CN103217308A - 一种数控机床整机动刚度测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数控机床整机动刚度测试系统，属于机床振动刚度测试设备领域，该系统包括：激励子系统、力采集子系统、位移采集子系统、数据采集前端和数据处理器；其中，激励子系统的输出端、力采集子系统的输入端、位移采集子系统的输入端分别与机床待测部位相连；力采集子系统、位移采集子系统的输出端均通过数据采集前端与数据处理器相连。该测试系统能够提供稳定的动态激振力，且能准确测量出机床主轴相对工作台的动态位移，具有测试准确、操作简单等特点。

Description

一种数控机床整机动刚度测试系统

技术领域

本发明属于机床振动刚度测试设备领域，特别涉及一套数控机床动态性能测试系统，尤其是涉及一套数控机床整机动刚度测试系统。

背景技术

随着数控机床向高速、精密、复合化方向发展，对机床的动态性能提出了越来越高的要求。机床的动态性能对机床的加工精度具有很大影响，其中动刚度是衡量机床动态性能的重要指标。机床的动刚度是指机床在以一定频率变化的正弦交变载荷作用下所表现出的刚度。机床动刚度在数值上等于机床产生单位振幅所需的动态激振力，机床动刚度越大，在动态载荷作用下振幅越小，机床抗振能力越好，加工精度越高。反之，动刚度越小，振幅越大，加工精度越差。

目前常用的机床动刚度测试方法有两种，第一种是利用冲击力锤对机床零件进行激励，利用加速度传感器测量零件的响应信号，从而求解零件的动刚度。第二种是在机床加工过程中，测量机床的动态切削力和动态位移，进而求解机床整机的动刚度。以上两种方法均存在一定缺陷：例如第一种方法一般仅能对机床的单个零件进行激励和位移数据采集，难以测量机床整机的动刚度。另外，锤击法要求试验人员具有丰富的经验，操作者能针对不同的敲击对象选择不同质量、不同硬度的锤头，且能把握敲击力大小。第二种方法测试整机动刚度时，力传感器和位移传感器布置复杂，且测试结果中容易引入刀具和工件系统的性能参数，采用不同刀具加工不同工件时，测试结果容易变化，难以准确反映出机床本身的动态性能参数。另外，由于机床加工过程中切削力会出现波动，测试结果容易出现较大的误差。

发明内容

本发明的目的是为克服目前机床动刚度测试技术存在的不足，提出一种数控机床整机动刚度测试系统。该测试系统能够提供稳定的动态激振力，且能准确测量出机床主轴相对工作台的动态位移，具有测试准确、操作简单等特点。

本发明提出的一种数控机床整机动刚度测试系统，其特征在于，该系统包括：激励子系统、力采集子系统、位移采集子系统、数据采集前端和数据处理器；其中，激励子系统的输出端、力采集子系统的输入端、位移采集子系统的输入端分别与机床待测部位相连；力采集子系统、位移采集子系统的输出端均通过数据采集前端与数据处理器相连。

所述激励子系统可包括信号发生器、功率放大器、激振器和激振杆；激振器底座固定放置在待测机床工作台上，激振器的输入端通过功率放大器与信号发生器的输出端连接。激振器的输出端连接激振杆的一端，激振杆的另一端与力采集子系统的力传感器相连。

所述力采集子系统可包括力传感器和电荷放大器；力传感器安装在激振杆的一端上，并固定在待测机床主轴上，力传感器的输出端通过电荷放大器与数据采集前端的一个输入端相连。

所述位移采集子系统可包括激光位移传感器、位移数据采集器和位移数据接口器；激光位移传感器底座固定放置在待测机床工作台上，激光位移传感器输入端面与机床的主轴的轴向平行或垂直，激光位移传感器输出端与位移数据采集器的输入端连接，位移数据采集器的输出端与位移数据接口器的输入端连接，位移数据接口器的输出端与数据采集前端的另一个输入端连接；数据采集前端的两个输入端分别与力采集子系统的电荷放大器和位移采集子系统的位移数据接口器相连，输出端与数据处理器的输入端相连。

