CN102072842A - 一种航空薄壁件加工变形与动态响应的测量装置 - Google Patents

Abstract

一种航空薄壁件加工变形与动态响应的测量装置，它是由压力信号数显表、功率放大器、激振器、函数信号发生器、电荷放大器、信号采集卡、待测定的薄壁件、非接触电涡流位移传感器、千分表、动态压电式力传感器、静态压力传感器、十字平口钳组件、数据采集软件及电脑系统、磁力座和实验平台组成。该测量装置由十字平口钳与激振器产生静态与动态的载荷力，由千分表和动态压电式力传感器测量结构的变形与动态响应，通过函数信号发生器和功率放大器可以获得所需要的频率激振力模拟切削力的大小，它为薄壁件加工过程参数选择与优化提供模拟环境和实验平台。本发明在高精密铣削加工研究与检测技术领域里具有较好的实用价值和广阔的应用前景。

Description

一种航空薄壁件加工变形与动态响应的测量装置

(一)技术领域

本发明涉及一种航空薄壁件加工变形与动态响应的测量装置，它用于测量薄壁件在不同模拟切削力下的变形与动态响应。该测量装置可以用以调整激励信号的大小和频率，模拟真实的加工切削力，通过设备的检测可以获得薄壁的响应和变形量。本发明属于高精密加工研究与检测技术领域。

(二)背景技术

航空制造业作为制造业的一个重要分支，近年来得到了迅速的发展。现代飞机的性能要求不断提高，飞机的结构设计发生了较大的变化。从零件结构上来看，为了减轻重量，整体薄壁结构件在新机型中得到了尽可能多的应用，如机翼、整体壁板、大梁、隔框等。整体式薄壁结构件不是由零件简单组合，而是利用整体毛坯进行高速数控加工的方法制造，国内对此类零件缺乏相应的成熟制造技术和经验积累。在国内某型号战机的研制和生产过程中，整体框、梁和接头在数控加工后和加工过程中大都存在不同程度的变形，包括弯曲、扭曲、弯扭组合变形，使零件难以达到设计要求，甚至成为废品，严重影响着航空航天产品生产进度与生产成本的控制，并且航空的结构件通常由薄壁、腹板、拐角等难加工结构和材料构成，因此在实际的高速切削加工过程中，会遇到很多问题。

铣削参数是加工表面质量的重要因素之一，选择的不合理，会使切削力过大，产生了薄壁件的让刀变形，造成了产品的超差，或引起薄壁件的振动，使得表面生成振纹，不仅严重地影响了表面的加工质量，而且需要第二次打磨，大大地降低了加工的效率。长期以来，尽管人们在选择加工的切削参数方面积累了较为丰富的经验数据，但机床-刀具-工件的组合的条件发生变化，许多经验参数就不在适用，尤其在当今国内制造企业引进了大量先进的数控设备，但由于缺乏切削参数选取的有效手段和工具，只能依靠国外机床和刀具厂商提供的数据进行参考，不能充分发挥先进设备应有的效能，很大程度地制约了制造业的发展。因此发明一种能够对薄壁件的加工变形和动态响应的测量装置就显得尤为必要和紧迫。

针对加工中出现的薄壁件的变形和振动，因此提出了集静态与动态一体的测量方案，并依据此方案设计出薄壁变形与动态响应的测试装置，用以测量出加工过程中薄壁件的变形和动态响应。

(三)发明内容

1、目的：本发明的目的就是为了提供一种航空薄壁件加工变形与动态响应的测量装置，它克服了现有技术的不足，能准确地测量和模拟出薄壁件在加工过程中的变形和动态响应。

2、技术方案：本发明一种航空薄壁件加工变形与动态响应的测量装置，它是由压力信号数显表、功率放大器、激振器、函数信号发生器、电荷放大器、信号采集卡、待测定的薄壁件、非接触电涡流位移传感器、千分表、动态压电式力传感器、静态压力传感器、十字平口钳组件、数据采集软件及电脑系统、磁力座和实验平台组成；

它们之间的位置连接关系是：动态压电压式力传感器与待测薄壁件相接触，数据连线一端与电荷放大器相连，动态压力传感器的另一端与静态压力传感器相连，静态压力传感器与激振器相连接，激振器与功率放大器相连接，功率放大器与函数信号发生器相连接；静态压力传感器一端与动态压电压力传感器相连，另一端与压力信号数显表相连；待测定的薄壁件通过十字平口钳组件固定在实验平台上；千分表与待测薄壁件相接触，并通过磁力表座固定在实验平台上；非接触电涡流位移传感器也通过磁力表座固定在实验平台上，非接触电涡流位移传感器的数据输出线与电荷放大器相连，电荷放大器与信号采集卡相连接，而信号采集卡与终端电脑和软件相连接。具体连接情况可参考图1所示。

