神力VSR-100智能频谱消除应力系统

神力VSR-100智能频谱消除应力系统

一、概    述

金属构件在机械加工过程中会产生导致尺寸精度和稳定性降低的残余应力，目前普遍采用热时效和传统振动时效（即亚共振时效）消除残余应力。每吨工件热时效费用至少500元，消耗180千克标准煤，排放410千克二氧化碳和13千克二氧化硫。这样一个成本高、能耗大、污染严重的传统工艺竟然沿用至今。而传统振动时效噪音大、振型单一、效果欠佳、处理范围受限、操作繁琐、操作者需有丰富的工艺经验，特别对于高刚性、高固有频率的工件更是传统振动时效的禁区。

频谱谐波时效技术是通过傅立叶分析方法对金属工件进行频谱分析，找出工件的几十种谐波频率，从中优选出效果最佳的五种不同振型谐波频率进行处理，达到多维消除残余应力的目的，提高尺寸精度及稳定性，防止其变形、开裂，广泛应用于机械制造业金属工件铸、锻、焊以及机加后的残余应力消除和均化。频谱谐波时效技术的时效周期短，工件尺寸稳定性比传统技术提高了 30%-50%，抗载荷变形能力提高 30% 以上，并且能够节约 95% 以上的能源，这非常符合目前绿色制造的要求。与传统技术相比，频谱谐波时效技术节约了成本与时间，为客户创造了价值。

上海清众科技有限公司生产的基于频谱谐波专利技术的VSR-100智能频谱消除应力系列产品彻底根除了传统振动时效的顽疾，使振动时效能够更好的替代热时效，在民用、军工等诸多企业应用获得成功，并攻克各重要领域关键结构件变形等一系列工艺难题，实现了工业绿色制造，为国家节能减排做出重大贡献。

公司和上海交通大学、大连理工大学、郑州机械研究院联合研制成功中国首台振动时效装置，并填补了国内空白。并于1998年开始基于频谱谐波技术的时效设备的科研攻关，1999年研制成功第一代频谱谐波时效产品—VSR100智能型谐波振动时效装置，并申请获得了国家发明专利（专利号：99112933.4，专利名称：智能谐波振动消除应力方法及设备），该产品2003年被国家五部委评为国家级重点新产品。经过10年的发展，这一技术和设备更是不断技术创新而得到了质的飞跃，基于该技术的产品已经发展到了第九代——智能频谱消除应力系统。

该技术是在原有振动时效技术上的提高和突破，通过傅立叶分析和蝶形算法，不需全范围扫频,在100 Hz内寻找低次谐波,然后用合适的能量在多个谐波频率振动,引起高次谐波累积振动,产生多方向动应力,与多维分布的残余应力叠加,造成塑性屈服,从而降低峰值残余应力,同时使残余应力分布均化。该技术不论工件的大小、固有频率及刚度高低、何种材质,均能找出5种不同振型的谐波峰,不受激振器转速范围限制,对激振点和拾振点无特殊要求,能够处理亚共振无法处理的高刚度、高固有频率的工件,能够满足对尺寸精度要求高的工件,振动噪声低,在机械行业的覆盖面达到100%。

二、频谱谐波振动时效消除应力的机理

对于振动过程的机理,国内外已经进行了大量的研究工作,取得以下的共识。振动就是对金属构件施加周期性的作用力(动应力R动)。在振动过程中,施加到金属构件各部分的动应力R动与内部残余应力R残叠加,当叠加幅值大于金属构件的屈服极限Rs,即R动+R残\Rs时,这些点晶格滑移,产生微小的塑性变形,达到释放残余应力的目的。从微观上看,频谱谐波振动时效就是给金属构件提供机械能,使约束金属原子复位的残余应力释放,加快金属原子回复平衡位置的速度。从金属物理学上看,频谱谐波振动时效的过程,实质上是金属材料内部晶体位错运动、增殖、塞积和缠结的过程。由于金属材料存在位错,所以在构件内部产生的交变动应力与内部的残余应力相互叠加,在应力较高的区域,就可产生位错滑移,出现微小塑性变形。位错滑移是单向进行线性累积的,当微应变累积到一个宏观量,金属组织内残余应力较大处的位错塞积得以交替开通,局部较大残余应力得以释放,构件宏观内应力随之松弛,使残余应力的峰值下降,改变了构件原有的应力场,最终使构件的残余应力降低并重新分布,使较低的应力达到平衡。位错塞积后造成位错移动受阻,从而强化了基体,提高了构件抗变形能力,使构件的尺寸精度趋于稳定。

