Балансировочный стенд своими руками на отладочной плате SiLabs C8051F120-TB

Если вы задумали отбалансировать что-то вращающееся, будь то колесо, винт самолета или летающая тарелка. Или Вам интересна история, как проходят рабочие будни программиста. Увлекательная история по созданию балансировочного стенда…

Предисловие. Выражаю благодарность моему руководителю Дмитриеву Ивану Алексеевичу, инженеру конструктору Арапову Андрею, инженерам электронщикам Тураеву Александру и Гидалю Григорьевичу. Этот стенд результат работы сплаченной команды.

Начну с пред истории: Работаю я программистом в организации

где периодически появляется множество разных интересных задач, и появилась у нас необходимость провести балансировку высокой точности винта самолета. Оборудование для такой балансировки как оказалось можно купить, но стоить это будет очень дорого, решили сделать сами.

Немного расскажу зачем это понадобилось. Наш самолет, с этим винтом, ужасно колбасило на холостых оборотах(800 об/мин). Обычно балансируют такие штуки, статически и динамически. Статическая балансировка заключается в уравновешивании относительно центра вращения, без вращения, а динамическая это уравновешивание во время вращения.

Что касается статической балансировки, то тут все понятно винт просто уравновешивается относительно центра вращения, а вот что делать с динамической балансировкой, когда при вращении винт начинает создавать вибрацию.

Для такой задачи был построен

, состоящий из рамы прикрепленной на пружинках к массивному основанию. На массивном основании установлен электродвигатель, и через шкив он вращает ось, на которую установлен балансируемый винт. Еще на раме установлены акселерометры, а на ось с винтом датчик холла. Электродвигатель подключен к частотнику, который управляет частотой его вращения. В качестве измерителя отклонения был использован акселерометр на две оси, через усилитель подключенный на АЦП отладочной платы SiLabs C8051F120-TB. Чтобы отловить момент прохождения вращающегося тела через 0 градусов, был поставлен датчик холла, сигнал с которого подавался еще на одну ножку отладочной платы.

Итак мы получили нехитрый агрегат,

который может измерить ускорение рамы с телом вращения, и подать сигнал о прохождении через 0 градусов вала, вращающего балансируемый винт.

/внешний вид нехитрого девайса/

Мне дали эту конструкцию, и поставили задачу программным путем узнать, какое необходимо количество изоленты , кусочков пластилина или аракала очень точно взвешенных грузов, прилепить на краешек лопасти винта, для того, чтобы он стал отбалансированным. И сделать приложение с удобным и понятным интерфейсом, чтобы за 5 минут можно было разобраться как ею пользоваться.

Сначала я подумал, что управлюсь за один день, и задача очень простая. Но при снятии сигнала осциллографом, обнаружилось, что вибрация всей установки, помехи от электросети, и прочий шум, превращают снятый сигнал с АЦП в равномерный непонятный шум. Хотя если приглядеться, то проглядывается явный периодический максимум и минимум. На отладку программной части и железа ушло около недели, или даже чуть больше, зато потом точность девайса стала радовать глаз.

На отладочную плату я написал программку, которая снимает показания, и посылает их на COM порт.

Конфигурируем контроллер, определяем основные переменные, выделяем массивы и константы. Готовим отладочную плату к программированию.

Тут мы крутимся постоянно в бесконечном цикле, и отправляем полученные измерения АЦП

Создаем событие для прерывания с ножки, на которую подключен датчик холла

Тут мы мониторим прерывания с датчика Холла.

Чтобы точно знать сколько прошло времени, мы запускаем таймер, и считаем в нем время

Тут мы записываем в буфер измерения АЦП

Для того, чтобы как-то отделить нужные отклонения, на настольном приложении я решил применить преобразование Фурье, которое я до этого использовал для обработки картинок, немного поколдовав с бубном, получилось выделить нужные частоты. Для разработки интерфейса я использовал C++ Builder 6.0

Для выделения из полученного сигнала нужной частоты, очень полезным оказалось прямое и обратное преобразование Фурье. Данные льются непрерывным потоком, и чтобы успевать их обрабатывать, я применил оптимизированную версию, так называемую FFT . это не панацея, и для обработки видео потока лучше распаралеливать и использовать GPU, но для данной задачи, вполне применимо.

Чтобы прием и расшифровка буфера происходила автоматически, я сделал возможность делать это по таймеру, не совсем удачная идея, сейчас бы я сделал по другому, я бы собирал данные по приходу в отдельном потоке, и передавал на вывод, чтобы не мешать интерфейсу ввода и другим приложениям. Однако и такой вариант оказался жизнеспособным, и со своей задачей справился вполне успешно.

В итоге получилась довольно удобная программка, которая показывает, в какую сторону существует дисбаланс, и приноровившись приклеивая кусочки аракала по 0,15г удалось достаточно точно отбалансировать винт.

/Сама программка в работе/

Если посмотреть на пики по частотам, то можно заметить, что ярко выражены две амплитуды, как выяснилось одна отвечает за вибрацию винта, а вторая создается электромотором, так как он подключен через ремень и крутиться быстрее. Таким образом балансируя винт мы минимизируем первый пик, прикрепляя грузик соразмерный с отклонением круга, на противоположенную сторону.