三维振动消除应力多任务采集和控制系统及其方法 技术领域 本发明涉及一种振动消除应力的采集和控制系统及其方法， 特别是一种包括若干 控制单元， 每个控制单元采用三维数据采集， 可以独立进行数据采集， 傅立叶频谱分析的三 维振动消除应力多任务采集和控制系统及其方法。
背景技术
振动消除应力技术 (VSR)， 即利用一种严格受控的振动能量， 对金属工件进行处 理， 以解决工件加工过程中和加工之后出现的内部残余应力导致尺寸变化及抗载荷能力变 化的问题。VSR 对消除、 减少或均化金属工件内的残余应力， 提高工件抗动静载、 抗变形能 力， 稳定尺寸精度有重要的功效。
目前， 在现有振动消除应力系统中， 一台控制设备只能连接一套传感器、 控制一台 激振器运行。无论是在振动频率分析过程中还是在找到频率后、 时效处理过程中， 采用单 一传感器在垂直方向或水平方向或轴向方向放置于金属工件的表面， 参见图 1， 无论哪个方 向， 传感器都是从单一维度方向获取振动信号， 而金属工件其谐振频率的振动形态是多方 向的， 水平、 垂直、 轴向不同方向都是存在的。 另外， 参见图 2， 现有振动消除应力系统每套控 制设备都需要一个操作者， 在实际运用中， 对于生产批量大的企业来讲， 为了完全满足生产 处理量的需求， 控制设备可能需要几十台， 甚至上百台， 这样导致操作工人数量急剧增加， 同时占用大量场地， 提高了企业生产成本、 降低了效率。
同时参见公开号为 CN1584532A， 名称为振动消除应力和振动焊接过程中的参数检 测方法及其应用的专利申请， 公开号为 CN100485053C， 名称为利用频谱分析对工件进行全 自动振动处理的方法的专利， 以及公开号为 CN101328535A， 名称为振动消除应力多任务控 制系统的专利， 在上述专利中传感器采用三维传感器进行信号采集， 但是其采集的三维信 号为加速度， 振动幅值和动应力， 采集后需要进行计算， 送到后面通过对加速度、 振动幅值 和动应力等处理才可以消除应力， 使得计算复杂， 工作过程繁琐， 且后两篇专利均采用一维 传感器进行采集信号， 采集一维信号的数据单一， 不能全面反映工件的振动情况。 发明内容
针对上述现有技术的缺陷， 本发明的目的是提供一种采集更为简化， 方便， 保证傅 立叶频谱分析时， 工件不同振动型态谐振频率的分布更广、 数据更完善， 不会产生遗漏 ； 保 证对傅立叶频谱分析的谐振频率进行排序、 优化时， 其结果更准确 ； 保证振动时效处理时， 效果更好的三维振动消除应力多任务采集和控制系统及其方法。
为达到上述目的， 本发明采用如下技术方案 ：
一种三维振动消除应力多任务采集装置， 包括至少一个工件、 至少一个激振器、 配 合每个工件的传感器， 所述传感器采集所述工件的三维信号， 所述三维信号用于进行傅立 叶频谱分析获取工件的固有频率及谐振频率的分布。
本发明的三维振动消除应力多任务采集装置， 其中所述传感器还连接有信号处理装置， 所述信号处理装置将所述三维信号合成为一路信号。
本发明的三维振动消除应力多任务采集装置， 其中所述信号处理装置包括采集装 置、 叠加装置和模拟 / 数字转换装置。
本发明的三维振动消除应力多任务采集装置， 其中所述采集装置采集采样频率范 围在传感器额定频率范围以内的数据。
本发明的三维振动消除应力多任务采集装置， 其中所述传感器为单个三维有线传 感器， 或者单个三维无线传感器， 或者三个单维有线传感器、 或者三个单维无线传感器。
本发明的三维振动消除应力多任务采集装置， 其中所述三维信号为电信号或光信 号。
本发明的三维振动消除应力多任务采集装置， 其中还包括辅助工装， 包括压板和 与压板相配合的连接装置， 所述压板与所述工件刚性配合， 所述传感器放置在所述压板上 或所述工件上。
本发明的三维振动消除应力多任务采集装置， 其中所述三维信号可用二维信号或 者一维信号替代。
本发明的三维振动消除应力多任务采集装置， 其中所述三维信号可用二维信号或 者一维信号替代。
一种采用上述的三维振动消除应力多任务采集装置的三维振动消除应力多任务 采集和控制系统， 还包括主机装置、 至少一个激振器驱动装置， 所述主机装置按最大能量吸 收原则和多振型原则对所述工件的固有频率及谐振频率的分布进行分类和选择， 并驱动激 振器驱动装置驱动所述激振器按所述主机装置所选择的频率进行振动， 通过振动消除所述 工件的应力。
一种采用上述的三维振动消除应力多任务采集装置的三维振动消除应力多任务 采集和控制系统， 还包括主机装置、 至少一个激振器驱动装置， 所述主机装置按最大能量吸 收原则和多振型原则对所述工件的固有频率及谐振频率的分布进行分类和选择， 并驱动激 振器驱动装置驱动所述激振器按所述主机所选择的频率进行振动， 通过振动消除所述工件 的应力。
本发明的三维振动消除应力多任务采集和控制系统， 其中所述传感器采集数据， 所述主机装置从采集的数据中优选一组最佳数据， 并进行处理或人工选择一个或 N 个数据 进行处理， 所述 N 为大于等于 2 的自然数。
