转轴临界转速的测量与实时显示
在旋转机械的运转中，当转轴的转速达到某一定值时，转轴的运转会变得不稳定且会出现振动，转轴形状也会发生明显的弯曲变形；而当转轴的转速继续升高时，上述现象则逐渐消失；但当转轴的转速继续升高到另一新的定值时，上述现象又会重新出现。转轴发生上述现象时的转速称为临界转速。由于转轴处于临界转速(或与之接近)时会发生振动，严重时甚至可能损坏整台机器，因此设计转轴工作转速时应远离临界转速，如果转轴的转速不能随意变动，则可通过改变转轴尺寸来改变临界转速值，以保证轴、轴系以及整台机器正常运转。虽然转轴临界转速的测量非常重要，但目前确定临界转速的方法大多还停留在理论计算阶段，且理论计算值常常与实测值不符。为此，我们开发了一种可实时测量旋转机械临界转速的测量装置。该装置可在计算机上实时显示测量曲线，直观地反映转速与位移的变化过程，且测得的临界转速值可与实际转速较好吻合。
2 测量原理
临界转速的测量原理是通过跟踪转轴振动位移的变化，以确定最大位移处的转速值(即临界转速值)。由于转速与位移的测量需一一对应，因此可以转速脉冲为启动测量点，以时间为尺度同时测量转速和位移。测量方法如下：当转速脉冲到来时，打开定时器T1测量时间，打开定时器T0测量转速，同时进行A/D转换；A/D转换完毕后进入中断，将转换结果及此时的时间值存入相应存储区；转速测量结束后将转速值及此时的时间值存入相应存储区。
采用计时法(即测周原理)测量转速时，在相邻两个转速脉冲之间插补时钟脉冲作为计数脉冲。设计数值为N，转速脉冲周期为Tx，时钟脉冲周期为Tc，则Tx=NTc=N/fc，转速v=60/Tx=60fc/N。时钟脉冲可通过单片机时钟或经分频后获得。采用计时法测量转速的测量误差为±1个时钟脉冲。为提高测量精度，可增加插补时钟信号的频率。本测量装置采用单片机的16位计数器，所用晶振频率为12MHz，则相邻转速脉冲之间插补时钟信号的频率为1MHz，每个周期的最大误差为1µs，即使在高速测量场合下也可满足测量要求。
3 硬件设计
本测量装置的硬件电路设计。采用Atmel的高性能微控制器(MCU)AT89C51作为下位机。AT89C51的标准配置为：4K字节闪速存储器，256字节片内RAM，32个I/O口，2个16位定时器/计数器。为测量转速，在转轴上预先加工一个深度为几毫米的键槽，用电磁开关作为转速传感器。当转轴转动时，电磁开关即输出脉冲信号(每转动一圈产生一个脉冲)，产生的脉冲符合单片机的中断触发要求。在转子平面与轴线垂直的方向安装了两个相互垂直的电涡流传感器，它们与被测物无直接接触，具有较宽的使用频率范围(DC～10kHz)，特别适合测量转子的振动。电涡流传感器将与被测物之间的位移变化转换为电压变化，然后将电压值送入A/D转换芯片进行A/D转换。A/D转换芯片采用12位并行ADC芯片MAX197，其供电电压为+5V，转换时间为6µs，采样速率为100ksps，有8个模拟量输入通道(可通过编程全选或选择一部分)。通过串行通信可将单片机数据传给上位机。电平转换通过MAX232实现。
LED显示器可实现转速测量值的实时显示。显示器选用MAX7219作为显示芯片。MAX7219是一种新型串行输入输出共阴极LED显示驱动器，其3线串行接口可方便地连接到各种通用微控制器上。串行数据为16位数据包，发送到DIN端，在每个CLK的上升沿移入内部16位移位寄存器中，然后数据在LOAD的上升沿被锁存。显示方式为片内动态扫描模式，可通过编程控制亮度，为防止LED显示失控，在靠近Max7219电源端并联了一个47µF的钽电容。该显示电路具有结构简单、功耗低、灵活性好等特点。
4 软件设计