所述压力信号数显表是呈长方体形状，长、宽、高分别是：200*150*120，电源电压为9V，功率9W，主要功能用以显示压力测量值和校准等功能；该压力信号数显表的型号为JN12-234675。

所述功率放大器呈长方体形状，长、宽、高分别是：600*450*280，最大功率为800W；其工作的频率范围5～10000Hz，输出阻抗0.8Ω，主要功能可以产生不同大小功率的能量，以实现驱动激振器产生振动；该功率放大器的型号为GF-800W。

所述激振器是呈圆柱形状，直径为200，高为350，工作频率10-5000Hz，主要功能电磁驱动产生激振力；该激振器的型号为JZ-50。

所述函数信号发生器是呈长方体形状，长、宽、高分别是：220*170*100，工作频率为0.3Hz～3MHz主要功能为产生各种所需要的激发电子信号，模拟加工的铣削力的信号；该函数信号发生器的型号为8219A。

所述电荷放大器是呈长方体形状，长、宽、高分别是：280*195*120，灵敏度调节为10-100PC/U，低通滤波为10-20kHz，电荷增益为0.001-10V/U，主要功能是将采集和输出的电信号进行放大和调节，提高信号的可靠性和真实度；该电荷放大器的型号为DFL-3。

所述信号采集卡的呈长方形，长、宽、高245*120*90，主要功能用以对获得的信号进行采集处理；该信号采集卡的型号为INV306U-5160。

所述待测定的薄壁件是一字型，工字型，丁字型三种形状中的任意一种薄壁结构件。

所述非接触电涡流位移传感器是呈圆柱形状，分辨率1μm，灵敏度4mv/um，工作频率0～4KHz，主要测量出薄壁件上产生的振动位移；该非接触电涡流位移传感器的型号为HZ-8500。

所述千分表是呈圆盘状，其型号为2119SB-10，分辨率为1μm，测量范围5mm，主要用以测量薄壁件在受静态载荷力时的变形值；

所述动态压电式力传感器是呈小圆柱形，分辨率为0.025N，测量范围为5Kg，用以测量动态激振力的大小；该动态压电式力传感器的型号为M144702。

所述静态压力传感器是呈S形状，其灵敏度为1.645mV/V，最大量程100Kg，用以测量静态载荷力的大小。该静态压力传感器的型号为CXL-102。

所述十字平口钳组件是呈交叉十字形状，主要功能是用以调节薄壁件的X与Y方向位置移动。

所述数据采集软件及电脑系统是Dasp 10.0系统和工控机，主要功能用以检测和分析采样以后数据的结果。

所述磁力座是呈圆柱状，其功能是用以固定千分表和压力传感器等。

所述实验平台是呈长方形，长、宽、高分别是：1800*1200*120，其上设置多道固定用T形槽，主要功能将各个设备和结构布置在试验台。材质为铸铁。

其中，十字平口钳组件的数量是二套，千分表的数量是三个，磁力座是四个；本测量装置的工作原理：

铣削加工过程中由于铣削力的作用，使得薄壁件产生不同的变形和振动，利用信号发生器模拟出铣削力的大小和信号，薄壁在不同激励(静态与动态)的作用下，会产生相应的反应，然后利用各种传感器的自身特点进行采集获得不同条件下的薄壁响应从而实现模拟铣削加工的状态。

非接触电涡流传感器由平面线圈和金属片组成，它是基于电磁感应原理制成的。由电磁场理论可知，受到交变电磁场作用的任何导体，都会产生电涡流。成块的金属置于变化的磁场中，或者在固定磁场中运动时，金属导体内就要产生感应涡流。非接触电涡流位移传感器的作用原理见图4(a)、(b)所示；把线圈与被测导体等效为相互耦合的两个线圈，设R₁为线圈的电阻；L₁为线圈电感；R₂为短路环的电阻；L₂为短路环电感；M为线圈与短路环间的互感，随着二者之间距离X的减少而增大；U₁为激励电压。

