(xù)測量，對測量值取平均得到扭矩測量均值。表2為恒定扭矩(50Nom)條件下的轉(zhuǎn)速測量結(jié)果，同樣，通過設(shè)置固定的轉(zhuǎn)速，連續(xù)測量2~3min,對測量值取平均得到轉(zhuǎn)速測量均值。測量過程中，進(jìn)程、回程往返3次,分別對3次測量數(shù)據(jù)取平均得到一組進(jìn)程數(shù)據(jù)、一組回程數(shù)據(jù)，用以驗(yàn)證重復(fù)性。圖6所示為重復(fù)性測量效果。從表1、表2和圖6可以看出，在2000N-m的量程范圍，對扭矩測量的精度小于0.5%滿量程，完全能滿足工程應(yīng)用的需要。表1轉(zhuǎn)速為200r/min工況下的相位差測量結(jié)果扭矩標(biāo)準(zhǔn)值(Mm)0200600100014001800140010006002000扭矩測量均值(N°m)0200.1600.89971395.41796.11397.71006596.3192-6.5弓I用誤差(％)0.0050.040.150.230.1950.1150.30.1850.40.230.195表2恒定扭矩(50Nom)條件下的轉(zhuǎn)速測量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)值(r/min)501005001000150025001500100050010050測量均值(r/min)50.2100.3500.21001.31501.22501.31501.01001.2500.1100.350.1相對誤差(％)0.40.30.040.130.080.0520.0670.120.020.30.2圖6200r/min工況下扭轉(zhuǎn)角測量的重復(fù)性5結(jié)語本文以FPGA為核心設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種軸扭轉(zhuǎn)變形動態(tài)測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用體積小、安裝方便的色標(biāo)傳感器以及FPGA鑒相模塊來測量相位差，并通過調(diào)整兩路信號的初相位差，解決了實(shí)際測量中的相位差不固定的問題，從而實(shí)現(xiàn)了軸扭轉(zhuǎn)變形的測定。由于是非接觸式測量，因此大大提高了抗干擾能力和穩(wěn)定性。最后通過仿真、現(xiàn)場標(biāo)定和實(shí)際測試驗(yàn)證了該系統(tǒng)的性能。實(shí)驗(yàn)表明，在0~2000N-m量程范圍內(nèi)，扭矩和轉(zhuǎn)速的測量精度均小于0.5%滿量程，能有效地解決惡劣條件下高速轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速的動態(tài)測量從而解決動力傳動中的扭矩及功率等測量問題。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】口、國酬、g爵J?.醐aax-wMB涂渲W片昏鄒迷朽.海爵啊善噬、2。。7、7(2)口56「158?『2架醐用?秘刖.排*S涂對Bwi渲H肄澆鄒沏W.旃供汁噬噬滿1997、37(8)003806?可?畫浦曲OIE育面asffi渲弟^講驕冬匕.渲弟肄澆噬滿1997、11(4=44「47?【4JTUm