專利名稱：一種用于振動時效的頻譜分析判峰方法
技術領域：
本發明涉及對機械工件進行振動時效過程中對采集到的數據進行頻譜分析以及根據分析結果對工件進行振動時效的技術領域。
背景技術：
在機械加工行業，振動時效工藝是通過振動時效設備的控制系統控制聯結于工件上的激振器的轉動使工件被迫振動，工件受迫振動的動應力與工件內殘余應力疊加的和超過某一極限，使工件發生微觀塑性變形，來降低或均化工件內部的殘余應力，使工件尺寸趨于穩定，達到要求精度。
通常振動時效設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。
判峰方法是振動時效設備尋找工件固有頻率(共振頻率)及諧振頻率的方法。常規振動時效設備的判峰方法是用控制器控制激振器轉速從激振器的最低轉速緩慢升到最高轉速(這一過程稱為掃頻)，同時利用加速度傳感器采集工件受迫振動的加速度值(振幅值)，通過分析加速度-轉速曲線的極值點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應的加速度-轉速曲線上的極值點分別稱為共振峰和諧振峰)，這是傳統的判峰方法，是在時域進行的。共振峰與諧振峰在加速度-轉速曲線中的位置如附圖2所示。使用這種時域判峰方法的時效設備一般具有以下缺點一、常規振動時效設備掃頻時一般從激振器的最低轉速緩慢升到最高轉速，進行掃頻耗費時間較長(一般需要3-6分鐘，如果再進行二次掃頻以判斷時效的效果時，時間加倍)，這樣在進行大批量工件的振動時效時，就會嚴重影響工作效率，并且振動時效設備工作時間較長，會導致電力資源的浪費，振動時效設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間的噪聲。
二、對于大型工件，采用常規的判峰方法的振動時效設備通常可以分析出工件的共振頻率和諧振頻率。而對于小型工件，情況則不然。一方面，由于小型工件的剛性一般都比較大，掃頻的時候，在不同的激振器轉速下工件的受迫振動加速度值差異不大，導致用普通的判峰方法很難找到可以進行時效的共振峰或者諧振峰；另一方面，聯接在小型工件上的激振器在掃頻時容易導致工件整體隨著激振器進行振動，這樣加速度傳感器采集回來的加速度值就不準確，有可能誤判共振頻率，致使振動時效不能達到預期的效果。小型工件加速度-轉速曲線如附圖3所示，共振峰與諧振峰差異不大，很難發現共振峰。
三、對于固有頻率很高的一些工件，在激振器的額定轉速范圍內，用常規的掃頻方式，不能得到可以進行時效的共振峰或者諧振峰。
發明內容
本發明的目的是提供一種能夠減少掃頻時間、對小型工件判峰準確的用于振動時效的頻譜分析判峰方法。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的被處理工件定位后，振動時效設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線與振動時效設備的控制器相連接，通過加速度傳感器對加速度信號進行采樣、量化得到加速度值，通過控制器對經過采樣和量化處理的加速度信號進行低通濾波、加窗處理，使用離散傅立葉變換DFT對數據進行分析，得到各個頻率下的加速度值，從中選出加速度最大的值所對應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據采集設備對加速度信號進行采樣和量化。設采樣頻率為FS，采樣頻率是根據采樣定理來設定的，采樣頻率要大于兩倍的激振器最高頻率，對采樣數據采用若干比特進行量化。通常情況下，振動時效設備的激振器帶動工件振動，工件的振動頻率與轉速成正比。由于激振器本身具有一個最高轉速限制，即具有一個最高振動頻率，那么我們選擇激振器能夠產生的最高振動頻率作為信號的最高頻率，信號中高于激振器能夠產生的最高振動頻率的部分將在后續的低通濾波過程中被濾除。量化過程是對經過采樣的加速度信號用設定數量的比特進行編碼，通常采用8位或者16位比特。
第二步對經過采樣和量化處理的加速度信號進行低通濾波處理。濾除頻率高于激振器最高振動頻率的采樣信號。低通濾波器有多種設計方法，可根據實際情況選擇。
第三步對通過低通濾波的加速度采樣信號進行加窗處理，加窗處理對加速度采樣信號進行了截斷，確定了采用多少個采樣點參與后續處理。設這個點數為N，同時加窗過程中不可避免要產生頻譜泄露，所以加窗時可以根據實際情況采用不同的窗函數來抑制頻譜泄露。
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中截取N個采樣信號。
第四步對經過加窗處理的采樣信號進行離散傅立葉變換，也可通過離散傅立葉變換(DFT)的其它改進方法，例如快速傅立葉變換FFT來完成這個轉換。
離散傅立葉變換將時域信號轉化為頻域信號，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；WNnk=e-j2πNnk]]>N為經過加窗處理后截取的加速度采樣點數量；第五步加速度采樣信號經過DFT或者FFT處理過以后，產生加速度-數字頻率曲線，設加速度-數字頻率曲線中的數字頻率為w，頻率為F，數字頻率與頻率之間存在著換算關系w=2πFFS]]>FS為采樣頻率，通過對加速度-數字頻率曲線上加速度值的比較，找到加速度值最大點對應的數字頻率，根據這個數字頻率計算得到工件的固有頻率。然后根據需要的諧振峰數量找出等數量的次高點，根據次高點對應數字頻率利用上述公式計算出次高點對應的頻率，即得到需要的工件的諧振峰頻率。由于頻率與轉速成正比，所以可以找到工件共振峰和諧振峰對應的轉速。
