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1、引言

研究表明，转子不平衡引起的故障约占机械全部故障的60%以上。因此，对于各类旋转机械，在制造和使用时都要对转子或整机进行严格的动平衡。而现场动平衡技术以其方便、高效和低廉的特点获得越来越广泛的应用。

随着嵌入式系统的发展以及ARM、DSP、FPGA等处理器的迅速发展，嵌入式设备的体积越来越小，而其实时处理能力、分析精度、多功能等特性却大幅提升。本文在北京东方振动和噪声技术研究所研发的嵌入式INV3080手持式设备的基础上，主要介绍现场动平衡软件模块的设计与实现。

2、INV3080设备的硬件功能

INV3080采用先进的FPGA/DSP/ARM三处理器协同工作模式，在多处理器高效协调工作、24位模数转换、双核采集技术、数字实时处理和人际交互界面等方面均取得突破，实现了高性能、高精度、多功能、易操作等特点，该仪器代表了当前手持式信号分析仪器的最新技术发展，改变了以往手持仪器低性能的缺点。

INV3080A采用先进的24位ΔΣ方式的AD转换器，因而具备高精度测量的特点，其动态范围可达120dB。INV3080B和INV3080P则采用创新的双24位AD的双核采集技术，一档量程范围达160dB，测量过程中无需进行档位切换，彻底解决由于精度和量程带来的诸多测量问题，是国内首创、国际领先的高性能测量技术。INV3080可支持DC、AC和ICP三种输入方式。

INV3080A和INV3080P还提供一个高精度转速输入通道，内部采样频率达25MHz，可用于扭振分析，此外还可以为用于转速测量的光电传感器提供5VDC供电，大大提高了现场操作的方便性。

INV3080的DSP可实时完成FFT、互谱、FRF、计权、CPB等计算。

INV3080具有5英寸彩色显示屏，480*800分辨率，提供触屏笔，实现全触屏操作，屏幕可显示大量信息，使得其操作非常简便，而显示信息又非常丰富。

INV3080内置大容量可充电电池，充满电后可连续工作8小时以上。

INV3080内置嵌入式系统，具有16GB存储空间，并提供U盘接口，可轻松完成测试数据和结果的拷贝。

3、基于INV3080设备的软件设计

由于INV3080设备提供的强大支持，除了可以获得精度很高的测试数据之外，还使得基于该设备的软件设计具有很大的自由度。对于现场动平衡软件模块，需要采集到准确的转子转速信号、同步测量的单/双通道振动信号；并能够在采集信号的同时进行实时分析处理，得到对应转速下的不平衡量。

在硬件支持的基础上，结合现场试验，遵循“配置—>测量—>分析—>结果输出”流程，以工程项目的形式涵盖整个测试分析过程。首先为现场每一台欲进行平衡的设备建立对应的配置文件，保存配置信息；在平衡测试过程中，自动提示操作，自动提取测量数据中与动平衡有关的参数，方便用户进行判断；测量与计算结果实时保存，可随时暂停测试，方便进行平衡续作。 同时，为减少操作设置，采用自动采样参数的设定，保证采集数据的准确性，用户无需关心采样参数。平衡完毕后，自动进行平衡品质判断，方便用户判断是否进行二次平衡处理。平衡结果以网页方式显示，方便用户二次处理。

此外，为方便现场配重添加，提供矢量分解/合成功能模块，内含多种合成/分解方法。还提供了数据和分析结果管理模块，方便进行数据的二次分析和结果导出等。整个软件的功能设计结构如图1所示：

        图1 手持式现场动平衡仪的软件设计

4、现场动平衡软件模块的功能特点

l  工程配置文件

配置文件主要配置平衡测试和计算所需要的参数，具体参见下图2。其中，“转子名称”为所要平衡转子命名，方便交流。“平衡半径”、“转子质量”、“平衡转速”参数主要用于计算允许剩余不平衡量，当设定了“平衡标准”参数时，系统在平衡测量完毕后会自动判断平衡效果是否达到设定标准的要求。进而判断是否需要二次平衡。“振动显示”参数主要用来设定平衡振动测量时，实时显示的振动信号类型；若设定的信号类型与采集前端的传感器信号类型不一致，系统会自动进行微积分计算。“配重方向”参数指定添加试重和配重时的相位角参考正方向。“平衡标准”参数用于设定希望平衡达到的效果级别。“测量面1”参数用来设定测试平衡测量面上的振动信号所用的采样通道。该系统自动识别当前采集硬件的模拟输入通道数，并允许任意选择其中一个可用通道。

       图2 工程配置界面          图3 动平衡测试控制向导于结果显示

l  向导式平衡测试过程

该软件模块的测试步骤设计按照“配置——测量——验证——报告”的步骤。在配置文件设置完成后，自动进入测量模块，如图3所示，在界面上提示需要进行的测量步骤和当前完成状态。另外，测量与计算结果分别以图形和数据列表的形式呈现，方便操作者随时观察结果，以此来判断下一步的动作。

l  实时自动不平衡量、FFT以及微积分计算

在每个测量步骤内，由于采用24位AD转换器，以及DSP处理器的实时处理能力；如图4所示，测量模块采集到信噪比很高的振动信号，并能够实时分析出振动信号中的不平衡量大小与相位。同时，该模块还依据配置阶段设置的振动信号显示类型，自动实时显示经过微积分变换的波形和频谱。

l  自动保存测量及分析结果，方便续作

在每个测量步骤完成后，动平衡软件会自动保存振动原始数据、DSP处理器计算出来的不平衡量等信息到相应的文件中。这样，当操作者由于误操作或其他原因需要重新测量某个步骤甚至是退出当前测量，下次再导入当前工程时，系统都会恢复到最新的测量状态；可以非常方便的继续当前测量；直到整个平衡过程完成。

l  输出网页格式报告

由于嵌入式软件运行环境，不可能安装大型的文本编辑软件。而动平衡测量报告又必须是可以编辑的，因此网页格式的报告称为较好的选择。本软件的报告输出模块按照DASP分析报告的标准格式输出尽可能多的信息，方便用户在此基础上二次编辑，生成专用的报告。

   图4 实时波形频谱与不平衡量显示

5、结束语

本文介绍的嵌入式现场动平衡软件，依托北京东方所研发的INV3080设备，充分利用多处理器协调工作方式，发挥每一种处理器的最大性能优势，使得设备在整体上达到最佳性能。在充分考虑现场动平衡的需求的基础上，采用向导式设计，明确操作流程；实时计算现场动平衡测量所需的指标量，并自动保存测量结果；网页方式的测试分析报告即节约了系统资源，又方便用户再次编辑。

参考文献：

[1]  沈松,应明,葛宝珊,杜峰,李旭杰. 手持式超量程声学分析仪的设计研究. [C] // 现代振动与噪声技术（第9卷）。北京：航空工业出版社，2011。

[2]  北京东方振动和噪声技术研究所. INV3080A手持式分析仪使用说明书. 2011

[3]  GBT 9239.1-2006机械振动 恒态（刚性）转子平衡品质要求 第1部分：规范与平衡允差的检验

[4]  GBT 9239.2-2006 机械振动 恒态(刚性)转子平衡品质要求 第2部分-平衡误差