CN217052329U - 一种多模态宽频振动消除应力系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了多模态宽频振动消除应力系统，涉及了振动时效设备领域。系统包括加速度信号调理模块、位移信号调理模块、速度信号调理模块、电流信号调理模块、数据采集模块、控制模块及激振器模块。本实用新型基于多模态宽频振动时效技术，通过采集工件XY面、YZ面、XZ面三维的加速度和振幅位移等信号，用小波频谱分析，最终可对立体式多面、多振型及多维的工件进行消除残余应力处理，以保证立体工件整体任何部位都能得到剧烈震动传递，消除或均化立体工件整体在XY面、YZ面及XZ面的任何部位峰值残余应力。

Description

一种多模态宽频振动消除应力系统

技术领域

本实用新型涉及振动时效设备领域，具体涉及一种多模态宽频振动消除应力系统。

背景技术

在制造机械零部件和构件过程中，通过焊接、锻压、铸造和热处理工艺等各种工艺加工时，都会在材料中产生残余应力。有时残余应力的峰值会超过材料的屈服极限(如焊接残余应力)，过大的残余应力会严重影响机械零部件和构件的疲劳强度、抗应力腐蚀能力和尺寸稳定性，甚至产生裂纹，从而影响到它们的使用质量及安全性。因此，消除工件中的残余应力对工程设计及机械加工有着极其重要的意义。

振动时效是通过激振器模块所产生的外力与工件内部残余应力叠加，当叠加之和大于或等于该材料的屈服极限值时，工件内部就发生微小的塑性变形，从而降低或均化工件内部的残余应力，防止工件变形及焊缝开裂。目前现有的振动时效设备技术，都是采用一个加速度传感器检测立体工件某一面的振动状态，属于一阶模态振动消除应力模式，仅在立体工件的某一个面上振动时效处理，不能满足具有三维空间的立体金属工件每个面每个部位都得到有效剧烈震动，导致立体工件其它面很多部位震动很弱，甚至没有震动，并不能彻底地消除或均化立体工件。

实用新型内容

针对现有的振动时效设备技术的不足，本实用新型公开多模态宽频振动消除应力系统，具备保证立体工件整体任何部位都能得到剧烈震动传递，消除或均化立体工件整体在XY面、YZ面及XZ面的任何部位峰值残余应力，可保证运行稳定、应力消除的安全性和高质量性。

为此，本实用新型提供的一种多模态宽频振动消除应力系统，本实用新型加速度信号调理模块、位移信号调理模块、速度信号调理模块、电流信号调理模块、数据采集模块、控制模块及激振器模块。

本实用新型在一些实施方式中，可通过以下技术方案实现：

一种多模态宽频振动消除应力系统包括：加速度信号调理模块、位移信号调理模块、速度信号调理模块、电流信号调理模块、数据采集模块、控制模块及激振器模块。其中加速度信号调理模块，其输入端与用于采集工件的XY面加速度信号的第一加速度传感器、用于采集其中工件的YZ面加速度信号的第二加速度传感器和用于采集其中工件的XZ面加速度信号的第三加速度传感器信号连接，其输出端与其中数据采集模块的输入端信号连接；其中位移信号调理模块，其输入端与用于采集其中工件的XY面位移信号的第一位移传感器、用于采集其中工件的YZ面位移信号的第二位移传感器和采集其中工件的XZ面位移信号的第三位移传感器信号连接，其输出端与其中数据采集模块的输入端信号连接；其中速度信号调理模块，其输入端与第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器信号连接，其输出端与其中数据采集模块的输入端信号连接；其中电流信号调理模块，其输入端与其中激振器模块的电流采集端信号连接，其输出端与其中数据采集模块的输入端信号连接；其中控制模块，其数据采集端与其中数据采集模块的输出端信号连接，其控制端与其中激振器模块的控制端信号连接。

进一步的，基于上述系统还可包括IGBT模块和驱动模块，其中驱动模块的输入端与其中控制模块的激振控制端信号连接，其中驱动模块的输出端与其中IGBT模块的输入端信号连接，其中IGBT模块的输出端与其中激振器模块的输入端信号连接以控制其中激振器模块的工作状态。

进一步的，基于上述任一系统还可包括电源滤波器，其中电源滤波器的输入端与其中IGBT模块的输出端信号连接，其输出端与其中激振器模块的输入端信号连接。

进一步的，基于上述任一系统，其中速度信号调理模块的输入端与其中第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器信号连接，通过位移传感器获取其中工件的速度信号。

