CN101691632B - 快速判峰的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可以快速判峰的振动时效系统。判峰方法包括步骤：一、对振幅信号进行采样；二、对采样信息进行量化；三、引入窗口函数；四、进行小波变换；五、通过小波变换得到时间-尺度对应关系；六、将尺度转换为频率，得到振动时效的峰值。振动时效系统包括：激振器单元、振幅检测单元、下位机和上位机，其中，激振器单元中的激振器和振幅检测单元中的振幅传感器安装在被测工件，激振器单元中的激振器控制器与下位机连接，下位机与上位机连接。本发明技术方案能快速检测出工件的共振频率和谐振频率，对短时间采集的数据具有较高的频率分辨率，从而满足小型工件的共振频率和谐振频率检测准确度需求，并且具有时效处理时间短、噪声小、耗能少等优点。
Description
技术领域
本发明属于振动时效技术领域，具体涉及一种对机械工件进行振动时效的过程中，通过对采集到的数据进行分析得到振动峰值然后根据分析结果对工件进行振动时效的系统。
背景技术
振动时效是机械加工行业中用于消除机械工件内部残余应力的一种工艺，是通过振动时效设备的控制系统控制固定于工件上的激振器带动工件振动。
判峰方法是振动时效系统寻找工件固有频率（共振频率）及谐振频率的方法。常规振动时效系统的判峰方法是使激振器从最低转速缓慢升到最高转速（这一过程称为扫频），数据采集电路通过振幅传感器采集工件受迫振动下的振幅，然后通过分析振幅－转速曲线的极值点来判断工件的共振峰和谐振峰（工件的固有频率和谐振频率对应的振幅－转速曲线上的极值点分别称为共振峰和谐振峰），这是传统的判峰方法，是在时域进行的。使用这种时域判峰方法的时效设备一般具有以下缺点：
一、常规振动时效设备扫频时一般从激振器的最低转速缓慢升到最高转速，进行扫频耗费时间较长（一般需要3-6分钟，如果再进行二次扫频以判断时效的效果时，时间加倍），这样在进行大批量工件的振动时效时，严重影响工作效率，并且振动时效设备工作时间较长，会导致电力资源的浪费，振动时效设备本身的使用寿命缩短等问题；另外，操作人员也要忍受长时间的噪声。
二、对于大型工件，采用常规判峰方法的振动时效设备通常可以分析出工件的共振频率和谐振频率。而对于小型工件，情况则不然。一方面，由于小型工件的刚性一般都比较大，扫频的时候，在不同的激振器转速下工件的受迫振动振幅值差异不大，导致用常规的判峰方法很难找到可以进行时效的共振峰或者谐振峰；另一方面，连接在小型工件上的激振器在扫频时容易导致工件整体随着激振器进行振动，这样振幅传感器采集回来的振幅值就不准确，有可能误判共振频率，致使振动时效不能达到预期的效果。
三、对于固有频率很高的一些工件，在激振器的额定转速范围内（一般小于12000转/秒），用常规的扫频方式，不能得到可以进行时效的共振峰或者谐振峰。
针对上述问题，我们尝试采用傅立叶变换进行频域判峰。传统的信号分析是建立在傅立叶变换的基础之上的。虽然傅立叶变换能够将信号的时域特征和频域特征联系起来，能分别从信号的时域和频域观察信号，但却不能把二者有机地结合起来。由于傅立叶分析使用的是一种全局的变换，要么完全在时域，要么完全在频域，因此无法表述信号的时频局域性质，而这种性质恰恰是非平稳信号最根本和最关键的性质。本系统的振幅信号就是一种非平稳的瞬变信号，仅从时域或频域上来分析是不够的。
发明内容
本发明的目的是提供一种在判峰过程中使用小波分析方法的振动时效系统，它能够解决现有振动时效技术中存在的扫频时间长、对小型工件判峰不准确、有时甚至无法找到峰值、傅立叶变换不能同时提供时域特征和频域特征等问题。
本发明技术方案还提供了一种采用该方法的高效的振动时效系统。
本发明解决现有技术问题所采用的技术方案为：提供了一种用于振动时效的判峰方法，所述用于振动时效的判峰方法包括步骤：
