基于PUMA操作平臺的產品正弦振動檢驗研究

摘 要：產品振動試驗是試驗室中經常采用的試驗方法，要模擬旋轉、脈動、振蕩（在船舶、飛機、車輛、空間飛行器上所出現的）所產生的振動，必須用正弦振動試驗。基于PUMA操作平臺的振動控制和分析系統優(yōu)化了多項任務，工業(yè)連接和數據互換協議，其動態(tài)識別并建立被控對象的數學模型實時更新控制參數，從而實現了真正的自適應控制。隨著航空航天技術的迅猛發(fā)展，正弦振動已經成為振動環(huán)境工程和結構力學研究中的重要研究課題。經過多次試驗表明，基于PUMA操作平臺的振動控制和分析系統具有較好準確性和穩(wěn)定性。

關鍵詞：正弦振動；PUMA操作平臺；數據互換協議；自適應控制

引言

正弦振動是隨時間按正弦（或余弦）函數變化的振動. 正弦振動試驗的目的是在試驗室內模擬電工電子產品在運輸、儲存、使用過程中所遭受的振動及其影響，并考核其適應性。基于PUMA操作平臺的振動控制和分析系統應用了 SD 公司的計算機輔助試驗成套設備（簡稱 CATS）的架構。PUMA 振動控制和分析系統使全部試驗和數據處理更具有時代性和有效性，它作為一種多通道的數字信號處理器，可以做到數百個到數千個通道數字信號處理器同步采樣，能夠高速獲得數據，高速分析數據以及高速產生輸出信號，從而提供了更有效更安全的檢查和更精確的控制和測量結果。

PUMA 振動控制和分析系統有可升級的軟硬件，對產品的篩選試驗具有易操作性，對于研究開發(fā)試驗（R D）具有針對性和通用性。PUMA 振動控制和分析系統可提供大范圍的選項以滿足與溫控箱等其他設備的互相連接。其獨特的用戶/服務器架構在實驗室內可以具有非平行的自動化測驗的能力。它可以通過當地的局域網絡或國際互聯網絡監(jiān)視和控制測驗。ACTIVE X 和自動工具包可以使用戶應用VISUAL BASIC，C++，JAVA 或 NATIONAL INSTRUMENTS LABVIEWTM等進行振動控制和數據采集工作。

1.振動試驗臺

振動試驗臺是振動試驗系統中核心的一環(huán)，其性能指標的優(yōu)劣直接影響每一次振動試驗的成功與否。目前工程中應用比較多的是機械振動臺、電動振動臺和電液振動臺。而尤以電動振動臺應用范圍最廣，約占在役振動臺的80%以上。圖1為正弦振動控制的振動臺。

圖1 正弦控制振動臺

振動試驗在實際當中的作用：

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

1.2.能發(fā)現有缺陷的元器件。振動試驗中常常出現某元件焊腳振斷的情況，經過分析發(fā)現這些元件的焊腳原來就有缺陷，如很深的劃傷或者技術人員在焊接前反復彎曲焊腳造成嚴重的疲勞損傷等等。

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

2.振動試驗

2.1.振動試驗的試驗條件

凡是希望使用盡可能接近真實振動環(huán)境進行振動試驗的試驗條件，都需要定出準確的輸入量值，這對有效的、精確的振動試驗是首要的一步。

2.1.1.試驗概述

包括名稱、性質和用途，并注明試驗對象如用于汽車、飛機或導彈等。另外對試件在試驗室中存放時有何特殊要求，如防塵、防靜電、防劃傷表面等。

2.1.2.振動試驗的目的

振動試驗的目的是明確的，一個振動試驗可以是一個目的，也可以使多個目的。例如評定試件結構強度；評定試件的性能；評定試件的動態(tài)特性；工藝篩選等等。由于試驗的目的是貫穿振動試驗的主線，參試的各類人員如試驗計劃、試驗操作、數據分析何編寫試驗報告的工作人員都應詳細了解。

