第八章 微机控制振动时效设备的设计要点：.doc

1、第 八 章 微 机 控 制 振 动 时 效 设 备 的 设 计 要 点 ：振 动 时 效 又 称 “振 动 消 除 应 力 法 ”， 国 外 称 “VSR”方 法 。 它 是 将 带 有 偏 心 轮 的 电 动 机 牢 固 地 夹 持 在 被振 工 件 上 （ 如 图 一 ） ，电 动 机 带 动 心 轮 转 动 ， 产生 沿 垂 直 方 向 的 周 期 激 振力 ， 使 被 振 工 件 在 其 固 有频 率 下 振 动 20至 30分 钟 ，即 可 达 到 减 少 或 均 化 工 件残 余 应 力 ， 稳 定 尺 寸 精 度的 目 的 。 显 然 ， 振 动 时 效和 通 常 的 热 时 效

2、 比 较 ， 不仅 可 以 达 到 同 样 的 技 术 效 果 ， 还 具 有 设 备 投 资 少 、 节 省 能 源 .缩 短 生 产 周 期 ， 使 用 方 便 等 一 系 列 优 点 ， 因 此受 到 人 们 的 普 遍 重 视 。随 着 振 动 时 效 工 艺 研 究 的 深 入 ， 人 们 对 振 动 时 效 装 置 （ 简 称 VSR装 置 ） 的 性 能 提 出 更 高 的 要 求 ， VSR装置 也 随 之 由 简 单 变 为 复 杂 ， 以 致 出 现 了 微 机 控 制 的 振 动 时 效 装 置 。 本 文 将 从 振 动 时 效 的 机 理 .基 本 参 数 .工 艺程

3、 序 等 方 面 介 绍 微 机 控 制 VSR装 置 的 设 计 思 想 .组 成 .结 构 及 主 要 性 能 指 标 。一 、 振 动 时 效 的 简 单 机 理 及 基 本 参 数振 动 时 效 虽 然 在 国 内 外 已 有 许 多 成 功 的 应 用 实 例 ， 但 是 至 今 对 其 机 理 尚 没 有 系 统 完 满 的 解 释 ， 目 前 大都 从 宏 观 的 角 度 来 分 析 振 动 时 效 的 机 理 。 由 于 振 动 时 效 是 对 工 件 施 加 周 期 性 外 力 ， 使 工 件 共 振 ， 在 共 振 过程 中 ， 作 用 于 工 件 各 部 位 的 交 变

4、应 力 与 其 残 余 应 力 相 迭 加 ， 当 在 某 些 点 达 到 材 料 的 屈 服 极 限 时 ， 也 会 产 生局 部 微 小 塑 性 变 形 ， 从 而 降 低 了 这 些 点 的 应 力 峰 值 ， 同 时 也 强 化 了 金 属 基 体 ， 提 高 了 尺 寸 的 稳 定 精 度 。 这就 是 说 ， 只 有 满 足 ： 动 + 残 s s 材 料 屈 服 极 限才 能 取 得 振 动 时 效 的 效 果 。另 一 方 面 ， 大 量 的 实 践 证 明 ， 在 工 件 的 共 振 状 态 下 进 行 处 理 ， 可 用 最 少 的 振 动 能 量 ， 使 工 件 产 生

5、最 大的 振 幅 及 附 加 动 应 力 ， 从 而 使 工 件 的 残 余 应 力 消 除 得 较 完 善 ， 尺 寸 稳 定 性 更 好 。因 此 ， 选 择 工 件 的 固 有 频 率 及 要 求 的 动 应 力 是 振 动 时 效 的 两 个 基 本 参 数 。 设 计 VSR装 置 时 ， 应 能 在 生 产现 场 迅 速 的 选 择 .控 制 这 两 个 参 数 。1.工 件 固 有 频 率 的 求 取 ：现 代 的 VSR设 备 必 须 具 有 自 动 找出 工 件 固 有 频 率 的 功 能 （ 即 自 动 扫 频 功能 ） ， 并 在 扫 频 的 同 时 跟 踪 绘 制 工