第一步、对振幅信号进行采样；
第二步、对采样信息进行量化；
第三步、引入窗口函数 
，
其中，
且
，
为尺度因子，表示与频率相关的伸缩，
为时间平移因子；
第四步、通过以下公式进行小波变换：
其中：
为平移参数，为伸缩参数，
为
的共轭函数；
第五步、通过小波变换得到时间—尺度对应关系；
第六步、将尺度通过
转换为频率，得到振动时效的峰值。
其中：
表示尺度，表示采样周期，
是小波的中心频率，表示与尺度
对应的频率，
根据本发明的一优选技术方案：振动时效的技术方案为：将激振器与振幅传感器固定于工件上，用锤子在工件上敲击一下，上位机通过振幅传感器采集工件受迫振动下的振幅，并对振幅数据进行分析，得到工件的共振频率和各阶谐振频率，然后下位机控制激振器在选定的频率所对应的转速附近进行时效处理。
根据本发明的一优选技术方案：振动时效的技术方案为：将激振器与振幅传感器固定于工件上，下位机控制激振器在低速区快速升速，上位机通过振幅传感器采集工件受迫振动下的振幅，并采用小波分析方法对采集到的数据进行分析，得到工件的共振频率和各阶谐振频率，然后下位机控制激振器在选定的频率所对应的转速附近进行设定时间的时效处理。
根据本发明的一优选技术方案：所述第一步具体为：根据采样定理采样频率大于两倍的信号的最高频率，并将信号中高于激振器能够产生的最高振动频率的部分在滤波过程中滤除。
根据本发明的一优选技术方案：所述第二步的量化过程是对经过采样的振幅信号近似为离散值的过程。
根据本发明的一优选技术方案：所述第四步具体为：小波变换在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，小波变换时对应的时频窗口的面积固定不变，时窗和频窗相对改变，具体做法是在高频时使用短时窗和宽频窗，而在低频时则使用宽时窗和短频窗。
根据本发明的一优选技术方案：所述第五步具体为：振幅信号经过小波变换以后可得到时间-尺度曲线，尺度因子表示与频率相关的伸缩，x轴对应的是时间，y轴是尺度，尺度越小，对应的频率越高；x-y点表示小波变换系数，小波变换的系数表示小波与处在分析时段内信号的波形近似度，系数的大小通过所画出图的颜色深浅进行区分，通过对信号进行连续小波变换，可以对信号进行时频分析，即观察信号在某一时间上对应某一尺度
的成分。
根据本发明的一优选技术方案：所述第六步具体为：通过观察信号在某一时间上对应某一尺度的成分可以找出最大小波系数对应的尺度值，根据尺度计算得到工件的固有频率，然后根据需要的谐振峰数量找出等数量小波系数次大点，根据次大点对应的尺度计算出次大点对应的频率，即得到需要的工件的谐振峰频率。
本发明还提供了一种快速判峰的振动时效系统：所述振动时效系统包括：激振器单元、振幅检测单元、下位机和上位机，其中，所述激振器单元中的激振器和所述振幅检测单元中的振幅传感器安装在被测工件上，所述激振器单元中的激振器控制器与所述下位机连接，所述下位机与所述上位机连接，所述振幅传感器与所述上位机连接。
根据本发明的一优选技术方案：所述上位机为数据处理终端，其与所述下位机通过串口、USB接口或无线通讯方式连接。
根据本发明的一优选技术方案：激振器单元包括激振器和激振器控制器，所述激振器通过所述激振器控制器与所述下位机连接。
根据本发明的一优选技术方案：所述振动时效系统还包括输入单元和输出单元，所述输入单元与所述上位机连接，所述上位机与所述输出单元连接。
根据本发明的一优选技术方案：所述输入单元为控制键或键盘。
根据本发明的一优选技术方案：所述输出单元包括打印机和显示器。
本发明能够产生的有益效果为：
一、减少了扫频时间，节省了能源消耗，减少了振动时效设备本身的损耗，通过激振器快速升速或者采用敲击方式使工件产生受迫振动，节省了扫频时间，在很短时间内达到了采集振幅数据，判断工件共振频率和谐振频率的目的，达到了省时、省电、减少设备损耗、降低时效时的噪音的目的。