将转速脉冲信号接入AT89C51的P3.2。定时器T0设为方式1，预装值为0，所用晶振频率为12MHz，因此定时时间为65536µs；定时器T1设为方式1，预装值为0。当转速脉冲的下降沿到来时即进入中断过程，打开定时器T0、T1开始计时，同时打开MAX197开始A/D转换。转速测量及位移测量结束后，将测量结果及此时的时间值存入相应存储区。测量转速时共计算8个脉冲，当第8个脉冲下降沿到来时TR0清零，停止计时，即可计算转速值。设脉冲周期为T，定时器溢出次数为N1，定时器中最后一次定时值为N2，则T定=65536N1+N2(µs)。由于定时器中为8个脉冲的时间，故转速计算公式为
v=60/T=60(/T定/8)=(60×8×106)/(65536N1+N2)(r/min)
编制下位机程序。单片机初始化程序如下：
CLR EA；
MOV SP，# 60H；
MOV TMOD，# 01H；定时器T0 预装值为0
MOV TL0，# 00H
MOV TH0，# 00H
MOV TMOD，# 10H；定时器T1 预装值为0
MOV TL1，# 00H
MOV TH1，# 00H
MOV SCON，# 00H；串行口初始化为方式0
SETB P3.2；中断口置1
SETB EA；开总中断
SETB ET0；定时器T0 中断溢出位置1
SETB ET1；定时器T1 中断溢出位置1
SETB EX0；开INT0 中断，中断来临时进入转速测量模块
SETB PX0；令INT0 为高优先级
SETB IT0；令INT0 为边沿触发
SETB EX1；开INT1 中断，中断来临时进入AD 转换测量模块
SETB IT1；令INT1 为边沿触发
HERE：AJMP HERE；等待中断
转速脉冲到来时的中断程序框图。AD中断程序框图。
本测量装置通过串行通信实现远程数据采集，由PC 机通过串行通信向下位机发出数据采集命令，下位机接受命令后进行现场数据采集，并通过串行通信将数据发送到PC机。与并行通信相比，串行通信具有传输距离长、连接简单、数据传输可靠性高等特点。上位机通信程序采用Visual C++6.0编写，它可提供一个Active控件MSComm，利用该控件可实现对AT89C51单片机串口的读写管理。通过主界面可分别进入转速变化界面、位移变化界面和转速位移变化界面，对转速、位移变化曲线进行实时监控。
5 结语
本测量装置电路设计简单、可靠，经实际测试，上位机能够实时绘制转轴工作曲线，监控转速变化情况，测得的临界转速值与实际加工状态相符，取得了令人满意的效果。
2 测量原理
临界转速的测量原理是通过跟踪转轴振动位移的变化，以确定最大位移处的转速值(即临界转速值)。由于转速与位移的测量需一一对应，因此可以转速脉冲为启动测量点，以时间为尺度同时测量转速和位移。测量方法如下：当转速脉冲到来时，打开定时器T1测量时间，打开定时器T0测量转速，同时进行A/D转换；A/D转换完毕后进入中断，将转换结果及此时的时间值存入相应存储区；转速测量结束后将转速值及此时的时间值存入相应存储区。
采用计时法(即测周原理)测量转速时，在相邻两个转速脉冲之间插补时钟脉冲作为计数脉冲。设计数值为N，转速脉冲周期为Tx，时钟脉冲周期为Tc，则Tx=NTc=N/fc，转速v=60/Tx=60fc/N。时钟脉冲可通过单片机时钟或经分频后获得。采用计时法测量转速的测量误差为±1个时钟脉冲。为提高测量精度，可增加插补时钟信号的频率。本测量装置采用单片机的16位计数器，所用晶振频率为12MHz，则相邻转速脉冲之间插补时钟信号的频率为1MHz，每个周期的最大误差为1µs，即使在高速测量场合下也可满足测量要求。
3 硬件设计