与现有技术相比，本发明具有以下显著优势：

(1)本发明可以对完成装配的机床整机进行动刚度测试，避免了仅测试单个零件无法全面反映机床整机动刚度的弊端。

(2)本发明可以提供稳定的动态激振力，并能测量得到稳定的位移响应，避免了随机干扰对测试结果的影响，测试精度高。

(3)本发明结构简单，操作方便，适用于各种工况下机床的动刚度测试。

附图说明

图1是本发明数控机床整机动刚度测试系统示意图。

图2是本发明一个实施例的数控机床整机动刚度测试系统示意图，用于测量机床径向动刚度。

图3是本发明另一个实施例的数控机床整机动刚度测试系统示意图，用于测量机床轴向动刚度。

图中，1、激励子系统，1-1、信号发生器，1-2、功率放大器，1-3、激振器，1-4、激振杆，2、力采集子系统，2-1、力传感器，2-2、电荷放大器，3、位移采集子系统，3-1、激光位移传感器，3-2、位移数据采集器，3-3、位移数据接口器，4、数据采集前端，5、数据处理器，6、主轴，7、工作台。

具体实施方式

本发明提出的数控机床整机动刚度测试系统结合附图及实施例详细说明如下：

本发明的数控机床整机动刚度测试系统结构如图1所示，该系统由以下几部分组成：激励子系统1、力采集子系统2、位移采集子系统3、数据采集前端4和数据处理器5；其中，激励子系统1的输出端、力采集子系统2的输入端、位移采集子系统3的输入端分别与机床待测部位相连；力采集子系统2、位移采集子系统3的输出端均通过数据采集前端4与数据处理器5相连。

本系统各部分的具体结构如图2、图3所示，具体说明如下：

激励子系统1包括信号发生器1-1、功率放大器1-2、激振器1-3和激振杆1-4；将激振器1-3底座固定放置在机床工作台7上，激振器1-3的输入端通过功率放大器1-2与信号发生器1-1的输出端连接。激振器1-3的输出端连接激振杆1-4的一端，激振杆1-4的另一端与力采集子系统2的力传感器2-1相连。

力采集子系统2包括力传感器2-1和电荷放大器2-2。将力传感器2-1通过螺纹安装在激振杆1-4的一端上，并通过胶粘剂固定粘贴在机床主轴6上，力传感器2-1的输出端通过电荷放大器2-2连接数据采集前端4的一个输入端。

位移采集子系统3包括激光位移传感器3-1、位移数据采集器3-2和位移数据接口器3-3。将激光位移传感器3-1底座固定放置在机床工作台7上，激光位移传感器3-1输入端面与机床的主轴的轴向平行或垂直，激光位移传感器3-1输出端与位移数据采集器3-2的输入端连接，位移数据采集器3-2的输出端与位移数据接口器3-3的输入端连接，位移数据接口器3-3的输出端与数据采集前端4的另一个输入端连接。

数据采集前端4的两个输入端分别与力采集子系统2的电荷放大器2-2和位移采集子系统3的位移数据接口器3-3相连，输出端与数据处理器5的输入端相连。

为了使本发明更为完善，提供以下实施例作为本发明在具体实施时的参考：

信号发生器1-1采用Agilent33220A信号发生器，功率放大器1-2采用HEA-200C功率放大器，激振器1-3采用HEV-200激振器，激振杆1-4采用与HEV-200激振器配套的顶杆，在满足激振力载荷要求的前提下，应选择质量较小的激振器1-3。激振杆1-4在激励方向上具有足够的刚度，在其他方向上具有足够的柔度，既能保证激振力的稳定传递，又能减小对被激励对象的附加约束。

力传感器2-1采用QSY8121力传感器，电荷放大器2-2采用HK9202电荷放大器，激光位移传感器3-1采用optoNCDT1700激光位移传感器，位移数据采集器3-2采用与optoNCDT1700激光位移传感器配套的位移数据采集器，位移数据接口器3-3采用预先存储的程序将位移数据采集器采集到的位移值实时传输至数据采集前端4，数据采集前端4采用LMS SCADAS数据采集前端，数据处理器5采用预先存储有数据处理程序的计算机，用于对载荷和位移信号进行数据处理。