三、频谱谐波振动时效功能优势

频谱谐波振动时效使用傅立叶（DFT）快速算法对工件进行采样、量化、低通滤波、加窗处理，使用离散傅立叶变换（DFT）对数据进行分析，在100HZ内寻找各个频率下的低次谐波 ，利用计算机及其接口电路执行软件程序，进行频谱分析，求谐波分量并加以排队，加窗及求取最高密度窗，求取占窗数，计算出一组最佳频率组合。然后用合适的能量在每个谐波频率振动，引起高次谐波累积振动，产生多个方向的动应力，与多维分布的残余应力相叠加，使工件产生微观塑性屈服，从而降低和均化工件内部残余应力，达到稳定工件尺寸精度的目的。

（一）其独特优势功能：

1、采用频谱分析谐波处理技术，解决了传统振动时效因激振器频率范围限制而不能对高刚性高固有频率工件进行振动时效处理的难题，从而大幅度地提升了振动时效产品在机械制造业的应用面，使振动时效完全替代热时效有了可能。

2、对所有工件都可分析出内部的谐波频率，优选处理效果最佳的5种振型频率，2种备选频率，从而解决了传统振动时效产品对残余应力呈多维分布、精度要求高的结构复杂工件无法处理的难题。多方向多振型动应力与工件内部多维残余应力充分叠加，使处理效果远远优于热时效和传统振动时效。

3、设备高度集成智能化，完全能够自动寻找、优化、选定振动时效工艺参数，对激振点、支撑位置、信号采集位置无特殊要求，对工艺方案完全靠设备自动制定而无需人为参与，从而对操作者要求很低，保证不同操作者使用而获得相同的工艺效果。

4、由于采用6000rpm以下的低频谐波，振动噪音很小，大大降低了工作现场的噪音污染，为实现工业生产的绿色制造又向前迈进了一步。

5、减少了扫频时间，节省了能源消耗，减少了振动时效设备本身的损耗。

6、提高了对小型工件判峰的准确性。

（二）该设备具有以下特点：

1、以windows XP为系统平台，功能强大，扩展无限，图形界面超人性化设计，时尚简约。系统集成以下功能模块：频谱智能、频谱设定、亚共振智能、亚共振设定、亚共振手动、振动焊接。

2、对激振器位置、拾振点、支撑点位置无特殊要求。

3、工艺定型功能

系统频谱分析、数据采集、优化选择7个频率后，可直接停机（不处理任何频率）或者时效处理完毕后，保存当前的7个振动频率，在下次处理同一工件或同样工件的时候，可以直接调用保存的7个频率进行时效处理，而不需要经过数据采集、频谱分析。

4、振动频率精调功能：

时效过程中，可通过按“点升”或“点降”键改变当前时效频率，在上升或下降过程中，通过观察加速度值的变化，当达到最佳效果时，停止调整，以当前频率进行时效处理。此功能还可以当振动强度或工作电流比较大的情况下，降低振动强度或工作电流，以保护系统并提高激振器使用寿命。

5、数据动态保存功能：

在时效处理时，设备因断电、电流过载等原因中止时，系统可自动把已经处理完毕的数据保存在1 个临时文件中。当重新启动机器后，可找到临时文件，以新的文件名保存、打印或继续进行时效处理。

6、高效、严格的数字信号处理，无需进行全程扫描，即可得到相应的峰值，并可自动确定最佳的振动频率组。

7、当系统瞬间电流超过电机额定电流，但小于系统最大保护电流时，系统依然能够正常工作。

8、加装高精尖设备需要的电源滤波器，防止工作电流受干扰波动时设备造成损伤。

9、电机驱动电路采用稳压控制电路，电机工作中电流波动小、电机运行平稳；消除了电流脉冲产生的尖音，噪音低；电机长时间工作时，温升小、可靠性高，延长了电机使用寿命。

（三）、质量保证：

1、产品制造标准：JB/T5925.2-1998《机械式振动时效装置技术条件》。

2、产品验收标准：JB/T10375-2002《焊接构件振动时效工艺参数选择及技术》、《振动时效工艺参数选择及技术》及中华人民共和国兵器行业标准WJ2696-2008《装甲车辆振动消除应力技术要求》。

