专利名称：滑动结合面动态特性测试装置及测试方法
技术领域：
本发明为一种获取滑动状态结合面基础特性数据的测试系统及测试方法，用于测 试处于滑动状态下结合部的动态特性参数。
背景技术：
机床制造业是机械制造业的心脏，是装备的“母机”，高速、高效率、高精密化、高可 靠性的数控机床拥有量及性能水平已经成为衡量一个国家机械制造工业水平的重要标志。 数控机床是要求非常高的精密、高效、柔性化、自动化加工设备，机械结构非常复杂，是由各 种零件按照一定的具体要求组合起来的，零件之间存在着各种各样的结合面，结合面刚度 是其机械结构整体刚度的重要组成部分，有时甚至成为整体刚度的薄弱环节。许多研究表 明机床的静刚度中30% -50%决定于结合面的刚度特性。结合面对机械结构阻尼的影响 则更为明显，对于像机床等由刚性零件组成的结构，其阻尼值的90%以上来源于结合面的 阻尼。传统的机床设计方法由于不能建立精确的机床结构动力学模型，严重阻碍了机床结 构的动态优化设计，而不能够建立精确模型的重要原因之一是无法对机床结合面特征参数 进行精确识别。结合面特征参数的精确识别已经成为能否进行结构创新、性能分析，提高 CAD/CAM—体化、复合化，进行快速优化设计的关键因素。滑动导轨在机床上的应用可谓够久远，具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性 能高等优点，而且滑动导轨接触面积大，承受冲击的能力较强，有助于减少、减轻因冲撞造 成导轨副的损坏，在现场条件下修复的可能性也较之滚动导轨更容易些。在要求机床有高 刚性、高阻尼特性和高金属去除率的场合，滑动导轨一直得到广泛的使用。滑动结合面特性 研究对机床整体特性具有重要意义。目前为止，广大学者一致认可结合部等效为若干弹簧和阻尼器的动力学模型，提 取结合部刚度和阻尼的基础特性数据，成为了精密数控机床动态解析和结构优化的重要技 术。高速数据采集系统以及振动传感器、激励器等电子测试技术的发展使得试验模态分析 技术得到了很大的进步，以双通道跟踪滤波技术为基础的“机械阻抗测试仪”和以数字相关 技术为基础的“频率特性分析仪”，以及虚拟仪器技术的发展，使得稳态正弦激励的机械阻 抗测试成为可能，为精确测试结合部动态特性参数提供了有利条件。
发明内容
本发明的目的是提供一种测试识别滑动状态结合面动态特性参数的系统，得到精 确的结合面基础特性数据，为机床整机有限元分析提供重要参数，建立真正实用的结合面 特征参数库，为设计现代高抗振性机械设备提供理论参考。能够测试在不同载荷、运动速 度、贴塑状态以及导轨材料等多种情况下的滑动结合面的刚度、阻尼参数。为实现上述目的，本发明采用了以下技术手段。—种滑动结合面动态特性测试装置，包括运行装置和实验装置的数据采集分析处 理系统；运行装置由单一电机驱动桥板及激振器支架同步运动，在移动过程中进行激振测试；包括基座、桥板导轨副、激振器同步运动装置、法向加压装置、切向加压装置、驱动执行 装置六部分，其中基座包括工作台、数个安装于工作台两端的端盖和调整垫圈、深沟球轴承以及用 于承受丝杠轴向载荷的面对面安装的一对角接触球轴承；桥板导轨副包括滑动导轨、桥板、 导向块；在工作台中心对称安装数个滑动导轨和导向块，滑动导轨定位安装在工作台凸起 部分。激振器同步运动装置包括由滚动导轨和滑块组成的支架运动导轨副，在桥板两侧 对称分布的支架拉动杆以及激振器支架；滚动导轨固定在工作台上；左支架、右支架以及 横梁用螺栓连接组成激振器支架，左、右支架与滑块紧固连接；拉动杆底部与桥板紧固连 接，前端伸出部分穿过左、右支架的预留孔；桥板与支架拉动杆沿导轨方向运动，支架拉动 杆拖动激振器支架及滑块在滚动导轨副上同步滑动。法向加压装置包括法向加力螺栓、特制垫圈、环形橡胶弹簧块、螺母盖板；法向加 力螺栓穿过桥板的通孔与螺母槽中的推杆基座螺纹连接，螺母盖板固定于工作台上。切向加压装置包括切向加力螺栓、矩形橡胶弹簧块、切向加压板；切向加压板通过 螺纹连接与激振器支架固连，切向加压板两侧部分加工有螺纹孔。驱动执行装置包括带有减速器的直流电机、弹性柱销联轴器、滑动丝杠、传动螺 母、推杆基座、推杆；直流电机减速器的输出轴通过联轴器与滑动丝杠连接，将动力传递到 滑动丝杆；滑动丝杠和传动螺母配合将电机动力转化为平移动力；传动螺母与推杆基座通 过连接螺柱固连，推杆底部有螺纹，拧进推杆基座上的螺纹孔中；通过以上三处的螺纹紧固 连接将传动螺母、推杆基座和推杆连接为联动的整体，推杆的顶部为球形结构，设置在桥板 的中心孔中。