CN111247411A - 检测振动机的状态参数和操作参数的移动装置、配备有该装置的振动机和检测振动机的操作参数和状态参数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于检测振动机(1)的状态参数和操作参数的移动装置，所述装置包括传感器单元(26'，26”，26”')和连接至传感器单元(26'，26”，26”')的评估单元(29)，由传感器单元(26'，26”，26”')检测到的测量数据被无线地传输至评估单元(29)，并且各传感器单元(26'，26”，26”')均配备有彼此正交地定向的至少三个加速度传感器以及用于处理由所述传感器单元(26'，26”，26”')检测到的测量数据的集成电路。根据本发明，至少四个传感器单元(26'，26”，26”')形成传感器网络，传感器单元(26'，26”，26”')在不确定的定向/方向的情况下以彼此隔开一定距离的方式可拆卸地紧固至振动机(1)。此外，传感器单元(26'，26”，26”')中的至少三个加速度传感器限定了局部坐标系X1、Y1、Z1，在传感器单元(26'，26”，26”')中检测到的局部测量数据基于该坐标系的空间轴线；各传感器单元(26'，26”，26”')均包括用于检测局部坐标系X1、Y1、Z1在空间中的定向/方向的重力传感器；并且评估单元(29)包括用于在考虑重力传感器的测量数据的情况下将局部测量数据转换成上级统一坐标系X0、Y0、Z0的设备。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据技术方案1限定的用于检测振动机的状态参数和操作参数的移动装置，此外，涉及一种配备有根据技术方案13的装置的振动机以及一种根据技术方案14的用于检测振动机的操作参数和状态参数的方法。
背景技术
前述类型的振动机已知为例如振动筛、振动输送机、振动干燥器等，以及诸如驰张筛网(flip-flow screens)等的内层激励筛网(lining-excited screens)。它们尤其用于连续准备散装料，并且特征在于如下的操作模式：在该操作模式中，执行功能所需的结构组成部件会受到预定的振动，通过其对散装料的作用而获得所需的处理结果。例如，振动筛的筛网内层布置成处于连续的振动运动中，这引起并增强了筛分操作。在驰张筛网中，通过交替压缩和张紧筛网内层来进行筛分操作。通过施加定向的振动运动，可以在有或没有同时进行筛分操作的情况下输送散装货物。振动机的应用领域从筛分颗粒状散装料到输送和筛分矿石、煤炭、贵金属和贱金属。后者需要相应的大型且坚固的机器设计。
由于它们的动态操作模式，振动机承受着连续的振动负载，这与增加的磨损并存，并因此缩短了机器零件和机器组成部件的使用寿命。与散装料直接接触的组成部件以及它们的轴承和驱动组成部件因此特别受影响。为了防止由于组成部件的故障而引起的振动机完全损坏、以及因此导致的生产过程中断，在操作过程中应密切监控振动机。目的是在预定的时间间隔内检测和评估振动机的状态参数和操作参数，以能够及早检测出组成部件和/或零件的未决故障，并在必要时及时采取对策。
在这方面从WO 2015/117750 A1中已知一种经过验证的装置。其中说明了一种振动机，该振动机包括柔性支撑的振动体和作用在该振动体上的激励器。沿空间轴线以及绕着空间轴线设置有具有用于检测激励器的加速度的惯性传感器的装置，用于监控振动机的振动行为。假设将振动机视为刚体，则借助于评估单元从测量值中获得与振动频率、振动幅度和振动形式有关的发现，并在此基础上得出关于振动机的状态的结论。
发明内容
在这种背景下，本发明的目的是通过对振动机的振动行为进行有区别的检测来获得对振动机状态的优选的进一步指示。另一个目的是简化和缩短测量操作。
这些目的通过具有技术方案1的特征的装置、具有技术方案13的特征的振动机以及具有技术方案14的特征的方法来实现。
由技术方案得出有利的具体实施方式。