本测量装置的硬件电路设计。采用Atmel的高性能微控制器(MCU)AT89C51作为下位机。AT89C51的标准配置为：4K字节闪速存储器，256字节片内RAM，32个I/O口，2个16位定时器/计数器。为测量转速，在转轴上预先加工一个深度为几毫米的键槽，用电磁开关作为转速传感器。当转轴转动时，电磁开关即输出脉冲信号(每转动一圈产生一个脉冲)，产生的脉冲符合单片机的中断触发要求。在转子平面与轴线垂直的方向安装了两个相互垂直的电涡流传感器，它们与被测物无直接接触，具有较宽的使用频率范围(DC～10kHz)，特别适合测量转子的振动。电涡流传感器将与被测物之间的位移变化转换为电压变化，然后将电压值送入A/D转换芯片进行A/D转换。A/D转换芯片采用12位并行ADC芯片MAX197，其供电电压为+5V，转换时间为6µs，采样速率为100ksps，有8个模拟量输入通道(可通过编程全选或选择一部分)。通过串行通信可将单片机数据传给上位机。电平转换通过MAX232实现。
LED显示器可实现转速测量值的实时显示。显示器选用MAX7219作为显示芯片。MAX7219是一种新型串行输入输出共阴极LED显示驱动器，其3线串行接口可方便地连接到各种通用微控制器上。串行数据为16位数据包，发送到DIN端，在每个CLK的上升沿移入内部16位移位寄存器中，然后数据在LOAD的上升沿被锁存。显示方式为片内动态扫描模式，可通过编程控制亮度，为防止LED显示失控，在靠近Max7219电源端并联了一个47µF的钽电容。该显示电路具有结构简单、功耗低、灵活性好等特点。
4 软件设计
将转速脉冲信号接入AT89C51的P3.2。定时器T0设为方式1，预装值为0，所用晶振频率为12MHz，因此定时时间为65536µs；定时器T1设为方式1，预装值为0。当转速脉冲的下降沿到来时即进入中断过程，打开定时器T0、T1开始计时，同时打开MAX197开始A/D转换。转速测量及位移测量结束后，将测量结果及此时的时间值存入相应存储区。测量转速时共计算8个脉冲，当第8个脉冲下降沿到来时TR0清零，停止计时，即可计算转速值。设脉冲周期为T，定时器溢出次数为N1，定时器中最后一次定时值为N2，则T定=65536N1+N2(µs)。由于定时器中为8个脉冲的时间，故转速计算公式为
v=60/T=60(/T定/8)=(60×8×106)/(65536N1+N2)(r/min)
编制下位机程序。单片机初始化程序如下：
CLR EA；
MOV SP，# 60H；
MOV TMOD，# 01H；定时器T0 预装值为0
MOV TL0，# 00H
MOV TH0，# 00H
MOV TMOD，# 10H；定时器T1 预装值为0
MOV TL1，# 00H
MOV TH1，# 00H
MOV SCON，# 00H；串行口初始化为方式0
SETB P3.2；中断口置1
SETB EA；开总中断
SETB ET0；定时器T0 中断溢出位置1
SETB ET1；定时器T1 中断溢出位置1
SETB EX0；开INT0 中断，中断来临时进入转速测量模块
SETB PX0；令INT0 为高优先级
SETB IT0；令INT0 为边沿触发
SETB EX1；开INT1 中断，中断来临时进入AD 转换测量模块
SETB IT1；令INT1 为边沿触发
HERE：AJMP HERE；等待中断
转速脉冲到来时的中断程序框图。AD中断程序框图。
本测量装置通过串行通信实现远程数据采集，由PC 机通过串行通信向下位机发出数据采集命令，下位机接受命令后进行现场数据采集，并通过串行通信将数据发送到PC机。与并行通信相比，串行通信具有传输距离长、连接简单、数据传输可靠性高等特点。上位机通信程序采用Visual C++6.0编写，它可提供一个Active控件MSComm，利用该控件可实现对AT89C51单片机串口的读写管理。通过主界面可分别进入转速变化界面、位移变化界面和转速位移变化界面，对转速、位移变化曲线进行实时监控。
5 结语
本测量装置电路设计简单、可靠，经实际测试，上位机能够实时绘制转轴工作曲线，监控转速变化情况，测得的临界转速值与实际加工状态相符，取得了令人满意的效果。