CN1247233A

CN1247233A - 智能谐波振动消除应力方法及设备

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Publication number: CN1247233A
Application number: CN 99112933
Authority: CN
Inventors: 高金泰; 杨国栋; 崔文华; 刘彦斌
Original assignee: Heilongjiang Hailun Vibration Ageing Equipment Factory
Current assignee: Heilongjiang Hailun Vibration Ageing Equipment Factory
Priority date: 1999-05-14
Filing date: 1999-05-14
Publication date: 2000-03-15
Anticipated expiration: 2019-05-14
Also published as: CN1098360C

Abstract

一种智能谐波振动消除应力方法及设备,该方法是实现一种根据谐波迭加原则,选择一组最佳的频率组合,对工件进行振动处理,在工件中传播一系列方向不同的高频谐波的振动方法“谐波法”采用的设备中包含微机信息处理系统,高精度调速系统,振动加速度测量系统,以及整周期采样自动跟踪电路,高阶随动低通滤波器和微机信息处理系统中的高速微处理器构成频谱分析器。确保采样频率的自动跟踪,消除混迭干扰。通过微机信息处理系统执行软件程序,实现“谐波法”振动时效消除金属工件应力,并显示相应的数据及绘制出相关的工艺参数曲线。

Description

智能谐波振动消除应力方法及设备

本发明涉及一种电子技术在振动时效技术上的应用。

在现有的振动时效设备中，普遍采用一种传统的振动处理方法(简称传统法)。这种方法是根据附图1所示的扫频曲线，在金属工件振动加速度幅度最大的频率下，即在频率fi＝f5下，对金属工件进行振动时效处理，此时，对振动加速度信号的测试表明，该信号为正弦波，其频率f5＝n5/60(HZ)(n5-激振电机转速(r/min))，我们称频率fi＝ni/60(HZ)为基波，因此传统振动处理方法也称为“基波法”。如果激振电机转速范围为1000-6000r/min，则基波频率fi＝16.66-100HZ。因此采用传统法进行振动处理时，工件中传播的振动波只能是较低频的振动波。

从机械振动学角度分析，如果工件在振动过程中，在工件中传播高频振动波，要较传播低频振动波的作用更加均匀，更加能传入到工件内部。因此，高频振动波不仅可以很高地消除或均化工件表面的宏观应力，还能很好地消除工件内部区域的残余应力，而低频振动波对工件内部区域的残余应力是无能为力的。为了获得高频振动波，采用传统法时，只能提高激振电机转速。由于耐震的高速电机难以制造，因此提高激振电机转速，不是获得高频振动波的好办法。

如附图1，我们还可以发现，用传统法进行振动时效处理金属构件时，是在工件振动加速幅度最大的频率下，即在频率fi＝f5下，对构件进行振动处理，工件中传播的是低频的基波，频率低，波长较长，振动波对工件作用的均匀度低，振型单一，工件振幅大，激振电机输入功率大。电机输入的功率，其中只有一少部分用于消除工件残余应力，而大部分为工件整体振动所消耗，因此浪费了较多的输入能量。这时，如果激振力选择不合适(过大)，有时会使工件产生微观裂纹，同时，噪声也很大，形成噪声污染。

本发明的目的是提供了一种新的振动时效方法，即“谐波法”，以及为实现该方法的专用设备，通过微机控制谐波振动，来消除金属工件应力。

本发明的技术方案是：在附图1中，除了谐振频率fi＝f5的谐振峰最高外，还存在许多中、小的谐振峰，其频率分别为fi＝f1，f2，f3，f4，f6，f7，f8。测量表明，在这些中、小谐振峰频率下，振动加速度信号含有丰富的高频谐波分量。“谐波法”正是利用这一特点，利用计算机及其接口电路执行软件程序，完成自动扫频，判峰，实时频谱分析，求谐波分量并加以排队，加窗及求取最高密度窗，求取占窗数，计算出一组最佳频率组合。在选定的最佳频率组合中(一般选取5个频率即可)的每一个频率下对工件振动处理一定时间。这时，在工件中传播的振动波中，频率为fi＝ni/60(HZ)的基波是次要的，而高频谐波分量是主要的。其频率为fi＝Kfi(其中K＝2-17)。由于在选中的每个谐振峰频率下振动时，都能产生fi＝Kfi的高频振动波，因此，构成了谐波迭加振动效果。

