CN1865886A

CN1865886A - 一种用于振动时效的频谱分析判峰方法

Info

Publication number: CN1865886A
Application number: CN 200610009897
Authority: CN
Inventors: 王鸿鹏; 李会滨; 韩殿文; 董德权
Original assignee: 韩殿文
Priority date: 2006-04-01
Filing date: 2006-04-01
Publication date: 2006-11-22

Abstract

本发明公开了一种用于振动时效的频谱分析判峰方法。该方法的主要步骤为：数据采集设备对工件受迫振动加速度值进行采样，对采样后的加速度值进行量化、低通滤波、加窗处理、离散傅立叶变换处理之后找到共振频率及其它各阶谐振频率。该方法主要优点是能快速检测出工件的共振频率和谐振频率，提高了小型工件的共振频率和谐振频率检测的准确度，并且能够减少时效处理时间、降低噪声、节约电能、减小振动时效设备的损失。

Description

一种用于振动时效的频谱分析判峰方法

技术领域

本发明涉及对机械工件进行振动时效过程中对采集到的数据进行频谱分析以及根据分析结果对工件进行振动时效的技术领域。

背景技术

在机械加工行业，振动时效工艺是通过振动时效设备的控制系统控制联结于工件上的激振器的转动使工件被迫振动，工件受迫振动的动应力与工件内残余应力叠加的和超过某一极限，使工件发生微观塑性变形，来降低或均化工件内部的残余应力，使工件尺寸趋于稳定，达到要求精度。

通常振动时效设备由以下主要部件组成：控制器、激振器、加速度(振幅)传感器、电缆等，如附图1所示。

判峰方法是振动时效设备寻找工件固有频率(共振频率)及谐振频率的方法。常规振动时效设备的判峰方法是用控制器控制激振器转速从激振器的最低转速缓慢升到最高转速(这一过程称为扫频)，同时利用加速度传感器采集工件受迫振动的加速度值(振幅值)，通过分析加速度-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加速度-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。共振峰与谐振峰在加速度-转速曲线中的位置如附图2所示。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，就会严重影响工作效率，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，采用常规的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加速度值差异不大，导致用普通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，联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，这样加速度传感器采集回来的加速度值就不准确，有可能误判共振频率，致使振动时效不能达到预期的效果。小型工件加速度-转速曲线如附图3所示，共振峰与谐振峰差异不大，很难发现共振峰。

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，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。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够减少扫频时间、对小型工件判峰准确的用于振动时效的频谱分析判峰方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：被处理工件定位后，振动时效设备中的激振器和加速度传感器分别被安置于工件上，激振器和加速度传感器分别通过导线与振动时效设备的控制器相连接，通过加速度传感器对加速度信号进行采样、量化得到加速度值，通过控制器对经过采样和量化处理的加速度信号进行低通滤波、加窗处理，使用离散傅立叶变换DFT对数据进行分析，得到各个频率下的加速度值，从中选出加速度最大的值所对应的频率即为工件的共振频率，其余振幅较大的频率为谐振频率。如附图4所示。

具体步骤是：

第一步：通过数据采集设备对加速度信号进行采样和量化。设采样频率为F_S，采样频率是根据采样定理来设定的，采样频率要大于两倍的激振器最高频率，对采样数据采用若干比特进行量化。通常情况下，振动时效设备的激振器带动工件振动，工件的振动频率与转速成正比。由于激振器本身具有一个最高转速限制，即具有一个最高振动频率，那么我们选择激振器能够产生的最高振动频率作为信号的最高频率，信号中高于激振器能够产生的最高振动频率的部分将在后续的低通滤波过程中被滤除。量化过程是对经过采样的加速度信号用设定数量的比特进行编码，通常采用8位或者16位比特。

第二步：对经过采样和量化处理的加速度信号进行低通滤波处理。滤除频率高于激振器最高振动频率的采样信号。低通滤波器有多种设计方法，可根据实际情况选择。

第三步：对通过低通滤波的加速度采样信号进行加窗处理，加窗处理对加速度采样信号进行了截断，确定了采用多少个采样点参与后续处理。设这个点数为N，同时加窗过程中不可避免要产生频谱泄露，所以加窗时可以根据实际情况采用不同的窗函数来抑制频谱泄露。

例如：可以采用海明窗，它的公式如下：

w (n) = [0.54 - 0.46 \cos (\frac{2 πn}{N - 1})] R_{N} (n)

R_N(n)为矩形窗，即在加速度采样信号中截取N个采样信号。

第四步：对经过加窗处理的采样信号进行离散傅立叶变换，也可通过离散傅立叶变换(DFT)的其它改进方法，例如：快速傅立叶变换FFT来完成这个转换。

离散傅立叶变换将时域信号转化为频域信号，它的公式如下：

X [k] = Σ_{n = 0}^{N - 1} x (n) e^{- j \frac{2 π}{N} nk} = Σ_{n = 0}^{N - 1} x (n) W_{N}^{nk}, 0 \leq k \leq N - 1

