CN103397173B - 模态宽频振动消除应力设备的信号处理方法 - Google Patents

Abstract

模态宽频振动消除应力设备信号处理方法，包括：初始化控制电路及直线电机；控制电路通过传感器检测直线电机和工件的时域信号；控制电路发送第一扫频信号控制直线电机输出轴往复运动，同时采集工件的时域信号；控制电路将采集的时域信号转换为频域的模态参数，由上位机进行模态分析；控制电路根据上位机形成的频率数据，形成第二扫频信号，控制直线电机完成振动时效处理。可以保证中小工件时效振动效果。

Description

模态宽频振动消除应力设备的信号处理方法

技术领域

本发明涉及一种信号处理方法，特别是涉及一种用于振动时效的信号处理方法。

背景技术

振动时效处理是工程材料常用的一种消除其内部残余内应力的方法，是利用机械方法使金属构件的工件振动，在共振条件下对工件施以循环动应力，使工件内部残余的内应力和附加的振动应力的矢量和达到超过材料屈服强度的时候，使材料发生微量的塑性变形，从而使材料内部的内应力得以松弛或重新分布而达到尺寸稳定的目的。与热时效相比，振动时效具有投资少、见效快、运行费用低和有利于环保等优点。

振动时效处理过程中根据工件的物理形态和结构应力特性，需要通过测定激振源产生的众多振动频点完成对多振型振动模拟，实现对工件的振动时效，现有的激振器多用于大型工件，对于中小工件而言这种多振型振动模拟尤为困难，现有的激振器对时效振动过程中的信号采集和处理方法无法直接应用。

如图1所示，存在一种作为模态宽频振动消除应力设备的宽频激振器，包括底座、直线电机、工件夹紧装置和导轨，所述直线电机固定安装在底座上，所述工件夹紧装置通过导轨安装在底座上，所述直线电机的输出轴固定连接在工件夹紧装置上，所述直线电机的输出轴的轴线与导轨平行。工作时首先将工件8固定安装在工件夹紧装置3上，然后控制直线电机2的输出轴以设定的频率来回运动，从而带动固定安装在工件夹紧装置3上的工件，实现工件8的振动时效处理。

如图2所示还包括由于控制上述宽频激振器的由直线电机控制电路、位置传感器模块100、实时驱动控制模块200和集成显示处理模块300组成的控制电路。

位置传感器模块100，用于采集宽频激振器50工况时运动部件的状态信号，调理采集的状态信号；其中包括光栅尺位移传感器，用于采集宽频激振器50的直线电机工况时的位移信号；包括激光位移传感器，用于采集宽频激振器50的直线电机工况时夹紧装置固定的工件的位移信号；

实时驱动控制模块200，用于依据存储的时效处理模型和待处理工件的初始化数据，实时进行模态分析及振动数据计算，生成宽频激振器50的控制数据，转换为驱动信号输出至宽频激振器50的直线电机控制电路；接收传感器采集的宽频激振器50的工况数据，参与振动数据的计算，形成修正的控制数据；传送宽频激振器50的工况数据至集成显示处理模块300；接收集成显示处理模块300传送的振动数据计算过程的控制参数；

集成显示处理模块300，用于提供系统间的数据通信端口和人机交互界面，接收并存储实时驱动控制模块200发送的宽频激振器50的工况数据，生成并发送生成并发送模态宽频振动消除应力控制参数。针对应用于中小工件振动时效的模态宽频振动消除应力设备需要相适应的信号处理方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种振动时效信号处理方法，解决中小工件在高频激振源作用下振动时效处理效果较差的技术问题。

