CN104913895A - 一种模态测试用可变波形自动冲击装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模态测试用可变波形自动冲击装置，属于模态测试领域，其主要包括控制器、数字舵机、工作台、曲柄盘和连杆组成的曲柄连杆机构、冲击头装置、传感器、连接螺柱、直线光轴导轨、各种运动副的润滑部件以及相应的支撑固定部件等，冲击头装置包括更换阻尼的冲击锤帽和锤身，本发明通过编程控制智能舵机的瞬时转速，实现输出特定冲击波形，如三角波、脉冲波等，采用曲柄导杆机构将圆周运动转变成往复直线运动，在导杆末端加装锤头来输出激励力；还可控制锤头与被激励部分的接触时间，保证冲击力与冲击时间的可调节性；解决了人工敲击接触的激励时间控制难、可重复性差、难以激励出理想的脉冲波的难题。

Description

一种模态测试用可变波形自动冲击装置

技术领域

本发明涉及一种可以改变波形的自动冲击装置，尤其涉及一种模态测试用可变波形自动冲击装置，属于模态测试领域。

背景技术

普通的机械式激振器激起的振幅不均，甚至是单次实验中每次激振的力度都不一致，因而无法保证实验所测得的数据具有精确的可靠性。即使是有的改进装置将冲击力锤改装成偏心轮机构，可以大致确保每周期的激振振幅一致，但是在周期内的速率仍然是固定的，或者说在某转速下只能激起单一的正弦波，而对于一个周期内变转速引起的瞬时激励比如要求更精确的三角波，脉冲波等却无法实现。

普通带有凸轮的曲柄滑块机构在冲击过程中若想调整冲击波的振幅则必须停机，更换凸轮使之具有不同的型线方能改变振幅；若要改变冲击频率则只能通过提高或者降低转速来实现，这样做只是单纯的改变了某些周期之间的的冲击速率也就是说单个周期内的冲击速率仍然是相同的，所激起的是不同频率的正弦波，而非其他波形，只能进行简单的激振实验。

目前在模态测试中普遍使用手持式力锤，手持式力锤在人工敲击过程中容易导致连击，并且每次的锤击力度不能量化，使用起来费时费力。而液压式冲击装置虽然在性能上比较稳定，但是设备复杂，且存在漏油问题。

目前可以快速调节单个周期内的冲击速率与多个冲击波形的装置还未见成熟应用。而本发明在改善机构冲击性能上优势明显，即均匀稳定又兼有维护方便造价低廉的优点。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的冲击装置不能激起除正弦波以外的其波形、且波形宽度不可控的弊端，而通过可编程智能驱动机构来精确的输出每一次冲击，冲击波重复性好，自动化程度高而提供一种模态测试用可变波形自动冲击装置。

本发明的目的是这样实现的：包括工作台、安装在工作台上的支撑板、安装在支撑板上的舵机、与舵机输出端固连的轴、套装在轴上的曲柄盘、与曲柄盘外缘端部设置的凸起铰接的连杆和与连杆端部铰接的冲击锤身，所述工作台上还安装有调节立柱，调节立柱上设置有两个调节螺母，且两个调节螺母分别位于工作台的上方和下方，调节立柱的上端安装有固定导轨，所述冲击锤身穿过固定导轨，且冲击锤身的与固定导轨之间设置有直线轴承，所述冲击锤身通过端部设置的外螺纹与传感器一端的内螺纹配合实现冲击锤身与传感器的连接，传感器的另一端通过设置的内螺纹与双头螺柱的一端连接，双头螺柱的另一端与锤帽固定连接。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述连杆与曲柄盘外缘端部设置的凸起的铰接处、连杆与冲击锤身的铰接处设置有轴承。

2.所述曲柄盘的中部设置有工艺孔。

3.所述锤帽是普通金属刚性锤帽或非金属的有阻尼锤帽。

4.所述传感器是力传感器或加速度传感器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了人工敲击接触时间控制难、可重复性差、难以激励出理想的脉冲波的难题，改善了依靠人工敲击，每次锤击力的大小和方向难以保持一致的不足，避免了测试中连击现象的出现；适用于应用在模态测试实验中，使用本发明作为自动冲击力锤的应用。本发明利用舵机精确控制冲击的速率、冲击力度、接触时间，得到理想的冲击波形。可重复性强，智能化自动化设计，提高了工作效率，最大程度的节省人力物力。本发明设计牢固，可靠性高，保证冲击力和冲击波形的可调节性，既可以连续冲击，也可以单次冲击。应用于模态测试中，可以方便的更换力传感器和冲击头，以便冲击时产生不同的固有频率，得到准确明显的数据。

附图说明

图1是本发明运动原理示意图；

图2是本发明的总体结构示意图；

图3是本发明的锤身锤帽部分的具体结构示意图；

图4是本发明的调节立柱和调节螺母部分的细节图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图4，本发明设计的一种模态测试用可变波形的新的自动冲击装置由工作台5、支撑板4、固定导轨9、调节立柱13、连杆6、锤身8、锤帽11、传感器10、智能舵机1、曲柄盘2以及一些连接部件组成详见图2。

