基于单片机的振动时效仪的研制.doc

基于单片机的振动时效仪的研制王建刚张责庆，刘世晶（山东青州卷烟厂，山东青州；中国海洋大学工程学院，山东青岛）动消除残余应力机理的基础上，提出了一种以（单片机为核心的振动时效系统，介绍了该系统在的主要创新。本系统控制精度高，人机界面友好具有广阔的应用前景。振动时效；信号检测引言文献标识码：文章编号：（）频率接近工件的固有频率，构件与激振器处于共振状态，金属的焊接、淬火、铸造等工艺过程都会使构件产生残余应力，而残余应力的存在对金属构件的强度、疲劳寿命以及结构变形等方面都有很大影响。传统的时效处理方法有自然时效法和热时效法。自然时效周期长，效果差；热时效法不仅成本高，还可能改变材料的微观结构与性能。与上述两种方法相比较。振动时效具有明显的优点，它能使构件的机械性能显著提高，且使用方便、耗能低、耗时短，具有很强的适应性。振动消除残余应力的机理振动时效处理是对构件施加一交变应力，如果交变应力的幅值与构件某点所存在的残余应力之和达到材料的屈服极限，这些点将发生塑性变形；若这种交变应力使构件内部的某些点产生品格滑移，尽管宏观上没有达到屈服极限，这同样会产生微观的塑性变形，况且这种塑性变形往产生最大的交变应力。另外，通过实验可发现在振动处理前后，构件在同一点的幅值以及幅频特性都有明显变化。）振动处理前后幅频特性的变化图为一构件在振动处理前后的幅频特性曲线。由图可见，随着残余应力的消除构件在该点处的固有频率下降，共振点的幅值升高，波高处的频带变窄，说明阻尼在减小。往是首先发生在残余应力最大的点上。因此这些受约束的变形就得以释放，从而降低了构件的残余应力，这就是振（）动消除残余应力的基本机理。如果残余应力下降后，交变应力与残余应力之和小图振动处理前后的幅频特性曲线于材料的屈服极限时。构件保持稳定的应力状态。因此振动处理到一定周次后，如果不提高作用力的幅值，继续处理已不再起作用。可见。振动消除残余应力的必要条件是外界的动应力与残余应力叠加后大于材料的屈服极限，即盯硇矗砸。振动时效过程就是将一个具有偏心重块的电动机（称做激振器）安放在构件上，并将构件用橡皮垫等弹性物体支承起来，通过振动控制器调节电机转速，使电机的转动收稿日期：万方数据）振幅随时间的变化由于残余应力随处理周数在变化，因此振幅也随着时间变化。如图所示。振幅在分钟内变化比较明显，分钟左右为上升趋势，然后下降，分钟后趋于平稳。这是由于在振动处理开始时，激振频率小于构件的固有频率，在振动处理过程中随着残余应力的下降，构件的固有频率不断减小，固有频率等于激振频率时振幅最大，振动处理结束时固有频率小于激振频率。这也的电流反馈，电压检测作为指示值；电流电压传感器均为霍尔传感器，直接输出所需要的电压信号，经线性隔离后，送入的转换器。加速度检测：加速度的大小反映振动幅值的大小，对加速度的检测采用压电式加速度传感器，输出的电荷信号经电荷放大、全波整流、滤波、线性光电隔离后送入的转换器。控制电路图振幅随时间变化曲线如图所示，本系统的控制电路是以大功率晶体管（）为核心的功率转换电路。输出的脉宽调制是选择激振频率的基本依据。系统的组成及其关键技术如图所示，本系统主要由系统核心部分、人机接口部分、信号检测部分以及输出控制部分组成。信号（）通过基极驱动模块直接控制电机的电枢电压。这种电路具有结构简单、开关频率高、调速范围宽、主回路脉动成分少、低速运行特性好等特点。直流电机的调速采用了转速和电流双闭环控制，在转速环内设置从属的电流环。它具有以下特点：）可以用限制相应参考信号的办法来对中间变量进行限幅；）利用转速调节器的饱和非线性和双闭环的串级结构，很好地解决了转速负反馈和电流负反馈的矛盾；）电网电压的扰动被包在电流环里面，可以及时地通过电流反馈得到调节。控制算法采用模糊规则设计【。图系统总体结构框图微处理器基本系统本系统采用接口功能丰富的高档单片机作为系统核心。它具有路位）转换器，个捕捉寄存器，两路位分辨率的脉冲宽度调制输出，这些功能减少了外围接口电路，使系统结构紧凑，提高了系统的抗干能图控制电路结构框图力；外部数据存储器采用高速数据不挥发，系统在工作过程中由于意外事故造成突然断电时可保存有关信息，系统上电后继续工作；人机交互通道是以可编程接口芯片为核心的键盘显示电路；仪器性能该仪器完成组装以后进行了性能测试实验，测试过程持续一个月。在此期间，系统运行正常，各项指标均符合设计要求。整机性能如下：微型绘图仪输出振动过程中的幅一频特性曲线和振幅一时间曲线。调速范围（）：最大激振力（）：肌信号检测部分可处理工件重量（）：电机转速检测：电机的转动频率就是激振频率，对转速的检测可实现转速负反馈，转速传感器采用涡流传感器，输出的脉冲信号经整形滤波后。