基于PUMA操作平臺(tái)的產(chǎn)品正弦振動(dòng)檢驗(yàn)研究

摘 要：產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)是試驗(yàn)室中經(jīng)常采用的試驗(yàn)方法，要模擬旋轉(zhuǎn)、脈動(dòng)、振蕩（在船舶、飛機(jī)、車輛、空間飛行器上所出現(xiàn)的）所產(chǎn)生的振動(dòng)，必須用正弦振動(dòng)試驗(yàn)?；赑UMA操作平臺(tái)的振動(dòng)控制和分析系統(tǒng)優(yōu)化了多項(xiàng)任務(wù)，工業(yè)連接和數(shù)據(jù)互換協(xié)議，其動(dòng)態(tài)識(shí)別并建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)更新控制參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了真正的自適應(yīng)控制。隨著航空航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，正弦振動(dòng)已經(jīng)成為振動(dòng)環(huán)境工程和結(jié)構(gòu)力學(xué)研究中的重要研究課題。經(jīng)過多次試驗(yàn)表明，基于PUMA操作平臺(tái)的振動(dòng)控制和分析系統(tǒng)具有較好準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：正弦振動(dòng)；PUMA操作平臺(tái)；數(shù)據(jù)互換協(xié)議；自適應(yīng)控制

引言

正弦振動(dòng)是隨時(shí)間按正弦（或余弦）函數(shù)變化的振動(dòng). 正弦振動(dòng)試驗(yàn)的目的是在試驗(yàn)室內(nèi)模擬電工電子產(chǎn)品在運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用過程中所遭受的振動(dòng)及其影響，并考核其適應(yīng)性?；赑UMA操作平臺(tái)的振動(dòng)控制和分析系統(tǒng)應(yīng)用了 SD 公司的計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)成套設(shè)備（簡(jiǎn)稱 CATS）的架構(gòu)。PUMA 振動(dòng)控制和分析系統(tǒng)使全部試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理更具有時(shí)代性和有效性，它作為一種多通道的數(shù)字信號(hào)處理器，可以做到數(shù)百個(gè)到數(shù)千個(gè)通道數(shù)字信號(hào)處理器同步采樣，能夠高速獲得數(shù)據(jù)，高速分析數(shù)據(jù)以及高速產(chǎn)生輸出信號(hào)，從而提供了更有效更安全的檢查和更精確的控制和測(cè)量結(jié)果。

PUMA 振動(dòng)控制和分析系統(tǒng)有可升級(jí)的軟硬件，對(duì)產(chǎn)品的篩選試驗(yàn)具有易操作性，對(duì)于研究開發(fā)試驗(yàn)（R D）具有針對(duì)性和通用性。PUMA 振動(dòng)控制和分析系統(tǒng)可提供大范圍的選項(xiàng)以滿足與溫控箱等其他設(shè)備的互相連接。其獨(dú)特的用戶/服務(wù)器架構(gòu)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)可以具有非平行的自動(dòng)化測(cè)驗(yàn)的能力。它可以通過當(dāng)?shù)氐木钟蚓W(wǎng)絡(luò)或國際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視和控制測(cè)驗(yàn)。ACTIVE X 和自動(dòng)工具包可以使用戶應(yīng)用VISUAL BASIC，C++，JAVA 或 NATIONAL INSTRUMENTS LABVIEWTM等進(jìn)行振動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集工作。

1.振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)

振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)是振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)中核心的一環(huán)，其性能指標(biāo)的優(yōu)劣直接影響每一次振動(dòng)試驗(yàn)的成功與否。目前工程中應(yīng)用比較多的是機(jī)械振動(dòng)臺(tái)、電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)和電液振動(dòng)臺(tái)。而尤以電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)應(yīng)用范圍最廣，約占在役振動(dòng)臺(tái)的80%以上。圖1為正弦振動(dòng)控制的振動(dòng)臺(tái)。

圖1 正弦控制振動(dòng)臺(tái)