二、解决了采用传统判峰方法的振动时效设备无法找出部分小工件和刚性很大的工件的谐振峰的问题，而使用本发明中的基于小波分析判峰方法的振动时效设备，可以计算出工件的共振频率和各阶谐振频率，控制器中的软件可以在激振器的额定转速范围内选择几个谐振峰进行时效。
三、提高对小型工件判峰的准确性，小波分析判峰方法通过对信号的各个频率上的振幅进行分析，能够清晰分辨出工件的共振振动频率，减少了时域判峰方法对小型工件共振频率误判的问题。
四、对于共振频率超过激振器振动频率范围的工件，可以找到工件在激振器额定转速范围内对应的谐振峰，解决了共振频率超过激振器振动频率范围工件的振动时效问题。
附图说明
图1.本发明中的判峰方法的流程图；
图2.本发明用于振动时效的判峰方法及振动时效系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明技术方案进行详细说明：
请参阅图1本发明中的判峰方法的流程图。如图1所示，提供了一种用于振动时效的判峰方法，所述用于振动时效的判峰方法包括步骤：
第一步、对振幅信号进行采样；
第二步、对采样信息进行量化；
第三步、引入窗口函数
，
其中，
且
，
为尺度因子，表示与频率相关的伸缩，
为时间平移因子；
第四步、通过以下公式进行小波变换：
其中：
为平移参数，为伸缩参数，
为
的共轭函数；
第五步、通过小波变换得到时间—尺度对应关系；
第六步、将尺度通过转换为频率，得到振动时效的峰值；
其中：
表示尺度，表示采样周期，
是小波的中心频率，
表示与尺度
对应的频率。
在本发明的一优选技术方案中：
所述第一步具体为：根据采样定理采样频率大于两倍的信号的最高频率，并将信号中高于激振器105能够产生的最高振动频率的部分在滤波过程中滤除。
所述第二步的量化过程是对经过采样的振幅信号近似为离散值的过程。
所述第四步具体为：小波变换在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，小波变换时对应的时频窗口的面积固定不变，时窗和频窗相对改变，具体做法是在高频时使用短时窗和宽频窗，而在低频时则使用宽时窗和短频窗。
所述第五步具体为：振幅信号经过小波变换以后可得到时间-尺度曲线，尺度因子表示与频率相关的伸缩，x轴对应的是时间，y轴是尺度，尺度越小，对应的频率越高；x-y点表示小波变换系数，小波变换的系数表示小波与处在分析时段内信号的波形近似度，系数的大小通过所画出图的颜色深浅进行区分，通过对信号进行连续小波变换，可以对信号进行时频分析，即观察信号在某一时间上对应某一尺度的成分。
所述第六步具体为：通过观察信号在某一时间上对应某一尺度
的成分可以找出最大小波系数对应的尺度值，根据尺度计算得到工件的固有频率，然后根据需要的谐振峰数量找出等数量小波系数次大点，根据次大点对应的尺度计算出次大点对应的频率，即得到需要的工件的谐振峰频率。
请参阅图2本发明用于振动时效的判峰方法及振动时效系统的结构示意图。如图中所示，本发明还提供了一种快速判峰的振动时效系统：所述振动时效系统包括：激振器单元101、振幅检测单元102、下位机104和上位机103，其中，所述激振器单元101中的激振器105和所述振幅检测单元102中的振幅传感器安装在被测工件上，所述激振器单元101中的激振器控制器106与所述下位机104连接，所述下位机104与所述上位机103连接，所述振幅传感器与所述上位机103连接。