所述支撑板4和固定导轨9固定在工作台5上，支撑板4上部有一圆形通孔，孔内嵌有滚珠轴承，起到支撑轴段和润滑转动副的作用。固定在支撑板上的舵机转动输出端与轴相连接。所述曲柄盘2固定在轴3端部，轴3可带动曲柄盘2作同步转动。曲柄盘2外圆端部有一个凸起，经轴承和连杆6连接。曲柄盘2中部做有工艺孔，即减轻重量又增美观。连杆6末端与锤身8用连接销钉7绞接，连杆6和锤身8可以在销孔处自由转动，并且摩擦很小。固定导轨9与锤身8是由直线光轴导轨制成，锤身8插入并穿过固定导轨9，可以在导轨9中做无障碍直线运动。固定导轨9依靠调节立柱13支撑，可通过调节螺母12调节导轨高度，具体的说是两个调节螺母分别位于工作台的上表面和下表面，并通过螺纹与调节立柱配合实现高度的调节。锤身8末端加工有外螺纹，可与传感器螺纹孔配合，在传感器另一端用双头螺柱14将螺帽11固定在传感器10顶端。传感器10被套夹在中间，经两端压紧固定。所述机构就可以将舵机1的圆周运动转换成锤头11的往复直线运动。

所述智能舵机可以由计算机编程，由数据传输线下载到舵机中，舵机按照所编程序输出不同瞬时速率与不同转动角度的转动，经过曲柄连杆机构的转换，则产生所需波形。

所述冲击锤头可以更换锤帽，冲击锤帽11包括普通金属刚性锤帽，橡胶或尼龙等非金属的有阻尼锤帽。锤身8顶端部位还连接有力传感器或加速度传感器，可以测量每次激励产生的激励力或加速度。冲击锤身8与锤帽11之间为螺纹连接。

所述工作台5、连杆6、锤身8、曲柄盘2均为金属件如低碳钢，按照图纸加工而成。固定导轨9依靠调节立柱13固定在工作台5上，并与调节螺母12相配合使其紧固。支撑板4用沉头螺钉固定在工作台5平板上。舵机1用螺钉固定在支撑板4上。各个转动副中的轴承用轴肩和卡簧锁定位置并保证正常转动。固定导轨9中的通孔需要精加工铰孔，内嵌直线轴承15并用卡簧限定位置，与锤身8配合时需要涂抹润滑油，形成油膜润滑，减小摩擦。

本发明工作原理：本发明包括工作台5、支撑板4、固定导轨9、调节立柱13、连杆6、锤身8、智能舵机1、曲柄盘2、锤帽11、传感器10以及一些连接部件组成。支撑板4与固定导轨9通过调节立柱13用调节螺母12固定在工作台5上；连杆6与曲柄盘2之间、连杆6与锤身8之间是轴承形成的转动副；锤身8与固定导轨9通孔之间形成移动副。舵机可在0～360°范围内连续变化，控制精度可达0.1°，不但可以控制转动频率，还可以控制瞬时速率，在相同的微小时间内可产生不同的转角变化，通过转动时瞬时速率的调整，以及精确的转动角度，经过曲柄连杆机构的转换，最终将一定角度内速度不等的旋转运动转变成线性的直线运动输出不同的波形。

图1本发明的的机械结构运动原理示意图，A点为与舵机连接的驱动轴轴心；B点为曲柄盘和连杆之间的转动副；C点为连杆和锤身之间的转动副；D点为锤身和固定导轨之间的移动副。

则舵机顺时针旋转，任意位置时驱动舵机的瞬时角速度为ω；转动副C的水平速度为冲击头的输出速度；按图示关系，曲柄AB与水平面的夹角为q，连杆BC与水平面的夹角为φ，曲柄AB上B点的线速度为V，沿曲柄AB转动圆弧的切线方向，并与曲柄AB垂直。我们可以给出任意时刻的C点的瞬时水平速度表达。

