振动时效技术研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 10 4 2.66MB 68 页 15积分

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摘要

现代工业生产中，由于工件生产过程中产生的残余应力会直接影响工件的质

量和性能，甚至影响到工件组成的设备或系统的安全，因而，如何消除或降低工

件内的残余应力就成为涉及生产安全的一项重要内容。振动时效技术作为一种成

本低廉、适用性强、节能环保并可提高被消振工件机械性能的新型应力消除技术，

目前已广泛应用于铸造、锻造、模具、焊接等相关行业。因此，深入研究振动时

效技术、开发高效节能、自动化和智能化程度高的振动时效装置对于提高工业化

生产水平具有重要的现实意义。

本文在对振动时效的机理和工艺进行深入分析的基础上，设计一套由计算机

控制，具有自动或手动扫频、定频的多工作模式振动时效装置。依据国家标准 JB/T

5925.1-2005（机械式振动时效装置），先制定出总体方案和系统构成原理图，然

后分别对系统的硬件和软件进行设计。

硬件方面对振动时效系统采用的相关传感器、电机以及各硬件之间的接口电

路进行设计，电路设计主要有：激振器电机驱动电路、拾振器信号调理电路以及

单片机外围电路的设计。

软件方面则是在总体方案以及硬件电路设计的基础上，完成整个振动时效软

件流程、上位机以及下位机软件部分的设计。采用 Labview 和 c 语言完成上位机

和下位机的软件设计，实现上位机与下位机间的串口通信，数据采集、处理、显

示、存储、打印以及控制激振频率等功能，使得整个装置能够通过上位机控制下

位机完成振动时效，从而达到消除残余应力的目的。

该装置硬件设计简单，操作界面简洁明了，使用方便，并且具有多种模式可

供选择，用户可根据实际情况选用合适的模式进行振动时效操作。

关键词：残余应力振动时效数据采集 labview 单片机

ABSTRACT

During the modern industrial production, the residual stress caused by the

production has direct bad effection on the characteristic of the work, which seriously

harm the quality and structure safety of the work. Therefore, it is important to relieve

and decrease the residual stress for the manufacturing security . As a kind of new stress

relief technology, vibration stress relieve technology has been widely used in the fields

which are relative to the casting、forging、mould and welding because of its advantages

such as low cost, flexibility, environment-friendly, energy-conservation and

mechanical property improvement. Intensively study the vibration stress relief

technology and design a vibration stress relief device which is high efficiency ，

energy-conservation and high intelligence have far-reaching and momentous

significance for the industry manufacturing improvement..

The article introduce the design of the vibration stress relief device which is

controlled by the computer based on the analysis of the vibration stress relief theory and

technology .The device can work at different modes, such as automatic /manual sweep,

automatic /manual frequency fix and so on. The general design plan is based on the

national standard JB/T 5925.1-2005（mechanical vibration stress relief device）.Then,

the system schematic diagram is designed. Finally, detail design of the hardware and

software parts are introduced respectively.

The hardware part introduce the design of the circuit of the sensor、motor and the

interface circuit between the system hardware .The hardware circuit mainly include the

vibration generator motor driving circuit 、accelerator signal processing circuit and

peripheral circuit of the microcontroller.

The software part introduce the design of the whole vibration stress relief flow、

computer and microcontroller software base on the general design plan and hardware

circuit. Use labview and C language to design the computer and microcontroller

software to achieve the serial communication between the computer and

microcontroller，data collection，processing，displaying，saving ，printing and vibration

frequency controlling so that the device can relieve the residual stress by using

computer to control the microcontroller fulfill the vibration stress relief technology.

The hardware design of this device is simple and its’ operation interface is concise

so that it is convenient for user to operate the device. In addition, this device provides

multi-modes for user to choose. User can choose the proper mode to fulfill the vibration

stress relief operation according to the actual situation.