本发明设计的设备：包括微机信息处理系统及其接口电路，振动加速度测量系统，高精度调速系统，整周期采样自动跟踪电路，高阶随动低通滤波器在内的智能谐波振动消除应力设备。通过微机信息处理系统执行软件程序，对振动加速度测量系统传来的振动加速度信号(振动加速度信号由振动加速度传感器获得)进行频谱分析，获取一组最佳频率组合，控制高精度调速系统驱动直流激振电动机，从而实现智能谐波振动消除应力的方法，同时显示相应的数据及绘制出相关的工艺参数曲线。

其结构如附图2所示。附图2中微机信息处理系统2.1，其接口电路2.2给定频率接口，2.3整周期采样自动跟踪电路，2.4高阶随动低通滤波器，接收来自振动加速度测量系统2.6给出的振动加速度信号G＝、G～对其进行分析和处理，选择一组最佳频率的组合，然后通过高精度调速系统2.5控制直流激振电动机2.7，在已选择好的一组最佳频率(转速)下，对工件2.11进行振动处理，从而达到消除或均化工件应力的目的。由显示器与键盘2.9输入控制命令并显示电机的转数及电机电枢电流，加速度信号G＝由绘图仪2.8绘制出第一次扫频曲线和第二次扫频曲线，对比两条曲线，对振时效效果进行初步判断。

附图2中：2.1-微机信息处理系统 2.2-给定频率接口

2.3-整周期采样自动跟踪电路 2.4-高阶随动低通滤波器

2.5-高精度调速系统 2.6-振动加速度测量系统

2.7-直流激振电动机 2.8-绘图仪

2.9-显示器与键盘 2.10-加速度传感器

2.11-被振工件

(1)微机信息处理系统2.1：

附图2中的微机信息处理系统2.1的结构如附图3所示。它是由高速微处理器芯片3.1，多功能芯片3.2，32KRAM 3.3接口芯片3.4组成。它们再与接口电路，绘图仪，显示器与键盘电路相联。

附图3中：3.1-高速微处理器 3.2-多功能芯片

3.3-32KRAM 3.4-接口芯片

(2)：附图2中的整周期采样自动跟踪电路2.3及高阶随动低通滤波器2.4：其结构框图示于附图4。

整周期采样自动跟踪电路及随动低通滤波器，对于交流振动信号进行频谱分析准确性是至关重要的。由于交流信号是确定性周期信号，它的基波频率等于激振电机的转动频率，利用交流加速度信号是确定性周期信号这一特点，设计了整周期采样自动跟踪电路。

附图4中： 4.1-光隔

4.2-锁相环电路

4.3、4.4、4.5、4.6、4.7-固定分频器

4.8-缓冲电路

4.9-专用滤波器

4.10-缓冲电路

在附图4中，电机反馈信号10FN通过光隔电路4.1进入锁相环电路4.2，又通过分频电路4.6产生基频信号FN。锁相环电路4.2与固定分频器4.4构成锁相环路，锁相环电路4.2的输出，经过固定分频器4.5产生频率为N1FN的脉冲信号，又经过固定分频4.7产生频率为N2FN的脉冲信号。信号FN、N1FN、N2FN分别进入高速微处理器的高速输入口，完成整周期采样功能。

工件的交流振动加速信号，通过缓冲电路4.8进入高阶低通滤波器4.9又通过缓冲电路4.10进入高速微处理ACH口。由于高阶低通滤波器的转折频率，由N3FN脉冲信号控制，从而构成了高阶随动低通滤波器。

由附图3中的高速微处理器3.1与附图2中的整周期采样自动跟踪电路2.3及高阶随动低通滤波器2.4构成了频谱分析器。

(3)附图2中给定频率接口电路2.2：

附图2中的给定频率接口电路2.2的结构如图5所示。它是由可预置分频器5.6与锁相环电路5.3等环节构成，通过控制预置分频器5.6的分频数改变锁相环的输出频率，从而改变了高精度调速系统的给定信号f_R，以完成自动扫频，振动时效等功能。

