CN202022962U - 频谱谐波振动消除应力控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种频谱谐波振动消除应力控制装置，包括内置有频谱谐波振动时效控制软件系统的工控主板、电源模块、控制板、A/D模块、与激振器的电机相连的电机驱动电路、安装在工件上的振动传感器，将传统振动时效装置由于电机转速的限制而导致的应用范围只有23％，提高到了100％，而且振动频率为多振型，残余应力消除效果更好，可以达到或超过热时效。

Description

频谱谐波振动消除应力控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种振动消除应力技术，尤其涉及一种频谱谐波振动消除应力控制装置。

背景技术

振动消除应力技术(VSR)，即利用一种严格受控的振动能量，对金属工件进行处理，以解决工件加工过程中和加工之后出现的内部残余应力导致尺寸变化及抗载荷能力变化的问题。VSR对消除、减少或均化金属工件内的残余应力，提高工件抗动静载、抗变形能力，稳定尺寸精度有重要的功效。

传统振动时效控制装置一般通过扫描的方式，也就是当与之相连的激振器的电机的转速从1000rpm上升到电机最高转速期间，通常是10000rpm(166.7Hz)，扫描金属工件的固有共振频率，然后选择激振器的电机在该金属工件的固有共振频率的1/3或2/3处进行振动，而很多高刚性、高固有频率金属工件的共振频率超过166.7Hz，这样传统振动时效控制装置受制于电机转速的限制，很多工件无法有效振动，造成传统振动时效控制装置在机械行业的应用范围只有23％，在消除金属工件残余应力方面只能作为热时效的辅助手段，而不能替代热时效。

中国专利ZL200510092985.6公开了一种利用频谱分析对工件进行全自动处理的方法，该方法能够实现不受电机转速限制的选择一组最佳振动频率，从而拓展了振动时效控制装置的控制范围，该专利为一种方法，并没有阐述该方法的硬件载体-频谱谐波振动消除应力控制装置的电气结构和运行电路。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种实用的应用范围广的频谱谐波振动消除应力控制装置。

为达到上述目的，本实用新型提供了一种频谱谐波振动消除应力控制装置，包括工控主板、电源模块、控制板、A/D模块、与激振器的电机相连的电机驱动电路、安装在工件上的振动传感器，其中，

振动传感器，用于采集所述工件的振动信号并将其发送至控制板；

控制板，用于将所述振动信号进行放大、滤波和整形处理，并将处理后的振动信号发送至A/D模块；

A/D模块，用于将控制板发送的振动信号进行模数转换，并将转变后得到的数字振动信号发送至工控主板；

工控主板，用于利用其内置的频谱谐波振动时效控制软件系统对数字振动信号进行傅里叶频谱分析，选择出匹配的谐波振动频率并将谐波振动频率发送至控制板，由控制板根据所述谐波振动频率生成对应的PWM脉冲信号发送至电机驱动电路；

电机驱动电路，用于根据所述PWM脉冲信号输出对应的驱动电压至激振器的电机；

电源模块，用于为工控主板和电机驱动电路供电。

本实用新型的频谱谐波振动消除应力控制装置，控制板包括振动信号放大器、电流信号放大器、转速转换电路、滤波电路、放大电路、整形电路、单片机和RS232接口转换器，其中，

振动信号放大器，用于接收振动传感器采集到的振动信号并将其放大后输出至滤波电路；

滤波电路，用于滤除放大后的振动信号中的电磁干扰和噪声并将滤波后的振动信号分成两路分别输出至整形电路和放大电路；

放大电路，用于将滤波后的一路供傅里叶频谱分析的振动信号进行二次放大后输出至A/D模块；

整形电路，用于将滤波后的另一路供输出显示的振动信号进行整形处理，并将整形后的振动信号输出至A/D模块；

电流信号放大器，用于接收并放大电机驱动电路发送的电机输入电流信号并将放大后的电机输入电流信号输出至A/D模块，由A/D模块将其进行模数转换后发送至工控主板；

转速转换电路，通过航空插座与激振器的电机相连，用于接收激振器的电机发送的转速信号将其转换成对应的转速脉冲信号输出至单片机；

单片机，用于接收工控主板发送的谐波振动频率，根据所述谐波振动频率生成对应的PWM脉冲信号发送至电机驱动电路，根据接收到的转速脉冲信号生成电机转速数据发送至工控主板；