由等效电路可写出两个电压平衡方程式： $\left\{\begin{array}{c}{R}_1{\stackrel{\·}{I}}_1+\mathrm{j\ω}{L}_1{\stackrel{\·}{I}}_1-\mathrm{j\ωM}{\stackrel{\·}{I}}_2={\stackrel{\·}{U}}_1\\ -\mathrm{j\ωM}{\stackrel{\·}{I}}_1+R_2{\stackrel{\·}{I}}_2+\mathrm{j\ω}{L}_2{\stackrel{\·}{I}}_2=0\end{array}\right.$

解上面的联立方程可得到

从而求出受金属影响的空心线圈的等效阻抗为

$Z=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_1}{{\stackrel{\·}{I}}_1}=[R_1+\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M}^2}{{R_2}^2+{\left(\mathrm{\ω}{L}_2\right)}^2}{R}_2]+\mathrm{j\ω}[L_1-\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M}^2{L}_2}{{R_2}^2+{\left(\mathrm{\ω}{L}_2\right)}^2}]$

从上式可看出线圈阻抗的实部即有效电阻随M的增加而增加；虚部即等效电感随M的增加而减少，这样就使线圈阻抗发生了变化。

本实验设备中，当线圈中通以高频交变电流后，与其平行的薄壁件上感应产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗Z，而电涡流的大小与金属片的电阻率，导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X都有关。当平面线圈、被测体(薄壁件)、激励源已确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与距离X有关，将阻抗变化通过“涡流变换器”转换为电压信号V输出，则输出电压就是距离X的单值函数。通过电压的变化则可以测得薄壁结构的位移响应变化。

3、优点及功效：本发明一种航空薄壁件加工变形与动态响应的测量装置。它的优点是可以仿真0-5000Hz下任意频率以及0-500N内的任意大小的铣削力，获得在不同条件下激振力作用下的变形与振动响应。通过结果的分析可得到薄壁件的动态特性参数，对加工参数的合理性进行验证，从而实现薄壁件加工的参数的优化。

(四)附图说明

图1为本发明一种航空薄壁件加工变形与动态响应的测量装置结构示意图

图2为本发明静态变形测试过程流程框图

图3为本发明动态响应测试过程流程框图

图4为非接触电涡流位移传感器工作原理示意图

图4(a)非接触电涡流位移传感器与被测金属的工作示意图；

图4(b)非接触电涡流位移传感器与被测金属的等效电路图。

图中符号说明如下：

1压力信号数显表；2功率放大器；3激振器；4函数信号发生器；5电荷放大器；6信号采集卡；7待测定的薄壁件；8非接触电涡流位移传感器；9千分表；10动态压电式力位移传感器；11静态压力传感器；12十字平口钳组件；13数据采集软件及电脑系统；14磁力表座；15实验平台。

I₁线圈1产生电流 I₂线圈2产生电流 H₁线圈产生的磁场 H2薄壁件产生磁场R₁线圈的电阻；R₂短路环的电阻；L₁线圈电感；L₂短路环电感；U₁激励电压；M线圈与短路环间的互感。

(五)具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的实施方案。

见图1，本发明一种航空薄壁件加工变形与动态响应的测量装置，它是由压力信号数显表1、功率放大器2、激振器3、函数信号发生器4、电荷放大器5、信号采集卡6、待测定的薄壁件7、非接触电涡流位移传感器8、千分表9、动态压电式力位移传感器10、静态压力传感器11、十字平口钳组件12、数据采集软件及电脑系统13、磁力表座14和实验平台15组成；

它们之间的位置连接关系是：动态压电式力传感器10与待测定的薄壁件7相接触，数据连线一端与电荷放大器5相连，电荷放大器5与信号采集卡6相连接，信号采集卡5与数据采集软件及电脑系统13相连接；动态压电式力传感器10的另一端与静态压力传感器11相连，静态压力传感器11与激振器3相连接，激振器3与功率放大器2相连接，功率放大器2与函数信号发生器4相连接；静态压力传感器11一端与动态压电式力传感器10相连，另一端与压力信号数显表1相连；待测定的薄壁件7通过十字平口钳组件12固定在实验平台15上；千分表9通过与待测定的薄壁件7相接触，并通过磁力表座14固定在实验平台15上；非接触电涡流位移传感器8也通过磁力表座14固定在实验平台15上，非接触电涡流位移传感器8的数据输出线与电荷放大器5相连，电荷放大器5与信号采集卡6相连接，信号采集卡6与数据采集软件及电脑系统13相连接。