6、件 的振 动 加 速 度 幅 值 G与 振 动 频 率 f的 关 系曲 线 ， （ 如 图 二 ） ： 可 以 从 中 很 直 观 的看 出 工 件 的 一 阶 .二 阶 .三 阶 等 谐 振 峰 值的 频 率 为 f1.f2.f3等 。 在 这 些 频 率 下振 动 工 件 ， 可 以 得 到 不 同 的 振 型 ， 以 获得 最 佳 的 振 动 时 效 处 理 效 果 。我 们 经 过 对 多 种 工 件 的 Gf曲 线 的 研 究 ， 发 现 其 谐 振 曲 线 都 是 很陡 峭 的 ， 其 带 宽 也 是 很 窄 的 （ 如 图 三 ） 有 的 带 宽 (fb)仅 为 0.20Hz左

7、右 ，相 当 与 电 机 转 速 为 12转 /分 ， 甚 至 更 小 。 在 这 种 情 况 下 要 使 电 机 在 工件 谐 振 峰 长 时 间 稳 定 的 条 件 下 运 行 是 非 常 困 难 的 ， 为 了 克 服 这 一 困 难 ，达 到 在 谐 振 频 率 下 振 动 时 效 处 理 工 件 ， 要 求 振 动 时 效 设 备 的 电 机 要 有很 高 的 稳 速 精 度 ， 同 时 为 了 适 合 不 同 工 件 的 高 .低 不 同 的 谐 振 频 率 ， 还要 求 电 机 有 很 宽 的 调 速 范 围 。 一 般 稳 速 精 度 要 达 到 0.1%0.05%， 调 速

8、范 围 应 在 100012000转 /分 之间 。2、 激 振 力 及 其 调 整 :对 工 件 施 加 的 动 应 力 ， 是 依 靠 电 机 带 动 偏 心 轮 转 动 产 生 的 离 心 力 形 成 的 。 为 了 适应 不 同 重 量 的 各 种 工 件 ， 需 要 VSR设 备 具 有 足 够 大 的 激 振 力 ， 同 时 激 振 力 需 要 在 零 至 最 大 值 之 间 可 调 。 目前 我 们 的 激 振 器 的 最 大 激 振 力 为 3.5吨 ， 并 且 是 连 续 可 调 。3、 定 时 ： 振 动 时 效 所 需 要 的 时 间 ， 对 于 不 同 材 质 .重 量

9、 的 工 件 是 不 同 的 这 是 仅 次 于 上 述 二 个 基 本 参 数的 又 一 参 数 。 以 前 VSR装 置 设 有 可 调 定 时 器 ， 以 便 自 动 控 制 振 动 处 理 时 间 ， 现 在 振 动 时 间 的 选 择 一 般 由 微机 来 自 动 完 成 。二 、 振 动 时 效 效 果 快 速 检 测早 期 研 究 振 动 时 效 效 果 ， 是 用 残 余 应力 消 除 多 少 或 跟 踪 工 件 的 尺 寸 稳 定 精 度 来衡 量 的 。 显 然 这 种 方 法 是 很 费 时 和 费 力 的 。因 此 人 们 开 始 寻 求 一 些 间 接 的 方 法 ，

10、 以 便快 速 检 测 振 动 时 效 效 果 。工 件 固 有 频 率 及 振 幅 的 变 化 ， 为 了 研究 工 件 的 共 振 ,将 图 一 机 械 系 统 简 化 为 图四 模 型 ，根 据 运 动 方 程 的 分 析 ， 求 得 X轴 方 向 的 位 移 ：（ 1） （ 2） 两 式 我 们 提 供 振 动 时 效 的 检 测 手 段 。 如 前 所 述 ， 工 件 振 动 时 效 处 理 后 ， 残 余 应 力 的 降 低 和均 化 后 ， 强 化 了 材 料 ， 提 高 了 工 件 的 松 弛 刚 度 。 从 而 减 少 了 工 件 的 内 阻 尼 。 内 阻 尼 的 减 少