与在分析振动行为时基于振动机的刚体行为的现有技术不同，本发明的基本构思是在整个振动机的所有相关区域中对振动行为进行局部区分检测。为此，形成传感器网络的至少四个传感器单元紧固在振动机上的适合位置，并通过无线电连接到评估单元。在测量操作中，在各传感器单元中关于由特定传感器单元或其加速度传感器限定的局部坐标系X1、Y1、Z1测量状态参数和操作参数，传输到评估单元并在评估单元处被转换成更高级别的统一坐标系X0、Y0、Z0。有关转换所需的空间中各个传感器单元的定向的信息是由机器操作期间设定的振动平面的位置以及传感器单元的重力传感器的倾斜度测量得出的。然后，基于转换后的测量数据进行评估，从中推导出状态参数和操作参数，诸如振动频率、振动幅度和振动角度。这首先产生的优点是，在安装根据本发明的移动装置期间，传感器单元可以以空间中的任何定向和相对于振动机的任何相对位置布置在振动机上。因此，可以以最大可能的自由度选择振动机上适合于紧固传感器单元的表面，并且在组装期间不必将传感器单元定向在预定的设定点位置。这显著简化了安装操作并且还缩短了安装时间。该优点尤其在例如用于重工业的大型振动机中有效，这是因为大型振动机安装有大量的传感器单元，这些传感器单元分布在整个振动机和每次使用时必须从一台振动机转移到另一台振动机的移动装置中，这导致了相应的安装复杂性。
在这一方面，已经证明特别有利的是为传感器单元配备作为紧固器件的磁夹，通过将磁夹置于振动机上而无需任何另外的措施，这便于容易且快速地紧固传感器单元。
通过消除测量处理用的在设定点位置的空间中定向传感器单元的需求，另一个优点显而易见。已经证明传感器单元的安装不当可能是测量错误的潜在原因，这是因为不适当地定向传感器单元损害测量结果的品质。借助于根据本发明的装置消除了该风险源，从而借助于根据本发明的装置获得的测量结果的特点在于始终如一的高精度。
由于借助于各传感器单元确定了位置特定的测量值，因此不仅借助于根据本发明的装置可以整体上检测振动机的振动行为，而且还可以根据传感器单元的特定安装位置来区别地检测振动机的振动行为。通过适当地选择安装位置，可以以该方式确定诸如筛网内层、筛网框架、激励器、隔离框架等的各个机器组成部件的特定振动行为。
在这一方面，筛网框架的四个角优选地代表适合的安装位置，在每个角可以布置一个传感器。如果使用更多的传感器单元，则可以例如在筛网框架的纵向边的中央附加地布置两个传感器，和/或可以在激励器横向构件的端部区域中布置两个传感器单元。然而，原则上，根据本发明的装置的操作者能够自由地选择传感器单元的数量和位置。
本发明的一个特别优选的具体实施方式在所有传感器单元中提供时间同步的测量。为了使测量操作同步，产生启动信号并将其同时传输到所有的传感器单元。这优选在0.1ms的时间窗口内进行，最优选在0.05ms的时间窗口内进行。在本发明的一个有利的改进中，为此目的，优选地以IEE 802.15.4标准从连接在评估单元和传感器单元之间的通信模块/网关中用无线电发送开始信号。
考虑到相位相关性，测量过程的同步将在评估期间为对局部地分离的传感器单元的测量值进行比较开辟了可能性。不仅以这种方式确定振动频率、振动幅度和振动角度一致的程度，而且还检测振动机的左部和/或前部相对于右部和/或后部的相位偏移的振动是否发生。结果，获得关于在机器操作期间振动机的自变形和本征模式(eigenmode)的出现的指示。
根据本发明的一个优选的具体实施方式，在单个传感器单元中获得的测量数据被暂时存储在位于传感器单元中的数据存储器中，并且在测量操作结束时被传输给评估单元。这样做的优点是，可以在传输测量数据之前检查测量数据的合理性和完整性，即只有被认为正确的数据记录才能到达评估单元。
为了在评估单元和传感器网络之间交换数据，本发明的一个优选的具体实施方式提供了一种路由器，其建立了传感器网络与评估单元之间的兼容性。以此方式，通常以lEEE802.11标准通信的商用计算机、膝上型计算机或平板型计算机可用作评估单元。在传感器单元使用与评估单元不同的数据传输标准的情况下，将协议转换器插入通信链中。路由器和/或协议转换器可以被集成到通信模块/网关中，这进一步增强了装置的紧凑性和机动性。
在本发明的一个简单的具体实施方式中，可以将变换后和/或评估后的数据以字母数字形式输出为计算值。然而，与此相反，优选例如在评估单元的监视器或显示器上输出的振动机线框模型上使其可视化。可以以这种方式立即检测、定位和分析振动机的偏离振动行为。
附图说明