进一步的，基于上述任一系统，其中加速度信号调理模块包括第一加速度信号调理电路、第二加速度信号调理电路和第三加速度信号调理电路，其中第一加速度信号调理电路与其中第一加速度传感器信号连接，其中第二加速度信号调理电路与其中第二加速度传感器信号连接，其中第三加速度信号调理电路与其中第三加速度传感器信号连接。

进一步的，基于上述任一系统，其中位移信号调理模块包括第一位移信号调理电路、第二位移信号调理电路和第三位移信号调理电路，其中第一位移信号调理电路与其中第一位移传感器信号连接，其中第二位移信号调理电路与其中第二位移传感器信号连接，其中第三位移信号调理电路与其中第三位移传感器信号连接。

进一步的，基于上述任一系统，其中控制模块包括工控机、通信模块和微控制器，其中工控机通过数据采集模块获取加速度信号、位移信号、速度信号和电流信号，其中工控机通过通信模块与其中微控制器信号连接，其中微控制器用于控制其中激振器模块的工作状态。

进一步的，基于上述任一系统还可包括通过其中通信模块与其中工控机连接的显示器。还可包括通过其中通信模块与其中工控机连接的打印机和键盘鼠标。

进一步的，基于上述任一系统还可包括速度传感器，用于采集激振器模块的电机转速。

由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果至少有以下几点：

通过采集工件XY面、YZ面、XZ面三维的加速度和振幅位移等信号，可进行立体式多面、多振型及多维消除工件残余应力处理，以保证立体工件整体任何部位都能得到剧烈震动传递，消除或均化立体工件整体在XY面、YZ面及XZ面的任何部位峰值残余应力。多模态宽频振动消除应力系统具有通用性强、可靠性高、运行稳定及可适应复杂工件等特点。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理，本实用新型的特征、目的和优点将变得更加显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，对本实施例的附图作简要说明如下。

本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本实用新型的系统结构图；

图2为立体工件XY、YZ、XZ三个面的界面示意图。

具体实施方式

下面将以优选实施例为例来对本实用新型进行详细地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员，但是本领域技术人员应当理解，以下其中仅仅是举例说明和描述一些优选实施方式，对本实用新型的权利要求并不具有任何限制。本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式组合。

以下，对本实用新型的实施例进行说明：

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，本实用新型基于多模态宽频振动时效技术，提出一种多模态宽频振动消除应力系统，其中系统包括加速度信号调理模块、第一加速度传感器、第二加速度传感器、第三加速度传感器、位移信号调理模块、第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器、速度信号调理模块、电流信号调理模块、数据采集模块、控制模块和激振器模块。

其中控制模块，用于通过其中数据采集模块获取其中工件在其中激振器模块的作用下的振动状态，以控制激振器模块提升转速、降低转速、维持转速等工作状态。

其中，加速度信号调理模块用于通过设置在工件上的第一加速度传感器、第二加速度传感器和第三加速度传感器，分别采集工件的XY面加速度信号、YZ面加速度信号和XZ面加速度信号，并通过其中数据采集模块传输至其中控制模块。另外，其中加速度信号调理模块可包括第一加速度信号调理电路、第二加速度信号调理电路和第三加速度信号调理电路，通过3路加速度信号调理电路分别对加速度信号进行如放大、降噪等调理，其中第一加速度信号调理电路与其中第一加速度传感器信号连接，其中第二加速度信号调理电路与其中第二加速度传感器信号连接，其中第三加速度信号调理电路与其中第三加速度传感器信号连接。

如图2所示，一般的，可采用3个加速度传感器采集立体工件的XY面加速度信号、YZ面加速度信号和XZ面加速度信号，3路加速度信号经调理后，作为小波频谱分析的数据采集信号，可找出立体工件XY、YZ、XZ三个面的一阶、二阶和/或多阶峰值频率。

关于一阶、二阶和/或多阶的多模态振动状态是指：由于激振器模块的振动波是正弦波，正弦振动条件由频率、振幅、振动持续时间三个参数共同确定。模态是机械结构的固有振动特性，每一阶模态都对应有特定的固有频率、模态振型和阻尼比。一阶模态是外力的激励频率与物体固有频率相等的时候出现的，此时物体的振动形态叫做一阶振型或主振型；二阶模态是外力的激励频率是物体固有频率两倍的时候出现的，此时物体的振动形态叫做二阶振型；以此类推多模态振动状态。