RS232接口转换器，用于实现单片机与工控主板之间的通讯协议转换。

本实用新型的频谱谐波振动消除应力控制装置，电机驱动电路包括整流桥、滤波电容、电机驱动芯片、IGBT、LC滤波电路、过压保护电路和电流传感器，其中，

整流桥，用于将电源模块发送的交流电转变成脉动直流电输出至滤波电容；

滤波电容，用于将脉动直流电转变成稳定直流电输出至IGBT；

电机驱动芯片，用于接收单片机发送的PWM脉冲信号，根据PWM脉冲信号生成对应的电机启停指令输出至IGBT；

IGBT，用于根据电机启停指令控制输出至激振器的电机的稳定直流电的导通时间；

LC滤波电路，用于降低IGBT输出至激振器的电机的稳定直流电中的电流文博系数和电机额外功率损耗；

过压保护电路，用于对IGBT进行过压保护；

电流传感器，用于采集滤波电容输出的稳定直流电。

本实用新型的频谱谐波振动消除应力控制装置，还包括与工控主板相连的液晶显示屏、键鼠和通讯接口，其中，

液晶显示屏，用于显示工控主板输出的电机转速数据、电机输入电流数据和工件振动频率数据；

通讯接口，用于与可将电机转速数据、电机输入电流数据和工件振动频率数据打印输出的打印机连接；

键鼠，用于输入控制指令，所述控制指令至少包括谐波振动频率模式的选择指令、手动谐波振动频率的选择指令、打印指令。

本实用新型的频谱谐波振动消除应力控制装置，所述电源模块包括依次相连的AC电源接口、交流接触器、滤波器和主机电源，其中，

AC电源接口，用于接通交流电；

交流接触器，用于控制AC电源接口输出的交流电的导通；

滤波器，用于滤除交流接触器输出的交流电中的干扰，并将滤波后的交流电分别输出至主机电源和整流桥；

主机电源，用于向工控主板和液晶显示屏供电。

本实用新型的频谱谐波振动消除应力控制装置，所述电机驱动芯片的型号为EXB841。

本实用新型的频谱谐波振动消除应力控制装置的包括工控主板、控制板、A/D模块、与激振器的电机相连的电机驱动电路、安装在工件上的振动传感器等，其中，振动传感器用于采集工件的振动信号并将其发送至控制板，控制板用于将振动信号进行放大、滤波和整形处理，并将处理后的振动信号发送至A/D模块；A/D模块用于将控制板发送的振动信号进行模数转换，并将转变后得到的数字振动信号发送至工控主板；工控主板用于利用其内置的频谱谐波振动时效控制软件系统对数字振动信号进行傅里叶频谱分析，选择出匹配的谐波振动频率并将谐波振动频率发送至控制板，由控制板根据所述谐波振动频率生成对应的PWM脉冲信号发送至电机驱动电路；电机驱动电路用于根据PWM脉冲信号输出对应的驱动电压至激振器的电机，从而把传统振动时效装置由于电机转速的限制，应用范围只有23％，提高到了100％，而且振动频率为多振型，残余应力消除效果更好，可以达到或超过热时效。

附图说明

图1为本实用新型的频谱谐波振动消除应力控制装置的电路结构框图；

图2为图1中频谱谐波振动消除应力控制装置的控制板的电路结构框图；

图3为图1中频谱谐波振动消除应力控制装置的电机驱动电路的电路结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细描述：

