專利名稱：智能諧波振動(dòng)消除應(yīng)力方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電子技術(shù)在振動(dòng)時(shí)效技術(shù)上的應(yīng)用。
在現(xiàn)有的振動(dòng)時(shí)效設(shè)備中，普遍采用一種傳統(tǒng)的振動(dòng)處理方法(簡稱傳統(tǒng)法)。這種方法是根據(jù)附

圖1所示的掃頻曲線，在金屬工件振動(dòng)加速度幅度最大的頻率下，即在頻率fi＝f5下，對金屬工件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，此時(shí)，對振動(dòng)加速度信號(hào)的測試表明，該信號(hào)為正弦波，其頻率f5＝n5/60(HZ)(n5-激振電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min))，我們稱頻率fi＝ni/60(HZ)為基波，因此傳統(tǒng)振動(dòng)處理方法也稱為“基波法”。如果激振電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為1000-6000r/min，則基波頻率fi＝16.66-100HZ。因此采用傳統(tǒng)法進(jìn)行振動(dòng)處理時(shí)，工件中傳播的振動(dòng)波只能是較低頻的振動(dòng)波。
從機(jī)械振動(dòng)學(xué)角度分析，如果工件在振動(dòng)過程中，在工件中傳播高頻振動(dòng)波，要較傳播低頻振動(dòng)波的作用更加均勻，更加能傳入到工件內(nèi)部。因此，高頻振動(dòng)波不僅可以很高地消除或均化工件表面的宏觀應(yīng)力，還能很好地消除工件內(nèi)部區(qū)域的殘余應(yīng)力，而低頻振動(dòng)波對工件內(nèi)部區(qū)域的殘余應(yīng)力是無能為力的。為了獲得高頻振動(dòng)波，采用傳統(tǒng)法時(shí)，只能提高激振電機(jī)轉(zhuǎn)速。由于耐震的高速電機(jī)難以制造，因此提高激振電機(jī)轉(zhuǎn)速，不是獲得高頻振動(dòng)波的好辦法。
如附圖1，我們還可以發(fā)現(xiàn)，用傳統(tǒng)法進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理金屬構(gòu)件時(shí)，是在工件振動(dòng)加速幅度最大的頻率下，即在頻率fi＝f5下，對構(gòu)件進(jìn)行振動(dòng)處理，工件中傳播的是低頻的基波，頻率低，波長較長，振動(dòng)波對工件作用的均勻度低，振型單一，工件振幅大，激振電機(jī)輸入功率大。電機(jī)輸入的功率，其中只有一少部分用于消除工件殘余應(yīng)力，而大部分為工件整體振動(dòng)所消耗，因此浪費(fèi)了較多的輸入能量。這時(shí)，如果激振力選擇不合適(過大)，有時(shí)會(huì)使工件產(chǎn)生微觀裂紋，同時(shí)，噪聲也很大，形成噪聲污染。
本發(fā)明的目的是提供了一種新的振動(dòng)時(shí)效方法，即“諧波法”，以及為實(shí)現(xiàn)該方法的專用設(shè)備，通過微機(jī)控制諧波振動(dòng)，來消除金屬工件應(yīng)力。
本發(fā)明的技術(shù)方案是在附圖1中，除了諧振頻率fi＝f5的諧振峰最高外，還存在許多中、小的諧振峰，其頻率分別為fi＝f1，f2，f3，f4，f6，f7，f8。測量表明，在這些中、小諧振峰頻率下，振動(dòng)加速度信號(hào)含有豐富的高頻諧波分量?！爸C波法”正是利用這一特點(diǎn)，利用計(jì)算機(jī)及其接口電路執(zhí)行軟件程序，完成自動(dòng)掃頻，判峰，實(shí)時(shí)頻譜分析，求諧波分量并加以排隊(duì)，加窗及求取最高密度窗，求取占窗數(shù)，計(jì)算出一組最佳頻率組合。在選定的最佳頻率組合中(一般選取5個(gè)頻率即可)的每一個(gè)頻率下對工件振動(dòng)處理一定時(shí)間。這時(shí)，在工件中傳播的振動(dòng)波中，頻率為fi＝ni/60(HZ)的基波是次要的，而高頻諧波分量是主要的。其頻率為fi＝Kfi(其中K＝2-17)。由于在選中的每個(gè)諧振峰頻率下振動(dòng)時(shí)，都能產(chǎn)生fi＝Kfi的高頻振動(dòng)波，因此，構(gòu)成了諧波迭加振動(dòng)效果。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的設(shè)備包括微機(jī)信息處理系統(tǒng)及其接口電路，振動(dòng)加速度測量系統(tǒng)，高精度調(diào)速系統(tǒng)，整周期采樣自動(dòng)跟蹤電路，高階隨動(dòng)低通濾波器在內(nèi)的智能諧波振動(dòng)消除應(yīng)力設(shè)備。