所述压力信号数显表1是呈长方体形状，长、宽、高分别是：200*150*120，型号为JN12-234675，电源电压为9V，功率9W，主要功能用以显示压力测量值和校准等功能。

所述功率放大器2是型号GF-800W，呈长方体形状，长、宽、高分别是：600*450*280，最大功率为800W；其工作的频率范围5～10000Hz，输出阻抗0.8Ω，主要功能可以产生不同大小功率的能量，以实现驱动激振器产生振动。

所述激振器3是呈圆柱形状，直径为200，高为350，型号为JZ-50，工作频率10-5000Hz，主要功能电磁驱动产生激振力。

所述函数信号发生器4是呈长方体形状，长、宽、高分别是：220*170*100，型号为8219A，工作频率为0.3Hz～3MHz主要功能为产生各种所需要的激发电子信号，模拟加工的铣削力的信号。

所述电荷放大器5是呈长方体形状，长、宽、高分别是：280*195*120，型号为DFL-3，灵敏度调节为10-100PC/U，低通滤波为10-20kHz，电荷增益为0.001-10V/U，主要功能是将采集和输出的电信号进行放大和调节，提高信号的可靠性和真实度。

所述信号采集卡6呈长方形，型号为INV306U-5160，长、宽、高245*120*90，主要功能用以对获得的信号进行采集处理。

所述待测定的薄壁件7是，为一字型，工字型，丁字型三种薄壁结构件。

所述非接触电涡流位移传感器8是呈圆柱形状，型号为HZ-8500，直径为8长度为90，分辨率1μm，灵敏度4mv/um，工作频率0～4KHz，主要测量出薄壁件上产生的振动位移。

所述千分表9是呈圆盘状，其型号为2119SB-10，分辨率为1μm，测量范围5mm，主要用以测量薄壁件在受静态载荷力时的变形值；

所述动态压电式力传感器10是呈小圆柱形，型号为M144702分辨率为0.025N，测量范围为5Kg，用以测量动态激振力的大小。

所述静态压力传感器11是呈S形状，其灵敏度为1.645mV/V，最大量程100Kg，用以测量静态载荷力的大小，其型号为CXL-102。

所述十字平口钳组件12是呈交叉十字形状，主要功能是用以调节薄壁件的X与Y方向位置移动。

所述数据采集软件及电脑系统13是Dasp 10.0系统和工控机，主要功能用以检测和分析采样以后数据的结果。

所述磁力表座14是呈圆柱状的功能是带磁性的表座，用以固定千分表和压力传感器等。

所述实验平台15是呈长方形，长、宽、高分别是：1800*1200*120，其上共设置12道(横7竖5)固定用T形槽，主要功能将各个设备和结构布置在试验台。其材质为铸铁。

其中，十字平口钳组件12的数量是二套，千分表9的数量是三个，磁力表座14的数量是四个

本测量装置的工作流程是主要分为两个部分具体如下

(1)薄壁变形模拟测试流程

为了实现对待测定的薄壁件7变形的测量，需建立一个施加任意大小的静力载荷，并能够读取待测定的薄壁件7变形的实验平台15。如图2所示，调整十字平台钳组件12的螺旋杆，使得激振器3的压力杆顶到待测定的薄壁件7的侧壁上并产生压力，所产生的压力由静压力应变传感器11测得，通过压力信号数显表1进行读取，而待测定的薄壁件7产生的变形量，由千分表9进行读取。

(2)薄壁动态响应测试流程

由函数信号产生器4调频，分别在100～2000Hz频率范围内产生正弦信号，将激发的信号输入到功率放大器2，利用功率放大器2调节信号的强弱后，输入到激振器3中产生所需具体频率的激振力，用于激振待测定的薄壁件7。待测定的薄壁件7受到激振力时产生了变化位移量，此时通过非接触电涡流位移传感器8来进行测量，得到的信号输入到电荷放大器5通道CH1，而激振力信号在采用动态压电力传感器10进行获取后，输入到电荷放大器5通道CH2，最后激振力信号与动态位移响应信号通过信号采集卡6进行采集，然后再用数据采集软件DASP软件及电脑系统13进行传函分析确定出，整个激振过程的激振力、频率、位移响应之间的关系。整个实验过程见图3。

Claims (10)

