梁西昌 ，萬 熠 ，朱振杰，寇兆軍，張 東

(1.山東大學(xué) 高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，山東 濟南 250061;2.山東大學(xué) 齊魯醫(yī)院，山東 濟南 250012)

0 引言

在毛坯成型和加工制造過程中，工件受殘余應(yīng)力影響產(chǎn)生加工變形和表面開裂，降低了產(chǎn)品質(zhì)量，甚至產(chǎn)生廢品。為減少加工變形，國內(nèi)外大量學(xué)者對殘余應(yīng)力做了研究，目前常用于減少殘余應(yīng)力的方法有:自然時效(NSR)、熱時效(TSR)和振動時效(VSR)。與自然時效和熱時效相比，振動時效因具有效率高、能耗小和操作簡單等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在重型機械、大型火電、航空構(gòu)件制造等領(lǐng)域;然而，振動時效自動化設(shè)備及配套控制系統(tǒng)尚未普及［2-3］，現(xiàn)有的振動時效控制系統(tǒng)主要以單片機開發(fā)為主，相對人工開發(fā)方式有所改進［4］。但是，如果用單片機開發(fā)振動時效系統(tǒng)，不僅要對數(shù)據(jù)采集的硬件和軟件部分進行繁瑣的底層設(shè)計，而且難于實現(xiàn)復(fù)雜的算法，導(dǎo)致系統(tǒng)開發(fā)周期長、編程靈活性差和掃頻慢等問題。

基于此，本研究開發(fā)一種基于VB和Matlab 混編的振動時效控制系統(tǒng)。首先，本研究基于振動學(xué)理論推導(dǎo)頻譜分析法判定系統(tǒng)固有頻率的依據(jù)，證明頻譜分析方法的可行性，并將該方法應(yīng)用到控制系統(tǒng)中;其次，使用VB 與Matlab 混編技術(shù)編寫系統(tǒng)軟件控制程序;最后，通過軟件控制程序調(diào)用USB 數(shù)據(jù)采集卡的DLL 文件，實現(xiàn)電壓信號的輸入與輸出，由此采集振動信號并控制激振電機的工作等。

1 系統(tǒng)硬件組成

振動時效系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

該系統(tǒng)以數(shù)據(jù)采集卡為核心，以計算機為控制器，由控制模塊、信號采集與處理模塊和激振電機模塊組成。

圖1 振動時效系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 控制模塊

控制模塊由計算機和數(shù)據(jù)采集卡組成。其工作原理為:通過人機交互界面設(shè)置振動時效過程需要的參數(shù)，計算機控制數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)電壓信號的輸出與振動信號的采集。

該系統(tǒng)采用研華的USB-4711A 數(shù)據(jù)采集卡，其最大輸出模擬電壓范圍為－10 V～10 V，16 路模擬輸入通道，2 路模擬量輸出通道，12 位分辨率，采樣速率高達150 kS/s，完全滿足系統(tǒng)要求，同時該卡采用即插即用的USB 總線方式，使用方便。數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序中已經(jīng)封裝DLL 文件，使用時直接調(diào)用相關(guān)DLL 文件即可。

1.2 信號采集與處理模塊

信號采集與處理模塊由加速度傳感器和抗混濾波放大器組成。其工作原理為:加速度傳感器采集到工件的振動信號，由抗混濾波放大器對信號進行放大、濾波處理。

加速度傳感器選用型號為HK9101～J 的壓電式加速度傳感器，在加速度傳感器受振時，將振動信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。該型號加速度傳感器靈敏度為～3.5 pC/g，測量范圍為－100 g～+100 g，測量振動頻率范圍為0.2 Hz～8 000 Hz，滿足系統(tǒng)性能要求。

1.3 激振電機模塊

激振電機模塊由數(shù)據(jù)采集卡、變頻器和交流激振電機組成。其工作原理為:計算機經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸出0～10 V 的模擬電壓信號，變頻器在該電壓信號控制下，輸出一定頻率的電壓來驅(qū)動激振電機，使激振電機在確定的轉(zhuǎn)速下工作。

激振電機的驅(qū)動部分是交流電機，它帶動偏心慣性輪轉(zhuǎn)動，迫使工件產(chǎn)生與偏心輪轉(zhuǎn)動頻率相同的振動，通過改變電機轉(zhuǎn)速來改變工件的激振頻率。