其中：X[k]为经过离散傅立叶变换处理过的频域值；

x(n)为加速度采样信号；

W_{N}^{nk} = e^{- j \frac{2 π}{N} nk}

N为经过加窗处理后截取的加速度采样点数量；

第五步：加速度采样信号经过DFT或者FFT处理过以后，产生加速度-数字频率曲线，设加速度-数字频率曲线中的数字频率为w，频率为F，数字频率与频率之间存在着换算关系：

w = 2 π \frac{F}{F_{S}}

F_S为采样频率，通过对加速度-数字频率曲线上加速度值的比较，找到加速度值最大点对应的数字频率，根据这个数字频率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的次高点，根据次高点对应数字频率利用上述公式计算出次高点对应的频率，即得到需要的工件的谐振峰频率。由于频率与转速成正比，所以可以找到工件共振峰和谐振峰对应的转速。

本发明能够产生的有益效果：

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低速振动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加速度数据，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频谱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。频谱分析判峰方法通过对信号的各个频率上的加速度进行分析，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振动频率内的谐振峰，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是振动时效设备组成示意图；

图2是工件的加速度-转速曲线示意图；

图3是小型工件的加速度-转速曲线示意图；

图4是本发明频谱分析判峰方法示意图。

具体实施方式

如图1所示；1.1控制器、1.2工件、1.3激振器、1.4激振器连接电缆、1.5加速度传感器、1.6加速度传感器连接导线。激振器和加速度传感器分别通过导线与工件连接，激振器和加速度传感器分别通过导线与振动时效设备的控制器相连接。

如图2所示，2.1为共振峰，2.2、2.3、2.4为谐振峰。

将激振器和加速度传感器安装在工件上，启动具备频谱分析判峰方法的振动时效设备，在频谱分析的功能菜单下，显示(一)激振式(二)敲击式，用户可以选择其中之一以便进行基于频谱分析判峰方法的振动时效。如果选择激振式，激振器在低速区快速扫频，同时数据采集设备对加速度信号进行采样、量化得到加速度值。采集过程结束时，控制器中的软件系统中的频谱分析判峰方法对加速度信号低通滤波、加窗处理、进行频谱分析，得到最大加速度对应的频率，即得到工件的共振频率，同时得到各阶谐振频率，然后控制器控制激振器在共振频率或者几个选定的谐振频率对应的转速附近进行振动时效，如果工件的共振频率对应的转速超过激振器的转速范围，则选择工件在激振器转速范围内的谐振峰附近进行时效，同时通过数据采集设备采集加速度信号值，当满足预定的判断标准时，在相应的振动频率处的时效结束。如果选择敲击式，则立即用锤子在工件上敲击一下，这时数据采集设备采集工件的加速度信号，以下处理过程同激振式相同。

Claims

1、一种用于振动时效的频谱分析判峰方法，被处理工件定位后，振动时效设备中的激振器和加速度传感器分别被安置于工件上，激振器和加速度传感器分别通过导线与振动时效设备的控制器相连接，其特征是：通过加速度传感器对加速度信号进行采样、量化得到加速度值，通过控制器对经过采样和量化处理的加速度信号进行低通滤波、加窗处理，使用离散傅立叶变换DFT对数据进行分析，得到各个频率下的加速度值，从中选出加速度最大的值所对应的频率即为工件的共振频率，其余振幅较大的频率为谐振频率。

2、根据权利要求1所述的一种用于振动时效的频谱分析判峰方法，其特征是：所述通过加速度传感器对加速度信号进行采样和量化，采样频率要大于两倍的激振器最高频率，对采样数据采用若干比特进行量化。

3、根据权利要求1所述的一种用于振动时效的频谱分析判峰方法，其特征是：所述对经过采样和量化处理的加速度信号进行低通滤波处理时，滤除频率高于激振器最高振动频率的采样信号。

4、根据权利要求1所述的一种用于振动时效的频谱分析判峰方法，其特征是：所述对通过低通滤波的加速度采样信号进行加窗处理，加窗处理对加速度采样信号进行了截断，确定了采用多少个采样点参与后续处理。

5、根据权利要求1所述的一种用于振动时效的频谱分析判峰方法，其特征是：对经过加窗处理的采样信号进行离散傅立叶变换，也可通过快速傅立叶变换FFT来完成这个转换。

6、根据权利要求1所述的一种用于振动时效的频谱分析判峰方法，其特征是：所述的使用离散傅立叶变换DFT对数据进行分析，是指加速度采样信号经过DFT或者FFT处理过以后，产生加速度-数字频率曲线，通过对加速度-数字频率曲线上加速度值的比较，找到加速度值最大点对应的数字频率，根据这个数字频率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的次高点，根据次高点对应数字频率计算出次高点对应的频率，即得到需要的工件的谐振峰频率。