一種多頻耦合的振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及振動(dòng)時(shí)效技術(shù)領(lǐng)域，特指一種多頻禪合的振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)及方法。 技術(shù)背景
[0002] 振動(dòng)時(shí)效技術(shù)是機(jī)械工程領(lǐng)域中廣泛使用的殘余應(yīng)力消除方法，即對(duì)工件施加機(jī) 械振動(dòng)載荷，當(dāng)工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力與附加的振動(dòng)應(yīng)力之和超過(guò)材料的局部屈服極限時(shí)， 材料內(nèi)部將會(huì)發(fā)生局部的塑性變形，從而使得材料內(nèi)部的局部殘余應(yīng)力得W釋放。
[0003] 傳統(tǒng)的振動(dòng)時(shí)效技術(shù)首先是對(duì)工件進(jìn)行掃頻振動(dòng)，尋找工件的固有頻率，然后在 固有頻率的亞共振區(qū)域選擇具體的頻率作為激振頻率;然后在該激振頻率下對(duì)工件進(jìn)行定 頻振動(dòng)時(shí)效處理，運(yùn)樣的振動(dòng)時(shí)效處理方式屬于單頻振動(dòng)時(shí)效技術(shù)。然而工件經(jīng)過(guò)諸如澤 火、切削、磨削、社制等方式加工處理后，在工件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生不同形式的缺陷，從而在工件內(nèi) 部形成的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)是相當(dāng)復(fù)雜的。根據(jù)機(jī)械振動(dòng)學(xué)的基本理論可知，工件的每階 固有頻率W及各階諧波頻率都對(duì)應(yīng)著工件的一個(gè)固有振型，每一種固有振型都對(duì)應(yīng)有動(dòng)應(yīng) 力分布較大的區(qū)域也有動(dòng)應(yīng)力分布較小的區(qū)域，若此時(shí)只是對(duì)工件進(jìn)行單頻振動(dòng)時(shí)效處 理，只能對(duì)動(dòng)應(yīng)力分布較大區(qū)域與殘余應(yīng)力分布較大區(qū)域相對(duì)應(yīng)部分的殘余應(yīng)力具有較好 的消除效果，而工件其余部分分布的較大殘余應(yīng)力并不能被有效的消除，若需要松弛工件 各個(gè)部分分布的較大的殘余應(yīng)力，最好的方式是對(duì)工件進(jìn)行隨機(jī)激振，因?yàn)殡S機(jī)信號(hào)的頻 域是連續(xù)的，然而對(duì)工件進(jìn)行隨機(jī)激振時(shí)振動(dòng)的能量會(huì)被分布到整個(gè)寬頻帶范圍，運(yùn)樣關(guān) 鍵頻率點(diǎn)的能量較小，不利于消除工件內(nèi)部各部分的殘余應(yīng)力。雖然調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的輸出能 量，能夠提高隨機(jī)激振的能量，但是運(yùn)樣的調(diào)節(jié)終究是有限的，導(dǎo)致關(guān)鍵頻率點(diǎn)的能量依舊 較小，因此隨機(jī)振動(dòng)時(shí)效技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械工程領(lǐng)域中，具有一定的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服單頻振動(dòng)時(shí)效技術(shù)和隨機(jī)振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種多頻禪 合的振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)及方法。
[0005] 多頻禪合的振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)，包括上位機(jī)系統(tǒng)、信號(hào)輸出卡、驅(qū)動(dòng)器、激振器、加速度 傳感器、電荷放大器、信號(hào)采集卡、支撐裝置;激振器固定在工件表面，工件安裝在具有彈性 的支撐裝置上，上位機(jī)系統(tǒng)控制信號(hào)輸出卡輸出合成激振信號(hào)；信號(hào)輸出卡輸出的合成激 振信號(hào)經(jīng)由驅(qū)動(dòng)器輸入激振器，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)激振器產(chǎn)生振動(dòng);加速度傳感器安裝在工件上，加 速度傳感器與電荷放大器的輸入通道連接，電荷放大器的輸出通道與信號(hào)采集卡連接，信 號(hào)采集卡與上位機(jī)系統(tǒng)連接。
