第第八八章章 微微机机控控制制振振动动时时效效设设备备的的设设计计要要点点：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。一一、振振动动时时效效的的简简单单机机理理及及基基本本参参数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。二二、振振动动时时效效效效果果快快速速检检测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，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，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。三三、共共振振时时激激振振电电机机运运行行特特点点. .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 = (men)/Cmm利用上式可绘出Ia/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。四四、振振动动时时效效设设备备的的设设计计要要点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。（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。