11、， 由 （ 1） （ 2） 式可 见 ， 共 振 频 率 r下 降 ， 振 幅 B上 升 。这 一 规 律 已 经 经 过 许 多 实 践 加 以 证 明 ，（ 图 五 ） 为 实 测 的 振 前 与 振 后 的 Gn(f)曲 线 。 因 此 ， 对 比 振 前 与 振 后 Gn曲 线 谐 振 锋 的 变 化 ， 可 定 性 地 检 测 振动 时 效 效 果 。根 据 同 一 原 理 ， 当 选 择 激 振 频 率稍 低 于 固 有 频 率 时 （ 即 在 亚 共 振 区 进行 激 振 ） ， 保 持 振 动 频 率 不 变 ， 测 得GT曲 线 （ 如 图 五 ） 所 示 。 当 GT曲 线

12、 初 始 段 略 有 上 升 ， 而 后 趋 于 稳 定 ， 说 明 振 动 时 效 有 效 果 。根 据 振 动 时 效 的 快 速 检 测 法 ， 进 行 多 阶 激 振 和 二 次 扫 频 的 振 动 时 效 工 艺 程 序 ： a)首 先 进 行 第 一 次 （ 振 前 ） 扫 频 ， 将 激 振 器 转 速 缓 慢 上 升 找 出 工 件 的 固 有 频 率 并 跟 踪 绘 出 扫 频 曲 线 (振 前Gn曲 线 )。b)将 电 机 转 速 快 速 上 升 直 工 件 固 有 频 率 稍 低 一 点 的 频 率 （ 即 亚 共 振 频 率 ） 上 ， 按 所 选 阶 数 及 规 定

13、的 时 间激 振 工 件 ， 同 时 跟 踪 绘 出 GT曲 线 。c)最 后 进 行 第 二 次 （ 振 后 扫 频 ） 扫 频 ， 再 一 次 跟 踪 绘 制 Gn曲 线 （ 振 后 Gn曲 线 ）d)振 动 时 效 设 备 的 设 计 ， 应 使 其 能 自 动 地 完 成 上 述 工 艺 程 序 。三 、 共 振 时 激 振 电 机 运 行 特 点 .图 四 所 示 机 械 系 统 所 消 耗 的 能 量 是 由 电 机 带 动 激 振 器 提 供 的 ， 因 此 电 机 负 载 功 率 可 近 似 写 成 ：这 里 ： Iao = (me n)/Cm m利 用 上 式 可 绘 出 I

14、a/Iao = f( )的 关 系 曲 线 ， 如 图 六 所 示 ，可 见 当 工 件 达 到 共 振 时 ， 电 机 的 负 载 电 流 或 负 载 转 矩 为 最 大 值 。 由 于 Ia/Iao=f( )曲 线 陡 峭 ， 负 载 变化 激 烈 ， 要 使 激 振 电 机 稳 定 在 o处 运 行 是 很 困 难 的 。另 外 ， 当 电 机 外 特 性 （ 实 线 ） 与 负载 特 性 Ia/Iao = f(f)如 图 七 所 示 的 配合 时 ， 图 中 a.b.d点 是 稳 定 的 工 作 点 ，而 c点 是 不 稳 定 的 工 作 点 。 这 样 在 进 行自 动 扫 频 绘

15、制 Gn曲 线 时 ， 将 会 引 起系 统 振 荡 ， 不 仅 绘 制 不 出 理 想 的 Gn曲 线 ， 还 会 损 坏 设 备 。 如 果 使 电 机 特性 变 陡 （ 如 图 七 虚 线 ） ， 则 c点 变 成稳 定 的 工 作 点 ， 就 会 避 免 上 述 问 题 。因 此 振 动 时 效 设 备 只 有 采 用 具 有 高 稳速 精 度 、 自 动 跟 踪 性 能 好 的 系 统 ， 才会 稳 定 地 在 谐 振 峰 频 率 上 进 行 振 动 时效 ， 以 及 实 现 多 阶 振 动 时 效 处 理 和 二次 扫 频 法 的 振 动 时 效 工 艺 。四 、 振 动 时 效