[0006] 上位機(jī)系統(tǒng)包括定義合成激振信號(hào)的激振信號(hào)合成模塊，獲取信號(hào)采集卡采集到 的電壓信號(hào)的電壓信號(hào)讀取模塊，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)的FFT模塊，從快 速傅里葉變換結(jié)果中獲取各個(gè)頻率點(diǎn)電壓峰值的電壓識(shí)別模塊，將電壓峰值轉(zhuǎn)換為輸出振 級(jí)的振級(jí)轉(zhuǎn)換模塊，W及振級(jí)的臨界闊值設(shè)置模塊。
[0007] 進(jìn)一步，加速度傳感器為壓電式加速度傳感器。
[000引進(jìn)一步，支撐裝置為彈性元件。
[0009] 使用多頻禪合的振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)消除工件殘余應(yīng)力的方法包括W下步驟：
[0010] (1)將工件與激振器固定連接;采用支撐裝置對(duì)工件進(jìn)行支撐，W便激振器對(duì)工件 進(jìn)行激振;接通信號(hào)連線，接通電源。
[0011] (2)通過(guò)X射線衍射法獲取工件的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)，確定其峰值殘余應(yīng)力在工件 上的具體位置。
[0012] (3)采用有限元軟件ANSYS對(duì)工件進(jìn)行數(shù)值模態(tài)分析，獲取工件的各階固有頻率W 及各階諧波頻率。
[0013] (4)根據(jù)工件的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)，優(yōu)選一組頻率的正弦信號(hào)用于合成激振信號(hào)。
[0014] (5)在振級(jí)臨界闊值設(shè)置模塊中設(shè)置與優(yōu)選的一組頻率對(duì)應(yīng)的各個(gè)振級(jí)的臨界闊 值51，1 = 1，2，-，，11;其中11為正整數(shù)，是優(yōu)選的一組頻率的個(gè)數(shù)。
[0015] (6)激振信號(hào)合成模塊將優(yōu)選的一組正弦信號(hào)合成用于振動(dòng)時(shí)效的激振信號(hào)；上 位機(jī)系統(tǒng)將合成的數(shù)字激振信號(hào)通過(guò)信號(hào)輸出卡轉(zhuǎn)換為模擬激振信號(hào);信號(hào)輸出卡輸出的 模擬激振信號(hào)經(jīng)由驅(qū)動(dòng)器輸入激振器，從而驅(qū)動(dòng)激振器產(chǎn)生振動(dòng)。
[0016] (7)加速度傳感器采集到的工件振動(dòng)信號(hào)經(jīng)由電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；信號(hào) 采集卡將采集到的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)；電壓信號(hào)讀取模塊獲取信號(hào)采集卡 采集到的數(shù)字電壓信號(hào);FFT模塊對(duì)數(shù)字電壓信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換獲取電壓信號(hào)的頻 譜；電壓識(shí)別模塊從頻譜中獲取優(yōu)選的一組頻率點(diǎn)上的各個(gè)電壓峰值化，? = 1，2，···，η;其 中η為正整數(shù)，是優(yōu)選的一組頻率的個(gè)數(shù);振級(jí)轉(zhuǎn)換模塊將獲取的各個(gè)電壓峰值轉(zhuǎn)換為與優(yōu) 選的一組頻率對(duì)應(yīng)的各個(gè)輸出振級(jí)曰1，1 = 1，2，-，，11;其中11為正整數(shù)，是優(yōu)選的一組頻率的 個(gè)數(shù);判斷是否
