CN102152173A - 加工中心整机相对动刚度测试系统 - Google Patents
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Abstract
一种加工中心整机相对动刚度测试系统，用于振动测试领域。其特征是该测试系统包括力传感器、位移传感器、传感器支架、电荷放大器、前置器、数据采集仪和分析系统；测量时，加工中心正常工作，力传感器设置在被加工工件的下部，位移传感器设置在加工中心Z向距主轴端面10mm处，力传感器的信号输出端接到电荷放大器的输入端，位移传感器的信号输出端接到前置器的输入端，电荷放大器和前置器的输出端分别接到数据采集仪的输入端，数据采集仪的输出端接到分析系统的输入端。本发明不需要人工激振，避免了激振时对结构的破坏；不影响加工中心的实际工作状态，可以准确的反响出工况下的动刚度，测试准确可靠；适用于装配完成，现场条件恶劣的测试。
Description
技术领域
本发明涉及一套动态测试系统，具体是一种大型数控加工中心整机相对动刚度测试系统，用于振动测试领域。
背景技术
数控机床是关乎国民经济建设和国防工业发展的基础制造设备。随着世界经济的发展和技术的进步，高档数控机床已成为世界各发达国家装备制造业的主要工具，其性能、品质和数量已成为衡量国家工业化水平和综合国力的重要标志。如何确保高精密加工中心的加工精度，是当前加工中心研发迫切需要解决的问题。振动问题是影响精密加工中心精度的一大因素，振动对加工精度、工件的表面质量、加工中心的定位精度、加工中心的有效使用寿命等都有着极大的影响，是精密加工中心必须解决的问题之一。因此，加工中心工作过程中的整机相对动刚度在降低振动、提高加工精度过程中非常重要。所谓动刚度是指结构在特定的动态激扰下抵抗变形的能力。静载荷下抵抗变形的能力称为静刚度，动载荷下抵抗变形的能力称为动刚度，即引起单位振幅所需要的动态力。机床动刚度是机床结构抵抗激振力能力的指标。动刚度在数值上等于机床结构产生单位振幅所需的激振力，其常用单位为牛/微米。动刚度越大，机床结构在一定激振力作用下，产生的振幅越小，其抗振能力越好，但动刚度过高，则振动加速度过大，作用力会对机构产生过大的冲击，且会造成材料的浪费；动刚度过低，则抗振能力越差。
以往加工中心的动态性能分析主要利用脉冲锤进行激振，测试系统静止条件下的振动响应，或者是工作过程中仅拾取振动响应，分析整体的固有频率及振动特性。以上第一种方法没有分析加工中心工作过程中的振动特性，加工状态下的与静止状态下的动态性能并不一致，在静止工作时测的动刚度无法准确评估机床的实际性能。且采用力锤激振机床时，需要较大激振力，容易对结构产生破坏。尽管第二种方法避免了第一种方法的不足，但由于其测试过程中没有测试切削力，未建立力与响应的对应关系，无法得出频响函数来，实际上较难用于动刚度测试。
发明内容
本发明要解决的技术难题是针对当前精密加工中心整机动态特性测试技术的不足，提出一种整机相对动刚度测试系统。该测试系统能够监测加工中心工作过程中主轴相对工作台的振动情况，具有操作简单、快速可靠等特点，能够很好的应用到生产现场的精密加工中心。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：力传感器、位移传感器、传感器支架、电荷放大器、前置器、数据采集仪、分析系统。其连接关系为：在测量时，加工中心正常加工工件，力传感器设置在被加工工件的下部，位移传感器通过放置在工作台上的传感器支架设置在加工中心Z向距主轴端面10～15mm处，力传感器的信号输出端接到电荷放大器的输入端，位移传感器的信号输出端接到前置器的输入端，电荷放大器的输出端和前置器的输出端分别接到数据采集仪的输入端，数据采集仪的输出端接到分析系统的输入端。
由于大型数控加工中心整机的质量非常大，特别是对于精密加工中心，其振动信号非常微弱，采用一般的位移传感器效果不是特别理想。所以本发明中位移传感器采用ZLDS100激光位移传感器，频率范围为1～5000Hz，量程为2mm，线性度为±0.1％FS，分辨率为0.01％FS，量程起点为10mm。力传感器采用压电里传感器XA90-BZ1201，量程为5KN，灵敏度为4pC/N，线性度为1％FS。分析系统采用大型数控加工中心整机相对动刚度分析系统。