在本发明的优选技术方案中：所述上位机103为用于单独存储振动时效判峰模块的数据处理终端，其与所述下位机104通过串口、USB接口或无线通讯方式连接，所述下位机104包括MCU108和电流/转速采集单元。上位机103通过振幅传感器采集工件受迫振动下的振幅，然后对采样结果进行分析，对采样信息进行量化，引入窗口函数、进行小波变换、得到时间-尺度对应关系，最后将尺度转换为频率便得到振动时效的峰值。所述振动时效系统还包括输入单元和输出单元，所述输入单元与所述上位机103连接，所述上位机103与所述输出单元连接。所述输入单元为控制键或键盘109，所述输出单元包括打印机110和显示器111。所述上位机103还具有数据存储功能，可以将采集到的信息和处理后得到的信息存储起来以备查看。
在本发明的一优选技术方案中：激振器单元101包括激振器105和激振器控制器106，所述激振器105通过所述激振器控制器106与所述下位机104连接，所述振幅检测单元102中的振幅传感器与所述上位机103连接。所述振动时效系统还包括输入单元和输出单元，所述输入单元与所述上位机103连接，所述上位机103与所述输出单元连接，所述输入单元为控制键或键盘109，所述输出单元包括打印机110和显示器111。
本发明的目的是针对现有技术中的缺陷而提供一种基于小波分析的振动时效系统，它能够解决现有振动时效技术中存在的扫频时间长、对小型工件判峰不准确、有时甚至无法找到峰、傅立叶变换不能同时提供时域特征和频域特征等问题。
小波分析使用一个窗函数（小波函数），时频窗面积不变，但形状可改变。小波函数根据需要调整时间与频率分辨率，具有多分辨分析（Multiresolution Analysis）的特点，克服了短时傅里叶变换分析非平稳信号单一分辨率的困难。小波分析是一种时间——尺度分析方法，而且在时间、尺度（频率）两域都具有表征信号局部特征的能力，在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，很适合于探测正常信号中夹带的瞬间反常现象并展示其成分。所以，小波分析被称为分析信号的显微镜。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：待处理工件定位后，激振器105和振幅传感器分别被安置于工件上，同时与振动时效设备相连接，振动时效设备中的上位机103对采集的信号进行分析，利用基于小波分析的判峰方法找到工件的固有频率和谐振频率。下位机104按照相关工艺发出相应的控制指令给激振器控制电路从而控制激振器105对工件进行时效。时效过程中的有关曲线信息可以通过显示器111显示，用打印机110打印。
为进一步实现本发明，可采用以下技术方案：
方案一、将激振器105与振幅传感器固定于工件上，用锤子在工件上敲击一下，上位机103通过振幅传感器采集工件受迫振动下的振幅，然后利用小波分析判峰方法对振幅数据进行分析，得到工件的共振频率和各阶谐振频率，最后控制激振器105在选定的频率所对应的转速附近按照工艺要求进行时效处理。
方案二、将激振器105与振幅传感器固定于工件上，控制激振器105从低速区快速升速，上位机103通过振幅传感器采集工件受迫振动下的振幅，然后利用小波分析判峰方法对振幅数据进行分析，得到工件的共振频率和各阶谐振频率，然后控制激振器105在选定的频率所对应的转速附近按照工艺要求进行时效处理。
方案一与方案二中的小波分析判峰方法采用如图1本发明中的判峰方法流程图所述方法实现：对振幅信号进行一系列的处理，包括采样、量化、小波分析等。基于小波分析的判峰方法可以提高频率分辨率，对短数据仍然具有较高的频率分辨率，从而提高频谱检测的准确度。