I.D為允許的誤差裕度，若是，則上位機(jī)系統(tǒng)保持優(yōu)選的一組正 弦信號(hào)的電壓幅值m不變，i = l，2, ···，!!;其中η為正整數(shù)，是優(yōu)選的一組頻率的個(gè)數(shù)，同時(shí) 上位機(jī)系統(tǒng)控制信號(hào)輸出卡輸出合成激振信號(hào)，對(duì)工件在合成激振信號(hào)下進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處 理;若否，則上位機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)改變優(yōu)選的一組正弦信號(hào)的電壓幅值m，i = l，2, ···，!!;其中η 為正整數(shù)，是優(yōu)選的一組頻率的個(gè)數(shù)，并程控驅(qū)動(dòng)器輸入激振器的輸入電壓化nput，化nput< Ushangxian，其中Ushangxian為激振器的上限工作電壓，直至
玄一條件得W滿足為 止，則此時(shí)上位機(jī)系統(tǒng)控制信號(hào)輸出卡對(duì)工件在合成激振信號(hào)下進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理。
[0017] 所述信號(hào)連線包括上位機(jī)系統(tǒng)與信號(hào)輸出卡之間的信號(hào)連線、上位機(jī)系統(tǒng)與信號(hào) 采集卡之間的信號(hào)連線、上位機(jī)系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)器之間的信號(hào)連線、信號(hào)輸出卡與驅(qū)動(dòng)器之間 的信號(hào)連線、信號(hào)采集卡與電荷放大器之間的信號(hào)連線、驅(qū)動(dòng)器與激振器之間的信號(hào)連線、 加速度傳感器與電荷放大器之間的信號(hào)連線;所述電源包括上位機(jī)系統(tǒng)、信號(hào)輸出卡、信號(hào) 采集卡、驅(qū)動(dòng)器、電荷放大器和激振器的電源。
[0018] 步驟(4)中，根據(jù)工件的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)，優(yōu)選一組頻率的正弦信號(hào)包括W下步 驟：
[0019] (4.1)采用有限元軟件ANSYS確定工件的各階固有頻率W及各階諧波頻率所對(duì)應(yīng) 的固有振型，確定每一種固有振型上動(dòng)應(yīng)力分布較大的區(qū)域。
[0020] (4.2)根據(jù)工件殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)，確定出峰值殘余應(yīng)力分布區(qū)域與動(dòng)應(yīng)力分 布較大區(qū)域相一致的固有振型，該固有振型對(duì)應(yīng)的頻率即為優(yōu)選出的頻率。
[0021] (4.3)根據(jù)步驟(4.1)和(4.2)的過(guò)程，能夠優(yōu)選出一組頻率的正弦信號(hào)用于合成 多頻禪合振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的激振信號(hào)。
[0022] 本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思是：由上位機(jī)系統(tǒng)、信號(hào)輸出卡、驅(qū)動(dòng)器、激振器、加速度傳感 器、電荷放大器、信號(hào)采集卡、支撐裝置構(gòu)成多頻禪合的振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng);工件與激振器相互 固定連接;采用支撐裝置對(duì)工件進(jìn)行支撐，W便激振器對(duì)工件進(jìn)行激振;上位機(jī)系統(tǒng)控制信 號(hào)輸出卡輸出合成激振信號(hào)；驅(qū)動(dòng)器放大合成激振信號(hào)后驅(qū)動(dòng)激振器產(chǎn)生振動(dòng)；上位機(jī)系 統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)接口獲取信號(hào)采集卡采集到的電壓信號(hào)，并對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換 獲取電壓信號(hào)的頻譜；電壓識(shí)別模塊從頻譜中獲取優(yōu)選的一組頻率點(diǎn)上的各個(gè)電壓峰值化 (i = 1，2，…，η;其中η為正整數(shù)，是優(yōu)選的一組頻率的個(gè)數(shù)）；振級(jí)轉(zhuǎn)換模塊將獲取的各個(gè)電 壓峰值轉(zhuǎn)換為與優(yōu)選的一組頻率對(duì)應(yīng)的各個(gè)輸出振級(jí)3ια = 1，2，···，η;其中η為正整數(shù)，是 優(yōu)選的一組頻率的個(gè)數(shù)）；當(dāng)