下面根据附图中示出的一个示例性实施方式更详细地说明本发明，本发明的其它特征和优点将变得明显。示例性实施方式涉及呈振动筛网形式的振动机，但是不限于此。随后的实施方式相应地应用于其它振动机，诸如振动输送机、振动干燥器、驰张筛网等。在附图中：
图1示出了根据本发明的振动机在其纵向上的第一侧的立体图；
图2示出了图1所示的振动机在其与第一侧相反的纵向上的第二侧的立体图；
图3示出了图1和图2所示的装置的传感器单元的立体图；并且
图4示出了根据本发明的用于检测图1和图2所示的振动机的操作参数和状态参数的方法的流程图。
具体实施方式
图1和图2示出了根据本发明的振动筛形式的振动机1。振动机1的基本组成部件是筛网框架2，该筛网框架2包括两个近似三角形的侧板3，侧板3隔开一定的侧向距离地彼此面平行地延伸，这些侧板3经由多个横向构件4沿着侧板3的基部彼此刚性连接并经由激励器横向构件5在与基部相反的上部区域中彼此刚性连接。横向构件4的上侧形成筛板8用的支撑，筛板8由大量纵向附接件(riders)6组装而成，其中附接件6上布置有筛网内层(screen lining)7。具有筛板8的筛网框架2形成刚性筛箱9，该筛箱9接收散装料并在操作期间对其进行分离处理，同时对其进行线性输送。
为了以减振的方式安装筛箱9，在筛网框架2下方一定距离处设置矩形隔离框架10，筛网框架2经由多组第一弹簧元件11支撑在隔离框架10上。隔离框架10进而借助于第二弹簧元件12和减振器13固定地锚固于基板。
为了产生筛箱9的振动运动，振动机1配备有激励器14，该激励器14可旋转地安装在位于激励器横向构件5的端部的轴承15中。激励器1具有轴，该轴在轴承15的区域中与激励器横向构件5轴向平行并且在两侧的突出部上设有齿轮和不平衡块，激励器还具有对应的具有齿轮和不平衡块的第二轴。两个齿轮彼此有效啮合地接合，从而确保两个轴以相同的转速反向旋转。不平衡块以使在它们相互作用时产生振动脉冲的方式设置于轴，其矢量始终相对于水平面围成角度α，筛箱9因此以相对于水平成角度α地进行线性振动运动。为了加固筛箱9，沿振动运动的方向延伸的加强轮廓22在激励器横向构件5和侧板3的基部之间延伸。
在筛箱9和隔离框架10的侧面设置有旋转驱动器24，该旋转驱动器24布置于支柱23并经由传动轴可旋转地固定抵接第一轴。中间轴25进而连接激励器的两个第一轴5。
在操作期间，振动机1承受连续的动态负载，这使得需要对状态参数和操作参数进行密切监控以使故障风险最小化。适合于该目的的移动装置包括彼此交换数据的至少四个传感器单元26'、26”、26”'(在本示例性实施方式中具有至少八个传感器单元)、通信模块/网关27、路由器28以及评估单元29。为了运输到使用地点，这些组成部件可以一起容纳在工具箱中，该工具箱可以保持附加的外设，诸如充电站、可再充电的电池、电源单元等。
在图3中以简化形式代表性地示出了传感器单元26'、26”、26”'之一。传感器单元26'、26”、26”'具有长方体的壳体30，该壳体具有正面31和背面32。磁体33布置在背面32，以将传感器单元26可拆卸地紧固到振动机1。壳体30上还设置有未示出的充电触点、用于显示状态的多个LED以及ON/OFF开关。
三个加速度传感器位于壳体30的内部，它们被设计为微机电部件(MEMS)。加速度传感器以使得它们的测量轴线限定了一个具有空间轴线X1、Y1和Z1的局部坐标系的方式彼此正交地配置。为了检测局部坐标系X1、Y1和Z1中的重力矢量G，加速度传感器中的至少一个同时具有重力传感器的功能。传感器单元26'、26”、26”'的附加功能单元是用于临时存储来自加速度传感器的测量数据的存储器、用于交换数据的无线电模块、用于本地数据处理的至少一个集成电路以及用于电能的存储单元。
从图1和图2中可以明显看出，传感器单元26'布置在筛网框架2的各角部区域中。在当前情况下，就是位于此处的横向构件4正上方的侧板3的端部的外侧。另外，另一个传感器单元26”大约位于筛网框架2的端部之间的中部，也在侧板3的外侧位于横向构件4的正上方。此外，在每种情况下，传感器单元26”'在侧板3的外侧被布置在激励器横向构件5的延长部分中。