16、设 备 的 设 计 要 点微 机 控 制 振 动 时 效 设 备 主 要 由 激 振 器 、 电 气 控 制 箱 、 绘 图 仪 、 加 速 度 测 量 等 部 件 组 成 。 设 备 的 主 要 结 构框 图 （ 如 图 九 ）1、 激 振 器激 振 器 是 由 电 动 机 及 其 连 接 在 轴 上 的 偏 心 轮 组成 。 偏 心 轮 由 扇 型 动 轮 和 不 动 轮 组 成 （ 如 图 八 ） ，不 动 轮 与 转 轴 由 键 连 接 ， 动 轮 与 转 轴 用 顶 丝 连 接 。改 变 动 轮 与 不 动 轮 之 间 的 相 对 位 置 ， 即 可 将 激 振 力在 零 和 最 大

17、 值 之 间 调 节 。激 振 器 的 电 动 机 采 用 调 整 性 能 好 的 直 流 电 动 机 。由 于 电 动 机 装 在 被 振 工 件 上 ， 振 动 加 速 度 最 大 可 达 到 3040g， 因 此 电 动 机 各 部 件 的 选 择 .尺 寸 形 状 .部 件 联结 方 式 等 都 采 取 了 特 殊 设 计 。 又 由 于 在 激 振 和 扫 频 时 ， 负 裁 电 流 出 现 峰 值 ， 电 动 机 过 载 是 难 免 的 ， 因 此 设计 电 机 时 允 许 过 载 电 流 达 2040%。 测 速 反 馈 信 号 由 脉 冲 传 感 器 实 现 ， 该 传 感 器

18、 用 风 扇 作 转 子 ， 定 子 固 定 在机 座 上 ， 既 简 单 又 可 靠 ， 也 保 证 了 测 速 精 度 。2、 高 精 度 调 速 系 统 ：采 用 锁 相 环 控 制原 理 构 成 的 调 速系 统 ， 可 以 满 足振 动 时 效 工 艺 所要 求 的 高 精 度 调速 系 统 。 系 统 的结 构 框 （ 如 图 十 ）所 示 。 该 系 统 称 为 电 流 转 速 微 分 相 位 三 闭 环 锁 相 调 速 系 统 ， 系 统 设 计 的 特 点 如 下 ：（ 1） 电 枢 控 制 的 直 流 电 动 机 是 由 可 控 硅 模 块 整 流 经 电 感 滤 波 后

19、供 电 ， 因 此 电 枢 回 路 具 有 较 大 的 惯 性 。 为抵 消 一 定 惯 性 的 影 响 ， 采 用 电 流 反 馈 ， 并 将 电 流 调 节 器 设 计 为 PI调 节 器 ， 使 其 零 、 极 点 相 抵 消 ， 从 而 加 快系 统 调 节 速 度 。 同 时 电 流 反 馈 又 可 以 起 到 限 流 作 用 ， 还 可 抑 制 电 网 电 压 波 动 对 系 统 稳 速 精 度 的 影 响 。（ 2） 系 统 中 采 用 的 转 速 微 分 反 馈 闭 环 ， 由 于 转 速 微 分 具 有 相 位 控 制 的 二 次 微 分 的 超 前 控 制 作 用 ， 因

20、此 显著 地 削 弱 了 在 自 动 扫 频 时 ， 由 于 负 载 谐 振 而 造 成 系 统 的 振 荡 ， 大 大 地 提 高 了 系 统 扫 频 时 的 跟 踪 性 能 及 锁 定的 可 靠 性 。（ 3） 系 统 的 最 外 环 为 相 位 环 ， 是 锁 相 系 统 的 根 本 部 分 。 由 于 鉴 相 器 根 据 给 定 频 率 与 反 馈 频 率 信 号 间 的 相位 差 进 行 控 制 ， 而 相 位 是 频 率 的 积 分 ， 所 以 反 馈 通 道 具 有 理 想 的 积 分 环 节 ， 只 要 系 统 锁 定 ， 就 可 以 保 证 具有 很 高 的 稳 速 精 度