参考图1所示，本实施例的频谱谐波振动消除应力控制装置包括工控主板8、A/D模块10、与激振器14的电机通过航空插座13连接的控制板9和电机驱动电路11、吸附在工件上的振动传感器12、液晶显示屏5、键鼠6、通讯接口7以及由依次相连的AC电源接口1、交流接触器2、滤波器3和主机电源4构成的电源模块。其中，振动传感器12用于采集工件的振动信号并将其发送至控制板9。控制板9用于将所述振动信号进行放大、滤波和整形处理，并将处理后的振动信号发送至A/D模块10。A/D模块10用于将控制板9发送的振动信号进行模数转换，并将转变后得到的数字振动信号发送至工控主板8。工控主板8用于利用其内置的频谱谐波振动时效控制软件系统对数字振动信号进行傅里叶频谱分析，选择出匹配的谐波振动频率并将谐波振动频率发送至控制板9，由控制板9根据谐波振动频率生成对应的PWM脉冲信号发送至电机驱动电路11。电机驱动电路11用于根据PWM脉冲信号输出对应的驱动电压至激振器14的电机。液晶显示屏5用于显示工控主板8输出的电机转速数据、电机输入电流数据和工件振动频率数据。通讯接口7用于与可将电机转速数据、电机输入电流数据和工件振动频率数据打印输出的打印机连接。键鼠6用于输入控制指令，控制指令包括谐波振动频率模式的选择指令、手动谐波振动频率的选择指令、打印指令等。电源模块用于为工控主板8和电机驱动电路11供电，其中，AC电源接口1用于接通交流电；交流接触器2用于控制AC电源接口1输出的交流电的导通；滤波器3用于滤除交流接触器2输出的交流电中的干扰，并将滤波后的交流电分别输出至主机电源4和整流桥1101；主机电源用于向工控主板8和液晶显示屏5供电。

结合图2所示，控制板9上集成有振动信号放大器901、电流信号放大器902、转速转换电路903、滤波电路904、放大电路905、整形电路906、单片机907和RS232接口转换器908。其中，振动信号放大器901，通过Q9接口与振动传感器12连接，用于接收振动传感器12采集到的振动信号并将其放大后输出至滤波电路904。滤波电路904用于滤除放大后的振动信号中的电磁干扰和噪声并将滤波后的振动信号分成两路分别输出至整形电路906和放大电路905。放大电路905用于将滤波后的一路供傅里叶频谱分析的振动信号进行二次放大后输出至A/D模块10。整形电路906，用于将滤波后的另一路供输出显示的振动信号进行整形处理，并将整形后的振动信号输出至A/D模块10。电流信号放大器902用于接收并放大电机驱动电路11发送的电机输入电流信号并将放大后的电机输入电流信号输出至A/D模块10，由A/D模块10将其进行模数转换后发送至工控主板8。转速转换电路903，通过航空插座13与激振器14的电机相连，用于接收激振器14的电机发送的转速信号将其转换成对应的转速脉冲信号输出至单片机907。单片机907用于接收工控主板8发送的谐波振动频率，根据谐波振动频率生成对应的PWM脉冲信号发送至电机驱动电路11，根据接收到的转速脉冲信号生成电机转速数据发送至工控主板8。RS232接口转换器908用于实现单片机907与工控主板8之间的通讯协议转换。