本发明提出的数控机床整机动刚度测试系统的连接方式如下：

机床整机动刚度试验测试时，将激振器1-3和激光位移传感器3-1底座固定放置在机床工作台7上，底座与工作台7应刚性连接，且接触面平整，激光位移传感器3-1测头距离机床主轴6待测表面20～30mm。激振器1-3的输入端通过功率放大器1-2与信号发生器1-1的输出端连接，激振器1-3的输出端连接与之配套的激振杆1-4的一端，激振杆1-4的另一端通过螺纹连接力传感器2-1。将力传感器2-1通过胶粘剂固定粘贴在机床主轴6表面，力传感器2-1的输出端通过电荷放大器2-2与数据采集前端4的一个输入端连接。激光位移传感器3-1的输出端与位移数据采集器3-2的输入端连接，位移数据采集器3-2的输出端与位移数据接口器3-3的输入端连接，位移数据接口器3-3的输出端与数据采集前端4的另一个输入端连接。数据采集前端4的输出端与数据处理器5的输入端连接。

本系统可用于测量机床径向动刚度和机床轴向动刚度。

本发明提出的数控机床整机动刚度测试方法如下：

启动系统所有部件使其处于正常工作状态，并调试力传感器2-1和激光位移传感器3-1的量程。信号发生器1-1提供稳态正弦激励信号，稳态正弦激励信号经过功率放大器1-2进行功率放大后转换为具有足够能量的电信号，从而驱动激振器1-3工作，激振器1-3工作时动态激振力由激振杆1-4输出。激励子系统1通过力传感器2-1对机床主轴6施加动态激励，激振力信号由力传感器2-1采集，经过电荷放大器2-2放大后传输至数据采集前端4，得到机床整机动刚度测试的动态激振力信号f(t)。激光位移传感器3-1测量机床主轴6相对工作台7的动态位移数据，位移数据由位移数据采集器3-2采集，并通过位移数据接口器3-3实时传输至数据采集前端4，得到机床整机动刚度测试的动态位移信号x(t)。数据采集前端4将整机的动态激振力信号f(t)和动态位移信号x(t)进行校准后输出至数据处理器5。

数据处理器5对动态激振力信号f(t)和动态位移信号x(t)进行傅里叶变换，方法为：

$F\left(w\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}f\left(t\right)e^{-\mathrm{jwt}}\mathrm{dt}$

$X\left(w\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}x\left(t\right)e^{-\mathrm{jwt}}\mathrm{dt}$

其中：F(w)为动态激振力信号的傅里叶变换，X(w)为动态位移信号的傅里叶变换，

$j=\sqrt{-1},$ w为角频率。

并通过计算得到机床整机的动刚度。

其中：K(w)为计算得到的机床整机动刚度。

Claims (4)

1.一种数控机床整机动刚度测试系统，其特征在于，该系统包括：激励子系统、力采集子系统、位移采集子系统、数据采集前端和数据处理器；其中，激励子系统的输出端、力采集子系统的输入端、位移采集子系统的输入端分别与机床待测部位相连；力采集子系统、位移采集子系统的输出端均通过数据采集前端与数据处理器相连。

2.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述激励子系统包括信号发生器、功率放大器、激振器和激振杆；激振器底座固定放置在待测机床工作台上，激振器的输入端通过功率放大器与信号发生器的输出端连接。激振器的输出端连接激振杆的一端，激振杆的另一端与力采集子系统的力传感器相连。

3.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述力采集子系统包括力传感器和电荷放大器；力传感器安装在激振杆的一端上，并固定在待测机床主轴上，力传感器的输出端通过电荷放大器与数据采集前端的一个输入端相连。

4.如权利要求3所述系统，其特征在于，所述位移采集子系统包括激光位移传感器、位移数据采集器和位移数据接口器；激光位移传感器底座固定放置在待测机床工作台上，激光位移传感器输入端面与机床的主轴的轴向平行或垂直，激光位移传感器输出端与位移数据采集器的输入端连接，位移数据采集器的输出端与位移数据接口器的输入端连接，位移数据接口器的输出端与数据采集前端的另一个输入端连接；数据采集前端的两个输入端分别与力采集子系统的电荷放大器和位移采集子系统的位移数据接口器相连，输出端与数据处理器的输入端相连。

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