3、所有产品的生产质量管理体系严格按照ISO9001：2008标准执行。

4、设备电气控制和低压电气元件均采用知名企业产品，签订长期供货合同，批量采购，进厂后进行严格的老化、检验筛选，确保质量。

5、每块电路板经过防潮、防尘、防水处理，保证硬件系统可靠性。

6、每台设备经过高低温、震动、大电流拉载、过载电流冲击等实验，保证整体设备在各种环境下的可靠性、稳定性。

7、机箱采用独特散热设计，保证设备在大电流工作下稳定性。

8、关键部件通过特殊方式安装、固定，避免运输中由于碰撞造成接触不良。

四、软件功能介绍

1.频谱模式

1.1频谱谐波模式无需全程扫描，自动淘汰亚共振频率，振动频率为6000rpm以下，超低噪音，绿色环保。

1.2先进的频谱分析技术，可从数十种谐波频率中自动优选5个频率和2个备选频率进行时效处理。

1.3百种工件，一种工艺，解决了高刚性、高固有频率等工艺难题。

1.4对工件实现多维多振型处理，处理效果明显优于传统亚共振时效和热时效。

1.5 "文件处理系统"可移动到任何一台PC机上，随时备份、显示、打印处理时效数据曲线；

1.6可存储每一种时效过工件的参数曲线数据，再次时效同类工件时可直接调用进行时效处理。

1.7全程实时监控电流、加速度等运行值，如过载自动停机以保护设备。

1.8可手动循环精调时效频率。

2.亚共振模式

2.1中国首台亚共振设备诞生地，经典传承。

2.2任意设定区间，扫描后自动分析判峰，制定最佳时效点进行时效处理。

2.3多种亚共振模式，时效工艺科学、人性化。

3.振动焊接模式

边振边焊，减少焊接变形，减少焊缝夹渣、气泡，改善焊液流动性，极大提高焊接质量，减少焊接残余应力，提高构件加工精度和尺寸稳定性。

五、硬件配置介绍

控制箱：

1、高档合金机箱，最新电磁屏蔽技术，防止因干扰造成信号波动、失真；配有独特双通道风冷散热系统，机箱散热良好；

2、军工级防水键盘，超清晰14寸工业A级液晶屏，随机动态曲线，图形时效数据清晰明了；

3、主机采用进口专业设计的工业级便携式计算机，具有超快数据运算、处理能力；

4、进口工业级计算机主板，支持Intel Pentium D（双核处理器）、Pentium4、Celeron D等主流处理器；支持IDE或SATA接口的硬盘；

5、Intel公司原装中央处理器（CPU），主频：1.66Ghz；

6、主板内存4G，最大支持8G；

7、Intel固态硬盘500G，可大量存储各种工件的处理资料、曲线、图表等，以便随时查阅；

8、人机操作界面：键盘和鼠标；

9、4个USB端口，方便用户通过移动硬盘或U盘备份数据；

10、高速多通道A/D数据板，保证了数据采集高速、准确、有效；

11、下位机采用高性能微处理器，具有频率精调功能，稳频精度达±1rpm；

12、先进稳波数字电路设计，电气特性平稳、无电气噪音；

13、硬件配置可由顾客任意选配，系统功能模块化设计，系统可以随时升级；

14、德国西门康IGBT主回路技术，自主设计的吸收电路模块，使系统更加稳定、安全可靠；

15、可标配任何PC打印机，高清快速打印时效曲线图表等数据；

16、加速度值按国家标准在规定范围内进行校订，以保证振动强度。

激振器： VSR100-C型

1、唯独我公司自行制造的振动时效专用激振器由上海交通大学专家特殊设计，我公司规模化生产，采用4碳刷设计，原装进口轴承；

2、电机采用稀土永磁材料，具有高导磁性能、磁损小、永不退磁、体积小、重量轻、扭力大、温升低、噪音小、寿命长，并设有防尘保护，避免粉尘及杂物吸入造成电机短路，具有良好的稳态工作性能,使用寿命10年以上；