2.1.3.試驗的邊界條件

在振動試驗中必須考慮試件在使用時處于何種狀態(tài)，也就是邊界條件。只有正確模擬邊界條件，才能保證試驗的正確性。由于許多試件都是從機上或彈片上取下單獨作振動試驗的，在夾具設計、數據分析和報告編寫時都必須深入了解邊界條件。

2.1.4. 試件方位

通常振動試驗輸入規(guī)定為相互垂直的三個軸。并依次進行試驗（目前國外的趨勢也有兩個方向或三個方向同時輸入的）。當試驗次序很重要時，特別時有些產品對于某個軸比較敏感，如繼電器中觸電閉合方向比較敏感，就應付試驗先后順序加以規(guī)定。一般應先進行敏感軸方向的試驗。

2.2.振動試驗的的操作

計算機輔助試驗成套設備（CATS）的正弦振動控制 CATS SINE 軟件是一套可以提供正弦掃頻試驗要求的完整的解決方案，PUMA 的數據處理架構能對艱難的試驗狀態(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試可以在不降低控制回路性能的情況下進行。

2.2.1.高質量模擬正弦信號的產生。

2.2.2.多通道數字跟蹤濾波器，具有各種定值的比例帶寬。

2.2.3.數字式再采樣，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（視不同的產品級別而定）。

2.2.5.可選擇的共振搜索駐留和相位跟蹤駐留。

2.2.6.對全部工作的通道進行頻響函數（Frequency Response Function）的測量 。

2.2.7.對每一個工作的測量通道，可獨立地進行限制設置。如圖2所示檢測界面。

圖2 檢測界面

3.試驗夾具的選取與設計

夾具是振動試驗中一個很重要的環(huán)節(jié)，試驗的成功與否，試驗結果的可信度，與試驗夾具設計、制作及安裝使用水平息息相關。另外，試件常常需要幾個方向固定，這是由于試驗條件要求進行x、y、z三個方向的振動。因此，在振動試驗中振動夾具必不可少。

例如，某型號產品的夾具的振動試驗圖譜如圖3所示，選用頻率從10Hz掃頻到2000Hz，量級為1g，觀察其夾具的共振點。

圖3某型號產品的振動試驗圖譜

希望動圈將振動能量不失真地傳遞給臺面，這種希望在整個試驗頻段內不能完全達到。同樣我們也要求夾具能把臺面運動不失真地傳遞給試件，也就是加速度計在任何一點上測得的加速度值和相位應完全一樣。要滿足這一要求只有夾具是剛體時才能達到，但實際上只有頻率較低時才能把夾具視為剛體，我們希望動圈和夾具都是剛體的想法是不切實際的，當動圈或夾具發(fā)生共振時，輸入與輸出將不再保持相同的值，而且夾具上各個點的運動參數也不保持相同的值，這樣就對振動試驗產生影響。其實在共振峰前夾具也不是絕對剛硬，振動臺面各連接點及夾具上各點運動也不是完全一樣，也會有一定的差別。因此對夾具的要求必須有一個量的概念，我國尚未制定出對夾具要求的標準。再加上被試驗件是千變萬化的，夾具必須適應和滿足這種變化，所以說夾具的制造是很困難的。

4. 結論

振動試驗與其它工程一樣是從簡單到復雜慢慢發(fā)展起來的，而且與當時的先進技術緊密相連，最早的振動動工程問題來源于旋轉機械引起的振動；地震對建筑物的影響；車輛行駛在不平路面上引起車輛的振動；船舶行駛中，浪涌引起的振動等等。

而隨著科學技術的發(fā)展，特別是飛機工業(yè)的發(fā)展，使得帶解決的振動工程問題越來越多。這促使包括正弦振動試驗在內的振動試驗有了更為廣闊的進步。基于PUMA操作平臺的振動控制和分析系統具有較好準確性和穩(wěn)定性，為產品的檢驗提供了更有效更安全的檢查和更精確的控制和測量結果。

作者簡介：

第一作者：謝鑫，（1984.12-）男，工學學士，助理工程師。

第二作者：陳雅君，（1985.02-）女，工學碩士，工程師。