專利名稱：一種用于振動(dòng)時(shí)效的頻譜分析判峰方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)機(jī)械工件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效過程中對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析以及根據(jù)分析結(jié)果對(duì)工件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在機(jī)械加工行業(yè)，振動(dòng)時(shí)效工藝是通過振動(dòng)時(shí)效設(shè)備的控制系統(tǒng)控制聯(lián)結(jié)于工件上的激振器的轉(zhuǎn)動(dòng)使工件被迫振動(dòng)，工件受迫振動(dòng)的動(dòng)應(yīng)力與工件內(nèi)殘余應(yīng)力疊加的和超過某一極限，使工件發(fā)生微觀塑性變形，來降低或均化工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使工件尺寸趨于穩(wěn)定，達(dá)到要求精度。
通常振動(dòng)時(shí)效設(shè)備由以下主要部件組成控制器、激振器、加速度(振幅)傳感器、電纜等，如附圖1所示。
判峰方法是振動(dòng)時(shí)效設(shè)備尋找工件固有頻率(共振頻率)及諧振頻率的方法。常規(guī)振動(dòng)時(shí)效設(shè)備的判峰方法是用控制器控制激振器轉(zhuǎn)速從激振器的最低轉(zhuǎn)速緩慢升到最高轉(zhuǎn)速(這一過程稱為掃頻)，同時(shí)利用加速度傳感器采集工件受迫振動(dòng)的加速度值(振幅值)，通過分析加速度-轉(zhuǎn)速曲線的極值點(diǎn)來判斷工件的共振峰和諧振峰(工件的固有頻率和諧振頻率對(duì)應(yīng)的加速度-轉(zhuǎn)速曲線上的極值點(diǎn)分別稱為共振峰和諧振峰)，這是傳統(tǒng)的判峰方法，是在時(shí)域進(jìn)行的。共振峰與諧振峰在加速度-轉(zhuǎn)速曲線中的位置如附圖2所示。使用這種時(shí)域判峰方法的時(shí)效設(shè)備一般具有以下缺點(diǎn)一、常規(guī)振動(dòng)時(shí)效設(shè)備掃頻時(shí)一般從激振器的最低轉(zhuǎn)速緩慢升到最高轉(zhuǎn)速，進(jìn)行掃頻耗費(fèi)時(shí)間較長(一般需要3-6分鐘，如果再進(jìn)行二次掃頻以判斷時(shí)效的效果時(shí)，時(shí)間加倍)，這樣在進(jìn)行大批量工件的振動(dòng)時(shí)效時(shí)，就會(huì)嚴(yán)重影響工作效率，并且振動(dòng)時(shí)效設(shè)備工作時(shí)間較長，會(huì)導(dǎo)致電力資源的浪費(fèi)，振動(dòng)時(shí)效設(shè)備本身的使用壽命縮短等問題；另外，操作人員也要忍受長時(shí)間的噪聲。
二、對(duì)于大型工件，采用常規(guī)的判峰方法的振動(dòng)時(shí)效設(shè)備通?？梢苑治龀龉ぜ墓舱耦l率和諧振頻率。而對(duì)于小型工件，情況則不然。一方面，由于小型工件的剛性一般都比較大，掃頻的時(shí)候，在不同的激振器轉(zhuǎn)速下工件的受迫振動(dòng)加速度值差異不大，導(dǎo)致用普通的判峰方法很難找到可以進(jìn)行時(shí)效的共振峰或者諧振峰；另一方面，聯(lián)接在小型工件上的激振器在掃頻時(shí)容易導(dǎo)致工件整體隨著激振器進(jìn)行振動(dòng)，這樣加速度傳感器采集回來的加速度值就不準(zhǔn)確，有可能誤判共振頻率，致使振動(dòng)時(shí)效不能達(dá)到預(yù)期的效果。小型工件加速度-轉(zhuǎn)速曲線如附圖3所示，共振峰與諧振峰差異不大，很難發(fā)現(xiàn)共振峰。
三、對(duì)于固有頻率很高的一些工件，在激振器的額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，用常規(guī)的掃頻方式，不能得到可以進(jìn)行時(shí)效的共振峰或者諧振峰。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠減少掃頻時(shí)間、對(duì)小型工件判峰準(zhǔn)確的用于振動(dòng)時(shí)效的頻譜分析判峰方法。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的被處理工件定位后，振動(dòng)時(shí)效設(shè)備中的激振器和加速度傳感器分別被安置于工件上，激振器和加速度傳感器分別通過導(dǎo)線與振動(dòng)時(shí)效設(shè)備的控制器相連接，通過加速度傳感器對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行采樣、量化得到加速度值，通過控制器對(duì)經(jīng)過采樣和量化處理的加速度信號(hào)進(jìn)行低通濾波、加窗處理，使用離散傅立葉變換DFT對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到各個(gè)頻率下的加速度值，從中選出加速度最大的值所對(duì)應(yīng)的頻率即為工件的共振頻率，其余振幅較大的頻率為諧振頻率。如附圖4所示。