1.一种航空薄壁件加工变形与动态响应的测量装置，其特征在于：它是由压力信号数显表、功率放大器、激振器、函数信号发生器、电荷放大器、信号采集卡、待测定的薄壁件、非接触电涡流位移传感器、千分表、动态压电式力传感器、静态压力传感器、十字平口钳组件、数据采集软件及电脑系统、磁力座和实验平台组成；它们之间的位置连接关系是：动态压电式力传感器与待测薄壁件相接触，数据连线一端与电荷放大器相连，动态压力传感器的另一端与静态压力传感器相连，静态压力传感器与激振器相连接，激振器与功率放大器相连接，功率放大器与函数信号发生器相连接；静态压力传感器一端与动态压电式力传感器相连，另一端与压力信号数显表相连；待测定的薄壁件通过十字平口钳组件固定在实验平台上；千分表与待测薄壁件相接触，并通过磁力表座固定在实验平台上；非接触电涡流位移传感器也通过磁力表座固定在实验平台上，非接触电涡流位移传感器的数据输出线与电荷放大器相连，电荷放大器与信号采集卡相连接，而信号采集卡与数据采集软件及电脑系统相连接；

所述压力信号数显表是呈长方体形状，电源电压为9V，功率9W，它用以显示压力测量值和校准等功能；

所述功率放大器呈长方体形状，最大功率为800W；其工作的频率范围5～10000Hz，输出阻抗0.8Ω，它可以产生不同大小功率的能量，以实现驱动激振器产生振动；

所述激振器是呈圆柱形状，工作频率10-5000Hz，它是电磁驱动产生激振力；

所述函数信号发生器是呈长方体形状，工作频率为0.3Hz～3MHz主要功能为产生各种所需要的激发电子信号，模拟加工的铣削力的信号；

所述电荷放大器是呈长方体形状，灵敏度调节为10-100PC/U，低通滤波为10-20kHz，电荷增益为0.001-10V/U，它是将采集和输出的电信号进行放大和调节，提高信号的可靠性和真实度；

所述信号采集卡呈长方形，它用以对获得的信号进行采集处理；

所述待测定的薄壁件是指一字型，工字型，丁字型三种形状中的任意一种薄壁结构件；

所述非接触电涡流位移传感器是呈圆柱形状，分辨率1μm，灵敏度4mv/um，工作频率0～4KHz，它测量出薄壁件上产生的振动位移；

所述千分表是呈圆盘状，分辨率为1μm，测量范围5mm，它测量薄壁件在受静态载荷力时的变形值；

所述动态压电式力传感器是呈小圆柱形，分辨率为0.025N，测量范围为5Kg，它用以测量动态激振力的大小；

所述静态压力传感器是呈S形状，其灵敏度为1.645mV/V，最大量程100Kg，它用以测量静态载荷力的大小，其型号为CXL-102；

所述十字平口钳组件是呈交叉十字形状，它用以调节薄壁件的X与Y方向位置移动；

所述数据采集软件及电脑系统是DASP 10.0系统和工控机，它用以检测和分析采样以后数据的结果；

所述磁力表座是带磁性的表座，呈圆柱状，它用以固定千分表和压力传感器；

所述实验平台是呈长方形，长、宽、高分别是：1800*1200*120，其上设置有固定用T形槽，它将各个设备和结构布置和固定在试验台上。

2.一种航空薄壁件加工变形与动态响应的测量装置，其特征在于：该十字平口钳组件的数量是二套，千分表的数量是三个，磁力座的数量是四个。

3.一种航空薄壁件加工变形与动态响应的测量装置，其特征在于：该压力信号数显表的型号为JN12-234675。

4.一种航空薄壁件加工变形与动态响应的测量装置，其特征在于：该功率放大器的型号为GF-800W。

5.一种航空薄壁件加工变形与动态响应的测量装置，其特征在于：该激振器的型号为JZ-50。

6.一种航空薄壁件加工变形与动态响应的测量装置，其特征在于：该函数信号发生器的型号为8219A。

7.一种航空薄壁件加工变形与动态响应的测量装置，其特征在于：该电荷放大器的型号为DFL-3。

8.一种航空薄壁件加工变形与动态响应的测量装置，其特征在于：该信号采集卡的型号为INV306U-5160。

9.一种航空薄壁件加工变形与动态响应的测量装置，其特征在于：该非接触电涡流位移传感器的型号为HZ-8500。

10.一种航空薄壁件加工变形与动态响应的测量装置，其特征在于：该动态压电式力传感器的型号为M144702。

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