设M为BC的速度瞬心，ω₁为以M为速度瞬心的旋转角速度，曲柄半径为r，连杆长度为l，那么：

ω₁BM＝V，ω₁CM＝V_c

其中BM为曲柄外端部到其速度瞬心的距离，CM为锤身与连杆形成的转动副到其速度瞬心之间的距离，V_c为锤身的水平速度，

可得：

$V_c=\frac{CM}{BM}\·V$

又根据：

CM＝ACtanθ

其中AC为曲柄轴心到连杆与锤身形成的转动副之间的距离，

$BM=AM-AB=\frac{AC}{cos\mathrm{\θ}}-AB$

其中AM为曲柄轴轴心到速度瞬心之间的距离，AB为曲柄长度，

所以：

$V_c=\frac{AC\tan \mathrm{\θ}}{\frac{AC}{cos\mathrm{\θ}}-r}\·V$

代入得C点的水平速度：

根据正弦定理：

最终可以将锤身的水平速度V_c写成关于θ函数表达式f(θ)的形式。而角度θ是ω对时间的积分θ＝∫ωdt，即V_c＝f(ω，t)。

那么以AB杆处于水平位置即时为出始时刻，经过任意时间，舵机转过一定角度，以及在该角度下的角速度我们都可以在编写的程序中体现出来，所以锤头的水平速度是可求并且是可控的。我们可以根据V_c的速度函数关系即所需冲击波形反推出B点的速度。我们只需求出角速度的时间变化关系即可以让舵机按照该角速度旋转，从而输出所需要的冲击波形，冲击力的大小通过安装在冲击头上的力传感器来测量。

本发明所述的为一种模态测试用可变波形的自动冲击装置，其主要包括控制器、数字舵机、工作台、曲柄盘和连杆组成的曲柄连杆机构、冲击头装置(包括更换阻尼的冲击锤帽、传感器、连接螺柱、直线光轴导轨、各种运动副的润滑部件以及相应的支撑固定部件。通过可编程智能舵机作为原动力，采用曲柄连杆机构将圆周运动转变成往复直线运动，在连杆末端加装锤头输出激励力。通过编程控制舵机瞬时转速，实现输出特定冲击波形。

本发明还可以包括：用于控制该智能舵机输出的三角波、脉冲波、正弦波等波形的控制源程序。本发明也可作为手持式的电子冲击力锤，可实现控制锤头与被激励部分的接触时间，精确控制舵机力矩大小，保证冲击力与冲击时间的可调节性。锤头包括锤身和锤帽，锤身和锤帽为分体设计，二者采用螺纹连接，锤帽分为多种不同材质，可根据不同工况进行更换，以适应于产生不同的频率宽度需求。

本发明包括控制器、数字舵机、工作台、曲柄盘和连杆组成的曲柄连杆机构、冲击头装置、各种运动副的润滑部件以及相应的支撑固定部件，冲击头装置包括更换阻尼的冲击锤帽、传感器、连接螺柱、直线光轴导轨，通过可编程智能舵机作为原动力，采用曲柄连杆机构将圆周运动转变成往复直线运动，在连杆末端加装锤头输出激励力，通过编程控制舵机瞬时转速，实现输出特定冲击波形。还包括用于控制该智能舵机输出的三角波、脉冲波、正弦波等波形的控制源程序。本发明作为手持式的电子冲击力锤，可实现控制锤头与被激励部分的接触时间，精确控制舵机力矩大小，保证冲击力与冲击时间的可调节性。所述锤头为可更换锤帽的便捷式组件，锤身和锤帽为分体设计，二者采用螺纹连接，锤帽分为多种不同材质，以适应于产生不同的频率宽度需求。

Claims (9)

1.一种模态测试用可变波形自动冲击装置，其特征在于：包括工作台、安装在工作台上的支撑板、安装在支撑板上的舵机、与舵机输出端固连的轴、套装在轴上的曲柄盘、与曲柄盘外缘端部设置的凸起铰接的连杆和与连杆端部铰接的冲击锤身，所述工作台上还安装有调节立柱，调节立柱上设置有两个调节螺母，且两个调节螺母分别位于工作台的上方和下方，调节立柱的上端安装有固定导轨，所述冲击锤身穿过固定导轨，且冲击锤身的与固定导轨之间设置有直线轴承，所述冲击锤身通过端部设置的外螺纹与传感器一端的内螺纹配合实现冲击锤身与传感器的连接，传感器的另一端通过设置的内螺纹与双头螺柱的一端连接，双头螺柱的另一端与锤帽固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种模态测试用可变波形自动冲击装置，其特征在于：所述连杆与曲柄盘外缘端部设置的凸起的铰接处、连杆与冲击锤身的铰接处设置有轴承。

3.根据权利要求1或2所述的一种模态测试用可变波形自动冲击装置，其特征在于：所述曲柄盘的中部设置有工艺孔。

4.根据权利要求1或2所述的一种模态测试用可变波形自动冲击装置，其特征在于：所述锤帽是普通金属刚性锤帽或非金属的有阻尼锤帽。

5.根据权利要求3所述的一种模态测试用可变波形自动冲击装置，其特征在于：所述锤帽是普通金属刚性锤帽或非金属的有阻尼锤帽。

6.根据权利要求1或2所述的一种模态测试用可变波形自动冲击装置，其特征在于：所述传感器是力传感器或加速度传感器。

7.根据权利要求3所述的一种模态测试用可变波形自动冲击装置，其特征在于：所述传感器是力传感器或加速度传感器。

8.根据权利要求4所述的一种模态测试用可变波形自动冲击装置，其特征在于：所述传感器是力传感器或加速度传感器。

9.根据权利要求5所述的一种模态测试用可变波形自动冲击装置，其特征在于：所述传感器是力传感器或加速度传感器。