送至捕捉寄存器的输入端，由捕捉寄存器测出两脉冲之间的时间间隔，即可得到转速。这种方法克服了法（在定时时间转速精度（）：定时范围（）：自动工艺方式（种）：可设定工艺方式（种）：打印功能：，曲线内测脉冲个数）转速检测周期长的缺点。电流电压检测：本系统中电流检测用于双闭环系统中结论本文介绍的振动时效系统的研制工作在硬件电路、电（下转第页）万方数据扰信号。眦控制系统属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等影响，装置之间的信号频率一般都低于，所以控制系统接地应采用一点接地方式，如图所示，接地线应粗一些，以减小各个电路部件之间的地电位差，从而减小地环电流的干扰。系统造成了大的干扰而使系统出现异常时，控制系统能对其及时反应，并根据出错状态决定系统下一步的补救措施，常用有以下一些容错方法。）程序重复执行技术。在程序执行过程中，一旦发现现场故障或错误，在某些情况下可以重新执行被干扰的先行指令若干次。若重复执行成功，说明引起控制系统故障的原因为干扰，否则是干扰以外的原因，此时应输出软件失败（）并停机、报警。）对死循环作处理。在程序中设计了软件狗定时程序，当定时超过原定时间时，可以断定系统进入了死循环。当控制系统进入了死循环，可以根据程序的判断，决定下一步是停机还是进入相关的子程序进行系统的恢复。）软件延时。为确保重要的开关量输人信号、易抖图一点接地方式示意图动信号的检测和控制回路数据采集的正确性，可采用软件延时，并对同一信号多次读取，如结果一致，另外，屏蔽地、保护地不能与电源地、信号地等各其他地接在一起，只能独立接到接地铜牌上。信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；信号源不接地时，屏蔽层应接在侧接地。信号线中间如有接头，屏蔽层应牢固连接产进行绝缘处理，一定要避免多点接地，多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏蔽电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并进行绝缘处理，选择适当的接地点进行单点接地。 控制系统的软件抗干扰措施在控制系统中。由于干扰源的复杂性，通过硬件上采取相应的抗干扰措施能在极大程度上抑制干扰，但很难彻底消除。因此，在控制系统的软件设计和工程组态上。还应在软件上采用一些抗干扰设计，如采用数字滤波和软件容错编程等方法，提高系统的抗干扰能力【。数字滤波现场的模拟量信号经转换后变为数字信号，存入中，再利用数字滤波器对其进行处理，滤去噪声信号才确认有效，这样可消除偶发于扰的影响。结束语控制系统的干扰是一个相当复杂的问题，在抗干扰防护设计中应综合考虑系统各方面的因素，采取相应抑制措施，合理有效地抑制各种干扰，才能够使系统正常工作。在实际操作过程中，首先结合现场条件，分析存在的干扰源，然后有针对性地设计抗干扰措施，主要在硬件设计中采取相应的保护措施，软件方面的抗干扰设计是补充，以使系统更加安全可靠。参考文献：周万珍，高鸿斌分析与设计应用】北京：电子工业出版社。】王培清，李迪译电子系统中噪声的抑制与衰减技术北京：电子工业出版社【】熊幸明，张文希控制系统可靠性设计的研究，煤矿机电。（）：刘善增控制系统的可靠性设计。工业控制计算机而获得所需的有用信号。常用的滤波方法有平均值滤波、中间值滤波、加权滤波和滑动滤波法等，采用数字滤波可。（）：有效地消除周期性干扰【“。软件容错第一作者简介：李斌，男，年生，湖南益阳人，大学本科，讲师。研究领域：电气工程及自动控制技术。已发表论文所谓容错就是在于扰不能避免的情况下。万一对控制篇。（编辑：王智圣）。（上接第页）机控制原理和系统软件的设计等方面较国内现有的振动时效仪有较大创新。该系统人机界面友好，控制精度高，抗干扰能力强，因此具有广阔的应用前景。参考文献：房德馨金属的残余应力与振动处理技术，【大连理工大学出版社机械工业出版社，戎月莉计算机模糊控制原理及应用北京航空航天大学出版社，第一作者简介：王建刚，男，年生，山东青州人，大学本科。研究领域：机电一体化和测控技术。秦继荣，等现代直流伺服技术控制技术及其系统设计万方数据（编辑：梁玉）基于单片机的振动时效仪的研制作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：王建刚， 张贵庆， 刘世晶王建刚,张贵庆(山东青州卷烟厂,山东青州,262500)， 刘世晶(中国海洋大学工程学院,山东青岛,266100)机电工程技术MECHANICAL & ELECTRICAL ENGINE