通過微機(jī)信息處理系統(tǒng)執(zhí)行軟件程序，對振動(dòng)加速度測量系統(tǒng)傳來的振動(dòng)加速度信號(hào)(振動(dòng)加速度信號(hào)由振動(dòng)加速度傳感器獲得)進(jìn)行頻譜分析，獲取一組最佳頻率組合，控制高精度調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)直流激振電動(dòng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)智能諧波振動(dòng)消除應(yīng)力的方法，同時(shí)顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)及繪制出相關(guān)的工藝參數(shù)曲線。
其結(jié)構(gòu)如附圖2所示。附圖2中微機(jī)信息處理系統(tǒng)2.1，其接口電路2.2給定頻率接口，2.3整周期采樣自動(dòng)跟蹤電路，2.4高階隨動(dòng)低通濾波器，接收來自振動(dòng)加速度測量系統(tǒng)2.6給出的振動(dòng)加速度信號(hào)G＝、G～對其進(jìn)行分析和處理，選擇一組最佳頻率的組合，然后通過高精度調(diào)速系統(tǒng)2.5控制直流激振電動(dòng)機(jī)2.7，在已選擇好的一組最佳頻率(轉(zhuǎn)速)下，對工件2.11進(jìn)行振動(dòng)處理，從而達(dá)到消除或均化工件應(yīng)力的目的。由顯示器與鍵盤2.9輸入控制命令并顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)及電機(jī)電樞電流，加速度信號(hào)G＝由繪圖儀2.8繪制出第一次掃頻曲線和第二次掃頻曲線，對比兩條曲線，對振時(shí)效效果進(jìn)行初步判斷。
附圖2中2.1-微機(jī)信息處理系統(tǒng) 2.2-給定頻率接口2.3-整周期采樣自動(dòng)跟蹤電路 2.4-高階隨動(dòng)低通濾波器2.5-高精度調(diào)速系統(tǒng) 2.6-振動(dòng)加速度測量系統(tǒng)2.7-直流激振電動(dòng)機(jī) 2.8-繪圖儀2.9-顯示器與鍵盤 2.10-加速度傳感器2.11-被振工件(1)微機(jī)信息處理系統(tǒng)2.1
附圖2中的微機(jī)信息處理系統(tǒng)2.1的結(jié)構(gòu)如附圖3所示。它是由高速微處理器芯片3.1，多功能芯片3.2，32KRAM 3.3接口芯片3.4組成。它們再與接口電路，繪圖儀，顯示器與鍵盤電路相聯(lián)。
附圖3中3.1-高速微處理器 3.2-多功能芯片3.3-32KRAM 3.4-接口芯片(2)附圖2中的整周期采樣自動(dòng)跟蹤電路2.3及高階隨動(dòng)低通濾波器2.4其結(jié)構(gòu)框圖示于附圖4。
整周期采樣自動(dòng)跟蹤電路及隨動(dòng)低通濾波器，對于交流振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析準(zhǔn)確性是至關(guān)重要的。由于交流信號(hào)是確定性周期信號(hào)，它的基波頻率等于激振電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，利用交流加速度信號(hào)是確定性周期信號(hào)這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了整周期采樣自動(dòng)跟蹤電路。
附圖4中 4.1-光隔4.2-鎖相環(huán)電路4.3、4.4、4.5、4.6、4.7-固定分頻器4.8-緩沖電路4.9-專用濾波器4.10-緩沖電路在附圖4中，電機(jī)反饋信號(hào)10FN通過光隔電路4.1進(jìn)入鎖相環(huán)電路4.2，又通過分頻電路4.6產(chǎn)生基頻信號(hào)FN。鎖相環(huán)電路4.2與固定分頻器4.4構(gòu)成鎖相環(huán)路，鎖相環(huán)電路4.2的輸出，經(jīng)過固定分頻器4.5產(chǎn)生頻率為N1FN的脈沖信號(hào)，又經(jīng)過固定分頻4.7產(chǎn)生頻率為N2FN的脈沖信號(hào)。信號(hào)FN、N1FN、N2FN分別進(jìn)入高速微處理器的高速輸入口，完成整周期采樣功能。