传感器单元26'、26”、26”'经由位于传感器单元26'、26”、26”'背面的磁体33可拆卸地紧固到振动机1。不必考虑传感器单元26'、26”、26”'在空间中的特定定向，这简化了安装并缩短了安装时间。
通信模块/网关27控制来自和去向传感器单元26'、26”、26”'的数据通讯，并执行控制器/路由器的功能。通信模块/网关27与传感器单元26之间的基于无线电的通信根据IEE 802.15.4标准在从868MHz至870MHz和/或从2.4GHz至2.483GHz(＝无线个域网(ZigBee))的频率范围内进行。
经由路由器28将数据转发到评估单元29，该路由器28根据IEEE 802.11标准在2.4GHz和/或5GHz(＝无线局域网(WLAN))的频率范围内与评估单元29通信。
为了实现两个标准之间的兼容性，通信模块/网关27还具有协议转换器的功能；因此，通信模块/网关27在各情况下将输入的数据转换成另一标准。通信模块/网关27和路由器28经由用于交换数据的数据电缆彼此连接。
评估单元29主要由例如膝上型计算机或平板型计算机等的移动电子数据处理系统组成。评估单元29包括：例如用于输入控制命令等的数据输入模块；存储基准数据、极限值、来自传感器单元的测量数据等的存储模块；用于请求、处理和输出数据的计算模块；以及例如用于使所准备的数据可视化的显示器或用于将所准备的数据转发到打印机或另一计算机的接口等的数据输出模块，其中该另一计算机例如经由互联网连接到评估单元29。
根据本发明的移动装置适合于进行共振分析以及进行振动分析。共振分析的目的是确定振动机1的固有频率，以便确定适合的操作频率。振动分析用于确定操作期间振动机的特征振动行为。
从图4可以明显看出，两种情况下的测量操作都始于将移动装置置于测量就绪状态。为此，必须确保为所有的电气和电子部件提供足够的电能以进行测量处理。装置的组成部件也必须打开、相互连接并在网络中激活。
随后将传感器单元26'、26”、26”'紧固到振动机1上的有意义的位置。在本示例性实施方式中，一个传感器单元26'优选地在筛网内层7的高度处被布置在筛网框架2的四个角部中的每个角部，以能够差异化地根据筛网左侧和筛网右侧确定在进料和出料区域中的振动行为。为了指示筛网中部的振动行为，可以在位于机器一侧的传感器单元26'之间的大约中部配置附加的传感器单元26”。其它适合的位置是激励器横向构件5的端部区域，在当前情况下，传感器单元26”'被安装在该端部区域处。
传感器单元26'、26”、26”'可拆卸地紧固到振动机1是借助于将磁体33粘附到钢结构而进行的。筛网框架2上的平坦表面特别适合该目的，例如在侧板3和/或横向构件4的外侧的平坦表面。传感器单元26'、26”、26”'在空间或紧固表面的平面中的定向是任意的，这是因为经由重力传感器获知了传感器单元26'、26”、26”'相对于竖直方向的倾斜。重力矢量G与加速度矢量一起限定了振动机1的振动平面，从中可以确定局部坐标系X1、Y1和Z1的确切空间定向。
在共振分析的情况下，当振动机1处于静止状态时，借助于评估单元29上的对应输入，在0.05ms的时间窗口内在所有传感器单元26'、26”、26”'中同步开始测量操作，然后，通过例如借助于锤击施加一次性激励脉冲，使振动机1振动。
随后，每个传感器单元26'、26”、26”'的加速度传感器关于由加速度传感器限定的局部坐标系X1、Y1和Z1确定作为振动机1的振动频率的函数的加速度幅度，并且它们将测量数据存储在测量操作期间用的本地数据存储器中。
在振动分析的情况下，在进行测量操作之前启动振动机1。因此，振动机1在测量操作期间处于操作状态，并以通过激振器14预限定的操作频率振动。传感器单元26'、26”、26”'的加速度传感器检测局部坐标系X1、Y1和Z1的轴线上的加速度幅度，并将测量数据存储在测量操作期间用的本地数据存储器中。
在测量操作结束之后，各个传感器单元26'、26”、26”'的重力传感器和加速度传感器的局部测量数据以lEEE 802.15.4标准传输到通信模块/网关27，在通信模块/网关27处被转换为lEEE 802.11标准并经由路由器28传输到评估单元29。