本发明的三维振动消除应力多任务采集和控制系统， 其中所述传感器采集数据， 所述主机装置从采集的数据中优选一组最佳数据， 并进行处理或人工选择一个或 N 个数据 进行处理， 所述 N 为大于等于 2 的自然数。
本发明的三维振动消除应力多任务采集和控制系统， 其中所述主机装置所优选的 一组最佳数据， 可在所述工件表面粘贴应变片或应变花， 通过应变检测仪器， 检测被振体在 每个优选频率下振动时其动应变的方向和值的大小， 根据方向和值的大小判断每个频率振 动型态的有效性。
一种三维振动消除应力的方法， 包括如下步骤 ：
设置至少一个工件、 至少一个激振器和配合每个工件的传感器 ；
传感器采集工件的三维信号 ；对三维信号进行傅立叶频谱分析获取工件的固有频率及谐振频率的分布 ；
获取消除工件应力的振动频率。
本发明的三维振动消除应力的方法， 其中还包括将三维信号合成为一路信号。
本发明的三维振动消除应力的方法， 其中所述将三维信号合成为一路信号包括， 先按照振幅叠加后进行模拟 / 数字转换， 或者先进行模拟 / 数字转换后按照相同位置累加。
本发明的三维振动消除应力的方法， 其中所述设置工件和激振器包括 ：
(1) 用弹性支撑物支撑在将被振动处理的工件下面， 保持工件平稳 ；
(2) 在工件上安装激振器、 采集三维信号的传感器， 并将激振器与激振器驱动装置 相连、 激振器驱动装置与主机装置相连， 传感器与主机装置相连 ；
所述传感器采集工件的三维信号和所述对三维信号进行傅立叶频谱分析获取工 件的固有频率及谐振频率的分布还包括 ：
(3) 启动激振器、 传感器和主机装置， 主机装置驱动激振器驱动装置驱动激振器在 激振器为 16Hz 至额定频率范围内进行振动， 通过传感器， 在传感器额定采样频率范围内采 集三维信号 ；
所述获取消除工件应力的振动频率包括 ： (4) 对步骤 (3) 获取的工件的固有频率及谐振频率按照最大能量吸收原则和多振 型原则进行分类和选择 ；
(5) 确定步骤 (4) 选择的频率需要的处理时间 ；
(6) 处理步骤 (4) 选择的频率。
本发明通过对金属工件三维空间方向信号的采集， 并对采集的信号通过连续多次 采样， 每次采集采样频率范围在传感器额定采样频率范围内的多个数据， 以保证信号的完 整、 真实、 有效， 并在采集过程中， 不需要对加速度、 振动幅值和动应力等进行运算， 只需进 行采集即可， 使得采集更为简化， 方便， 将采集到三维信号进行叠加处理， 保证在后面进行 傅立叶频谱分析时， 使得傅立叶频谱分析到工件不同振动型态谐振频率的分布更广、 数据 更完善， 不会产生遗漏， 保证对傅立叶频谱分析的谐振频率进行分类、 优化时， 其结果更准 确； 从而在经过相应的傅立叶频谱分析和分类优化后， 驱动激振器进行应力消除时， 激振器 产生的不同振动型态的振动频率可以消除三维方向上的残余应力， 对工件残余应力消除的 效果更好。
且本发明中主机装置为一台， 可以对多路传感器采集到的多路工件的信号进行傅 立叶频谱分析， 优化选择等处理， 并控制多路激振器进行振动， 消除各个工件的应力。
每个工件可以同时采集多路、 多方向的振动信号， 获得工件三维方向上不同振动 型态谐振频率的分布， 尤其对于结构复杂、 外形不规则的工件 ；
可以更准确分析同一工件三维方向上不同振动形态的谐振频率， 有助于更好的消 除与谐振频率振动型态同一维度方向上的残余应力 ；
采集、 分析到的工件谐振频率数据量更完善、 更真实， 保证傅立叶频谱分析结果不 会有遗漏 ； 更有助于系统自动分类、 排序、 优化选择多方向上不同振动型态的最佳振动频 率；
更有助于操作者不需要通过变换传感器位置来获得更多的振动频率。
附图说明
图 1 是传统振动消除应力传感器放置位置和控制器连接示意图 ； 图 2 是传统振动消除应力控制系统大批量工件处理工作示意图 ； 图 3 是本发明三维振动消除应力多任务采集和控制系统的示意图 ； 图 4 是本发明三维振动消除应力多任务采集和控制系统的第二实施例的示意图 ； 图 5 是本发明三维振动消除应力多任务采集和控制系统的第三实施例的示意图 ； 图 6 是本发明三维振动消除应力多任务采集和控制系统的第四实施例的示意图 ； 图 7 是本发明三维振动消除应力多任务采集和控制系统的第五实施例的示意图 ； 图 8 是本发明三维振动消除应力多任务采集和控制系统的第六实施例的示意图 ； 图 9 是本发明三维振动消除应力多任务采集和控制系统的系统示意图 ； 图 10 是本发明三维振动消除应力多任务采集和控制系统球体工件采集示意图 ； 图 11 是图 10 的俯视图 ； 图 12 是本发明三维振动消除应力多任务采集和控制系统对圆柱体工件的采集示 图 13 是图 12 的俯视图 ； 图 14 是本发明三维振动消除应力多任务采集和控制系统对圆锥体工件的采集示 图 15 是图 14 的俯视图 ； 图 16 是本发明三维振动消除应力多任务采集和控制系统对小工件的采集示意意图 ；
意图 ；
图； 图 17 是本发明三维振动消除应力多任务采集和控制系统主机装置的组成框图 ；