本发明模态宽频振动消除应力设备控制电路的信号处理方法，其特征在于包括以下步骤：

初始化控制电路及直线电机；

控制电路通过传感器检测直线电机和工件的时域信号；

控制电路发送第一扫频信号控制直线电机输出轴往复运动，同时采集工件的时域信号；

控制电路将采集的时域信号转换为频域的模态参数，由上位机进行模态分析；

控制电路根据上位机形成的频率数据，形成第二扫频信号，控制直线电机完成振动时效处理。

所述采集的时域信号包括工件的时域位移信号、时域速度信号和时域加速度信号。所述第一扫频信号为正弦扫频信号。

所述第一扫频信号为包含一组频点的点频扫描范围。

所述控制电路发送的第一正弦扫频信号设定如下：

$u^{\′}\left(i\right)=A\cos (\frac{f_{\mathrm{curr}}}{f_{\mathrm{ISR}}}\×2\mathrm{\π}\×i),i=1,...,N$

f_curr为当前激励信号的振荡频率；

f_ISR为DSP采样频率，例如为16kHz；

N＝16000。

所述时域位移信号y(i)形成时域速度信号v(i)：

v(i)＝(y(i)-y(i-1))/f_ISR y(0)＝0 i＝1,...,N。

所述点频扫描范围中特定频率上的幅值信号为：

$\left|G_0\left(e^{\mathrm{j\ω}}\right)\right|=\frac{\sqrt{{I_C}^2\left(N\right)+{I_S}^2\left(N\right)}}{A/2}.$

所述点频扫描范围中特定频率上的相角信号为：

本发明的振动时效信号处理方法充分利用了模态宽频振动消除应力设备中直线电机的效率和频率响应范围，使得针对中小工件的模态分析数据产生和采集的实时性得到保证，充分保证了中小工件时效振动的效果。

下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。

附图说明

图1为一种宽频激振器的物理结构示意图；

图2为一种宽频激振器控制电路的结构示意图；

图3为本发明模态宽频振动消除应力设备的信号处理方法的工作流程示意图；

图4为本发明模态宽频振动消除应力设备的信号处理方法中第一正弦扫频信号控制直线电机往复运动产生的时域信号示意图。

具体实施方式

本控制方法利用控制电路驱动模态宽频振动消除应力设备上位移传感器和直线电机驱动电路，输出正弦扫频信号，采集工件的稳态数据并进行时域-频域转换，形成上位机稳态分析数据基础，并根据接收的稳态分析结果形成驱动直线电机进行时效振动的正弦扫频信号。

模态宽频振动消除应力设备控制电路的信号处理方法，主要包括以下步骤：

初始化控制电路及直线电机；

控制电路通过传感器检测直线电机和工件的时域信号；

控制电路发送第一扫频信号控制直线电机输出轴往复运动，同时采集工件的时域信号；

控制电路将采集的时域信号转换为频域的模态参数，由上位机进行模态分析；

控制电路根据上位机形成的频率数据，形成第二扫频信号，控制直线电机完成振动时效处理。

如图1所示，具体的本发明模态宽频振动消除应力设备的信号处理方法的工作流程如下：

s100，宽频频激振器、控制电路加电初始化；

s200，控制电路通过位移传感器检测直线电机工况时的时域位移信号，检测工件的时域位移信号；

s300，控制电路向直线电机发送第一正弦扫频信号，控制直线电机随高频信号往复运动；

s400，控制电路采集直线电机运动过程中工件产生的时域信号；

s500，控制电路根据位移信号判断直线电机工作状态是否正常，当工作状态正常时完成高频控制信号的发送；

s600，设定点频扫描范围，根据设定的点频扫描范围，重复s300～s500；

s700，控制电路将采集的时域信号处理为频域的模态信息，上传上位机进行模态分析；

s800，控制电路接收上位机发送的模态频率处理数据，形成第二正弦扫频信号；

s900，控制电路向直线电机发送第二正弦扫频信号，控制直线电机完成振动时效处理。

根据以上信号处理方法可以完成对中小工件振动的时域信号采集，频域模态信息的形成和分析，形成克服中小工件内应力的模态频率数据，转换为控制振动时效的正弦扫频信号，有效利用模态宽频振动消除应力设备的频率响应特性。