3、电机采用专业设计的无源永磁脉冲测速系统，反馈信号标准、规范、稳定，测速更精准，避免了光耦式反馈测速系统易损坏的难题；

4、稳频精度：±1rpm

5、额定转速：1000-8000rpm

6、额定功率：3300W

7、最大激振力：0-50KN（可处理重量300吨左右工件）

8、保护电流：15A

9、加速度测量范围：0～199 m/s²

六、设备工作环境

电    源：交流220V±10%、50Hz应可靠接地；

环境温度：

控制器：-5℃～50℃

激振器：-15℃～50℃

七、适应材料

可广泛应用于材质为碳素结构钢、低合金钢、不锈钢、铸铁、有色金属（铜、铝、锌及其合金）等铸件、锻件和焊接件的时效处理。

主要内容

本系统是旨在通过采用新的判峰算法和硬件系统来提高振动时效系统的工作效率，缩短运行时间，减少振动时效系统的运行噪声，同时增加一些新的功能。本项目将采用上下位机的方式研发一种基于频谱分析判峰方法的新型振动时效系统以解决现有振动时效系统存在的问题：例如，扫频时间长、对小型工件判峰不准确、有时甚至无法找到峰；对很多复杂工件因高刚性、高固有频率而无法时效处理的难题等。

振动消除应力系统硬件部分的基本构成如图1所示。基本由以下几部分构成：微控器、程序存储器、数据存储器、显示器、键盘、功率转换电路、加速度检测、转速检测、电流检测、激振器（一种带有偏心的专用电机）。

最终的系统将实现以下主要功能：

1）频谱分析振动时效：采用频谱分析判峰技术获得工件的共振峰和谐振峰，并自动选择低转速的峰进行振动时效，从而降低运行噪音，延长激振器的实用寿命。这种时效方式可以解决高刚性、高固有频率工件的处理难题，对任何工件都能进行有效的时效。

2）在同一坐标系内用不同颜色动态显示振前（G-N1）、振后（G-N2）、时效（G-T）曲线。

3）在频谱时效工作模式下，系统自动分析工件的共振峰和谐振峰并自动选择峰值进行自动时效处理。

4）市场上现有的振动时效系统由于无法找到刚性很大的工件的时效峰，不能时效刚性很大的工件，而新的系统可以对各种工件进行时效。

解决的关键技术

现有的振动时效设备的判峰方法是用控制器控制激振器从最低转速均匀缓慢升到最高转速（这一过程称为扫频），同时利用加速度传感器采集工件受迫振动的加速度值（振幅值），通过分析振幅－转速曲线的极值点来判断工件的共振峰和谐振峰，这是目前常用的判峰方法，是在时域进行的。使用这种时域判峰方法的时效设备具有以下缺点：

1）常规振动时效设备扫频时一般从激振器的最低转速均匀缓慢升到最高转速，进行扫频耗费时间较长，这样在进行大批量工件的振动时效加工时，就会严重影响工作效率，并且振动时效设备工作时间较长，会导致电力资源的浪费、振动时效设备本身的使用寿命缩短、操作人员要忍受长时间的噪声等问题。

2）对于大型工件，采用常规的判峰方法的振动时效设备通常可以分析出工件的共振频率和谐振频率。而对于小型工件，情况则不然。一方面，由于小型工件的刚性一般都比较大，扫频的时候，在不同的激振器转速下工件的受迫振动加速度值差异不大，导致用普通的判峰方法很难找到可以进行时效的共振峰或者谐振峰；另一方面，联接在小型工件上的激振器在扫频时容易导致工件整体随着激振器进行振动，这样加速度传感器采集回来的加速度值就不准确，有可能误判共振频率，致使时效不能达到预期的效果。

3）对于固有频率很高的一些工件，在激振器的额定转速范围内，用常规的扫频方式，不能得到可以进行时效的共振峰或者谐振峰。

针对上述问题，本系统重点解决了以下关键技术问题：

1）对已有的扫频判峰方法进行改进，缩短判峰时间，提高工作效率，同时使系统可以对任意工件进行振动时效，弥补现有振动时效设备的不足。

2）采用频谱分析技术进行判峰，使得新的振动时效系统可以处理各种工件，同时缩短判峰时间，提高工作效率。

3）激振器的控制电路。现有的激振器控制电路是基于锁相环技术的，我们将采用IGBT作为主要部件实现激振器的控制电路。

4）激振器的控制算法。由于激振器是和待处理的工件固定在一起的，这就决定了激振器的传递函数是变化的，本项目需要给出一种鲁棒性很强的控制算法，以便整个系统在不同的负载情况下都可以很好的工作。