在评估单元29中将各个传感器单元26'、26”、26”'的数据记录转换成上级统一坐标系X0、Y0、Z0。上级坐标系X0、Y0、Z0可以是例如轨道坐标系，其中Z0轴线对应于竖直方向，X0轴线对应于面向振动机1的输送方向的水平方向，Y0轴线对应于垂直于另外两个轴线、因此相对于输送方向横向定向的横向方向。同样，上级坐标系X0、Y0、Z0可以通过振动机1的振动运动预限定，其中Z0轴线由振动方向的最终端点限定，在该端点处，Z0轴线面平行地延伸，X0轴线位于垂直于Z0轴线的振动平面，Y0轴线则垂直于另外两个轴线。
在各情况下借助于重力传感器在传感器单元26'、26”、26”'中确定的振动平面中基于局部坐标系X1、Y1、Z1的倾斜来进行测量数据的转换。在执行转换之后，对于各传感器单元26'、26”、26”'获得与统一坐标系有关的并且因此可比较的时间同步加速度数据，该时间同步加速度数据可以通过单重积分转换为速度数据并通过二重积分转换为路径数据。
可以从该数据(诸如振动机1的不同位置的振动行为的振动频率、振动幅度、振动角度、相位同步性等)中推导出有关振动机1的特定状态参数和操作参数的信息，并且可以评估机器操作期间自变形的发生以及处于静止状态和机器操作期间的振动机1的本征模式。
在评估单元29中准备好该数据之后，可以在显示器或监视器上的线框模型上清楚地表示例如具有固有频率和操作频率的频谱或者振动机1的包括自变形和本征模式的振动行为。可以将各个测量数据与极限值进行比较，如果它们超过极限值，则可以输出光学或声音警告信号，甚至更多。
附图标记说明
1 振动机
2 筛网框架
3 侧板
4 横向构件
5 激励器横向构件
6 附接件
7 筛网内层
8 筛板
9 筛箱
10 隔离框架
11 第一弹簧元件
12 第二弹簧元件
13 减振器
14 激励器
15 轴承
22 加强轮廓
23 支柱
24 旋转驱动器
25 中间轴
26 传感器单元26'、26”、26”'
27 通信模块/网关
28 路由器
29 评估单元
30 壳体
31 正面
32 背面
33 磁体
Claims (19)
1.一种用于检测振动机(1)的状态参数和操作参数的移动装置，其包括传感器单元(26'，26”，26”')和连接至所述传感器单元(26'，26”，26”')的评估单元(29)，由所述传感器单元(26'，26”，26”')检测到的测量数据被无线地传输至所述评估单元(29)，并且各传感器单元(26'，26”，26”')均配备有彼此正交地定向的至少三个加速度传感器以及用于处理由所述传感器单元(26'，26”，26”')检测到的测量数据的集成电路，
其特征在于，
-至少四个传感器单元(26'，26”，26”')形成传感器网络，所述传感器单元(26'，26”，26”')在不确定的定向/方向的情况下以彼此隔开一定距离的方式可拆卸地紧固至所述振动机(1)；
-传感器单元(26'，26”，26”')中的至少三个加速度传感器限定了局部坐标系X1、Y1、Z1，
-在传感器单元(26'，26”，26”')中检测到的局部测量数据与所述传感器单元的空间轴线有关；
-各传感器单元(26'，26”，26”')均包括用于检测所述局部坐标系X1、Y1、Z1在空间中的定向/方向的重力传感器；并且
-所述评估单元(29)包括用于在考虑所述重力传感器的测量数据的情况下将所述局部测量数据转换成上级统一坐标系X0、Y0、Z0的设备。
2.根据权利要求1所述的移动装置，其特征在于，所述传感器网络包括至少六个、优选地至少八个传感器单元(26'，26”，26”')。
3.根据权利要求1或2所述的移动装置，其特征在于，所述传感器网络包括用于协调来自和去向所述传感器单元(26'，26”，26”')的数据流的通信模块/网关(27)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的移动装置，其特征在于，所述加速度传感器均被设计为微机电部件(MEMS)或压电部件。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的移动装置，其特征在于，所述移动装置包括用于使各个传感器单元(26'，26”，26”')中的测量操作在时间上同步的器件。