采用上述技术方案后，减少了扫频时间，节省了能源消耗，减少了振动时效设备本身的损耗，通过激振器105快速升速或者采用敲击方式使工件产生受迫振动，节省了扫频时间，在很短时间内达到了采集振幅数据，判断工件共振频率和谐振频率的目的，达到了省时、省电、减少设备损耗、降低时效时的噪音的目的，并且解决了采用传统判峰方法的振动时效设备无法找出部分小工件和刚性很大的工件的谐振峰的问题，使用本发明中的基于小波分析判峰方法的振动时效设备，可以计算出任何工件的共振频率和各阶谐振频率，上位机103中的软件可以在激振器105的额定转速范围内选择几个谐振峰进行时效，提高对小型工件判峰的准确性，小波分析判峰方法能够高效分辨出工件的共振频率，减少了时域判峰方法对小型工件共振频率误判的问题，对于共振频率超过激振器105振动频率范围的工件，可以找到工件在激振器105额定转速范围内对应的谐振峰，解决了共振频率超过激振器105振动频率范围工件的振动时效问题。
以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1. 一种用于振动时效的判峰方法，其特征在于：所述用于振动时效的判峰方法包括步骤：
A: 根据采样定理采样频率大于两倍的信号的最高频率，并将信号中高于激振器(105)能够产生的最高振动频率的部分在滤波过程中滤除；
B:对采样信息进行量化，其量化过程是对经过采样的振幅信号近似为离散值的过程；
C:引入窗口函数 
，其中，且
，
为尺度因子，表示与频率相关的伸缩，为时间平移因子；
D:通过进行小波变换，其中：为平移参数，
为伸缩参数，
为
的共轭函数，小波变换在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，小波变换时对应的时频窗口的面积固定不变，时窗和频窗相对改变，具体做法是在高频时使用短时窗和宽频窗，而在低频时则使用宽时窗和短频窗；
E: 振幅信号经过小波变换以后可得到时间-尺度曲线，尺度因子表示与频率相关的伸缩，x轴对应的是时间，y轴是尺度，尺度越小，对应的频率越高；x-y点表示小波变换系数，小波变换的系数表示小波与处在分析时段内信号的波形近似度，系数的大小通过所画出图的颜色深浅进行区分，通过对信号进行连续小波变换，可以对信号进行时频分析，即观察信号在某一时间上对应某一尺度
的成分；
F:将尺度通过
转换为频率，得到振动时效的峰值，其中：
表示尺度，
表示采样周期，
是小波的中心频率，
表示与尺度
对应的频率，通过观察信号在某一时间上对应某一尺度
的成分可以找出最大小波系数对应的尺度值，根据尺度计算得到工件的固有频率，然后根据需要的谐振峰数量找出等数量小波系数次大点，根据次大点对应的尺度计算出次大点对应的频率，即得到需要的工件的谐振峰频率。
2.根据权利要求1所述用于振动时效的判峰方法，其特征在于：所述的用于振动时效的判峰方法中对振幅进行采样的技术方案为：将激振器(105)与振幅传感器固定于工件上，用锤子在工件上敲击一下，上位机(103)通过振幅检测单元(102)采集工件受迫振动下的振幅，然后利用小波分析判峰方法对振幅数据进行分析，得到工件的共振频率和各阶谐振频率，然后下位机(104)控制激振器(105)在选定的频率所对应的转速附近进行时效处理。
3. 根据权利要求1所述用于振动时效的判峰方法，其特征在于：所述的用于振动时效的判峰方法中对振幅进行采样的技术方案为：将激振器(105)与振幅传感器固定于工件上，下位机(104)控制激振器(105)在低速区快速升速，上位机(103)中通过振幅传感器采集工件受迫振动下的振幅，然后利用小波分析判峰方法对采集到的数据进行分析，得到工件的共振频率和各阶谐振频率，然后通过下位机(104)控制激振器(105)在选定的频率所对应的转速附近进行设定时间的时效处理。
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| Title |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101691632A (zh) | 2010-04-07 |
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