采用的方法、技术路线

系统总体结构

本系统主要由以下几部分组成：微控制器（采用FPGA或者ARM）、加速度、转速及电流检测电路、LCD显示器、存储单元、打印机、功率转换电路、激振器、按键等。如图2所示：

微控制器 采用Xilinx公司的Spartan-3E系列的芯片或者ARM做中心控制器，它是振动时效微机控制系统的核心部件，负责对各种采集来的加速度信号、电流信号、转速信号进行处理，发送显示信号到显示器，接收键盘传送来的指令，发送控制信号到打印机，并发送PWM（脉宽调制）信号到激振器等工作。

激振器 强迫工件振动并将转速及激振频率反馈回主机。激振器是一种带有偏心的专用电机，它接收经过功率转换电路得到的控制信号（PWM），根据PWM的占空比来调节它自身的转速，并产生激振力使工件进行振动，激振器的振动带动工件的振动，这样我们可以通过合理的控制激振器的转速来达到获取工件固有频率或谐振频率的目的。

软件设计

本系统软件设计采用模块化设计思想，将振动时效系统的整体实现过程分为各个功能模块，具体包括总控模块、速度测量与控制模块、模数转换模块、存储器控制模块、FFT控制模块、FFT运算模块、波形显示模块、时效处理模块以及打印模块等子模块，如图3所示：

总控模块 它是整个振动时效软件系统的控制中心，如果没有消息传入，则一直处于循环等待状态，当有开始键按下时，它送出后面各个模块工作的使能信号，开始时效过程。

速度测量与控制 根据MT测速法对激振器传入的速度脉冲进行分析，得出当前激振器的转动速度值，并将此速度与事先设定标准速度进行比较，送出不同占空比的PWM（脉宽调制）控制信号，来调节激振器的转动速度。

FFT运算模块 FFT运算模块对数据进行FFT处理，将时域信号转化为频域信号。

时效处理模块 时效模块的作用是当得到固有频率和谐振频率值后，控制激振器在此处附近持续转动数分钟，以达到通过振动消除工件内应力的目的。

采用的方法、技术路线

3.3.1微控制器的选择：

本项目将采用FPGA或者ARM作为核心的微控制，具体选择将根据频谱判峰算法在FPGA和ARM的运行速度情况、LCD显示器和存储等方面的要求进行分析和试验后决定。

3.3.2激振器控制电路方案

将采用IGBT作为核心部件实现激振器的控制电路，以替代以往的基于锁相环技术的控制电路。

3.3.3实现高效率振动时效的措施：

1) 在已有的时域扫频判峰方法的基础上进行改进，缩短判峰时间（可以缩短10%左右），提高工作效率。

2) 采用新的基于频谱分析的判峰方法，把判峰时间从7-8分钟缩短到几秒钟，这样可以极大地提高系统处理工件的效率；同时使系统可以对任意工件进行振动时效，弥补现有振动时效设备的不足。

系统的特色和创新突破点

4.1硬件方面：现有的振动时效设备一般是以单片机作为处理器的（这种方式接口少、系统运算能力不足），或者采用单片机作为下位机、工控机作为上位机的方式（接口丰富、功能强大，但成本高），本项目中采用FPGA或者ARM作为核心微处理，与上下位机的方式相比可以以相对低廉的成本提供丰富的外围接口，同时FPGA或者ARM与单片机相比可以提供较强的运算能力。

采用IGBT作为主要元件实现激振器的控制电路，减小了控制电路的体积和重量。缩小硬件体积，提高电路的数字化程度，实现数字化控制算法。

4.2判峰算法：已有的时域均匀扫频判峰方法判峰时间较长，而且对于刚性较大的工件，在激振器的有效转速范围内无法确定工件的共振峰和谐振峰。而本项目的频域判峰方法减少了扫频时间，节省了能源消耗，减少了振动时效设备本身的损耗,达到了省时、省电、减少设备损耗、降低时效噪音的目的。另外，还解决了采用传统判峰方法的振动时效设备无法找出部分小工件和刚性很大的工件的谐振峰的问题。

4.3软件方面：本项目开发的软件是通用的，对于不同型号的激振器，只要用户设定之后，系统自动调整相关数据、用户界面和激振器控制算法。另外，下位机采用模块化的程序设计，上位机采用面向对象设计和开发，提高产品的可靠性和易维护性

附件：1

          频谱谐波振动时效与传统振动时效对比表 

      频谱谐波消除应力系统货物清单