Key Word ：residual stress ，vibration stress relief，data collection,

labview，microcontroller

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

§1.1 研究目的和意义 .............................................. 1

§1.2 残余应力消除技术研究现状 .................................... 1

§1.2.1 消除残余应力的相关理论 ................................ 1

§1.2.2 常用的消除残余应力方法 ................................ 1

§1.2.3 振动时效技术 .......................................... 2

§1.3 振动时效技术研究现状 ........................................ 3

§1.3.1 国外振动时效技术研究现状 .............................. 3

§1.3.2 国内振动时效技术现状 .................................. 3

§1.4 研究内容和方法 .............................................. 4

第二章振动时效系统总体方案 .......................................... 6

§2.1 振动时效系统参数 ............................................ 6

§2.2 主要硬件 .................................................... 6

§2.2.1 激振器 .................................................7

§2.2.2 拾振器 .................................................9

§2.2.3 下位机 ................................................10

§2.3 工艺参数 ................................................... 11

§2.3.1 激振力 ................................................11

§2.3.2 激振频率 ..............................................12

§2.3.3 激振时间 ..............................................13

§2.4 本章小结 ................................................... 13

第三章硬件电路设计 ................................................. 13

§3.1 系统构成 ................................................... 14

§3.2 电机驱动电路 ............................................... 15

§3.2.1 控制原理 ..............................................15

§3.2.2 PWM 波的产生 ..........................................16

§3.2.3 驱动电路 ............................................. 16

§3.2.3.1 器件选型 ............................................16

§3.2.3.2 电机驱动电路设计 ....................................18

§3.3 拾振器信号调理电路 ......................................... 19

§3.3.1 器件选型 ..............................................19

§3.3.2 电荷转换部分 ..........................................20

§3.3.3 适调放大部分 ......................................... 21

§3.3.4 低通滤波 ..............................................21

§3.3.5 输出放大部分 ..........................................22

§3.3.6 绝对值电路 ............................................23

§3.4 单片机外围电路 ............................................ 23

§3.4.1 AD 转换电路 ...........................................24

§3.4.2 计算机与单片机接口电路 ................................26

§3.4.3 打印电路 ............................................. 28

§3.5 本章小结 ................................................... 30

第四章软件设计 ..................................................... 31

§4.1 总体软件控制方法 ........................................... 31

§4.1.1 程序开发工具选择 ......................................31

§4.1.2 振动时效软件流程 ......................................31

§4.2 上位机软件设计 ............................................. 36

§4.2.1 Labview 在振动时效系统的功能及实现 ....................37

§4.2.2 Labview 在振动时效系统的界面设计 ......................37

§4.2.3 Labview 程序 ..........................................43

§4.2.3.1 串口通信 ............................................43

§4.2.3.2 数据采集、处理与波形曲线显示 ........................45

§4.2.3.3 波形数据的存储 ......................................46

§4.2.3.4 根据扫频曲线确定激振频率 ............................46

§4.2.3.5 振动时效自动定频结束判断算法 ........................47

§4.3 单片机软件设计 ............................................. 47

§4.3.1 单片机在振动时效功能及实现 ............................47

§4.3.2 单片机各模块子程序 ....................................48

§4.3.2.1 串口通信 ............................................51

§4.3.2.2 激振频率控制 ........................................53

§4.3.2.3 AD 转换 .............................................54

§4.4 本章小结 ................................................... 56

第五章总结与展望 ................................................... 57

§5.1 总结 ....................................................... 57

§5.2 展望 ....................................................... 57

附录 ............................................................... 59

参考文献 ............................................................ 60

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 63

致谢 ............................................................... 64

第一章绪论

§1.1 研究目的和意义

工业中常用的构件在铸造、锻造、焊接、热处理、机加工、装配等工艺过程

中, 由于外力和温度变化而引起的不均匀塑性变形、不均匀温度变化、材料组织

的不均匀体积变化以及从构件表面向内部扩展的化学或物理变化会使构件内部产

生不同程度的残余应力。残余应力的存在对材料的力学性能有着重大的影响，直

接影响工件的静载强度、动载强度、断裂韧性、疲劳强度、弯曲强度，尺寸稳定

性等性能[1]，影响其使用精度和性能，造成使用中的许多问题，导致工件报废，严

重的甚至可能导致工件有裂缝或断裂，许多灾难性事故都是由此引发的。因此，

消除和减小构件的残余应力对保证工业生产中构件质量、结构安全具有重要的现

实意义。

作为新型的消应力技术，振动时效技术一直都是工业界极其关心的课题，对

其的研究也就显得尤为重要。随着工业以及生产技术的不断发展，采用先进技术

和手段研制一套高效、节能、自动化程度高的振动时效装置对提高生产制造技术，

提高和发展我国的制造业有着深远和重要的现实意义。

§1.2 残余应力消除技术研究现状

§1.2.1 消除残余应力的相关理论

构件内部应力分布的情况是十分复杂的，不仅有众多位错之间的相互作用引

起的应力，还有空位等点缺陷及晶界、亚晶界的影响引起的残余应力。构件内部

的残余应力是众多因素导致的晶格畸变的综合结果，其本质是由位错引起的晶格

畸变。由此可见，残余应力的消除，从本质上来说，主要有两种途径，一种是给

构件内部的金属原子足够的能量，使其振动加剧回到平衡位置，从而实现晶格畸

变的减少；另一种则是使那些处于弹性应力状态中的部分实现塑性屈服，从而减

少金属的弹性应变量，达到消除和减少残余应力的目的[2]。

§1.2.2 常用的消除残余应力方法

传统的消除残余应力的方法主要有热时效法、自然时效法、超声波冲击法以

及锤击法等。

热时效是将工件缓慢加热到 A1（加热时，工件内部组织由珠光体向奥氏体转

变的临界温度）以下某一温度，保温一段时间，然后缓冷使工件发生回复的工艺

过程[3]。其技术成熟，消应力效果好，可保证加工精度和防止裂纹的产生，是铸件

消应力时常用的技术，但前期投入较大，需要专用的加热炉，耗能大、成本高、

效率低、污染环境、容易产生新的变形和二次应力，工件表面往往会产生氧化发

黑或容易软化；此外，受加热炉尺寸的限制，常常使大型工件难以处理。

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摘要现代工业生产中，由于工件生产过程中产生的残余应力会直接影响工件的质量和性能，甚至影响到工件组成的设备或系统的安全，因而，如何消除或降低工件内的残余应力就成为涉及生产安全的一项重要内容。振动时效技术作为一种成本低廉、适用性强、节能环保并可提高被消振工件机械性能的新型应力消除技术，目前已广泛应用于铸造、锻造、模具、焊接等相关行业。因此，深入研究振动时效技术、开发高效节能、自动化和智能化程度高的振动时效装置对于提高工业化生产水平具有重要的现实意义。本文在对振动时效的机理和工艺进行深入分析的基础上，设计一套由计算机控制，具有自动或手动扫频、定频的多工作模式振动时效装置。依据国家标准JB/T5925...

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