一种工作台式自动力锤装置及方法
【专利摘要】一种工作台式自动力锤装置及方法，适用于结构模态分析，振动冲击测试。装置主要包括电机、底座、立座、定位齿套摇臂、光电编码器、力锤夹持活动夹、力锤夹持定夹和力锤，将电机固定在立座底部，摇臂和立座通过定位弹簧和定位齿套形成一特定工作角度，摇臂末端摇臂盖侧固定光电编码器，力锤安装于摇臂末端安装力锤夹持活动夹和力锤夹持定夹内。根据输入的冲击速度、距离以及冲击次数和频率，计算出控制信号，控制电机带动力锤按设定要求的参数敲击被测试件表面，达到测试激励效果。本发明可保证激励力的大小和方向的一致性、重复性和调节性，方便控制力锤作用于被测试件的接触时间、激励力大小和冲击频率，较易获得理想力脉冲。
【专利说明】一种工作台式自动力锤装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于模态测试设备领域，具体涉及一种工作台式自动力锤装置方法，尤其 适用于激励力可重复、一致性高和调节性好、激励力大小和冲击频率可调的工作台式自动 力锤装置及方法。
【背景技术】
[0002] 模态试验用于测量机械结构的动态特性，其目的是得到结构的固有频率、模态振 型和模态阻尼，以进行机械结构的动态特性分析。
[0003] 模态试验常采用锤击法，这种方法最重要的优点是激励装置（即力锤）不与试件 相连接，不给结构附加任何质量，因而不会影响试件的动态特性。
[0004] 力锤是锤子和力传感器结合构成的仪器，是模态试验中常用的激励装置。力锤多 用于SIS0参数识别方法中。力锤锤击激励提供一种瞬态激励，一般通过更换力锤锤帽获得 不同的冲击力谱，更换不同质量的锤头可获得不同能量的激励信号。对于普通结构，用SIS0 频域法做参数识别时，使用力锤一般能得到较为满意的结果。加之激励设备简单，价格低 廉，使用方便，对工作环境适应性较强，特别适用于现场测试和实验室测试，因此，通常将力 锤锤击激励作为优先考虑的激励方式之一。
[0005] 激振力的能量量级和频率展宽取决于操作者用力的大小，反应的快慢，力锤的质 量，锤头硬度等。在需要宽频激励时，要求输入力接近Dirac脉冲（即持续时间为零，力幅度 无限大，冲量为一个单位），除了要求锤头硬，锤质量小，试件表面硬外，还要求操作者施加 的力小，使力锤与试件之间的接触时间短；在需要低频激励时，除了要求锤子重，锤头软外， 还要求操作者施加的力大，使力锤与试件之间的接触时间加长，以便激励出较低的频率。
[0006] 目前，锤击法试验是由人工操作力锤击打被测结构，由于每次锤击力的大小和方 向很难保持一致，而且激励时间也难以控制，因此可重复性差，难以激励出理想的力脉冲。
【发明内容】
[0007] 技术问题：本发明的目的是提供一种结构简单、省时省力、能够保证冲击力的可重 复性和可调节性，可靠地控制锤头与被测结构之间的接触时间和冲击力大小的工作台式自 动力锤。
[0008] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明的工作台式自动力锤装置，包括电机、底 座、立座、立座盖、定位弹簧、定位齿套、摇臂、光电编码器、力锤夹持定夹、力锤夹持活动夹、 力锤；所述的电机固定在立座盖底部，电机输出轴上固定有第一同步带轮，立座盖扣合在立 座上，立座安装在底座上，所述的摇臂通过定位弹簧和定位齿套固定在立座上，与立座形成 一特定工作角度，定位弹簧将定位齿套紧压在立座一侧，立座和摇臂通过中轴、第一档圈、 第一轴承、第二档圈、第二轴承轴向和径向定位；所述的中轴两侧设有第二同步带轮和第三 同步带轮，中轴和第二同步带轮通过第一平键周向固定，中轴和第三同步带轮通过第二平 键周向固定；摇臂末端固定有光电编码器，所述的力锤固定安装于摇臂末端的力锤夹持活 动夹和力锤夹持定夹内，力锤夹持定夹和力锤夹持活动夹之间设有调节螺杆，所述力锤夹 持定夹的后部设有连接轴，连接轴末端设有螺纹孔，该螺纹孔与光电编码器的轴固定相连； 所述力锤夹持定夹通过第三轴承和第三挡圈和摇臂轴向固定；第四同步带轮通过第三平键 周向固定在力锤夹持定夹的轴上；所述的第一同步带轮和第二同步带轮通过第一同步带连 接传动，第三同步带轮和第四同步带轮通过第二同步带连接传动。