实验装置的数据采集分析处理系统，包括信号采集模块、信号通道模块、信号分析 处理模块。其中，采集处于激振状态的结合面相关数据的信号采集模块包括激振器、阻抗头 和拾振点加速度传感器，阻抗头包含力传感器、加速度传感器；拾振点加速度传感器在桥板 上表面及对应点的矩形导轨侧面，并沿导轨方向均勻分布；阻抗头位置为桥板重心位置的 上表面。信号通道模块包括电荷放大器、功率放大器和数据传送线路；信号通道模块将信 号采集模块得到的信号经过电荷放大器处理，送到信号分析处理模块，同时将信号分析处 理模块发出的激励信号传送至功率放大器，经调理后作用到激振器产生相应的激励。信号分析处理模块包括数据采集卡、计算机；数据采集卡接收信号通道模块传送 的数据，转换为计算机内虚拟机程序要求的电信号。前述的滑动导轨用沉头螺栓紧固在工作台上，安装面四周设有防止润滑油外溢的 油槽，滑动导轨的表面进行贴塑处理。前述的支架运动导轨副包括滚动导轨两个、在滚动导轨上自由滑动的滑块四个， 滑块在两滚动导轨上各有两个，对称布置。前述的左、右支架通过螺栓与滑块紧固连接。一种滑动结合面动态特性测试方法，包括以下步骤1.调平工作台，将工作台固定于试验台上；安装驱动执行装置，将导向块、桥板、滑动导轨和激振器同步运动装置安装于工作台上；滑动导轨的侧面预留传感器位置，沿导 轨方向均勻布置加速度传感器，桥板上表面对应布置加速度传感器，各传感器与磁力座连 接，通过磁力座吸附在导轨及桥板上；用柔性绳将激振器悬挂在横梁上，阻抗头固定在桥板 上表面中心位置，调整激振器位置，使激振杆对正阻抗头。2.调整法向加力螺栓或切向加力螺栓的预紧力到指定大小，螺栓压紧环形橡胶弹 簧块或者矩形橡胶弹簧快，间接对桥板导轨结合部施加法向载荷；调整电机输出转速，驱动 桥板在滑动导轨上以一定的速度移动，并拖动激振器支架和自由悬挂状态的激振器同步平 稳运动，实现在运动中对桥板导轨副进行激振。3.计算机虚拟机程序发出激励信号，经功率放大器调理后作用到激振器上，激振 器根据激励信号发出相应的激励；阻抗头上的力传感器测得法向或切向激振力f，桥板上 均勻分布的加速度传感器测得的信号经处理得到位移信号X (t)，导轨上均布的传感器测得 的信号经处理得到位移信号Xs (t)。4.信号分析处理模块根据等效单自由度原理对数据进行处理，绘制需要的频响函 数曲线；建立结合部的等效单自由度系统模型，将结合部等效为弹簧和阻尼器的动力学模 型，建立该等效系统的运动方程
权利要求
1.一种滑动结合面动态特性测试装置，包括运行装置和数据采集分析处理系统；其特 征在于所述的运行装置由单一电机驱动桥板及激振器支架同步运动，在移动过程中进行 激振测试；所述的运行装置包括基座、桥板导轨副、激振器同步运动装置、法向加压装置、切向加 压装置、驱动执行装置，其中所述的基座包括工作台G)、安装于工作台(4)两端的端盖(1)和调整垫圈(3)、深沟 球轴承O)以及用于承受丝杠的轴向载荷的面对面安装的一对角接触球轴承(1 ；所述的 桥板导轨副包括滑动导轨(M)、桥板(25)、导向块；在工作台中心对称安装数个滑动 导轨04)和导向块(23)，滑动导轨定位安装在工作台凸起部分；所述的激振器同步运动装置包括由滚动导轨0 和滑块09)组成的支架运动导轨 副，在桥板两侧对称分布的支架拉动杆08)以及激振器支架；滚动导轨固定在工作台(4) 上；左支架(21)、右支架(XT)以及横梁00)用螺栓连接组成激振器支架，左、右支架与滑 块紧固连接；拉动杆底部与桥板0 紧固连接，前端伸出部分穿过左、右支架的预留孔；桥 板与支架拉动杆沿导轨方向运动，支架拉动杆拖动激振器支架及滑块在滚动导轨副上同步 滑动；所述的法向加压装置包括法向加力螺栓(11)、特制垫圈(12)、环形橡胶弹簧块(13)、 螺母盖板(5)；法向加力螺栓(11)穿过桥板0 的通孔与螺母槽中的推杆基座(7)螺纹 连接，螺母盖板(5)固定于工作台(4)上；所述切向加压装置包括切向加力螺栓(30)、矩形橡胶弹簧块(31)、切向加压板06)； 切向加压板06)通过螺纹连接与激振器支架固连，切向加压板两侧部分加工有螺纹孔；所述驱动执行装置包括带有减速器的直流电机(19)、弹性柱销联轴器(17)、滑动丝杠 (6)、传动螺母(8)、推杆基座(7)、推杆(10)；直流电机(19)减速器的输出轴通过联轴器 (17)与滑动丝杠(6)连接，将动力传递到滑动丝杆(6)；滑动丝杠(6)和传动螺母(8)配 合将电机动力转化为平移动力；传动螺母(8)与推杆基座(7)通过连接螺柱(9)固连，推 杆(10)底部有螺纹，拧进推杆基座(7)上的螺纹孔中；通过以上三处的螺纹紧固连接将传 动螺母、推杆基座和推杆连接为联动的整体，推杆的顶部为球形结构，设置在桥板的中心孔 中；所述的数据采集分析处理系统，包括信号采集模块、信号通道模块、信号分析处理模块；其中，采集处于激振状态的结合面相关数据的信号采集模块包括激振器(A4)、阻抗头 (Al)和拾振点加速度传感器(Α》、(Α； )，阻抗头包含力传感器、加速度传感器；拾振点加速 度传感器在桥板上表面及对应点的矩形导轨侧面，并沿导轨方向均勻分布；阻抗头位置为 桥板重心位置的上表面；信号通道模块包括电荷放大器(A7)、功率放大器脚和数据传送线路；信号通道模块 将信号采集模块得到的信号经过电荷放大器处理，送到信号分析处理模块，同时将信号分 析处理模块发出的激励信号传送至功率放大器，经调理后作用到激振器产生相应的激励；信号分析处理模块包括数据采集卡(A6)、计算机(A8)；数据采集卡接收信号通道模块 传送的数据，转换为计算机内虚拟机程序要求的电信号。
2.根据权利要求1所述的滑动结合面动态特性测试装置，其特征在于所述的滑动导轨04)用沉头螺栓紧固在工作台上，安装面四周设有防止润滑油外溢的油槽，滑动导轨的 表面进行贴塑处理。
3.根据权利要求1所述的滑动结合面动态特性测试装置，其特征在于所述的支架运 动导轨副包括滚动导轨0 两个、在滚动导轨上自由滑动的滑块09)四个，滑块在两滚动 导轨上各有两个，对称布置。
4.根据权利要求1所述的滑动结合面动态特性测试装置，其特征在于所述的左、右支 架通过螺栓与滑块紧固连接。
5.一种滑动结合面动态特性测试方法，其特征在于包括以下步骤 5.1.调平工作台G)，将工作台固定于试验台上；安装驱动执行装置，将导向块(23)、 桥板(25)、滑动导轨04)和激振器同步运动装置安装于工作台上；滑动导轨的侧面预留 传感器位置，沿导轨方向均勻布置加速度传感器(Α； )，桥板上表面对应布置加速度传感器 (A2)，各传感器与磁力座连接，通过磁力座吸附在导轨及桥板上；用柔性绳将激振器悬挂在 横梁上，阻抗头(Al)固定在桥板上表面中心位置，调整激振器位置，使激振杆对正阻抗头；5.2.调整法向加力螺栓(11)或切向加力螺栓(30)的预紧力到指定大小，螺栓压紧环 形橡胶弹簧块(1 或者矩形橡胶弹簧快(31)，间接对桥板导轨结合部施加法向载荷；调整 电机输出转速，驱动桥板在滑动导轨上以一定的速度移动，并拖动激振器支架和自由悬挂 状态的激振器同步平稳运动，实现在运动中对桥板导轨副进行激振；5.3.计算机虚拟机程序(A8)发出激励信号，经功率放大器(AO调理后作用到激振器 上，激振器根据激励信号发出相应的激励；阻抗头(Al)上的力传感器测得法向或切向激振 力f，桥板上均勻分布的加速度传感器m测得的信号经处理得到位移信号x(t)，导轨上 均布的传感器(Α； )测得的信号经处理得到位移信号^(t)；5.4.信号分析处理模块根据等效单自由度原理对数据进行处理，绘制出需要的频响函 数曲线；建立结合部的等效单自由度系统模型，将结合部等效为弹簧和阻尼器的动力学模 型，建立该等效系统的运动方程滅
全文摘要
本发明公开了一种滑动结合面动态特性测试装置和测试方法，包括运行装置和实验装置的数据采集分析处理系统；运行装置由单一电机驱动桥板及激振器支架同步运动，在移动过程中进行激振测试；包括基座、桥板导轨副、激振器同步运动装置、法向加压装置、切向加压装置、驱动执行装置，实验装置的数据采集分析处理系统，包括信号采集模块、信号通道模块、信号分析处理模块。实现在运动过程中进行激振实验。电机速度可调；所加压力可以在要求范围内变化，实现不同压力状态下结合面参数识别；切向导向块为可换件，能够测试钢、铸铁不同材料及多种表面粗糙度情况下的结合部的特性参数。高速、高效的数据采集分析处理系统为结合面实验的识别精度提供了有力保证。
文档编号G01M7/02GK102095562SQ201010617228
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者伍良生, 晁慧泉, 王泽林, 肖毅川, 马建峰 申请人:北京工业大学