本发明利用加工中心在加工过程的自激振动，直接测试加工中心工作过程中的切削力信号及主轴振动信号，得出相对动刚度。加工中心工作时，按正常工艺流程加工工件，工件和主轴受到切削力的作用，工件会将所受到的切削力传递给力传感器，主轴受到切削力激励而产生振动，该振动信号有安装在主轴端面的位移传感器拾取，然后由力传感器得到的力信号和由位移传感器得到的位移响应信号分别被送到电荷放大器和前置器，之后再被送到数据采集仪，最后被送到分析系统。经分析系统分析后即得到大型数控加工中心整机相对动刚度幅频曲线。
与以往加工中心动态特性分析系统相比，本发明的主要优点是：不需要人工激振，避免了激振时对结构的破坏；不影响加工中心的实际工作状态，可以准确的反响出工况下的动刚度，测试准确可靠。此外本发明还具有测试装置简单，安装方便、操作简单。本发明可以对加工中心进行相对动刚度测试，进行整机动态特性评估，可以在数分钟内完成测试，尤其适用于安装完成，现场条件恶劣的测试。
附图说明
附图是本发明结构示意图。
图中：1力传感器；2位移传感器；3传感器支架；4电荷放大器；5前置器；6数据采集仪；7分析系统；8加工中心；9工作台；10工件；11主轴。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括：力传感器1、位移传感器2、传感器支架3、电荷放大器4、前置器5、数据采集仪6、分析系统7。其连接关系为：在测量时，加工中心正常加工工件，力传感器1设置在被加工工件的下部，位移传感器2通过放置在工作台上的传感器支架3设置在加工中心Z向距主轴端面10～15mm处，力传感器1的信号输出端接到电荷放大器4的输入端，位移传感器2的信号输出端接到前置器5的输入端，电荷放大器4的输出端和前置器5的输出端分别接到数据采集仪6的输入端，数据采集仪6的输出端接到分析系统7的输入端。
位移传感器2采用ZLDS100激光位移传感器，频率范围为1～5000Hz，量程为2mm，线性度为±0.1％FS，分辨率为0.01％FS，量程起点为10mm。力传感器1采用压电里传感器XA90-BZ1201，量程为5KN，灵敏度为4pC/N，线性度为1％FS。
分析系统7采用大型数控加工中心整机相对动刚度分析系统。
工作时，加工中心正常加工工件，工件和主轴受到切削力的作用，工件会将所受到的切削力传递给力传感器1，主轴受到切削力激励而产生振动，该振动信号有安装在主轴端面的位移传感器2拾取，然后由力传感器1得到的力信号和由位移传感器2得到的位移响应信号分别被送到电荷放大器4和前置器5，之后再被送到数据采集仪6，最后被送到分析系统7。经分析系统7分析后即得到大型数控加工中心整机相对动刚度的幅频曲线。
Claims (3)
1.一种加工中心整机相对动刚度测试系统，包括力传感器(1)、位移传感器(2)、传感器支架(3)、电荷放大器(4)、前置器(5)、数据采集仪(6)、分析系统(7)，其特征在于：在测量时，加工中心正常加工工件，力传感器(1)设置在被加工工件的下部，位移传感器(2)通过放置在工作台上的传感器支架(3)设置在加工中心Z向距主轴端面10～15mm处，力传感器(1)的信号输出端接到电荷放大器(4)的输入端，位移传感器(2)的信号输出端接到前置器(5)的输入端，电荷放大器(4)的输出端和前置器(5)的输出端分别接到数据采集仪(6)的输入端，数据采集仪(6)的输出端接到分析系统(7)的输入端。
2.如权利要求1所述的加工中心整机相对动刚度测试系统，其特征是，位移传感器(2)采用ZLDS100激光位移传感器，频率范围为1～5000Hz，量程为2mm，线性度为±0.1％FS，分辨率为0.01％FS，量程起点为10mm。
3.如权利要求1或2所述的加工中心整机相对动刚度测试系统，其特征是，力传感器(1)采用压电里传感器XA90-BZ1201，量程为5KN，灵敏度为4pC/N，线性度为1％FS。
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