[0009] 所述底座下的支腿为磁性表座；所述的摇臂上设有摇臂盖；所述的力锤夹持定夹 上设有两道燕尾槽凸槽，力锤夹持活动夹上设有两道燕尾槽凹槽，力锤夹持定夹与力锤夹 持活动夹17通过燕尾槽滑动连接；所述的调节螺杆上设有压紧弹簧。
[0010] 使用上述装置的工作台式自动力锤方法：在测试工作前，通过拧调节螺杆，使力锤 夹持定夹和力锤夹持活动夹张开，将的力锤的锤把放入到力锤夹持定夹和力锤夹持活动夹 之间，拧紧调节螺杆，使固定力锤夹紧；测试时，将底座安放于铁磁性桌面上，调整好位置， 打开磁性表座的开关，使装置紧紧固定在铁磁性桌面上，然后滑动定位齿套挤压定位弹簧， 使定位齿套与摇臂外齿脱离啮合，调整摇臂与立座到所需角度，放开定位齿套，锁紧摇臂与 立座，将力锤与被测试件的表面相接触，读取此进光电编码器的数值，确定初始位置，然后 再根据输入的冲击速度、距离以及冲击次数和频率，计算出控制信号，通过控制电机驱动 器，使电机通过同步带传动系统带动力锤按设定要求的参数敲击被测试件表面，达到测试 激励效果。
[0011] 有益效果：本发明可解决现有力锤测试装置所存在的锤击力大小和方向较难保持 一致、激励时间难以控制、可重复性差、难以提供理想的力脉冲问题；利用现有普通力锤，可 节约额外制造专用锤头的成本；激励力大小和方向的一致性、重复性和调节性较好，能可靠 地控制锤头与被测结构之间的接触时间和冲击力大小，得到较为理想的力脉冲；工作台底 座采用磁性表座，稳定性好，在铁磁性工作面上，本发明的自动力锤装置可以选择任意位置 放置，对试件进行多测点测试，可用于机械结构的模态分析和自动冲击测试。其结构简单， 使用方便，可重复性强，激励脉冲效果好，具有广泛的实用性。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1为本发明的主视结构示意图；
[0013] 图2为本发明的侧视结构示意图；
[0014] 图3为本发明的三维结构示意图；
[0015] 图4为本发明的三维结构图局部视图I ;
[0016] 图5为本发明的三维结构图局部视图II ;
[0017] 图6为本发明的三维结构图局部视图III。
[0018] 图中：1 一磁性表座，2-螺钉，3-底座，4 一第一同步带轮，5 -电机，6-立座盖， 7-立座，8-第一同步带，9 一第二同步带轮，10-中轴，11 一第一平键，12-第一挡圈，13- 第一轴承，14 一定位弹簧，15-定位齿套，16-力锤，17-力锤夹持活动夹，18-力锤夹持 定夹，19一压紧弹簧，20-调节螺杆，21-第四同步带轮，22-第二平键，23-光电编码器， 24-第三挡圈，25-第三轴承，26-摇臂，27-摇臂盖，28-第二同步带，29-第二平键， 30一第二同步带轮，31-第二挡圈，32-第二轴承，a一第一测试工件，b-第二测试工件。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
[0020] 本发明的工作台式自动力锤装置，主要由电机5、底座3、立座7、立座盖6、定位弹 簧14、定位齿套15、摇臂26、光电编码器23、力锤夹持定夹18、力锤夹持活动夹17、力锤16 构成。所述的电机5固定在立座盖6底部，电机5输出轴上固定有第一同步带轮4,立座盖 6扣合在立座7上，立座7安装在底座3上，底座3下部的支腿为磁性表座1。所述的摇臂 26通过定位弹簧14和定位齿套15固定在立座7上，与立座7形成一特定工作角度，定位弹 簧14将定位齿套15紧压在立座7 -侧，立座7和摇臂26通过中轴10、第一档圈12、第一 轴承13、第二档圈31、第二轴承32轴向和径向定位；所述的中轴10两侧还安装有第二同步 带轮9和第三同步带轮30,中轴10和第二同步带轮9通过第一平键11周向固定，中轴10 和第三同步带轮30通过第二平键29周向固定；所述的摇臂26上设有摇臂盖27,摇臂盖27 扣合在摇臂26上，摇臂26末端摇臂盖27侧固定有光电编码器23,力锤16安装于摇臂26 末端力锤夹持活动夹17和力锤夹持定夹18内，力锤夹持定夹18和力锤夹持活动夹17之 间设有调节螺杆20。