具體步驟是第一步通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行采樣和量化。設(shè)采樣頻率為FS，采樣頻率是根據(jù)采樣定理來設(shè)定的，采樣頻率要大于兩倍的激振器最高頻率，對(duì)采樣數(shù)據(jù)采用若干比特進(jìn)行量化。通常情況下，振動(dòng)時(shí)效設(shè)備的激振器帶動(dòng)工件振動(dòng)，工件的振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)速成正比。由于激振器本身具有一個(gè)最高轉(zhuǎn)速限制，即具有一個(gè)最高振動(dòng)頻率，那么我們選擇激振器能夠產(chǎn)生的最高振動(dòng)頻率作為信號(hào)的最高頻率，信號(hào)中高于激振器能夠產(chǎn)生的最高振動(dòng)頻率的部分將在后續(xù)的低通濾波過程中被濾除。量化過程是對(duì)經(jīng)過采樣的加速度信號(hào)用設(shè)定數(shù)量的比特進(jìn)行編碼，通常采用8位或者16位比特。
第二步對(duì)經(jīng)過采樣和量化處理的加速度信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理。濾除頻率高于激振器最高振動(dòng)頻率的采樣信號(hào)。低通濾波器有多種設(shè)計(jì)方法，可根據(jù)實(shí)際情況選擇。
第三步對(duì)通過低通濾波的加速度采樣信號(hào)進(jìn)行加窗處理，加窗處理對(duì)加速度采樣信號(hào)進(jìn)行了截?cái)?，確定了采用多少個(gè)采樣點(diǎn)參與后續(xù)處理。設(shè)這個(gè)點(diǎn)數(shù)為N，同時(shí)加窗過程中不可避免要產(chǎn)生頻譜泄露，所以加窗時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況采用不同的窗函數(shù)來抑制頻譜泄露。
例如可以采用海明窗，它的公式如下w(n)=
RN(n)]]>RN(n)為矩形窗，即在加速度采樣信號(hào)中截取N個(gè)采樣信號(hào)。
第四步對(duì)經(jīng)過加窗處理的采樣信號(hào)進(jìn)行離散傅立葉變換，也可通過離散傅立葉變換(DFT)的其它改進(jìn)方法，例如快速傅立葉變換FFT來完成這個(gè)轉(zhuǎn)換。
離散傅立葉變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)，它的公式如下X[k]=Σn=0N-1x(n)e-j2πNnk=Σn=0N-1x(n)WNnk,0≤k≤N-1]]>其中X[k]為經(jīng)過離散傅立葉變換處理過的頻域值；x(n)為加速度采樣信號(hào)；WNnk=e-j2πNnk]]>N為經(jīng)過加窗處理后截取的加速度采樣點(diǎn)數(shù)量；第五步加速度采樣信號(hào)經(jīng)過DFT或者FFT處理過以后，產(chǎn)生加速度-數(shù)字頻率曲線，設(shè)加速度-數(shù)字頻率曲線中的數(shù)字頻率為w，頻率為F，數(shù)字頻率與頻率之間存在著換算關(guān)系w=2πFFS]]>FS為采樣頻率，通過對(duì)加速度-數(shù)字頻率曲線上加速度值的比較，找到加速度值最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)字頻率，根據(jù)這個(gè)數(shù)字頻率計(jì)算得到工件的固有頻率。然后根據(jù)需要的諧振峰數(shù)量找出等數(shù)量的次高點(diǎn)，根據(jù)次高點(diǎn)對(duì)應(yīng)數(shù)字頻率利用上述公式計(jì)算出次高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率，即得到需要的工件的諧振峰頻率。由于頻率與轉(zhuǎn)速成正比，所以可以找到工件共振峰和諧振峰對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。