附图5中： 5.1-晶体振荡器 5.2-固定分频器

5.3-锁相环电路 5.4-固定分频器

5.5-光隔电路 5.6-可预置分频器

(4)附图2中的振动加速度测量系统2.6：

附图2中的工件振动加速度测量系统结构框图如附图6所示，工件6.1的振动加速度由传感器6.2测量，送到电荷放大器6.3中，通过适调放大器6.4及交流放大器6.5获得交流振动加速度信号G～，又通过检波电路6.6获得直流振动加速度信号G＝，信号G＝和G～输入到高速微处理器，用于数据分析处理。

附图6中： 6.1-工件 6.2-振动加速度传感器

6.3-电荷放大器 6.4-适调放大器

6.5-交流放大器 6.6-检波器

(5)附图2中高精度调速系统附2-2.5：

高精度调速系统是基于锁相环原理构成的调速系统。其结构如附图7所示。

附图7中： 7.1-鉴相器 7.2-相位调节器

7.3-转速微分调节器 7.4-电流调节器

7.5-PWM触发电路 7.6-IGBT

7.7-直流电机 7.8-电流反馈电路

7.9-微分反馈电路 7.10-f/v变换器

7.11-倍频电路 7.12-整形电路

在附图7中，高精度调速系统是由电流—转速微分—相位构成的三闭环锁相调整系统，其中电流调节器7.4，PWM触发器电路7.5，IGBT功放7.6，直流激振电动机7.7、电流反馈电路7.8构成的电流环，可以抑制电网电压波动的影响，限制起动电流，加快电流环调节速度。由转速微分调节器7.3，电流调节器7.4，IGBT7.6，整形电路7.12，倍频电路7.11，f/v变换器7.10，微分反馈电路7.9构成转速微分环，它能抑制电机参数变化及负载变化对系统的影响；加快系统调节速度，抑制转速超调。由鉴相器7.1，相位调节器7.2，转速微分环，构成相位环。由于相位是速度的积分，该闭环中含有纯积分环，可使调速系统具有很高的稳定精度。

(6)智能谐波振动消除应力设备工作原理：

智能谐波振动消除应力设备，实现对直流激振电机附图2-2.7的转速控制，是通过附图2中高速微处理器2.1，控制接口芯片附图3-3.4，从而改变可预置分频器附图5-5.6的分频数，即改变了高精度调速系统附图2-2.5的给定频率f_R，也改变了激振电机附图2-2.7的转速。

以附图2中微机信息处理系统2.1为核心，配合附图2的其它环节，按以下步骤执行软件程序：

第一步：在激振电机转速范围内，对工件进行自动扫频，测量及绘制工件振动加速度信号幅值与电机转速(或频率)关系曲线，识别判断曲线上的各个谐振峰。

第二步：在各个谐振峰频率下，对交流振动信号进行实时频谱分析，求其谐波分量。

第三步：在一定的频率范围内，统计谐波分量，并由低次到高次加以排队。

第四步：在第三步中的一定频率范围内，以ΔHz进行分割加窗。

第五步：求取各个ΔHz窗内的谐波个数及谐波幅度，选出一定数量的高谐波密度窗。

第六步：统计各个谐振峰的交流振动加速度信号的谐波分量所占有的高密度窗的个数，该高密度窗的个数定义为该谐振峰的占窗数。

第七步：求出扫频曲线上所有谐振峄的占窗数。

第八步：按占窗数由高到低，选择一组一定数量的谐振峰频率，构成最佳频率组合。

第九步：分别在最佳频率组合中的频率下，对工件分别进行一定时间的振动处理。

第十步：再一次执行第一步过程后，自动停机。

智能谐波振动消除应力设备结构见附图8：

在附图8中：

8.1-转速显示 8.2-电机电枢电流或振动加速度显示

8.3-电源开头 8.4-复位键

8.5-起动键 8.6-继续键

8.7-显示切换键 8.8-过流保护指示灯

8.9-加速度适调旋扭 8.10-振动加速度输入插孔

8.11-绘图输出接口 8.12-交流220V输入

8.13-控制输出 8.14、8.15-保险丝

8.16-电动机测速反馈输入

因此，如本发明所述用“谐波法”进行振动处理时，工件中传播的是一系列高频振动波，其频率高，波长短，振动波对工件作用均匀。同时高频振动波，容易传到工件内部，能消除工件内部区域的残余应力。由于“谐波法”只在中、小幅度的谐振峰下进行振动处理，电机输入能量相对较少，且大部分被工件吸收用以消除工件残余应力，同时噪声也小，噪声污染较轻。