本發明能夠產生的有益效果一、減少了掃頻時間，節省了能源消耗，減少了振動時效設備本身的損耗。通過激振器快速升速低速振動或者采用敲擊方式使工件產生受迫振動，節省了掃頻時間，在很短時間內達到了采集加速度數據，判斷工件共振頻率和諧振頻率的目的，達到了省時、省電、減少設備損耗、降低時效時的噪音的目的。
二、解決了采用傳統判峰方法的振動時效設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。而使用本發明中的基于頻譜分析判峰方法的振動時效設備，可以計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速范圍內選擇幾個諧振峰進行時效。
三、提高對小型工件判峰的準確性。頻譜分析判峰方法通過對信號的各個頻率上的加速度進行分析，能夠清晰分辨出工件的共振振動頻率，減少了時域判峰方法對小型工件共振頻率誤判的問題。
四、對于共振頻率超過激振器振動頻率范圍的工件，可以找到工件在激振器振動頻率內的諧振峰，解決了共振頻率超過激振器振動頻率范圍工件的振動時效問題。
圖1是振動時效設備組成示意圖；圖2是工件的加速度-轉速曲線示意圖；
圖3是小型工件的加速度-轉速曲線示意圖；圖4是本發明頻譜分析判峰方法示意圖。
具體實施例方式
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線。激振器和加速度傳感器分別通過導線與工件連接，激振器和加速度傳感器分別通過導線與振動時效設備的控制器相連接。
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，啟動具備頻譜分析判峰方法的振動時效設備，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行基于頻譜分析判峰方法的振動時效。如果選擇激振式，激振器在低速區快速掃頻，同時數據采集設備對加速度信號進行采樣、量化得到加速度值。采集過程結束時，控制器中的軟件系統中的頻譜分析判峰方法對加速度信號低通濾波、加窗處理、進行頻譜分析，得到最大加速度對應的頻率，即得到工件的共振頻率，同時得到各階諧振頻率，然后控制器控制激振器在共振頻率或者幾個選定的諧振頻率對應的轉速附近進行振動時效，如果工件的共振頻率對應的轉速超過激振器的轉速范圍，則選擇工件在激振器轉速范圍內的諧振峰附近進行時效，同時通過數據采集設備采集加速度信號值，當滿足預定的判斷標準時，在相應的振動頻率處的時效結束。如果選擇敲擊式，則立即用錘子在工件上敲擊一下，這時數據采集設備采集工件的加速度信號，以下處理過程同激振式相同。
權利要求
1.一種用于振動時效的頻譜分析判峰方法，被處理工件定位后，振動時效設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線與振動時效設備的控制器相連接，其特征是通過加速度傳感器對加速度信號進行采樣、量化得到加速度值，通過控制器對經過采樣和量化處理的加速度信號進行低通濾波、加窗處理，使用離散傅立葉變換DFT對數據進行分析，得到各個頻率下的加速度值，從中選出加速度最大的值所對應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.根據權利要求1所述的一種用于振動時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加速度信號進行采樣和量化，采樣頻率要大于兩倍的激振器最高頻率，對采樣數據采用若干比特進行量化。
3.根據權利要求1所述的一種用于振動時效的頻譜分析判峰方法，其特征是所述對經過采樣和量化處理的加速度信號進行低通濾波處理時，濾除頻率高于激振器最高振動頻率的采樣信號。
4.根據權利要求1所述的一種用于振動時效的頻譜分析判峰方法，其特征是所述對通過低通濾波的加速度采樣信號進行加窗處理，加窗處理對加速度采樣信號進行了截斷，確定了采用多少個采樣點參與后續處理。
5.根據權利要求1所述的一種用于振動時效的頻譜分析判峰方法，其特征是對經過加窗處理的采樣信號進行離散傅立葉變換，也可通過快速傅立葉變換FFT來完成這個轉換。
6.根據權利要求1所述的一種用于振動時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對數據進行分析，是指加速度采樣信號經過DFT或者FFT處理過以后，產生加速度-數字頻率曲線，通過對加速度-數字頻率曲線上加速度值的比較，找到加速度值最大點對應的數字頻率，根據這個數字頻率計算得到工件的固有頻率，然后根據需要的諧振峰數量找出等數量的次高點，根據次高點對應數字頻率計算出次高點對應的頻率，即得到需要的工件的諧振峰頻率。
全文摘要
本發明公開了一種用于振動時效的頻譜分析判峰方法。該方法的主要步驟為數據采集設備對工件受迫振動加速度值進行采樣，對采樣后的加速度值進行量化、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。該方法主要優點是能快速檢測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的準確度，并且能夠減少時效處理時間、降低噪聲、節約電能、減小振動時效設備的損失。
文檔編號G01M7/02GK1865886SQ20061000989
公開日2006年11月22日 申請日期2006年4月1日 優先權日2006年4月1日
發明者王鴻鵬, 李會濱, 韓殿文, 董德權 申請人:韓殿文
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