[发明专利]一种振动时效效果的在线定量化评价系统及方法

权利要求书

1.振动时效效果的在线定量化评价系统，包括上位机系统、信号发生器、驱动器、激振器、加速度传感器、电荷放大器、示波器、支撑装置；工件与激振器固定连接，并且采用具有弹性的支撑装置对工件进行支撑；上位机系统控制信号发生器输出幅值和频率均独立且连续可调的正弦激振信号；信号发生器输出的正弦激振信号经由驱动器输入激振器，从而驱动激振器产生振动；加速度传感器安装在工件上，加速度传感器的输出端与电荷放大器的输入通道连接，电荷放大器的输出通道与示波器连接，示波器与上位机系统连接；

上位机系统包括获取振动时效的激振频率f(kHz)的激振频率f获取模块，获取振动时效的激振时间t(min)的激振时间t获取模块，获取示波器显示的电压波形的电压波形获取模块，从电压波形中获取电压峰值U(V)的电压提取模块，将电压峰值转换为输出的加速度振级a(ms^-2)的振级a转换模块，将输出的加速度振级a转换为振动时效的激振幅值A(μm)的激振幅值A转换模块，将激振频率f、激振幅值A、激振时间t进行无量纲处理的无量纲处理模块，以及振动时效效果F与无量纲激振频率无量纲激振幅值无量纲激振时间之间的相互关系设置模块；

振级转换模块中预设有加速度传感器的灵敏度值s(pC/ms^-2)，电荷放大器输入通道的灵敏度系数S(pC/Unit)，放大系数K(Unit/V)；输出的加速度振级与电压峰值之间的转换关系为：输出的加速度振级与激振幅值之间的转换关系为：无量纲处理模块中预设有激振频率f与无量纲激振频率之间的转换关系激振幅值A与无量纲激振幅值之间的转换关系以及激振时间t与无量纲激振时间之间的转换关系其中f₀为1kHz，A₀为1μm、t₀为1min。

2.如权利要求1所述的振动时效效果的在线定量化评价系统，其特征在于：加速度传感器为压电式加速度传感器。

3.如权利要求2所述的振动时效效果的在线定量化评价系统，其特征在于：支撑装置为弹性元件。

4.使用如权利要求1-3之一所述的振动时效效果的在线定量化评价系统进行振动时效效果的在线定量化评价方法包括以下步骤：

(1)、将工件与激振器固定连接；采用支撑装置对工件进行支撑，以便激振器对工件进行激振；接通上位机系统与信号发生器之间的信号连线；接通信号发生器与驱动器之间的信号连线；接通驱动器与激振器之间的信号连线；接通上位机系统与示波器之间的信号连线；接通示波器与电荷放大器之间的信号连线；接通电荷放大器与加速度传感器之间的信号连线；接通上位机系统、信号发生器、驱动器、激振器、示波器、电荷放大器的电源；

(2)、在振级转换模块中设置加速度传感器的灵敏度值s(pC/ms^-2)；电荷放大器输入通道的灵敏度系数S(pC/Unit)，放大系数K(Unit/V)；

(3)、激振频率获取模块获取振动时效的激振频率f(kHz)；激振时间获取模块获取振动时效的激振时间t(min)；电压波形获取模块获取示波器显示的电压波形；电压提取模块从电压波形中获取电压峰值U(V)；振级转换模块中输出的加速度振级与电压峰值之间的转换关系为激振幅值转换模块中输出的激振幅值与加速度振级之间的转换关系为

(4)、无量纲处理模块对激振频率f、激振幅值A以及激振时间t进行无量纲处理，具体的激振频率f与无量纲激振频率之间的转换关系为激振幅值A与无量纲激振幅值之间的转换关系为以及激振时间t与无量纲激振时间之间的转换关系为其中f₀为1kHz，A₀为1μm、t₀为1min；

(5)、在振动时效效果F与无量纲激振频率无量纲激振幅值无量纲激振时间之间的相互关系设置模块中设置F与之间的相互关系为F(f,A,t)，并将步骤(4)中实时获取的无量纲激振频率无量纲激振幅值以及无量纲激振时间代入F(f,A,t)中即可以对振动时效效果进行在线定量化的评价。

5.如权利要求4所述的振动时效效果的在线定量化评价方法，其特征在于：步骤(5)中，获取振动时效效果F与无量纲激振频率无量纲激振幅值无量纲激振时间之间的相互关系的表达式F(f,A,t)包括以下步骤：

(5.1)、振动时效效果F与无量纲激振频率无量纲激振幅值无量纲激振时间之间的相互关系的表达式F(f,A,t)用如下的多项式进行逼近：式中：a₁、a₂、…、a₁₁为实系数，其中a₁₁为方程的常数项；

(5.2)、当工件未经振动时效处理时，即三个工艺参数的取值均为0时，工件的残余应力消除效果应为0，所以常数项a₁₁＝0，因此，F(f,A,t)进一步表示为：

F(f,A,t)=a1f‾+a2A‾+a3t‾+a4f‾2+a5A‾2+a6t‾2+a7f‾A‾+a8f‾t‾+a9A‾t‾+a10f‾A‾t‾;]]>

(5.3)、将10组不同的无量纲工艺参数组合以及它们所对应的振动时效效果F代入F(f,A,t)可以得到关于待定系数a₁、a₂、…、a₁₀的10元1次方程组，通过求解此方程组即可以求解出这10个待定系数的数值，这10元1次方程组采用矩阵的形式表示为：

(f‾)1(A‾)1(t‾)1...(f‾A‾t‾)1(f‾)2(A‾)2(t‾)2...(f‾A‾t‾)2............(f‾)10(A‾)10(t‾)10...(f‾A‾t‾)10a1a2...a10=F1F2...F10,]]>

进一步表示为：Ga＝F，

式中：为无量纲工艺参数组合矩阵，i＝1～10，该矩阵中的第i行表示第i次振动时效处理时的无量纲工艺参数的组合多项式；F＝[F_i]为振动时效的效果矩阵；a＝[a_i]为待定系数矩阵；

(5.4)、为了求解出10个待定系数，至少需要10组不同的实验数据，为了使得步骤(5.3)中的矩阵方程有唯一的解，则无量纲工艺参数组合矩阵G的秩应满足r(G)＝10，即无量纲工艺参数组合矩阵应为满秩矩阵，因此，待定系数通过如下的矩阵方程求解得到：

将求解出的10个待定系数代入步骤(5.2)中的表达式F(f,A,t)，即建立振动时效效果F与无量纲激振频率无量纲激振幅值无量纲激振时间之间的相互关系的表达式F(f,A,t)。