21、。（ 4） 锁 相 系 统 在 锁 定 时 虽 然 可 以 获 得 很 高 的 稳 速 精 度 ， 但 是 系 统 在 启 动 时 必 然 要 处 于 失 锁 状 态 ， 为 使系 统 能 讯 速 捕 获 锁 定 ， 选 用 了 具 有 鉴 频 特 性 的 鉴 相 器 ， 同 时 恰 当 地 选 择 PI型 相 位 调 节 器 的 参 数 ， 可 使 系 统由 失 锁 迅 速 捕 获 锁 定 ， 且 当 锁 定 后 ， 稳 态 相 差 几 乎 为 零 ， 不 至 于 使 系 统 因 外 界 干 忧 作 用 而 失 锁 。3.微 机 系 统 及 接 口 电 路 ：这 一 部 分 主 要 为 实

22、现 自 动 化 多 阶 谐 振 及 二 次 扫 频 振 动 时 效 工 艺 而 设 计 ：（ 1） 自 动 扫 频 、 检 测 及 绘 图 ：微 机 通 过 接 口 电 路 ， 向 锁 相 环 调 速 系 统 发 出 高 稳 定 度 可 变 频 率 信 号 。 使 电 机 能 在 约 6分 钟 时 间 内 ， 自 动由 初 始 转 速 升 至 最 高 转 速 。 同 时 ， 自 动 检 测 工 件 振 动 加 速 度 振 幅 ， 并 绘 制 出 Gn曲 线 ， 标 出 工 件 的 固 有 频率 。（ 2） 自 动 寻 找 共 振 峰 并 在 多 阶 振 动 时 效 过 程 中 ， 绘 制 在

23、各 个 激 振 点 上 振 动 时 效 的 GT曲 线 。（ 3） 实 现 自 动 定 时 ， 自 动 过 流 保 护 等 功 能 。微 机 系 统 及 接 口 电 路 框 图 （ 图 十 一 ） ， 其 中 微 机 采 用 自 行 设 计 的 80C196微 机 系 统 ， 通 过 接 口 电 路 芯 片（ PIO） 输出 各种 控制 信 号 .输入 各种 指令 和检 测信 号并 和绘 图仪 相连 绘 制 曲 线 和 打 印 各 种 参 数 ， 给 定 频 率 是 由 接 口 电 路 .可 予 置 分 频 器 .CD4046锁 相 环 芯 片 .锁 相 环 .1M晶 体 振荡 器 .固 定

24、分 频 器 等 组 成 。 由 PIO端 输 出 信 号 ， 控 制 可 予 置 分 频 器 的 予 置 端 ， 就 可 以 自 动 改 变 锁 相 环 调 速 系统 的 给 定 频 率 ， 完 成 自 动 扫 频 等 功 能 。系 统 程 序 框 图 （ 图 十 二 ） ：2、 加速 度 测 量 系统 ：该 系 统 的 框图 （ 如 图 十三 ） 。 图 中采 用 的 测 量传 感 器 是YD系 列 压 电 传 感 器 ， 具 有 灵 敏 度 高 .抗 基 座 性 能 好 等 特 点 ， 各 项 性 能 指 标 均 能 满 足 振 动 测 试 要 求 。 电 荷 放 大器 是 该 系 统 的 核 心 ， 它 对 输 入 回 路 参 数 的 改 变 没 有 任 何 限 制 ， 适 调 放 大 器 是 系 统 配 置 不 同 灵 敏 度 传 感 器 时 ，用 以 匹 配 调 节 系 统 的 参 数 ， 以 保 证 测 量 精 度 。