6.根据权利要求5所述的移动装置，其特征在于，在所有传感器单元(26'，26”，26”')中，用于所述测量操作的时间窗口具有最大0.1ms、优选地最大0.05ms的持续时间。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的移动装置，其特征在于，所述传感器单元(26'，26”，26”')均具有用于临时存储所述测量数据的数据存储器。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的移动装置，其特征在于，所述传感器单元(26'，26”，26”')均包括用于无线交换数据的无线电模块，所述无线电模块的无线电频率在400MHz与900MHz之间的范围内，或者在2.4GHz与6GHz之间的范围内。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的移动装置，其特征在于，所述移动装置包括路由器(28)，所述路由器(28)连接在所述传感器网络和所述评估单元(29)之间，用于在所述传感器网络和所述评估单元(29)之间交换数据。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的移动装置，其特征在于，所述移动装置包括用于转换后的测量数据的成像可视化的显示设备。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的移动装置，其特征在于，所述移动装置包括用于向所述移动装置提供电能的能量存储单元，优选地，所述能量存储单元为可再充电的能量存储单元。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的移动装置，其特征在于，所述传感器单元包括用于可拆卸地紧固至振动机(1)的磁体(33)。
13.一种振动机，其包括根据权利要求1至12中任一项所述的移动装置，特别地，所述振动机是振动筛网、振动输送机、振动干燥器或内层激励的筛选机。
14.一种用于检测振动机(1)的操作参数和状态参数的方法，包括以下步骤：
a)在相对于所述振动机(1)的方向/定向不确定的情况下紧固至少四个传感器单元(26'，26”，26”')，该至少四个传感器单元包括加速度传感器，各传感器单元(26'，26”，26”')均利用其加速度传感器限定局部坐标系X1、Y1、Z1；
b)在各传感器单元(26'，26”，26”')处测量所述振动机(1)关于所述局部坐标系X1、Y1、Z1的空间轴线的加速度；
c)将所述传感器单元(26'，26”，26”')的局部测量数据转换成上级统一坐标系X0、Y0、Z0；
d)评估转换后的测量数据。
15.根据权利要求14所述的方法，所述振动机(1)包括矩形振动框架(2)，所述振动框架由侧板(3)和连接所述侧板(3)的横向构件(4)形成，其特征在于，在步骤a)中，将传感器单元(26'，26”，26”')至少紧固在所述振动框架(2)的四个角部区域中的每个角部区域和/或激励器横向构件(5)的端部区域和/或所述横向构件(4)的端部区域中。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，优选在0.1ms的时间窗内、特别在0.05ms的时间窗内，在所有的传感器单元(26'，26”，26”')中时间同步地进行步骤b)。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤c)中，基于所述振动机(1)的振动平面和重力矢量来确定所述局部坐标系X1、Y1、Z1的空间定向/方向。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤c)中，在所述传感器单元(26'，26”，26”')中确定的测量数据被转换成由所述振动机(1)的振动轴线和/或机器轴线预限定的坐标系X0、Y0、Z0。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤d)中，在所述振动机(1)的线框模型上使所述测量数据可视化。
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