振動(dòng)試驗(yàn)在實(shí)際當(dāng)中的作用：

1.1.能發(fā)現(xiàn)虛焊。虛焊很不好檢查，危害也很大，造成接觸不良，連接強(qiáng)度很弱。振動(dòng)能把元件從虛焊處振脫。

1.2.能發(fā)現(xiàn)有缺陷的元器件。振動(dòng)試驗(yàn)中常常出現(xiàn)某元件焊腳振斷的情況，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)這些元件的焊腳原來就有缺陷，如很深的劃傷或者技術(shù)人員在焊接前反復(fù)彎曲焊腳造成嚴(yán)重的疲勞損傷等等。

1.3.能發(fā)現(xiàn)質(zhì)量低劣的元件，有些元件質(zhì)量較差，在振動(dòng)試驗(yàn)中被振壞，而且多處使用的同一種元件同時(shí)被振壞。這說明此種元件質(zhì)量太差，必須更換其它質(zhì)量好的元件。

2.振動(dòng)試驗(yàn)

2.1.振動(dòng)試驗(yàn)的試驗(yàn)條件

凡是希望使用盡可能接近真實(shí)振動(dòng)環(huán)境進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)的試驗(yàn)條件，都需要定出準(zhǔn)確的輸入量值，這對(duì)有效的、精確的振動(dòng)試驗(yàn)是首要的一步。

2.1.1.試驗(yàn)概述

包括名稱、性質(zhì)和用途，并注明試驗(yàn)對(duì)象如用于汽車、飛機(jī)或?qū)椀?。另外?duì)試件在試驗(yàn)室中存放時(shí)有何特殊要求，如防塵、防靜電、防劃傷表面等。

2.1.2.振動(dòng)試驗(yàn)的目的

振動(dòng)試驗(yàn)的目的是明確的，一個(gè)振動(dòng)試驗(yàn)可以是一個(gè)目的，也可以使多個(gè)目的。例如評(píng)定試件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；評(píng)定試件的性能；評(píng)定試件的動(dòng)態(tài)特性；工藝篩選等等。由于試驗(yàn)的目的是貫穿振動(dòng)試驗(yàn)的主線，參試的各類人員如試驗(yàn)計(jì)劃、試驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)分析何編寫試驗(yàn)報(bào)告的工作人員都應(yīng)詳細(xì)了解。

2.1.3.試驗(yàn)的邊界條件

在振動(dòng)試驗(yàn)中必須考慮試件在使用時(shí)處于何種狀態(tài)，也就是邊界條件。只有正確模擬邊界條件，才能保證試驗(yàn)的正確性。由于許多試件都是從機(jī)上或彈片上取下單獨(dú)作振動(dòng)試驗(yàn)的，在夾具設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析和報(bào)告編寫時(shí)都必須深入了解邊界條件。

2.1.4. 試件方位

通常振動(dòng)試驗(yàn)輸入規(guī)定為相互垂直的三個(gè)軸。并依次進(jìn)行試驗(yàn)（目前國外的趨勢(shì)也有兩個(gè)方向或三個(gè)方向同時(shí)輸入的）。當(dāng)試驗(yàn)次序很重要時(shí)，特別時(shí)有些產(chǎn)品對(duì)于某個(gè)軸比較敏感，如繼電器中觸電閉合方向比較敏感，就應(yīng)付試驗(yàn)先后順序加以規(guī)定。一般應(yīng)先進(jìn)行敏感軸方向的試驗(yàn)。

2.2.振動(dòng)試驗(yàn)的的操作

計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)成套設(shè)備（CATS）的正弦振動(dòng)控制 CATS SINE 軟件是一套可以提供正弦掃頻試驗(yàn)要求的完整的解決方案，PUMA 的數(shù)據(jù)處理架構(gòu)能對(duì)艱難的試驗(yàn)狀態(tài)，例如尖銳共振峰以及快速掃頻等情況，提供安全和精確控制的快速回路時(shí)間。在輸入通道卡上的 DSP 中，具有跟蹤濾波器，因此，多通道的正弦掃頻測(cè)試可以在不降低控制回路性能的情況下進(jìn)行。