图 18 是本发明三维振动消除应力多任务采集和控制系统的采集到的三路振动波 形和叠加波形图 ；
图 19 是整个采样、 傅立叶频谱分析周期内垂直方向采样谐振频率振幅图 ；
图 20 是整个采样、 傅立叶频谱分析周期内三维方向采样谐振频率振幅图 ；
图 21 是整个采样、 傅立叶频谱分析周期内垂直方向傅立叶频谱分析采样谐振频 率振幅曲线和三维方向傅立叶频谱分析采样谐振频率振幅曲线对比图 ；
图 22 是本发明三维振动消除应力多任务采集和控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明三维振动消除应力多任务采集和控制系统及其方法的实 施方式进行详细说明。
参见图 3， 本发明三维振动消除应力多任务采集和控制系统， 包括至少一个工件 1a、 配合每个工件 1a 的传感器 2a， 传感器 2a 放置于工件 1a 的表面， 其中传感器 2a 为三维 有线传感器， 例如秦皇岛佳盟测控技术公司的 YD300， 或者其他种类可替代的三维有线传感 器， 传感器 2a 的三个接口分别通过低噪音电缆线连接到内置于主机 ISA 或 PCI 总线上的电 路板端口 3a， 传感器 2a 放置远离激振器 10a 装夹位置的地方， 主机装置 8a 驱动至少一个激 振器驱动装置 9a， 每个激振器驱动装置 9a 驱动与其配合的激振器 10a 运行， 激振器 10a 在 频率大于 16Hz 保持振动频率稳定、 振动几秒或几十秒， 如果振动信号很弱， 主机装置 8a 无法采集有效数据进行傅立叶频谱分析， 则主机装置 8a 控制激振器驱动装置 9a 提升驱动器 10a 频率上升， 直到主机装置 8a 采集到有效数据进行傅立叶频谱分析。
电路板端口 3a 将传感器 2a 采集到的三路信号传输到采集装置 4a 中， 采集装置 4a 采集的信号经过放大电路和滤波电路等相关电路， 一些干扰信号 ( 杂波、 噪音、 电磁脉冲 ) 被过滤， 这样保证信号的完整、 真实、 有效。 过滤后的信号在一定周期 ( 毫秒或秒 ) 范围内连 续多次采样， 每次采集采样频率范围在传感器额定采样频率范围以内的数据 256 个， 传感 器额定频率为传感器能探测到的频率最大值。采集装置 4a 将采集到的数据发送到振幅叠 加装置 5a 中， 进行振幅叠加， 形成一路信号。将叠加后的一路信号通过模 / 数转换装置 6a 进行模拟 / 数字转换， 得到一路数字信号， 并通过主机总线装置 7a 将一路数字信号发送至 主机装置 8a 对每个工件 1 组合成的一路信号进行傅立叶频谱分析， 分析的频率范围为传感 器额定采样频率范围以内， 最佳为在激振器额定频率范围以内， 并将傅立叶频谱分析后的 数据按照最大能量吸收原则和多振型原则进行分类、 优化选择最佳谐振频率， 主机装置 8a 根据优化结果， 驱动至少一个激振器驱动装置 9a， 每个激振器驱动装置 9a 控制与每个工件 1a 分别对应的激振器 10a 按主机装置所选择的频率进行振动， 通过振动振动消除应力。
其中主机装置 8a 第一次傅立叶频谱分析完毕， 激振器 10a 的频率在当前频率下上 升大于等于 2Hz， 保持转速稳定， 执行与第一次数据采集同样的过程。每次傅立叶频谱分析 完毕， 激振器频率从当前频率上升大于等于 2Hz， 进行数据采集、 傅立叶频谱分析， 整个过程 进行大于等于 8 次数据采样、 傅立叶频谱分析， 这样保证获得足够的数据进行分类、 优化选 择。 参见图 4， 本发明三维振动消除应力多任务采集和控制系统的第二个实施例， 包括 至少一个工件 1b、 配合每个工件 1b 的传感器 2b， 传感器 2b 放置于工件 1b 的表面， 其中传 感器 2b 为三维有线传感器， 例如秦皇岛佳盟测控技术公司的 YD300， 或者其他种类可替代 的三维有线传感器， 传感器 2b 的三个接口分别通过低噪音电缆线连接到内置于主机 ISA 或 PCI 总线上的电路板端口 3b， 电路板端口 3b 将传感器 2b 采集到的三路信号传输到采集装 置 4b 中， 采集装置 4b 将采集的信号经过放大电路和滤波电路等相关电路， 过滤干扰信号， 过滤后的信号在一定周期 ( 毫秒或秒 ) 范围内连续多次采样， 每次采集采样频率范围在传 感器额定采样频率范围以内的数据 256 个， 采样装置 4b 将采样后的数据发送到模 / 数转换 装置 6b 同时进行模 / 数转换， 得到三路数字信号， 三路数字信号通过叠加装置 5b， 按照相 同位置进行数据累加， 形成一组信号， 并通过主机总线装置 7b 将一路数字信号发送至主机 装置 8b 对每个工件 1b 组合成的一路信号进行傅立叶频谱分析， 分类、 优化选择最佳谐振频 率， 主机装置 8b 根据优化结果， 驱动至少一个激振器驱动装置 9b， 每个激振器驱动装置 9b 控制与每个工件 1b 分别对应的激振器 10b 按主机装置所选择的频率进行振动， 通过振动振 动消除应力。