所述力锤夹持定夹18的后部设有连接轴，连接轴末端设有螺纹孔，该 光电编码器23的轴与该螺纹孔固定相连；所述力锤夹持定夹18通过第三轴承25和第三挡 圈24和摇臂26轴向固定；第四同步带轮21通过第三平键22周向固定在力锤夹持定夹18 的轴上；所述的第一同步带轮4和第二同步带轮9通过第一同步带8连接传动，第三同步带 轮30和第四同步带轮21通过第二同步带28连接传动。
[0021] 所述底座3为矩形，中间设有一比电机5稍大的孔，底座3四角处设有安装孔，四 个磁性表座1通过底座3上设置的安装孔被螺钉2固定在底座3上。
[0022] 所述立座盖6底部设有电机安装孔，电机5通过电机安装孔和螺钉安装在立座盖 6底部，电机5输出轴上固定有第一同步带轮4。
[0023] 所述立座7底部设有安装底面，安装底面和立座体之间设有筋板，所述立座7通过 螺钉固定在底座3上，立座7顶部为半圆形，从无盖到有盖方向依次设有轴承安装孔、外齿、 轴孔。
[0024] 所述摇臂26两端均为半圆形，始端从无盖到有盖方向依次设有轴承安装孔、夕卜 齿、轴孔，末端从无盖到有盖方向依次设有轴承安装孔、轴孔，所述摇臂盖27两端均为半圆 形，且都设有轴孔。
[0025] 所述力锤夹持定夹18设有两道燕尾槽凸槽，所述力锤夹持活动夹17设有两道燕 尾槽凹槽，力锤夹持定夹18和力锤夹持活动夹17通过燕尾槽滑动连接；所述力锤夹持定 夹18两道燕尾槽凸槽中间位置设有通孔，所述力锤夹持活动夹17两道燕尾槽凹槽中间位 置设有螺纹孔，调节螺杆20通过设置在力锤夹持定夹上18的通孔与设置在力锤夹持活动 夹17上的螺纹孔连接，调节螺杆20位于力锤夹持定夹18和力锤夹持活动夹17之间的部 分套装有压紧弹簧19。
[0026] 所述的电机5选用42步进电机，第一同步带轮4为HTD齿距3mm，带宽9mm，齿数 12的同步带轮，第二同步带轮9、第三同步带轮30、第四同步带轮21均为为HTD齿距3mm， 带宽9mm，齿数32的同步带轮，光电编码器23为2500线编码器。
[0027] 本发明的工作台式自动力锤方法：在测试工作前，通过拧调节螺杆20,使力锤夹 持定夹18和力锤夹持活动夹17张开，将的力锤16的锤把放入到力锤夹持定夹18和力锤 夹持活动夹17之间，拧紧调节螺杆20,使力锤16夹紧；测试时，将底座3安放于铁磁性桌 面上，调整好位置，打开磁性表座1的开关，使装置紧紧固定在铁磁性桌面上，然后滑动定 位齿套15挤压定位弹簧14,使定位齿套15与摇臂26外齿脱离啮合，调整摇臂26与立座 7到所需角度，放开定位齿套15,锁紧摇臂26与立座7,将力锤16与被测试件的表面相接 触，读取此进光电编码器23的数值，确定初始位置，然后再根据输入的冲击速度、距离以及 冲击次数和频率，计算出控制信号，通过控制电机驱动器，使电机5通过由第一同步带轮4、 第二同步带轮9、中轴10、第三同步带轮30、第四同步带轮21等构成的同步带传动系统带动 力锤16按设定要求的参数敲击被测试件表面，达到测试激励效果。
[0028] 如图1所示，如果力锤16距离被测试件b太远，可滑动定位齿套15挤压定位弹簧 14,使定位齿套15与摇臂26外齿脱离啮合，调整摇臂26与立座7到合适角度，放开定位齿 套15,锁紧摇臂26与立座7,再手动将力锤16压到被测试件a的表面。这时，外设的控制 器读取此刻的光电编码器23的值，确定初始位置，然后再根据输入的冲击速度，距离以及 冲击次数和频率，计算出控制控制信号，通过控制电机驱动器，使电机5通过同步带传动系 统带动力锤16按照要求的参数敲击被测试件表面，达到测试激励效果。
[0029] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本【技术领域】的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的 保护范围。