2.2.1.高質(zhì)量模擬正弦信號(hào)的產(chǎn)生。

2.2.2.多通道數(shù)字跟蹤濾波器，具有各種定值的比例帶寬。

2.2.3.數(shù)字式再采樣，提供了真正的比例帶寬跟蹤濾波器 。

2.2.4.掃頻范圍自 0.01～10kHz（視不同的產(chǎn)品級(jí)別而定）。

2.2.5.可選擇的共振搜索駐留和相位跟蹤駐留。

2.2.6.對(duì)全部工作的通道進(jìn)行頻響函數(shù)（Frequency Response Function）的測(cè)量 。

2.2.7.對(duì)每一個(gè)工作的測(cè)量通道，可獨(dú)立地進(jìn)行限制設(shè)置。如圖2所示檢測(cè)界面。

圖2 檢測(cè)界面

3.試驗(yàn)夾具的選取與設(shè)計(jì)

夾具是振動(dòng)試驗(yàn)中一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，試驗(yàn)的成功與否，試驗(yàn)結(jié)果的可信度，與試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)、制作及安裝使用水平息息相關(guān)。另外，試件常常需要幾個(gè)方向固定，這是由于試驗(yàn)條件要求進(jìn)行x、y、z三個(gè)方向的振動(dòng)。因此，在振動(dòng)試驗(yàn)中振動(dòng)夾具必不可少。

例如，某型號(hào)產(chǎn)品的夾具的振動(dòng)試驗(yàn)圖譜如圖3所示，選用頻率從10Hz掃頻到2000Hz，量級(jí)為1g，觀察其夾具的共振點(diǎn)。

圖3某型號(hào)產(chǎn)品的振動(dòng)試驗(yàn)圖譜

希望動(dòng)圈將振動(dòng)能量不失真地傳遞給臺(tái)面，這種希望在整個(gè)試驗(yàn)頻段內(nèi)不能完全達(dá)到。同樣我們也要求夾具能把臺(tái)面運(yùn)動(dòng)不失真地傳遞給試件，也就是加速度計(jì)在任何一點(diǎn)上測(cè)得的加速度值和相位應(yīng)完全一樣。要滿足這一要求只有夾具是剛體時(shí)才能達(dá)到，但實(shí)際上只有頻率較低時(shí)才能把夾具視為剛體，我們希望動(dòng)圈和夾具都是剛體的想法是不切實(shí)際的，當(dāng)動(dòng)圈或夾具發(fā)生共振時(shí)，輸入與輸出將不再保持相同的值，而且夾具上各個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)也不保持相同的值，這樣就對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)產(chǎn)生影響。其實(shí)在共振峰前夾具也不是絕對(duì)剛硬，振動(dòng)臺(tái)面各連接點(diǎn)及夾具上各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)也不是完全一樣，也會(huì)有一定的差別。因此對(duì)夾具的要求必須有一個(gè)量的概念，我國尚未制定出對(duì)夾具要求的標(biāo)準(zhǔn)。再加上被試驗(yàn)件是千變?nèi)f化的，夾具必須適應(yīng)和滿足這種變化，所以說夾具的制造是很困難的。

4. 結(jié)論

振動(dòng)試驗(yàn)與其它工程一樣是從簡(jiǎn)單到復(fù)雜慢慢發(fā)展起來的，而且與當(dāng)時(shí)的先進(jìn)技術(shù)緊密相連，最早的振動(dòng)動(dòng)工程問題來源于旋轉(zhuǎn)機(jī)械引起的振動(dòng)；地震對(duì)建筑物的影響；車輛行駛在不平路面上引起車輛的振動(dòng)；船舶行駛中，浪涌引起的振動(dòng)等等。

而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是飛機(jī)工業(yè)的發(fā)展，使得帶解決的振動(dòng)工程問題越來越多。這促使包括正弦振動(dòng)試驗(yàn)在內(nèi)的振動(dòng)試驗(yàn)有了更為廣闊的進(jìn)步?；赑UMA操作平臺(tái)的振動(dòng)控制和分析系統(tǒng)具有較好準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，為產(chǎn)品的檢驗(yàn)提供了更有效更安全的檢查和更精確的控制和測(cè)量結(jié)果。

作者簡(jiǎn)介：

第一作者：謝鑫，（1984.12-）男，工學(xué)學(xué)士，助理工程師。

第二作者：陳雅君，（1985.02-）女，工學(xué)碩士，工程師。