参见图 5， 本发明三维振动消除应力多任务采集和控制系统的第三个实施例， 包括 至少一个工件 1c、 配合每个工件 1c 的无线传感器 2c， 传感器 2c 放置于工件 1c 的表面， 其 中无线传感器 2c 为三维数字式无线传感器， 例如北京必创科技有限公司的 A302， 或者其他 种类可替代的三维数字式无线传感器， 无线传感器 2c 可以将采集到的模拟信号直接转换 成三维的数字信号， 并通过天线发送给带有 USB 端口装置 3c 无线的接收装置 2c1， 该接收装 置可采用 G903 或者其他可替代的支持计算机标准接口的接收器， 接收装置 2c1 通过支持计
算机标准接口的装置将三维的数字信号发送至采集装置 4c 中， 采集装置 4c 将采集的信号 经过放大电路和滤波电路等相关电路， 过滤干扰信号， 过滤后的信号在一定周期 ( 毫秒或 秒 ) 范围内连续多次采样， 每次采集采样频率范围在传感器额定采样频率范围以内的数据 256 个， 采样装置 4c 将采样后的数据发送至叠加装置 5c， 叠加装置 5c 将三维的数字信号按 照相同位置进行数据累加， 形成一组信号， 并发送给主机装置 8c， 主机装置 8c 对每个工件 1c 组合成的一路信号进行傅立叶频谱分析， 分类、 优化选择最佳谐振频率， 主机装置 8c 根 据优化结果， 驱动至少一个激振器驱动装置 9c， 每个激振器驱动装置 9c 控制与每个工件 1c 分别对应的激振器 10c 按主机装置所选择的频率进行振动， 通过振动振动消除应力。
参见图 6， 本发明三维振动消除应力多任务采集和控制系统的第四个实施例， 包括 至少一个工件 1d、 配合每个工件 1d 的 3 个传感器 2d， 3 个传感器 2d 分别放置于工件不同 方向的表面， 其中传感器 2d 为一维有线传感器， 例如秦皇岛佳盟测控技术公司的 YD84-CZ， 或者其他种类可替代的一维有线传感器， 传感器 2d 的三个接口分别通过低噪音电缆线连 接到内置于主机 ISA 或 PCI 总线上的电路板端口 3d， 电路板端口 3d 将传感器 2d 采集到的 三路信号传输到采集装置 4d 中， 采集装置 4d 将采集的信号经过放大电路和滤波电路等相 关电路， 过滤干扰信号， 过滤后的信号在一定周期 ( 毫秒或秒 ) 范围内连续多次采样， 每次 采集采样频率范围在传感器额定采样频率范围以内的数据 256 个， 采样装置 4d 将采样后的 数据发送至振幅叠加装置 5d 中， 进行振幅叠加， 形成一路信号。将叠加后的一路信号通过 模 / 数转换装置 6d 进行模 / 数转换， 得到一路数字信号， 并通过主机总线装置 7d 将一路数 字信号发送至主机装置 8d 对每个工件 1d 组合成的一路信号进行傅立叶频谱分析， 分类、 排 序、 优化选择最佳谐振频率， 主机装置 8d 根据优化结果， 驱动至少一个激振器驱动装置 9d， 每个激振器驱动装置 9d 控制与每个工件 1d 分别对应的激振器 10d 按主机装置所选择的频 率进行振动， 通过振动振动消除应力。
参见图 7， 本发明三维振动消除应力多任务采集和控制系统的第五个实施例， 包括 至少一个工件 1e、 配合每个工件 1e 的 3 个传感器 2e， 3 个传感器 2e 分别放置于工件不同 方向的表面， 其中传感器 2e 为一维有线传感器， 例如秦皇岛佳盟测控技术公司的 YD84-CZ， 或者其他种类可替代的一维有线传感器， 传感器 2e 的三个接口分别通过低噪音电缆线连 接到内置于主机 ISA 或 PCI 总线上的电路板端口 3e， 电路板端口 3e 将传感器 2e 采集到的 三路信号传输到采集装置 4e 中， 采集装置 4e 将采集的信号经过放大电路和滤波电路等相 关电路， 过滤干扰信号， 过滤后的信号在一定周期 ( 毫秒或秒 ) 范围内连续多次采样， 每次 采集采样频率范围在传感器额定采样频率范围以内的数据 256 个， 采样装置 4e 将采样后的 数据发送至模 / 数转换装置 6e 同时进行模 / 数转换， 得到三路数字信号， 三路数字信号通 过叠加装置 5e， 按照相同位置进行数据累加， 形成一组信号， 并通过主机总线装置 7e 将一 路数字信号发送至主机装置 8e 对每个工件 1e 组合成的一路信号进行傅立叶频谱分析， 分 类、 排序、 优化选择最佳谐振频率， 主机装置 8e 根据优化结果， 驱动至少一个激振器驱动装 置 9e， 每个激振器驱动装置 9e 控制与每个工件 1e 分别对应的激振器 10e 按主机装置所选 择的频率进行振动， 通过振动振动消除应力。