【权利要求】
1. 一种工作台式自动力锤装置，其特征在于：它包括电机（5)、底座（3)、立座（7)、立座 盖（6)、定位弹簧（14)、定位齿套（15)、摇臂（26)、光电编码器（23)、力锤夹持定夹（18)、力 锤夹持活动夹（17)、力锤（16);所述的电机（5)固定在立座盖（6)底部，电机（5)输出轴上 固定有第一同步带轮（4)，立座盖（6)扣合在立座（7)上，立座（7)安装在底座（3)上，所述 的摇臂（26)通过定位弹簧（14)和定位齿套（15)固定在立座（7)上，与立座（7)形成一特 定工作角度，定位弹簧（14)将定位齿套（15)紧压在立座（7) -侧，立座（7)和摇臂（26) 通过中轴（10)、第一档圈（12)、第一轴承（13)、第二档圈（31)、第二轴承（32)轴向和径向 定位；所述的中轴（10)两侧设有第二同步带轮（9)和第三同步带轮（30)，中轴（10)和第 二同步带轮（9)通过第一平键（11)周向固定，中轴（10)和第三同步带轮（30)通过第二平 键（29)周向固定；摇臂（26)末端固定有光电编码器（23)，所述的力锤16固定安装于摇臂 (26)末端的力锤夹持活动夹（17)和力锤夹持定夹（18)内，力锤夹持定夹（18)和力锤夹持 活动夹（17)之间设有调节螺杆（20)，所述力锤夹持定夹（18)的后部设有连接轴，连接轴 末端设有螺纹孔，该螺纹孔与光电编码器（23)的轴固定相连；所述力锤夹持定夹（18)通过 第三轴承（25)和第三挡圈24和摇臂（26)轴向固定；第四同步带轮（21)通过第三平键22 周向固定在力锤夹持定夹（18)的轴上；所述的第一同步带轮（4)和第二同步带轮（9)通过 第一同步带（8)连接传动，第三同步带轮（30)和第四同步带轮（21)通过第二同步带（28) 连接传动。
2. 根据权利要求1所述的一种工作台式自动力锤装置，其特征在于：所述底座（3)下 部的支腿为磁性表座（1)。
3. 根据权利要求1所述的一种工作台式自动力锤装置，其特征在于：所述的摇臂（26) 上设有摇臂盖（27)。
4. 根据权利要求1所述的一种工作台式自动力锤装置，其特征在于：所述的力锤夹持 定夹（18)上设有两道燕尾槽凸槽，力锤夹持活动夹（17)上设有两道燕尾槽凹槽，力锤夹持 定夹（18)与力锤夹持活动夹（17)通过燕尾槽滑动连接。
5. 根据权利要求1所述的一种工作台式自动力锤装置，其特征在于：所述的调节螺杆 (20)上设有压紧弹簧（19)。
6. -种使用权利要求1所述装置的工作台式自动力锤方法，其特征在于：在测试工作 前，通过拧调节螺杆（20)，使力锤夹持定夹（18)和力锤夹持活动夹（17)张开，将的力锤 (16)的锤把放入到力锤夹持定夹（18)和力锤夹持活动夹（17)之间，拧紧调节螺杆（20)， 使固定力锤（16)夹紧；测试时，将底座（3)安放于铁磁性桌面上，调整好位置，打开磁性 表座（1)的开关，使装置紧紧固定在铁磁性桌面上，然后滑动定位齿套（15)挤压定位弹簧 (14)，使定位齿套（15)与摇臂（26)外齿脱离啮合，调整摇臂（26)与立座（7)到所需角度， 放开定位齿套（15)，锁紧摇臂（26)与立座（7)，将力锤（16)与被测试件的表面相接触，读 取此时光电编码器（23)的数值，确定初始位置，然后再根据输入的冲击速度、距离以及冲 击次数和频率，计算出控制信号，通过控制电机驱动器，使电机（5)通过同步带传动系统带 动力锤（16)按设定要求的参数敲击被测试件表面，达到测试激励效果。
【文档编号】G01N3/32GK104155076SQ201410318839
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月7日 优先权日:2014年7月7日
【发明者】李威, 刘玉飞, 徐晗, 杨雪锋, 王禹桥, 范孟豹, 魏华贤, 应葆华, 刘芳沁, 鞠锦勇, 须晓锋, 路恩 申请人:中国矿业大学