工件的交流振動(dòng)加速信號(hào)，通過緩沖電路4.8進(jìn)入高階低通濾波器4.9又通過緩沖電路4.10進(jìn)入高速微處理ACH口。由于高階低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率，由N3FN脈沖信號(hào)控制，從而構(gòu)成了高階隨動(dòng)低通濾波器。
由附圖3中的高速微處理器3.1與附圖2中的整周期采樣自動(dòng)跟蹤電路2.3及高階隨動(dòng)低通濾波器2.4構(gòu)成了頻譜分析器。
(3)附圖2中給定頻率接口電路2.2附圖2中的給定頻率接口電路2.2的結(jié)構(gòu)如圖5所示。它是由可預(yù)置分頻器5.6與鎖相環(huán)電路5.3等環(huán)節(jié)構(gòu)成，通過控制預(yù)置分頻器5.6的分頻數(shù)改變鎖相環(huán)的輸出頻率，從而改變了高精度調(diào)速系統(tǒng)的給定信號(hào)fR，以完成自動(dòng)掃頻，振動(dòng)時(shí)效等功能。
附圖5中 5.1-晶體振蕩器 5.2-固定分頻器5.3-鎖相環(huán)電路 5.4-固定分頻器5.5-光隔電路 5.6-可預(yù)置分頻器(4)附圖2中的振動(dòng)加速度測量系統(tǒng)2.6附圖2中的工件振動(dòng)加速度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如附圖6所示，工件6.1的振動(dòng)加速度由傳感器6.2測量，送到電荷放大器6.3中，通過適調(diào)放大器6.4及交流放大器6.5獲得交流振動(dòng)加速度信號(hào)G～，又通過檢波電路6.6獲得直流振動(dòng)加速度信號(hào)G＝，信號(hào)G＝和G～輸入到高速微處理器，用于數(shù)據(jù)分析處理。
附圖6中 6.1-工件 6.2-振動(dòng)加速度傳感器6.3-電荷放大器6.4-適調(diào)放大器6.5-交流放大器6.6-檢波器(5)附圖2中高精度調(diào)速系統(tǒng)附2-2.5高精度調(diào)速系統(tǒng)是基于鎖相環(huán)原理構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如附圖7所示。
附圖7中 7.1-鑒相器7.2-相位調(diào)節(jié)器7.3-轉(zhuǎn)速微分調(diào)節(jié)器7.4-電流調(diào)節(jié)器7.5-PWM觸發(fā)電路 7.6-IGBT7.7-直流電機(jī) 7.8-電流反饋電路7.9-微分反饋電路 7.10-f/v變換器7.11-倍頻電路 7.12-整形電路在附圖7中，高精度調(diào)速系統(tǒng)是由電流—轉(zhuǎn)速微分—相位構(gòu)成的三閉環(huán)鎖相調(diào)整系統(tǒng)，其中電流調(diào)節(jié)器7.4，PWM觸發(fā)器電路7.5，IGBT功放7.6，直流激振電動(dòng)機(jī)7.7、電流反饋電路7.8構(gòu)成的電流環(huán)，可以抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，限制起動(dòng)電流，加快電流環(huán)調(diào)節(jié)速度。由轉(zhuǎn)速微分調(diào)節(jié)器7.3，電流調(diào)節(jié)器7.4，IGBT7.6，整形電路7.12，倍頻電路7.11，f/v變換器7.10，微分反饋電路7.9構(gòu)成轉(zhuǎn)速微分環(huán)，它能抑制電機(jī)參數(shù)變化及負(fù)載變化對系統(tǒng)的影響；加快系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度，抑制轉(zhuǎn)速超調(diào)。由鑒相器7.1，相位調(diào)節(jié)器7.2，轉(zhuǎn)速微分環(huán)，構(gòu)成相位環(huán)。由于相位是速度的積分，該閉環(huán)中含有純積分環(huán)，可使調(diào)速系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定精度。
(6)智能諧波振動(dòng)消除應(yīng)力設(shè)備工作原理
智能諧波振動(dòng)消除應(yīng)力設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對直流激振電機(jī)附圖2-2.7的轉(zhuǎn)速控制，是通過附圖2中高速微處理器2.1，控制接口芯片附圖3-3.4，從而改變可預(yù)置分頻器附圖5-5.6的分頻數(shù)，即改變了高精度調(diào)速系統(tǒng)附圖2-2.5的給定頻率fR，也改變了激振電機(jī)附圖2-2.7的轉(zhuǎn)速。