参见图 8， 本发明三维振动消除应力多任务采集和控制系统的第六个实施例， 包括 至少一个工件 1f、 配合每个工件 1f 的 3 个无线传感器 2f， 3 个无线传感器 2f 分别放置于 工件不同方向的表面， 其中无线传感器 2f 为一维数字式无线传感器， 例如北京必创科技有限公司的 A104， 或者其他种类可替代的一维数字式无线传感器， 无线传感器 2f 可以将采集 到的模拟信号直接转换成数字信号， 并通过天线发送给带有 USB 端口装置 3f 的无线的接收 装置 2f1， 接收装置 2f1 可采用 G903 或者其他可替代的支持计算机标准接口的接收器， 接 收装置通过支持计算机标准接口的装置将三维的数字信号发送至采集装置 4f 中， 采集装 置 4f 将采集的信号经过放大电路和滤波电路等相关电路， 过滤干扰信号， 过滤后的信号在 一定周期 ( 毫秒或秒 ) 范围内连续多次采样， 每次采集采样频率范围在传感器额定采样频 率范围以内的数据 256 个， 采样装置 4f 将采样后的数据发送至叠加装置 5f， 叠加装置 5f 将 三维的数字信号按照相同位置进行数据累加， 形成一组信号， 并发送给主机装置 8f， 主机装 置 8f 对每个工件 1f 组合成的一路信号进行傅立叶频谱分析， 分类、 排序、 优化选择最佳谐 振频率， 主机装置 8f 根据优化结果， 驱动至少一个激振器驱动装置 9f， 每个激振器驱动装 置 9f 控制与每个工件 1f 分别对应的激振器 10f 按主机装置所选择的频率进行振动， 通过 振动振动消除应力。
参见图 9， 本发明的工件、 配合工件的传感器、 电路板端口、 采集装置、 叠加装置、 模 / 数转换装置、 主机总线装置以及激振器驱动装置和激振器， 分别为 N 个， 均发送数据到一 个主机装置， 该主机装置控制每个激振器进行振动消除应力， 其中 N ＞＝ 1。 本发明中传感器还可以为光纤传感器， 振动信号通过光纤传感器转化成光信号， 光信号经光缆送到探测器并转换成电信号， 电信号送到与探测器相连的采集装置， 经过振 幅叠加装置和模 / 数转换装置后送到主机装置进行频谱分析， 其过程与其他传感器获得的 电信号处理方法一样。
本发明还可以通过传感器分别采集三路信号， 不通过信号处理装置进行叠加， 直 接将三路信号发送至主机装置进行傅立叶频谱分析、 分类和优化选择， 并分别驱动激振器 驱动装置驱动激振器按主机装置所选择的频率进行振动， 通过振动消除相应方向的工件应 力。
传感器是把机械振动信号转换成电信号或光信号， 然后由采集装置把信号传输给 主机装置进行数据分析。振动时效行业一般采用的传感器为电信号， 其工作原理为 ： 传感 器所组成元件在受到外力 ( 振动 ) 时， 产生变形， 元件电极表面形成电荷 q( 外力消失后、 电 荷也消失 )， 电压 U ＝ q/C， C 为压电元件电容量由压电元件电极面面积决定， 这样振动信号 ( 机械能 ) 就转换成电能 ： 电信号。随着振动信号的变化， 电信号也发生变化， 通过相关电 路便可采集数据。
即传感器在工件振动时， 组成传感器的元件变形， 产生电信号， 通过采集电路进行 数据采集。
参见图 10 和图 11， 本发明三维振动消除应力多任务采集和控制系统的工件除了 为长方体外， 还可以为球体， 球体工件 1g 采用辅助工装， 即包括上压板 1g1 和下压板 1g2， 上 压板 1g1 和下压板 1g2 的中心分别为圆孔， 且四周分别采用配套的螺杆 1g3 固定， 保证压板 与工件刚性连接， 激振器 10g 刚性连接到上压板 1g1 上， 传感器放置方式如长方体工件放置 方式。
参见图 12 和图 13， 本发明三维振动消除应力多任务采集和控制系统的工件还可 以为圆柱体， 圆柱体工件 1h 采用辅助工装， 即包括上压板 1h1 和下压板 1h2， 上压板 1h1 和 下压板 1h2 的四周分别采用配套的螺杆 1h3 固定， 保证压板与工件刚性连接， 激振器 10h 刚
性连接到上压板 1h1 上， 传感器放置方式如长方体工件放置方式。
参见图 14 和图 15， 本发明三维振动消除应力多任务采集和控制系统的工件还可 以为圆锥体， 圆锥体工件 1i 采用辅助工装， 即包括上压板 1i1 和下压板 1i2， 上压板 1i1 中 心为圆孔， 上压板 1i1 和下压板 1i2 的四周分别采用配套的螺杆 1i3 固定， 保证压板与工件 刚性连接， 激振器 10i 刚性连接到上压板 1i1 上， 传感器放置方式如长方体工件放置方式。
参见图 16， 本发明三维振动消除应力多任务采集和控制系统的工件还可以为小工 件， 小工件 1j 采用辅助工装， 即包括上压板 1j1 和平台 1j2， 上压板 1j1 和平台 1j2 分别采 用配套的螺杆 1j3 固定， 保证压板与工件刚性连接， 激振器 10j 刚性连接到平台 1j2 上， 传 感器放置方式如长方体工件放置方式。
采用振幅叠加， 然后进行模 / 数转换的方法时， 参见图 18， 三维传感器或三个放置 于不同位置的单个传感器三个不同方向所接收的信号振动波形图， 其中 Y 方向 ( 垂直 ) 最 强、 Z 方向 ( 轴向 ) 最弱。
传感器所接收的振动信号， 根据其强弱自动转化成电压信号， 最大不超过 5V， 一般 在 2V 以内。
三路不同信号按时间周期 (T ： 表示时间周期 ) 同时进行振幅叠加， 举例如下 ： 其中 T(N) 表示一个采样周期 (N ≥ 8， 至少 8 次采样 )， 单位可以是毫秒或微 秒； X(n)、 Y(n)、 、 、 Z(n) 表示每次整个采样周期中所采集的第 n 组三维方向的数据， 其中 n ≥ 256。