本系统中其中位移信号调理模块，用于通过设置在工件上的第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器分别采集其中工件的XY面位移信号、YZ面位移信号和XZ面位移信号，并通过其中数据采集模块传输至其中控制模块。可选的，其中位移信号调理模块包括第一位移信号调理电路、第二位移信号调理电路和第三位移信号调理电路，通过3路位移信号调理电路分别对位移信号进行如放大、降噪等调理，其中第一位移信号调理电路与其中第一位移传感器信号连接，其中第二位移信号调理电路与其中第二位移传感器信号连接，其中第三位移信号调理电路与其中第三位移传感器信号连接。

可选的，位移信号调理模块可采用霍尔位移传感器，通过位移信号调节电路放大后，将XY、YZ、XZ三个面的振动位移值通过数据采集模块输送给工控机，可通过位移传感器测出工件三面的振幅大小值。

其中速度信号调理模块，用于采集其中工件的速度信号。可选的，可直接通过位移传感器获取其中工件的速度信号，将其中速度信号调理模块的输入端与其中第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器信号连接。

其中电流信号调理模块，用于采集其中激振器模块工作时的实时电流信号。可通过互感器采集激振器模块的电流信号。

在某些实施例中，其中控制模块可由工控机、通信模块和微控制器组成，其中工控机通过数据采集模块获取加速度信号、位移信号、速度信号和电流信号，其中工控机通过通信模块与其中微控制器信号连接，其中微控制器用于控制其中激振器模块的工作状态。

进一步的，本实用新型系统还可包括IGBT模块和驱动模块，其中驱动模块的输入端与其中控制模块的激振控制端信号连接，其中驱动模块的输出端与其中IGBT模块的输入端信号连接，其中IGBT模块的输出端与其中激振器模块的输入端信号连接以控制其中激振器模块的工作状态。IGBT模块可由IGBT管及其电压电流保护板构成。

本系统还可包括电源滤波器，其中电源滤波器的输入端与其中IGBT模块的输出端信号连接，其输出端与其中激振器模块的输入端信号连接。本系统还可包括通过其中通信模块与其中工控机连接的显示器，显示器可用于显示数据采集模块采集的振动参数及激振器模块的转速。本系统还可包括通过其中通信模块与其中工控机连接的打印机。本系统还可包括通过其中通信模块与其中工控机连接的打印机键盘鼠标，用于实现对系统的操控，也可通过触摸显示器代替键盘鼠标。

本实用新型实施例中，工控机可作为上位机，微控制器可作为下位机。微控制器采用AT89C52芯片，可升降转速及稳速来精确控制激振器模块转速大小，通信模块可以选用RS232串口通信模块，如MAX232CFE等器件。IGBT驱动模块可采用EXB841驱动芯片，可实现对IGBT模型的驱动和保护。IGBT模块可采用SKM75GB128D，用作激振器模块的电机直流供电的开关。激振器模块可采用双碳刷的永磁直流电机加偏心箱结构。激振器模块上还可设置有速度传感器，用于采集激振器模块的电机转速。其中速度传感器可以是光耦，在激振器模块的电机上用一个光耦来测电机转速，其测速盘是15齿圆盘，直流永磁电机轴带动测速盘旋转，通过光耦可测得电机转速。

其中数据采集模块可采用并行方式多通道A/D采集模块设计的高速PCI采集卡，A/D转换的精度为16位，采用单端输入方式，可实现高采集率的32路模拟信号输入，可以选择三种信号放大倍数，并且模拟电路和数字电路具有≥2000Vrms电气隔离，还提供了参考电压，可以进行校准，以提高转换精度，而且每个通道都有相应的寄存器，能够实时存储数据，开启数据采集后，会自动存储每个通道数据，用户只需要读取相应寄存器即可。

本实用新型利用3个加速度传感器、3个位移传感器采集立体工件XY面、YZ面、XZ面三维的加速度和振幅位移信号，为实现立体式多面、多振型及多维消除工件残余应力处理提供硬件支持环境。后续可通过工控机软件进行小波频谱分析，计算出工件3个面的多模态频率，可在XY、YZ、XZ每个面选其2-3个能量因子比较大的峰值频率，进行振动时效处理，从而使立体工件任何部位都能得到震动比较强，使其残余应力都能得到充分消除或均化，保障了整个工件整体尺寸精度稳定性，防止了工件延时变形或产生裂纹。