以附圖2中微機(jī)信息處理系統(tǒng)2.1為核心，配合附圖2的其它環(huán)節(jié)，按以下步驟執(zhí)行軟件程序第一步在激振電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，對工件進(jìn)行自動(dòng)掃頻，測量及繪制工件振動(dòng)加速度信號(hào)幅值與電機(jī)轉(zhuǎn)速(或頻率)關(guān)系曲線，識(shí)別判斷曲線上的各個(gè)諧振峰。
第二步在各個(gè)諧振峰頻率下，對交流振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)頻譜分析，求其諧波分量。
第三步在一定的頻率范圍內(nèi)，統(tǒng)計(jì)諧波分量，并由低次到高次加以排隊(duì)。
第四步在第三步中的一定頻率范圍內(nèi)，以ΔHz進(jìn)行分割加窗。
第五步求取各個(gè)ΔHz窗內(nèi)的諧波個(gè)數(shù)及諧波幅度，選出一定數(shù)量的高諧波密度窗。
第六步統(tǒng)計(jì)各個(gè)諧振峰的交流振動(dòng)加速度信號(hào)的諧波分量所占有的高密度窗的個(gè)數(shù)，該高密度窗的個(gè)數(shù)定義為該諧振峰的占窗數(shù)。
第七步求出掃頻曲線上所有諧振嶧的占窗數(shù)。
第八步按占窗數(shù)由高到低，選擇一組一定數(shù)量的諧振峰頻率，構(gòu)成最佳頻率組合。
第九步分別在最佳頻率組合中的頻率下，對工件分別進(jìn)行一定時(shí)間的振動(dòng)處理。
第十步再一次執(zhí)行第一步過程后，自動(dòng)停機(jī)。
智能諧波振動(dòng)消除應(yīng)力設(shè)備結(jié)構(gòu)見附圖8在附圖8中8.1-轉(zhuǎn)速顯示 8.2-電機(jī)電樞電流或振動(dòng)加速度顯示8.3-電源開頭 8.4-復(fù)位鍵8.5-起動(dòng)鍵8.6-繼續(xù)鍵8.7-顯示切換鍵8.8-過流保護(hù)指示燈8.9-加速度適調(diào)旋扭8.10-振動(dòng)加速度輸入插孔8.11-繪圖輸出接口 8.12-交流220V輸入
8.13-控制輸出8.14、8.15-保險(xiǎn)絲8.16-電動(dòng)機(jī)測速反饋輸入因此，如本發(fā)明所述用“諧波法”進(jìn)行振動(dòng)處理時(shí)，工件中傳播的是一系列高頻振動(dòng)波，其頻率高，波長短，振動(dòng)波對工件作用均勻。同時(shí)高頻振動(dòng)波，容易傳到工件內(nèi)部，能消除工件內(nèi)部區(qū)域的殘余應(yīng)力。由于“諧波法”只在中、小幅度的諧振峰下進(jìn)行振動(dòng)處理，電機(jī)輸入能量相對較少，且大部分被工件吸收用以消除工件殘余應(yīng)力，同時(shí)噪聲也小，噪聲污染較輕。
經(jīng)研究表明，用“諧波法”對金屬構(gòu)件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理時(shí)，除產(chǎn)生高頻振動(dòng)波外，工件還會(huì)產(chǎn)生不同的振型(如彎曲，扭曲，鼓形等)，這表明，“諧波法”會(huì)產(chǎn)生傳播方向不同的高頻振動(dòng)波，能更加均勻地消除或均化工件的殘余應(yīng)力。
本發(fā)明最佳實(shí)施例使用智能諧波振動(dòng)消除應(yīng)力系統(tǒng)作業(yè)時(shí)1、將直流激振電機(jī)(附圖8-2.7)的輸出與反饋兩根連線分別接入控制輸出插座(附圖8-8.8.3)和反饋插座(附圖8-8.16)。
2、將振動(dòng)加速度傳感器(附圖8-2.10)與振動(dòng)加速度輸入插座連接(附圖8-8.10)。
3、根據(jù)振動(dòng)加速度傳感器(附圖8-2.10)的靈敏度參數(shù)，將加速度適調(diào)旋扭(8-8.13)調(diào)到適當(dāng)位置。
4、將交流220V與交流220V電源插座(附圖8-8.12)連接。
5、打開整機(jī)電源開頭(附圖8-8.3)。
6、按動(dòng)復(fù)位鍵(附圖8-8.4)使系統(tǒng)處于初始工作狀態(tài)。
7、按動(dòng)啟動(dòng)鍵(附圖8-8.5)激振電機(jī)啟動(dòng)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行第一次掃頻，掃頻過程中打印出G＝～n曲線，及相關(guān)數(shù)據(jù)。
8、在確認(rèn)G＝～n曲線后，按動(dòng)“繼續(xù)鍵(附圖8-8.6)”，智能諧波振動(dòng)消除應(yīng)力系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行第二步至第十步的軟件程序。最后自動(dòng)停機(jī)，完成全部時(shí)效處理過程。