弦一條件得W滿足時(shí)，則上位機(jī)系統(tǒng)控制信號(hào)輸 出卡對(duì)工件在合成激振信號(hào)下進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理。
[0023] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0024] 1、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)工件進(jìn)行多頻禪合振動(dòng)時(shí)效處理，而且多頻禪合振動(dòng)時(shí)效處理 技術(shù)相對(duì)于單頻振動(dòng)時(shí)效處理技術(shù)具有更好的殘余應(yīng)力消除效果。
[0025] 2、多頻禪合振動(dòng)時(shí)效處理技術(shù)能夠有效的消除工件上分布的各個(gè)峰值殘余應(yīng)力， 相對(duì)于單頻振動(dòng)時(shí)效技術(shù)能夠提高振動(dòng)均化殘余應(yīng)力的效果。
[0026] 3、多頻禪合振動(dòng)時(shí)效處理技術(shù)對(duì)工件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理的過(guò)程全部由上位機(jī)系 統(tǒng)自動(dòng)完成，無(wú)需手動(dòng)操作，減少了工作量，提高了工作的效率。
[0027] 4、本發(fā)明不是用傳統(tǒng)的掃頻方法尋找工件的共振頻率，而是采用有限元軟件對(duì)工 件進(jìn)行數(shù)值模態(tài)分析，獲取工件的各階固有頻率W及各階諧波頻率，并且可W獲得各階固 有頻率W及各階諧波頻率所對(duì)應(yīng)的固有振型，進(jìn)而確定每一種固有振型上動(dòng)應(yīng)力分布較大 的區(qū)域;然后根據(jù)工件的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)優(yōu)選出一組頻率的正弦信號(hào)用于合成激振信 號(hào)，能夠做到對(duì)工件進(jìn)行多維振動(dòng)時(shí)效處理，提高了振動(dòng)消除殘余應(yīng)力的效果。
[0028] 5、采用掃頻的方法尋找工件的固有頻率，并不能獲取固有頻率所對(duì)應(yīng)的固有振 型，同時(shí)當(dāng)工件的固有頻率超過(guò)激振器的工作頻率范圍時(shí)，通過(guò)掃頻的方法就無(wú)法獲取單 頻振動(dòng)時(shí)效的激振頻率，運(yùn)也是單頻振動(dòng)時(shí)效技術(shù)推廣應(yīng)用過(guò)程中遇到的最大的難題。本 發(fā)明采用有限元軟件對(duì)工件進(jìn)行數(shù)值模態(tài)分析，不僅可W獲取工件的各階固有頻率W及各 階諧波頻率，并且可W獲得各階固有頻率W及各階諧波頻率對(duì)應(yīng)的固有振型，即使工件的 固有頻率超過(guò)激振器的工作頻率范圍，也可W選取工件的低階諧波頻率來(lái)合成激振信號(hào)， W便對(duì)工件進(jìn)行多頻禪合振動(dòng)時(shí)效處理。因此本發(fā)明提供的多頻禪合振動(dòng)時(shí)效處理技術(shù)能 夠提高振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的應(yīng)用范圍。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 圖1多頻禪合的振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 參照附圖，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明：
[0031] 多頻禪合的振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)，包括上位機(jī)系統(tǒng)、信號(hào)輸出卡、驅(qū)動(dòng)器、激振器1、加速 度傳感器2、電荷放大器、信號(hào)采集卡、支撐裝置4;激振器1固定在工件3表面，工件3安裝在 具有彈性的支撐裝置4上，上位機(jī)系統(tǒng)控制信號(hào)輸出卡輸出合成激振信號(hào);信號(hào)輸出卡輸出 的合成激振信號(hào)經(jīng)由驅(qū)動(dòng)器輸入激振器1，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)激振器1產(chǎn)生振動(dòng);加速度傳感器2安裝 在工件3上，加速度傳感器2與電荷放大器的輸入通道連接，電荷放大器的輸出通道與信號(hào) 采集卡連接，信號(hào)采集卡與上位機(jī)系統(tǒng)連接。
[