经研究表明，用“谐波法”对金属构件进行振动时效处理时，除产生高频振动波外，工件还会产生不同的振型(如弯曲，扭曲，鼓形等)，这表明，“谐波法”会产生传播方向不同的高频振动波，能更加均匀地消除或均化工件的残余应力。

本发明最佳实施例：

使用智能谐波振动消除应力系统作业时：

1、将直流激振电机(附图8-2.7)的输出与反馈两根连线分别接入控制输出插座(附图8-8.8.3)和反馈插座(附图8-8.16)。

2、将振动加速度传感器(附图8-2.10)与振动加速度输入插座连接(附图8-8.10)。

3、根据振动加速度传感器(附图8-2.10)的灵敏度参数，将加速度适调旋扭(8-8.13)调到适当位置。

4、将交流220V与交流220V电源插座(附图8-8.12)连接。

5、打开整机电源开头(附图8-8.3)。

6、按动复位键(附图8-8.4)使系统处于初始工作状态。

7、按动启动键(附图8-8.5)激振电机启动，系统自动进行第一次扫频，扫频过程中打印出G＝～n曲线，及相关数据。

8、在确认G＝～n曲线后，按动“继续键(附图8-8.6)”，智能谐波振动消除应力系统自动执行第二步至第十步的软件程序。最后自动停机，完成全部时效处理过程。

智能谐波振动应力消除系统具有自动化程度高，使用方便，能可靠的应用的工业现场，适用于黑色金属，有色金属的铸、锻、焊接构件，取代热时效、保护环境，无噪声污染，节省能源，缩短生产周期，提高产品尺寸精度，经济效益显著等很多优点。

Claims

1、一种智能谐波振动消除应力方法，其特征是：利用计算机及其接口电路执行软件程序，完成自动扫频，判峰，实时频谱分析，求谐波分量并加以排队，加窗及求取最高密度窗，求取占窗数，计算出一组最佳频率组合，在选定的最佳频率组合中的每一个频率下，对工件振动处理一定时间。

2、一种智能谐波振动消除应力设备，包括有微机信息处理系统(2.1)及接口电路(2.2)，振动加速度测量系统(2.6)，高精度调速系统(2.5)，其特征是由新增加的整周期采样自动跟踪电路(2.3)，高阶随动低通滤波器(2.4)，以及上述微机信息处理系统的高速处理器(3.1)构成了频谱分析器。

3、一种智能谐波振动消除应力的方法和设备，其特征是编制的软件程序：

第一步：在激振电机转速范围内，对工件进行自动扫频，测量及绘制工件振动加速度信号幅值与电机转速(或频率)关系曲线，识别判断曲线上的各个谐振峰；

第二步：在各个谐振峰频率下，对交流振动信号进行实时频谱分析，求其谐波分量；

第三步：在一定的频率范围内，统计谐波分量，并由低次到高次加以排队；

第四步：在第三步中的一定频率范围内，以ΔHz进行分割加窗；

第五步：求取各个ΔHz窗内的谐波个数及谐波幅度，选出一定数量的高谐波密度窗；

第六步：统计各个谐振峰的交流振动加速度信号的谐波分量所占有的高密度窗的个数，该高密度窗的个数定义为该谐振峰的占窗数；

第七步：求出扫频曲线上所有谐振峰的占窗数；

第八步：按占窗数由高到低，选择一组一定数量的谐振峰频率，构成最佳频率组合；

第九步：分别在最佳频率组合中的频率下，对工件分别进行一定时间的振动处理；

第十步：再一次执行第一步过程后，自动停机。