在 N ＝ 1 第一次采样周期范围内 ：
第一组数据 ：
X(1) ＝ 1.2V ； Y(1) ＝ 2V ； Z(1) ＝ 0.5V ；
则叠加后 ：
F(1) ＝ X(1)+Y(1)+Z(1) ＝ 3.7V ；
第二组数据 ：
X(2) ＝ 0.8V ； Y(2) ＝ 1.2V ； Z(2) ＝ 0.8V ；
则叠加后 ：
F(2) ＝ X(2)+Y(2)+Z(2) ＝ 2.8V ；
以此类推， 第 n 组数据 ；
X(n) ＝ 1.5V ； Y(N) ＝ 1.2V ； Z(N) ＝ 0.5V ；
则叠加后 ：
F(n) ＝ X(n)+Y(n)+Z(n) ＝ 3.2V。
在 N ＝ 2， 3，…， 8，…第 N 次采样周期范围内， 依照第一次方式进行叠加。
采用先进行模 / 数转换， 后进行叠加的方法时， 三路信号模 / 数转化后， 在同一时 刻进行采样， 每次采取 256 个数据， 然后按同样位置进行累加， 过程如下 ：
其中 X(T， N) ： 表示 X 方向振动数字信号在 T 时刻所采到的 256 个数据中第 N 个位 置的数据， 其中 N ≥ 256 ；
Y(T， N)、 Z(T， N) 同样如此， 数据格式为 16 位， 不足 16 位的补足 16 位。
T ＝ 1 时 ( 第一次采样 ) ：
X 方向信号采样数据 ： X(1， 1) ＝ 1.1 ； X(1， 2) ＝ 1.3 ； X(1， 3) ＝ 0.8…X(1， 256) ＝
1.2 ；
Y 方向信号采样数据 ： Y(1， 1) ＝ 1.0 ； Y(1， 2) ＝ 1.1 ； Y(1， 3) ＝ 1.8…Y(1， 256) ＝ Z 方向信号采样数据 ： Z(1， 1) ＝ 0.5 ； Z(1， 2) ＝ 0.6 ； Z(1， 3) ＝ 0.8…Z(1， 256) ＝1.3 ；
0.7 ； 按相同位置累加 ： F(T， N) ＝ X(T， N)+Y(T， N)+Z(T， N)， 则：
F(1， 1) ＝ 2.6 ； F(1， 2) ＝ 3.0 ； F(1， 3) ＝ 3.4… F(1， 256) ＝ 3.2 ；
T ＝ 2， 3… T 时 ( 第 T 次采样， 其中 T ≥ 8)， 以此类推 ：
T 次采样、 累加完毕， 三组数据变成一组数据， 然后通过主机总线装置 6 交换给主 机装置 7， 开始进行傅立叶频谱分析。
参见图 17， 本发明三维振动消除应力多任务采集和控制系统的主机装置 7 包括频 谱分析装置 701、 频谱分析装置 701 连接存储装置 704 和驱动激振器驱动的装置 705， 存储 装置 704 连接数据排序装置 702， 数据排序装置 702 连接优化选择装置 703， 优化选择装置 连接存储装置 704 和驱动激振器驱动的装置 705。
首先启动主机装置 7， 主机装置 7 通过驱动激振器驱动的装置 705， 激振器驱动装 置启动激振器 8， 激振器 8 频率从 0Hz 升到大于 16Hz， 令工件进行振动 ； 本发明中消除应力 的激振器 8 的工作频率为 16Hz 至额定频率之间。
此时传感器进行信号采集， 并将信号发送至频谱分析装置 701， 频谱分析装置 701 判断振动信号的强弱， 如果信号弱， 无法采集数据进行频谱分析， 则控制驱动激振器驱动的 装置 705 控制激振器驱动装置驱动激振器， 提升激振器频率， 一般为从大于 16Hz 开始采集 数据， 采集完毕送入频谱分析装置 701， 傅立叶频谱分析完毕送入存储装置 704 ； 第一次傅 立叶频谱分析完毕之后激振器频率提升大于等于 2Hz， 令工件继续振动， 传感器进行第二 次信号采集和傅立叶频谱分析， 经过多次提升， 每次均提升大于等于 2Hz， 一般提升次数大 于等于 8 次， 多次采样和傅立叶频谱分析后， 则按照逻辑顺序和时间顺序将每次提升速度 后、 存储于存储装置 704 的所有傅立叶频谱分析的数据， 送入数据排序装置 702 进行数据排 序， 排序好的数据送入优化选择装置 703 选取要处理的频率， 并将优选数据保存在存储装 置 704 中， 根据需要进行打印。根据优化选择装置 703 优化的结果， 驱动激振器驱动的装置 705 驱动激振器驱动装置， 激振器驱动装置驱动激振器按主机装置所选择的频率进行振动， 通过振动消除应力。显示装置 706 将各个处理过程进行显示。
本发明的三维振动消除应力多任务采集和控制系统的工作流程例如 ： 将需要处理 的至少一组工件按振动消除应力需要平稳支撑好 ； 把与多个工件一一对应的激振器分别刚 性安装到需要振动处理的工件上， 并分别与激振器驱动装置相连、 激振器驱动装置与主机 装置相连。把三维传感器放置在工件表面， 或在每个工件水平方向、 垂直方向、 轴向方向分 别粘贴三个单维传感器， 并分别与信号处理装置相连， 信号处理装置包括采集装置、 叠加装 置和模 / 数转换装置， 每个叠加装置或者模 / 数转换装置分别连接到主机装置 ； 启动主机 装置， 运行每个激振器 ； 激振器运行平稳后， 传感器对某工件进行第一次三维数据采集， 采 集的信号经过放大电路和滤波电路等相关电路， 过滤干扰信号， 过滤后的信号在一定周期 ( 毫秒或秒 ) 范围内连续多次采样， 每次采集采样频率范围传感器额定采样频率范围以内 的数据 256 个， 采集到的三维信号通过叠加成为一组信号， 并发送至主机装置， 主机装置对