如图2所示，在时域中随时间变化，正弦波的振幅也动态变化。

在s300中，控制电路发送的第一正弦扫频信号设定如下：

u(t)＝Acos(ωt)；  1－1

A为控制输出的幅值；

当设初始状态为零时，其中

ω＝2πf_curr；  1－2

$t=\frac{i}{f_{\mathrm{ISR}}}---1-3$

其中：f_curr为当前激励信号的振荡频率；

f_ISR为DSP采样频率，例如为16kHz；

根据公式1-1、1-2、1-3可推出任一频率的第一正弦扫频信号如下：

$u^{\′}\left(i\right)=A\cos (\frac{f_{\mathrm{curr}}}{f_{\mathrm{ISR}}}\×2\mathrm{\π}\×i),i=1,...,N,N=16000---1-4$

根据s200中检测的时域位移信号y(i)可以形成时域速度信号v(i)：

v(i)＝(y(i)-y(i-1))/f_ISR y(0)＝0 i＝1,...,N 1－5

根据线性系统理论：

G₀(e^jw)为系统辨识后的传递函数；

transient为暂态误差：

不考虑暂态影响，对公式1－6求和去除噪声干扰项n(i)对计算结果的影响可得到：

其中N为在指定频率的激励信号下的采样次数；

Ic(N)为输出频率成分的S域实部；

Is(N)为输出频率成分的S域虚部；

进而可以计算出工件在该频率上的幅值信号稳态特性为：

$\left|G_0\left(e^{\mathrm{j\ω}}\right)\right|=\frac{\sqrt{{I_C}^2\left(N\right)+{I_S}^2\left(N\right)}}{A/2}---1-9$

相角信号稳态特性为：

在s400中，采集的时域信号包括工件的时域位置信号、时域速度信号和时域加速度信号。

运用本发明模态宽频振动消除应力设备的信号处理方法可以使得控制电路在点频扫频范围f0至ft之间，以一定的频率间隔步进，每个频点共完成N次u'(i)输出及v(i)采样，使得控制电路实时计算系统在该频率的稳态特性(幅值与相位)，为形成频域的模态信息，上传上位机进行模态分析，提供精确实时数据。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种模态宽频振动消除应力设备控制电路的信号处理方法，其特征在于包括以下步骤：

初始化控制电路及直线电机；

控制电路通过传感器检测直线电机和工件的时域信号；

控制电路发送第一正弦扫频信号控制直线电机输出轴往复运动，同时采集工件的时域信号，包括工件的时域位移信号、时域速度信号和时域加速度信号；

控制电路将采集的时域信号转换为频域的模态参数，由上位机进行模态分析；

控制电路根据上位机形成的频率数据，形成第二正弦扫频信号，控制直线电机完成振动时效处理；

所述控制电路发送的第一正弦扫频信号设定如下：

$u^{\′}\left(i\right)=A\cos (\frac{f_{\mathrm{curr}}}{f_{\mathrm{ISR}}}\×2\mathrm{\π}\×i),i=1,...,N,N=16000$

f_curr为当前激励信号的振荡频率；

f_ISR为DSP采样频率，为16kHz。

2.根据权利要求1所述的模态宽频振动消除应力设备控制电路的信号处理方法，其特征在于：所述第一正弦扫频信号为包含一组频点的点频扫描范围。

3.根据权利要求2所述的模态宽频振动消除应力设备控制电路的信号处理方法，其特征在于：所述时域位移信号y(i)形成时域速度信号v(i)：

v(i)＝(y(i)-y(i-1))/f_ISR y(0)＝0 i＝1,...,N。

4.根据权利要求2或3所述的模态宽频振动消除应力设备控制电路的信号处理方法，其特征在于：所述点频扫描范围中特定频率上的幅值信号为：

$\left|G_0\left(e^{\mathrm{j\ω}}\right)\right|=\frac{\sqrt{{I_C}^2\left(N\right)+{I_S}^2\left(N\right)}}{A/2}$

A为控制输出的幅值；

ω＝2πf_curr；

5.根据权利要求4所述的模态宽频振动消除应力设备控制电路的信号处理方法，其特征在于：所述点频扫描范围中特定频率上的相角信号为：