结合图3所示，电机驱动电路11包括整流桥1101、滤波电容1102、型号为EXB841的电机驱动芯片1103、IGBT 1104、LC滤波电路1105、过压保护电路1106和电流传感器1107。其中，整流桥1101用于将电源模块发送的交流电转变成脉动直流电输出至滤波电容1102。滤波电容1102用于将脉动直流电转变成稳定直流电输出至IGBT 1104。电机驱动芯片1103用于接收单片机907发送的PWM脉冲信号，根据PWM脉冲信号生成对应的电机启停指令输出至IGBT 1104。IGBT 1104用于根据电机启停指令控制输出至激振器14的电机的稳定直流电的导通时间。LC滤波电路1105用于降低IGBT 1104输出至激振器14的电机的稳定直流电中的电流纹波系数和电机额外功率损耗，从而防止电机温升快，消除电机电气噪音，电机长时间运行时可靠、寿命高。过压保护电路1106用于对IGBT 1104进行过压保护。电流传感器1107用于采集滤波电容1102输出的稳定直流电，以便于监控激振器14的电机转速，防止其转速失速、波动。

使用时，将本实施例的频谱谐波振动消除应力控制装置通过航空插座13与激振器14的对应航空插头对接，激振器14刚性连接到工件上，振动传感器12磁性吸附放置于工件表面，并通过Q9接口与本实施例的频谱谐波振动消除应力控制装置的振动信号放大器901连接，通过AC电源接口1连接好220V交流电源，打开电源开关后，交流接触器2吸合，交流电通过滤波器3滤波后给主机电源4和电机驱动电路11供电，工控主板8启动自动进入频谱谐波振动时效控制软件系统，通过键鼠6输入开始指令；开始指令通过串口传输给控制板9中的单片机907，单片机907通过信号线给电机驱动电路11中的电机驱动芯片1103发出电机启动指令(即P PWM脉冲信号)，IGBT 1104输出电压，控制激振器14的电机运转并上升到1000rpm以上，使工件产生振动，放置于工件表面的振动传感器12获得振动信号，所获得的振动信号在控制板9中进行放大、滤波整形等后通过排线传输至A/D模块10进行模数转换，然后反馈给工控主板8，工控主板8通过频谱谐波振动时效控制软件系统对振动信号进行傅立叶频谱分析，并自动选择一组最佳的谐波振动频率，工控主板8按选择的谐波振动频率给给控制板9发出指令，控制板9中的单片机907根据获得的指令向电机驱动电路11发出对应的PWM脉冲信号，电机驱动电路11中的IGBT则输出对应的电压驱动电机运行(例如，电机额定转速6000rpm，额定电压200V，如果振动频率为50Hz，则对应电机转速为3000rpm[50Hz*60]，则电机驱动装置输出电压为100V)。在上述频率处理过程中，也可以人工通过键鼠6选择一个或几个频率进行处理。

以上的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种频谱谐波振动消除应力控制装置，其特征在于，包括工控主板(8)、电源模块(1、2、3、4)、控制板(9)、A/D模块(10)、与激振器(14)的电机相连的电机驱动电路(11)、安装在工件上的振动传感器(12)，其中，

振动传感器(12)，用于采集所述工件的振动信号并将其发送至控制板(9)；

控制板(9)，用于将所述振动信号进行放大、滤波和整形处理，并将处理后的振动信号发送至A/D模块(10)；

A/D模块(10)，用于将控制板(9)发送的振动信号进行模数转换，并将转变后得到的数字振动信号发送至工控主板(8)；

工控主板(8)，用于利用其内置的频谱谐波振动时效控制软件系统对数字振动信号进行傅里叶频谱分析，选择出匹配的谐波振动频率并将谐波振动频率发送至控制板(9)，由控制板(9)根据所述谐波振动频率生成对应的PWM脉冲信号发送至电机驱动电路(11)；

电机驱动电路(11)，用于根据所述PWM脉冲信号输出对应的驱动电压至激振器(14)的电机；

电源模块，用于为工控主板(8)和电机驱动电路(11)供电。

2.根据权利要求1所述的频谱谐波振动消除应力控制装置，其特征在于，控制板(9)包括振动信号放大器(901)、电流信号放大器(902)、转速转换电路(903)、滤波电路(904)、放大电路(905)、整形电路(906)、单片机(907)和RS232接口转换器(908)，其中，