采集到的一组信号进行傅立叶频谱分析， 然后提升激振器转速， 每次提升大于等于 2Hz， 每 次提升均采集一次信号， 提升至少 8 次， 主机装置对采集到的某工件的多次数据进行多次 傅立叶频谱分析后， 对傅立叶频谱分析后的数据进行分离、 优化选择， 工件的数据的最佳频 率范围为 0Hz 至激振器额定频率， 例如主机装置对某工件进行傅立叶频谱分析、 分类、 优化 选择后产生 7 个频率， 50Hz ； 60Hz ； 70Hz ； 75Hz ； 80Hz ； 85Hz ； 90Hz， 主机装置自动从第一个频 率开始， 先后顺序处理 5 个频率， 其余两个频率为备用频率。 首先激振器驱动装置 705， 把激 振器频率从当前转速调整到第一个频率 ： 50Hz， 按规定时间处理， 处理完毕， 程序自动跳到 下一个频率进行处理， 直到第五个频率处理完毕， 处理完毕保存数据 ； 或者人工选择其中一 个频率或几个频率进行处理， 处理完毕保存数据。
激振器水平放置于工件表面， 并与工件刚性连接。激振器振动过程中， 产生的激 振力 F， 沿工件的三维空间方向进行传递， F 可分解成三方向的力 ： F’ (X)、 F’ (Y)、 F’ (Z)。 F’ (X) ： 表示水平方向的力 ； F’ (Y) 表示垂直方向的力 ； F’ (Z) 表示轴向方向的力。F’ (Y) 方向除激振力外还有激振器自身的重力， 所以垂直方向振动最强， 而 F’ (Z) 方向轴向最弱。
本发明的三维数据采集是对金属工件从垂直 (Z 方向 )、 水平 (X 方向 )、 轴向 (Y 方向 ) 三个方向中， 从三维方向同时进行振动信号采集、 信号叠加处理、 傅立叶频谱分析、 自动处理的方法， 保证傅立叶频谱分析时， 工件不同振动型态谐振频率的分布更广、 数据更 完善， 不会产生遗漏 ； 保证对傅立叶频谱分析的谐振频率进行排序、 优化时， 其结果更准确 ； 保证振动时效处理时， 效果更好。
传感器所获得的信号是由于组成传感器的元件受外力产生形变， 形变导致元件两 极表面产生电荷。 而元件的形变与其所受外力方向有关， 当单一传感器放置于工件表面时， 其形变主要受与传感器轴向同方向的力的影响。 当传感器垂直放置时， 其形变主要受 F’ (Y) 方向力影响， 水平放置时主要受 F’ (X) 方向力影响， 轴向放置时主要受 F’ (Z) 方向力影响。 这样单一传感器主要获得某个方向的信号变化， 而激振器所产生的激振力 F， 在工件三维空 间的 X， Y， Z 不同方向都存在， 这样采用三维传感器更能获得工件不同维度方向的振动信 号， 数据更完整和真实， 所以三维效果比一维效果好。
例如 ： 频谱分析装置 701 采集的数据 ( 谐振频率 ) 的排序在不同振型下， 按最大能 量吸收原则和多振型原则进行排序和优化选择， 即在此频率下振动， 其振动能量被工件最 大程度吸收， 表现为在此频率下谐振振幅最大。
因此参见图 19 和图 20， 在主机装置傅立叶频谱分析的整个采样周期时间范围内， 一维频谱分析和三维频谱分析结果举例。( 备注 ： 一维频谱分析时， 传感器通常放置于工件 垂直方向， 所以本例一维频谱分析结果以传感器垂直放置为准。)
根据最大能量吸收原则排序， 一维傅立叶频谱分析排序、 优化选择结果 ： F(4) ＞ F(5) ＞ F(1) ＞ F(7) ＞ F(2) ；
根据最大能量吸收原则排序， 三维傅立叶频谱分析排序、 优化选择结果 ： F(3) ＞ F(8) ＞ F(1) ＞ F(7) ＞ F(2) ；
其中 F(n) 表示主机装置傅立叶频谱分析的谐振频率， n 为主机装置傅立叶频谱分 析的整个采样周期中某个谐振频率， n 为自然数。
参见图 21， 其中粗线表示三维傅立叶频谱分析采样频率振幅曲线， 细线表示一维 傅立叶频谱分析采样频率振幅曲线， 根据以上一维和三维分析结果对比表明， 在 T ＝ 3 时，一维傅立叶频谱分析的结果 F(3) 谐波频率振幅弱， 没有被选择 ； 而三维傅立叶频谱分析结 果 F(3) 谐波频率振幅最大， 被选择为处理频率。
其具体进行傅立叶频谱分析的过程参见公开号为 CN100485053C， 名称为利用频谱 分析对工件进行全自动振动处理的方法的专利。
从整个分析结果表明 ： 一维傅立叶频谱分析时， 对其他两个方向谐振频率比较大 的频率由于无法采集导致漏选， 而三维傅立叶频谱分析采样， 可以保证不同方向谐振频率 大的谐波频率都能进行排序、 优化选择， 保证数据的完整性和真实性， 且三维傅立叶频谱分 析结果频率振幅大、 能量吸收好。振动时效基本原理是振动能量与残余应力叠加超过金属 材料塑性变形屈服极限， 使得残余应力释放， 达到消除残余应力， 这样能量吸收越好， 消除 残余应力效果越好。