交流激振電機采用變頻調(diào)速的方法，由三相異步電機轉(zhuǎn)速計算公式n=60f1(1－s)/p 可知，當磁極對數(shù)p 與電機轉(zhuǎn)差率s 不變時，電機轉(zhuǎn)速n 與供電頻率f1成正比，因此通過連續(xù)地改變供電頻率就可以改變電機轉(zhuǎn)速。通過變頻器，系統(tǒng)可以改變供電電壓的頻率。通過設(shè)置變頻器參數(shù)，系統(tǒng)使變頻器輸出的電壓頻率與數(shù)據(jù)采集卡輸入變頻器的電壓信號成正比，即U/f 為定值。其中:f—變頻器輸出的電壓頻率，U—數(shù)據(jù)采集卡輸入變頻器的模擬電壓信號［5］。該系統(tǒng)中U的范圍為0～10 V，設(shè)定變頻器參數(shù)，使對應(yīng)f 的范圍為0～100 Hz，U/f 為定值0.1。

2 控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)主要由人機交互界面、掃頻模塊、頻譜分析模塊和時效處理模塊組成，控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

操作人員通過人機交互界面進行參數(shù)設(shè)置;掃頻模塊控制激振電機的增速和數(shù)據(jù)的采集;頻譜分析模塊對采集到的數(shù)據(jù)進行傅里葉分析，并查找峰值和進行排序等;時效處理模塊控制電機在預(yù)定轉(zhuǎn)速和時間內(nèi)工作。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

2.1 人機交互界面

軟件系統(tǒng)人機交互界面如圖3 所示。通過它可進行參數(shù)設(shè)置和指令控制。根據(jù)圖3，本研究依照功能將界面劃分為A、B、C 3個區(qū)域。

圖3 系統(tǒng)人機交互界面

A 區(qū)—參數(shù)輸入?yún)^(qū);B 區(qū)—時效處理區(qū);C 區(qū)—圖形顯示區(qū)

振動時效開始前需要在A 區(qū)輸入的參數(shù)有掃頻時間t0(s)、速度上限Nup(r/min)和速度下限Ndown(r/min)。軟件系統(tǒng)經(jīng)過計算，將速度值N 轉(zhuǎn)換為頻率f，計算公式如下式所示:

式中:p—激振電機磁極對數(shù);s—電機轉(zhuǎn)差率。

轉(zhuǎn)換后，最低頻率表示為fup，最高頻率表示為fdown。

B 區(qū)是振動時效處理的核心指令區(qū)，主要包括掃頻、頻譜分析、顯示主頻個數(shù)、選取主頻個數(shù)和振動時效處理等指令。

C 區(qū)采用iocomp 工業(yè)控件，可對曲線進行縮放、保存和打印等操作。C 區(qū)中共顯示3條曲線:掃頻時域曲線、振動時效時域曲線和振動時效后掃頻時域曲線。3條曲線是在不同采集條件下激振電機工作時經(jīng)加速度傳感器采集到的信號。掃頻時域曲線是在振動時效處理之前掃頻獲得的，通過對該曲線進行頻譜分析，可獲取工件固有頻率信息。振動時效時域曲線是振動時效處理過程中，加速度傳感器采集的信號。采集振動時效后掃頻時域曲線時，所設(shè)置的參數(shù)與振動時效處理前掃頻設(shè)置的參數(shù)相同，目的是與振動時效前掃頻曲線進行對比。

2.2 掃頻模塊

掃頻模塊的設(shè)計主要實現(xiàn)激振電機的控制和加速度信號的采集。在掃頻過程中，激振電機的轉(zhuǎn)速需要遞增，所以計算機經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸出的對應(yīng)模擬量電壓信號是變化的。該系統(tǒng)設(shè)定激振電機增速方式為每0.1 Hz 一步，每增0.1 Hz 后穩(wěn)速轉(zhuǎn)動時間tstep，由最低頻率依次增值最高頻率為止。其數(shù)值的具體變化如下式所示:

式中:ft—從開始掃頻到t 時刻激振電機的頻率。

激振電機增速的同時，加速度傳感器采集振動信號。程序通過調(diào)用數(shù)據(jù)采集卡DLL 程序DRV_FAIInt-Start，啟動中斷傳輸模式的單通道FAI(Fast Analog Input)操作［6-7］。軟件系統(tǒng)設(shè)定采樣頻率為1 000 Hz。

2.3 頻譜分析模塊

頻譜分析模塊主要實現(xiàn)對振動信號進行傅里葉分析和工件固有頻率獲取。

根據(jù)振動學(xué)的相關(guān)知識［8］，筆者將振動系統(tǒng)簡化為單自由度、有阻尼系統(tǒng)的受迫振動，其示意圖如圖4所示。建立系統(tǒng)微分方程如下式所示:

圖4 單自由度系統(tǒng)受迫振動示意圖

式中:m—偏心質(zhì)量，e—偏心距，x—系統(tǒng)位移，M—系統(tǒng)總質(zhì)量，c—系統(tǒng)阻尼參數(shù)，k—系統(tǒng)彈性系數(shù)，w—激振頻率。

式中:

式中:me/M—常數(shù)，在此假設(shè)為1。

由式(6)畫出的幅頻響應(yīng)曲線如圖5 所示。

圖5 幅頻響應(yīng)曲線

由幅頻響應(yīng)曲線可知，在ζ 較小的情況下，當激振頻率與系統(tǒng)固有頻率接近時，振幅急劇增大。所以振動信號幅值較大處對應(yīng)的激振頻率就是系統(tǒng)固有頻率。本研究對振動信號進行頻譜分析，獲得其頻域圖，頻域圖中峰值處即為系統(tǒng)固有頻率。

頻譜分析的經(jīng)典算法是傅里葉變換，將時域信號變換到頻域。該系統(tǒng)采用COM 組件技術(shù)，利用Matlab 工具Matlab COM Builder 將M 文件轉(zhuǎn)換成DLL，然后在VB 開發(fā)環(huán)境中調(diào)用該DLL，實現(xiàn)了VB與Matlab 混編對振動信號進行頻譜分析［9-10］。得出頻譜圖后，程序自動查找峰值，峰值對應(yīng)的頻率即為系統(tǒng)的固有頻率，本研究按照峰值大小對其進行排序。

2.4 振動時效處理模塊

振動時效處理模塊主要實現(xiàn)控制激振電機在預(yù)定頻率和預(yù)定轉(zhuǎn)速下工作，并采集振動信號。

振動時效處理模塊是振動時效系統(tǒng)核心的模塊:給工件施加一定頻率的激振力，激振一段時間，可以使工件的殘余應(yīng)力得到釋放或重新分布。影響振動時效效果的主要因素有激振頻率、激振力和激振時間［11-12］。操作人員可選擇前幾階固有頻率作為激振頻率，用較小的振動能量，使工件獲得較大的振幅和動應(yīng)力，從而達到較好的時效效果。激振力的選擇應(yīng)使機械偏心激振裝置的激振力產(chǎn)生的應(yīng)力振幅σa滿足下式［13］:

式中:σm—工件中的平均應(yīng)力;σs—工件材料屈服極限;σ－1—工件材料的疲勞極限。

激振的時間選取依據(jù)工件質(zhì)量的大小，工件質(zhì)量與激振時間的經(jīng)驗值［14］如表1 所示。

表1 激振時間的選取

3 試驗驗證

本研究采用振動時效前后殘余應(yīng)力實測對比法對振動時效效果進行定量評定。

試件如圖6 所示，分為A、B、C 3 組，試件材料選用45 鋼。筆者分別在試件A、B和C 表面焊上一道焊縫，然后將焊縫表面打磨光滑以便后期殘余應(yīng)力的測試。

圖6 試驗試件

首先，在試件未進行振動時效處理時，本研究采用盲孔法測量試件上的殘余應(yīng)力值。分別選取試件上標號為1～5 的5個點，如圖6 所示。測量其殘余應(yīng)力值，測量結(jié)果如表(2～4)所示。

然后，本研究使用該系統(tǒng)對3個試件進行振動時效處理，再分別選取試件上標號為a～e 的5個點，如圖6所示，測量其殘余應(yīng)力值，測量結(jié)果如表(2～4)所示。

表2 試件A 殘余應(yīng)力測量結(jié)果

表3 試件B 殘余應(yīng)力測量結(jié)果

表4 試件C 殘余應(yīng)力測量結(jié)果

從表(2～4)可以看出，經(jīng)該系統(tǒng)振動時效后，試件A、B和C 的殘余應(yīng)力平均值分別下降50.47%、47.40%和41.99%，平均下降46.62%，殘余應(yīng)力值下降明顯，由此證明了該系統(tǒng)的有效性。

4 結(jié)束語

本研究在研究振動時效機理和工藝過程的基礎(chǔ)上，采用VB和Matlab 混編的方法編寫振動時效控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)自動化水平，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。控制系統(tǒng)采用頻譜分析法判定工件固有頻率，提高振動時效系統(tǒng)工作效率。并將控制系統(tǒng)與新振動時效測控裝置硬件(數(shù)據(jù)采集卡、變頻器、交流激振電機)結(jié)合，開發(fā)出振動時效系統(tǒng)。

試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，經(jīng)過該系統(tǒng)時效處理的試件殘余應(yīng)力平均下降46.62%，充分說明了該系統(tǒng)的有效性。

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