振动信号放大器(901)，用于接收振动传感器(12)采集到的振动信号并将其放大后输出至滤波电路(904)；

滤波电路(904)，用于滤除放大后的振动信号中的电磁干扰和噪声并将滤波后的振动信号分成两路分别输出至整形电路(906)和放大电路(905)；

放大电路(905)，用于将滤波后的一路供傅里叶频谱分析的振动信号进行二次放大后输出至A/D模块(10)；

整形电路(906)，用于将滤波后的另一路供输出显示的振动信号进行整形处理，并将整形后的振动信号输出至A/D模块(10)；

电流信号放大器(902)，用于接收并放大电机驱动电路(11)发送的电机输入电流信号并将放大后的电机输入电流信号输出至A/D模块(10)，由A/D模块(10)将其进行模数转换后发送至工控主板(8)；

转速转换电路(903)，通过航空插座(13)与激振器(14)的电机相连，用于接收激振器(14)的电机发送的转速信号将其转换成对应的转速脉冲信号输出至单片机(907)；

单片机(907)，用于接收工控主板(8)发送的谐波振动频率，根据所述谐波振动频率生成对应的PWM脉冲信号发送至电机驱动电路(11)，根据接收到的转速脉冲信号生成电机转速数据发送至工控主板(8)；

RS232接口转换器(908)，用于实现单片机(907)与工控主板(8)之间的通讯协议转换。

3.根据权利要求2所述的频谱谐波振动消除应力控制装置，其特征在于，电机驱动电路(11)包括整流桥(1101)、滤波电容(1102)、电机驱动芯片(1103)、IGBT(1104)、LC滤波电路(1105)、过压保护电路(1106)和电流传感器(1107)，其中，

整流桥(1101)，用于将电源模块发送的交流电转变成脉动直流电输出至滤波电容(1102)；

滤波电容(1102)，用于将脉动直流电转变成稳定直流电输出至IGBT(1104)；

电机驱动芯片(1103)，用于接收单片机(907)发送的PWM脉冲信号，根据PWM脉冲信号生成对应的电机启停指令输出至IGBT(1104)；

IGBT(1104)，用于根据电机启停指令控制输出至激振器(14)的电机的稳定直流电的导通时间；

LC滤波电路(1105)，用于降低IGBT(1104)输出至激振器(14)的电机的稳定直流电中的电流纹波和电机额外功率损耗；

过压保护电路(1106)，用于对IGBT(1104)进行过压保护；

电流传感器(1107)，用于采集滤波电容(1102)输出的稳定直流电。

4.根据权利要求3所述的频谱谐波振动消除应力控制装置，其特征在于，还包括与工控主板(8)相连的液晶显示屏(5)、键鼠(6)和通讯接口(7)，其中，

液晶显示屏(5)，用于显示工控主板(8)输出的电机转速数据、电机输入电流数据和工件振动频率数据；

通讯接口(7)，用于与可将电机转速数据、电机输入电流数据和工件振动频率数据打印输出的打印机连接；

键鼠(6)，用于输入控制指令，所述控制指令至少包括谐波振动频率模式的选择指令、手动谐波振动频率的选择指令、打印指令。

5.根据权利要求4所述的频谱谐波振动消除应力控制装置，其特征在于，所述电源模块包括依次相连的AC电源接口(1)、交流接触器(2)、滤波器(3)和主机电源(4)，其中，

AC电源接口(1)，用于接通交流电；

交流接触器(2)，用于控制AC电源接口(1)输出的交流电的导通；

滤波器(3)，用于滤除交流接触器(2)输出的交流电中的干扰，并将滤波后的交流电分别输出至主机电源(4)和整流桥(1101)；

主机电源，用于向工控主板(8)和液晶显示屏(5)供电。

6.根据权利要求5所述的频谱谐波振动消除应力控制装置，其特征在于，所述电机驱动芯片(1103)的型号为EXB841。

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