本發(fā)明能夠產(chǎn)生的有益效果一、減少了掃頻時(shí)間，節(jié)省了能源消耗，減少了振動(dòng)時(shí)效設(shè)備本身的損耗。通過激振器快速升速低速振動(dòng)或者采用敲擊方式使工件產(chǎn)生受迫振動(dòng)，節(jié)省了掃頻時(shí)間，在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到了采集加速度數(shù)據(jù)，判斷工件共振頻率和諧振頻率的目的，達(dá)到了省時(shí)、省電、減少設(shè)備損耗、降低時(shí)效時(shí)的噪音的目的。
二、解決了采用傳統(tǒng)判峰方法的振動(dòng)時(shí)效設(shè)備無法找出部分小工件和剛性很大的工件的諧振峰的問題。而使用本發(fā)明中的基于頻譜分析判峰方法的振動(dòng)時(shí)效設(shè)備，可以計(jì)算出工件的共振頻率和各階諧振頻率，控制器中的軟件可以在激振器的額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)選擇幾個(gè)諧振峰進(jìn)行時(shí)效。
三、提高對(duì)小型工件判峰的準(zhǔn)確性。頻譜分析判峰方法通過對(duì)信號(hào)的各個(gè)頻率上的加速度進(jìn)行分析，能夠清晰分辨出工件的共振振動(dòng)頻率，減少了時(shí)域判峰方法對(duì)小型工件共振頻率誤判的問題。
四、對(duì)于共振頻率超過激振器振動(dòng)頻率范圍的工件，可以找到工件在激振器振動(dòng)頻率內(nèi)的諧振峰，解決了共振頻率超過激振器振動(dòng)頻率范圍工件的振動(dòng)時(shí)效問題。


圖1是振動(dòng)時(shí)效設(shè)備組成示意圖；圖2是工件的加速度-轉(zhuǎn)速曲線示意圖；
圖3是小型工件的加速度-轉(zhuǎn)速曲線示意圖；圖4是本發(fā)明頻譜分析判峰方法示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示；1.1控制器、1.2工件、1.3激振器、1.4激振器連接電纜、1.5加速度傳感器、1.6加速度傳感器連接導(dǎo)線。激振器和加速度傳感器分別通過導(dǎo)線與工件連接，激振器和加速度傳感器分別通過導(dǎo)線與振動(dòng)時(shí)效設(shè)備的控制器相連接。
如圖2所示，2.1為共振峰，2.2、2.3、2.4為諧振峰。
將激振器和加速度傳感器安裝在工件上，啟動(dòng)具備頻譜分析判峰方法的振動(dòng)時(shí)效設(shè)備，在頻譜分析的功能菜單下，顯示(一)激振式(二)敲擊式，用戶可以選擇其中之一以便進(jìn)行基于頻譜分析判峰方法的振動(dòng)時(shí)效。如果選擇激振式，激振器在低速區(qū)快速掃頻，同時(shí)數(shù)據(jù)采集設(shè)備對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行采樣、量化得到加速度值。采集過程結(jié)束時(shí)，控制器中的軟件系統(tǒng)中的頻譜分析判峰方法對(duì)加速度信號(hào)低通濾波、加窗處理、進(jìn)行頻譜分析，得到最大加速度對(duì)應(yīng)的頻率，即得到工件的共振頻率，同時(shí)得到各階諧振頻率，然后控制器控制激振器在共振頻率或者幾個(gè)選定的諧振頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速附近進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效，如果工件的共振頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速超過激振器的轉(zhuǎn)速范圍，則選擇工件在激振器轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的諧振峰附近進(jìn)行時(shí)效，同時(shí)通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集加速度信號(hào)值，當(dāng)滿足預(yù)定的判斷標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在相應(yīng)的振動(dòng)頻率處的時(shí)效結(jié)束。如果選擇敲擊式，則立即用錘子在工件上敲擊一下，這時(shí)數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集工件的加速度信號(hào)，以下處理過程同激振式相同。
權(quán)利要求