本实用新型工控机通过串口通信模块与微控制器进行串口通信，读取和显示激振器模块的电机转速。微控制器发出控制电信号给IGBT驱动模块，由其控制IGBT模块的通断。若IGBT模块导通，则电源滤波模块提供电压驱动激振器模块运转，若IGBT模块断开，则电源滤波模块不提供电压，激振器模块停止运转。

以上结合附图将一种多模态宽频振动消除应力系统的具体实施例对本实用新型进行详细的描述。但是，本领域技术人员应当理解，以上其中仅仅是举例说明和描述一些具体实施方式，对本实用新型的范围，尤其是权利要求的范围，并不具有任何限制。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合。

Claims (9)

1.多模态宽频振动消除应力系统，其特征在于，所述系统包括：加速度信号调理模块、位移信号调理模块、速度信号调理模块、电流信号调理模块、数据采集模块、控制模块及激振器模块；

所述加速度信号调理模块，其输入端与用于采集工件的XY面加速度信号的第一加速度传感器、用于采集所述工件的YZ面加速度信号的第二加速度传感器及用于采集所述工件的XZ面加速度信号的第三加速度传感器信号连接，其输出端与所述数据采集模块的输入端信号连接；

所述位移信号调理模块，其输入端与用于采集所述工件的XY面位移信号的第一位移传感器、用于采集所述工件的YZ面位移信号的第二位移传感器及采集所述工件的XZ面位移信号的第三位移传感器信号连接，其输出端与所述数据采集模块的输入端信号连接；

所述速度信号调理模块，其输入端与第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器信号连接，其输出端与所述数据采集模块的输入端信号连接；

所述电流信号调理模块，其输入端与所述激振器模块的电流采集端信号连接，其输出端与所述数据采集模块的输入端信号连接。

2.根据权利要求1所述多模态宽频振动消除应力系统，其特征在于，还包括通信模块及IGBT模块，所述数据采集模块包括数据采集卡，其采集加速度信号调理模块、位移信号调理模块、速度信号调理模块及速度信号调理模块的数据，数据与工控机交换；所述通信模块包括显示器、打印机及鼠标键盘，其数据通信模块双向流动；所述通信模块位于工控机和微控制器之间通信连接、将数据送入微控制器；所述微控制器由数据决定输出到驱动模块数据，所述IGBT模块将电流滤波后控制激振器给工件振动消除应力。

3.根据权利要求1所述多模态宽频振动消除应力系统，其特征在于，还包括IGBT模块及驱动模块，所述驱动模块的输入端与所述控制模块的激振控制端信号连接，所述驱动模块的输出端与所述IGBT模块的输入端信号连接，所述IGBT模块的输出端与所述激振器模块的输入端信号连接以控制所述激振器模块的工作状态。

4.根据权利要求2所述多模态宽频振动消除应力系统，其特征在于，还包括电源滤波器，所述电源滤波器的输入端与所述IGBT模块的输出端信号连接，其输出端与所述激振器模块的输入端信号连接。

5.根据权利要求1所述多模态宽频振动消除应力系统，其特征在于，所述速度信号调理模块的输入端与所述第一位移传感器、第二位移传感器及第三位移传感器信号连接，通过位移传感器获取所述工件的速度信号。

6.根据权利要求1所述多模态宽频振动消除应力系统，其特征在于，所述加速度信号调理模块包括第一加速度信号调理电路、第二加速度信号调理电路及第三加速度信号调理电路，所述第一加速度信号调理电路与所述第一加速度传感器信号连接，所述第二加速度信号调理电路与所述第二加速度传感器信号连接，所述第三加速度信号调理电路与所述第三加速度传感器信号连接。

7.根据权利要求1所述多模态宽频振动消除应力系统，其特征在于，所述位移信号调理模块包括第一位移信号调理电路、第二位移信号调理电路及第三位移信号调理电路，所述第一位移信号调理电路与所述第一位移传感器信号连接，所述第二位移信号调理电路与所述第二位移传感器信号连接，所述第三位移信号调理电路与所述第三位移传感器信号连接。

8.根据权利要求1所述多模态宽频振动消除应力系统，其特征在于，所述控制模块包括工控机、通信模块及微控制器，所述工控机通过数据采集模块获取加速度信号、位移信号、速度信号及电流信号，所述工控机通过通信模块与所述微控制器信号连接，所述微控制器控制激振器模块工作。

9.根据权利要求2所述多模态宽频振动消除应力系统，其特征在于，还包括所述工控机与显示器、打印机及键盘鼠标通过所述通信模块连接。

Images