智能諧波振動(dòng)應(yīng)力消除系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高，使用方便，能可靠的應(yīng)用的工業(yè)現(xiàn)場，適用于黑色金屬，有色金屬的鑄、鍛、焊接構(gòu)件，取代熱時(shí)效、保護(hù)環(huán)境，無噪聲污染，節(jié)省能源，縮短生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品尺寸精度，經(jīng)濟(jì)效益顯著等很多優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種智能諧波振動(dòng)消除應(yīng)力方法，其特征是利用計(jì)算機(jī)及其接口電路執(zhí)行軟件程序，完成自動(dòng)掃頻，判峰，實(shí)時(shí)頻譜分析，求諧波分量并加以排隊(duì)，加窗及求取最高密度窗，求取占窗數(shù)，計(jì)算出一組最佳頻率組合，在選定的最佳頻率組合中的每一個(gè)頻率下，對工件振動(dòng)處理一定時(shí)間。
2.一種智能諧波振動(dòng)消除應(yīng)力設(shè)備，包括有微機(jī)信息處理系統(tǒng)(2.1)及接口電路(2.2)，振動(dòng)加速度測量系統(tǒng)(2.6)，高精度調(diào)速系統(tǒng)(2.5)，其特征是由新增加的整周期采樣自動(dòng)跟蹤電路(2.3)，高階隨動(dòng)低通濾波器(2.4)，以及上述微機(jī)信息處理系統(tǒng)的高速處理器(3.1)構(gòu)成了頻譜分析器。
3.一種智能諧波振動(dòng)消除應(yīng)力的方法和設(shè)備，其特征是編制的軟件程序第一步在激振電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，對工件進(jìn)行自動(dòng)掃頻，測量及繪制工件振動(dòng)加速度信號(hào)幅值與電機(jī)轉(zhuǎn)速(或頻率)關(guān)系曲線，識(shí)別判斷曲線上的各個(gè)諧振峰；第二步在各個(gè)諧振峰頻率下，對交流振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)頻譜分析，求其諧波分量；第三步在一定的頻率范圍內(nèi)，統(tǒng)計(jì)諧波分量，并由低次到高次加以排隊(duì)；第四步在第三步中的一定頻率范圍內(nèi)，以ΔHz進(jìn)行分割加窗；第五步求取各個(gè)ΔHz窗內(nèi)的諧波個(gè)數(shù)及諧波幅度，選出一定數(shù)量的高諧波密度窗；第六步統(tǒng)計(jì)各個(gè)諧振峰的交流振動(dòng)加速度信號(hào)的諧波分量所占有的高密度窗的個(gè)數(shù)，該高密度窗的個(gè)數(shù)定義為該諧振峰的占窗數(shù)；第七步求出掃頻曲線上所有諧振峰的占窗數(shù)；第八步按占窗數(shù)由高到低，選擇一組一定數(shù)量的諧振峰頻率，構(gòu)成最佳頻率組合；第九步分別在最佳頻率組合中的頻率下，對工件分別進(jìn)行一定時(shí)間的振動(dòng)處理；第十步再一次執(zhí)行第一步過程后，自動(dòng)停機(jī)。
全文摘要
一種智能諧波振動(dòng)消除應(yīng)力方法及設(shè)備,該方法是實(shí)現(xiàn)一種根據(jù)諧波迭加原則,選擇一組最佳的頻率組合,對工件進(jìn)行振動(dòng)處理,在工件中傳播一系列方向不同的高頻諧波的振動(dòng)方法“諧波法”采用的設(shè)備中包含微機(jī)信息處理系統(tǒng),高精度調(diào)速系統(tǒng),振動(dòng)加速度測量系統(tǒng),以及整周期采樣自動(dòng)跟蹤電路,高階隨動(dòng)低通濾波器和微機(jī)信息處理系統(tǒng)中的高速微處理器構(gòu)成頻譜分析器。確保采樣頻率的自動(dòng)跟蹤,消除混迭干擾。通過微機(jī)信息處理系統(tǒng)執(zhí)行軟件程序,實(shí)現(xiàn)“諧波法”振動(dòng)時(shí)效消除金屬工件應(yīng)力,并顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)及繪制出相關(guān)的工藝參數(shù)曲線。
文檔編號(hào)C21D10/00GK1247233SQ9911293
公開日2000年3月15日 申請日期1999年5月14日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月14日
發(fā)明者高金泰, 楊國棟, 崔文華, 劉彥斌 申請人:黑龍江省海倫振動(dòng)時(shí)效設(shè)備廠