不平衡量信号的精密谱分析及其在砂轮动平衡测控仪中的应用

论文摘要

在精密和超精密磨削以及磨削自动化的发展过程中,砂轮在线动平衡是一项不可缺少的关键技术,在生产中有着重要的意义和广阔的应用前景。现有的在线动平衡装置,控制是依据时域振动量峰—峰值,由于干扰、倍频分量和非整倍频分量的存在,时域振动量峰—峰值并非振动真值,因此采用时域峰-峰值最小的控制算法存在原理性误差。现有的机械式动平衡装置采用自动搜索算法或PID控制算法并由单片机（或单板机）实现,运算速度慢、平衡时间长、实时性差、平衡精度低、鲁棒性不佳。本课题研制出一微机控制的机械式在线动平衡测控仪,机械式平衡装置精度稳定,停车或重新启动平衡状态得以维持。本系统以TMS320C240数字信号处理器为核心,用水平安装在砂轮罩上的SZ—5型压电式加速度传感器检测砂轮旋转时的振动,并用精密谱分析方法对砂轮振动不平衡信号进行重构,获得砂轮不平衡量的真值,采用滑模变结构控制算法控制砂轮高速旋转时平衡头内双永磁直流电动机,进而调节双偏心齿圈的重心位置,实现对不平衡量的平衡补偿。该方法与现有方法相比较其特点在于:1.现有方法大多采用振动量的峰—峰值测量,该量含有辅助电机及其它环境振动带来的分量,因而并不完全是砂轮的不平衡量。本系统采用精密谱分析方法对信号进行重构,能获得砂轮不平衡量的真值;2.现有方法大多采用经典的PID控制和最优控制,系统的鲁棒性不好,调节时间不佳,本系统采用的滑模变结构控制方法可有效地解决上述问题。论文提出的基于精密谱分析技术和变结构控制算法的砂轮动平衡装置属国内首例,此外本方法还可用于其他旋转机械动平衡测控类系统中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 论文的工程背景
• 1.2 砂轮自动平衡的发展现状
• 1.2.1 振动测控智能仪器的发展历史
• 1.2.1.1 动平衡机的发展史
• 1.2.2 国内外研究现状
• 1.3 本文提出的砂轮平衡系统
• 1.3.1 工作原理与系统结构
• 1.4 论文主要研究内容及其基本思路
• 1.5 采取的研究方法和技术路线
• 1.6 论文的主要成果及创新点
• 1.7 论文的总体结构
• 1.8 本章小结
• 第二章 砂轮不平衡故障诊断
• 2.1 不平衡故障的机理与特征
• 2.1.1 砂轮不平衡故障产生的原因
• 2.1.2 不平衡振动的机理和特征
• 2.2 不平衡故障的诊断
• 2.3 精密谱分析方法在砂轮动平衡故障诊断中的应用
• 2.4 本章总结
• 第三章 不平衡信号的分析与预处理
• 3.1 磨床振动量时域测试结果及构成分析
• 3.1.1 振动信号的成份
• 3.1.2 基准信号的获取
• 3.2 信号的处理
• 3.3 系统的抗干扰措施
• 3.4 本章总结
• 第四章 基于精密谱分析的振动不平衡量检测算法
• 4.1 时频分析方法的发展及其在砂轮不平衡信号提取中的应用
• 4.2 基于DFT 的砂轮不平衡信号提取算法
• 4.2.1 离散傅立叶变换
• 4.3 基于小波分析的砂轮不平衡量信号提取算法
• 4.3.1 小波变换工程理解
• 4.3.2 砂轮不平衡信号提取中小波基的选择
• 4.3.2.1 振动信号处理中小波基的选择
• 4.3.2.2 故障特征提取中小波基的选择
• 4.3.3 基于离散小波变换的砂轮不平衡量提取算法
• 4.3.4 基于小波包的砂轮不平衡量提取方法
• 4.3.4.1 小波包变换基本原理
• 4.3.4.2 基于小波包算法的砂轮振动不平衡信号提取算法
• 4.3.5 基于多小波的砂轮不平衡信号提取算法
• 4.3.5.1 多小波基本理论及算法
• 4.3.5.2 多小波的数学性质
• 4.3.5.2.1 多小波的正交性和双正交性
• 4.3.5.2.2 多小波的对称
• 4.3.5.2.3 多小波的消失矩和逼近阶
• 4.3.5.2.4 所用到的多小波滤波器
• 4.3.5.3 多小波在砂轮不平衡信号提取中的应用
• 第五章 动平衡控制算法与设计实现
• 5.1 平衡头建模
• 5.1.1 系统的平衡原理
• 5.1.2 平衡头的内部结构
• 5.1.3 重心的求法
• 5.1.4 平衡头的数学模型
• 5.2 平衡头控制算法设计方案
• 5.2.1 变结构控制器设计
• 5.2.2 用非线性切换函数改善电动机速度控制的动态性能
• 5.3 砂轮自动平衡技术的试验研究
• 5.3.1 实验装置
• 5.3.2 实验结果与分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 砂轮动平衡测试系统实现
• 6.1 测控系统的硬件
• 6.2 测控系统的软件
• 6.2.1 测控程序流程
• 6.2.2 不平衡振动信号振幅与相位的计算
• 6.2.3 向导式砂轮现场动平衡软件
• 6.3 现场试验
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 论文工作的主要创新点
• 7.3 论文尚需进一步研究的相关课题
• 7.4 前景展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读博士期间发表论文情况
• 作者简介