因此， 三维傅立叶频谱分析结果在处理效果上优于一维傅立叶频谱分析结果。
且根据振动时效基本原理， 动应力与工件残余应力叠加后， 超过金属材料塑性变 形屈服极限， 使得工件局部或整体产生塑性形变， 就能使工件残余应力松弛、 均化和消除， 并提高金属基体的抗变形能力， 所以， 动应力是振动时效中有决定性作用的参数。
动应力是在工件有相对位移时才产生的， 与振动频率的振型有很大关系。三维傅 立叶频谱分析优化选择的频率， 其有效振型多， X、 Y、 Z 不同方向都有 ； 而一维傅立叶频谱分 析优化选择的频率有效振型少， 而且不同的频率其动应力都是一个方向。 对此， 我们可以通 过在振动物体表面粘贴应变片或者应变花， 通过应变检测仪器检测被振体在每个频率下振 动时其动应变的方向和值的大小， 根据方向和值的大小判断每个频率振动型态的有效性， 并对三维傅立叶频谱分析的结果和一维傅立叶频谱分析的结果， 每个振动频率的动应力方 向和应变值来进行分析、 判断。
其中应变片为 ：
应变片为在称为基底的塑料薄膜上贴上由薄金属箔材制成的敏感栅， 然后再覆盖 上一层薄膜作成迭层构造。 将应变片贴在被测定物上， 使其随着被测定物的应变一起伸缩， 这样里面的金属箔材就随着应变伸长或缩短。 很多金属在机械性地伸长或缩短时其电阻会 随之变化。应变片就是应用这个原理， 通过测量电阻的变化而对应变进行测定。一般应变 片的敏感栅使用的是铜铬合金， 其电阻变化率为常数， 与应变成正比例关系。
应变花为 ：
由三个应变片成 45°或 120°组合而成， 可以同时测量被振体 X、 Y、 Z 三维方向应 变值的大小。
下面以某机床床身 ( 铸铁件 ) 为例进行说明 ：
一， 三维傅立叶频谱分析优化选择的振动频率 (Hz) ：
42， 48， 52， 74， 82， 89， 94， 每个频率主动应力方向和应变有效值如下 ：
表一
表一显示 7 个振动频率都为有效振型 ( 有应变产生 )， 其中四个频率为联合振型 ( 两个或三个方向产生形变 )， 并且 X、 Y、 Z 不同方向动应力都存在， 这样可以充分消除不同 方向的残余应力。
二， 一维傅立叶频谱分析优化选择的振动频率 (Hz) ：
37， 39， 60， 69， 78， 86， 90 每个频率主动应力方向和应变有效值如下 ：
表二
表二显示， 七个频率中有效振型为三个， 联合振型一个， 振动频率 39Hz 和 69Hz 动 应力方向一致， 主要与 X 方向残余应力叠加， 效果同等。
通过表一和表二表明 ： 三维傅立叶频谱分析优选的 7 个频率， 有效振型多 ； 而一维 傅立叶频谱分析优选的 7 个频率， 有效振型少。这说明三维傅立叶频谱分析效果好于一维 傅立叶频谱分析。
参见图 22， 本发明三维振动消除应力多任务采集和控制方法， 包括如下步骤 ：
步骤 S1， 将需要处理的至少一组工件按振动消除应力需要平稳支撑好 ；
步骤 S2， 把与多个工件一一对应的激振器分别刚性安装到需要振动处理的工件 上， 并将激振器与激振器驱动装置相连、 激振器驱动装置与主机装置相连， 传感器与主机装 置相连。
步骤 S3， 把三维传感器放置在工件表面， 或在每个工件水平方向、 垂直方向、 轴向 方向分别粘贴三个单维传感器， 并分别与信号处理装置相连 ；
步骤 S4， 每个叠加装置或者模 / 数转换装置分别连接到主机装置 ；
步骤 S5， 启动主机装置， 运行每个激振器 ；
步骤 S6， 传感器采集工件振动信号， 将每个工件的三维信号叠加处理为一组信号， 并对该组信号进行傅立叶频谱分析 ；
步骤 S7， 判断振动信号强弱， 能否采集有效数据进行傅立叶频谱分析， 是则执行步 骤 S9， 否则执行步骤 S8， 并显示分析的谐振频率 ；
步骤 S8， 激振器驱动装置驱动激振器提升频率大于等于 2Hz， 并执行步骤 S6 ； 步骤 S9， 将傅立叶频谱分析后的数据进行自动分类和优化选择， 并显示优化的频率； 步骤 S10， 根据优化结果自动进行处理， 主机装置控制至少一个激振器驱动装置驱 动激振器按主机装置优选的频率振动， 通过振动消除工件应力， 处理过程中记录振动加速 度、 谐振频率、 振幅、 处理时间、 电流等参数 ；
步骤 S11， 处理完毕， 保存数据或直接打印。
在其他不需要采集三维信号的工件上， 例如板型的工件上， 还可以利用本发明的 系统和方法进行一维信号采集或者二维信号采集， 并对采集的信号进行叠加处理， 进行傅 立叶频谱分析， 自动排序、 优化选择等处理以消除工件应力。
以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述， 并非对本发明的范围进行 限定， 在不脱离本发明设计精神的前提下， 本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案 做出的各种变形和改进， 均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。