1.一種用于振動(dòng)時(shí)效的頻譜分析判峰方法，被處理工件定位后，振動(dòng)時(shí)效設(shè)備中的激振器和加速度傳感器分別被安置于工件上，激振器和加速度傳感器分別通過導(dǎo)線與振動(dòng)時(shí)效設(shè)備的控制器相連接，其特征是通過加速度傳感器對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行采樣、量化得到加速度值，通過控制器對(duì)經(jīng)過采樣和量化處理的加速度信號(hào)進(jìn)行低通濾波、加窗處理，使用離散傅立葉變換DFT對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到各個(gè)頻率下的加速度值，從中選出加速度最大的值所對(duì)應(yīng)的頻率即為工件的共振頻率，其余振幅較大的頻率為諧振頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于振動(dòng)時(shí)效的頻譜分析判峰方法，其特征是所述通過加速度傳感器對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行采樣和量化，采樣頻率要大于兩倍的激振器最高頻率，對(duì)采樣數(shù)據(jù)采用若干比特進(jìn)行量化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于振動(dòng)時(shí)效的頻譜分析判峰方法，其特征是所述對(duì)經(jīng)過采樣和量化處理的加速度信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理時(shí)，濾除頻率高于激振器最高振動(dòng)頻率的采樣信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于振動(dòng)時(shí)效的頻譜分析判峰方法，其特征是所述對(duì)通過低通濾波的加速度采樣信號(hào)進(jìn)行加窗處理，加窗處理對(duì)加速度采樣信號(hào)進(jìn)行了截?cái)?，確定了采用多少個(gè)采樣點(diǎn)參與后續(xù)處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于振動(dòng)時(shí)效的頻譜分析判峰方法，其特征是對(duì)經(jīng)過加窗處理的采樣信號(hào)進(jìn)行離散傅立葉變換，也可通過快速傅立葉變換FFT來完成這個(gè)轉(zhuǎn)換。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于振動(dòng)時(shí)效的頻譜分析判峰方法，其特征是所述的使用離散傅立葉變換DFT對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，是指加速度采樣信號(hào)經(jīng)過DFT或者FFT處理過以后，產(chǎn)生加速度-數(shù)字頻率曲線，通過對(duì)加速度-數(shù)字頻率曲線上加速度值的比較，找到加速度值最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)字頻率，根據(jù)這個(gè)數(shù)字頻率計(jì)算得到工件的固有頻率，然后根據(jù)需要的諧振峰數(shù)量找出等數(shù)量的次高點(diǎn)，根據(jù)次高點(diǎn)對(duì)應(yīng)數(shù)字頻率計(jì)算出次高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率，即得到需要的工件的諧振峰頻率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于振動(dòng)時(shí)效的頻譜分析判峰方法。該方法的主要步驟為數(shù)據(jù)采集設(shè)備對(duì)工件受迫振動(dòng)加速度值進(jìn)行采樣，對(duì)采樣后的加速度值進(jìn)行量化、低通濾波、加窗處理、離散傅立葉變換處理之后找到共振頻率及其它各階諧振頻率。該方法主要優(yōu)點(diǎn)是能快速檢測(cè)出工件的共振頻率和諧振頻率，提高了小型工件的共振頻率和諧振頻率檢測(cè)的準(zhǔn)確度，并且能夠減少時(shí)效處理時(shí)間、降低噪聲、節(jié)約電能、減小振動(dòng)時(shí)效設(shè)備的損失。
文檔編號(hào)G01M7/02GK1865886SQ20061000989
公開日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2006年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月1日
發(fā)明者王鴻鵬, 李會(huì)濱, 韓殿文, 董德權(quán) 申請(qǐng)人:韓殿文