CN106903039B - 一种激振器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激振器，包括激振装置，所述激振装置包括驱动机构、传动机构、凸轮机构和从动机构，其中：所述驱动机构通过所述传动机构连接所述凸轮机构以驱动所述凸轮机构转动，所述从动机构设置在所述凸轮机构和待激振体之间以使得在所述凸轮机构转动时带动所述从动机构接触并撞击所述待激振体以实现对所述待激振体进行激振。本发明提出的激振器，能够精确控制控制激振时间与激振位移，尤其适用于机床主轴系统。

Description

一种激振器
技术领域
本发明涉及模态分析领域，尤其涉及一种新型激振器。
背景技术
模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型；这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。
振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。通过模态分析方法获取结构的模态参数，就可以推算结构在外部或内部振源激励下的实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。模态分析最终目标在是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。
模态测试中，关键的是对测试对象施加适当的激励，在机床主轴系统激振中，锤击法应用广泛，且多以人工敲击居多。其中，人工激振有着很多缺点：首先，激振的质量控制难度大，即便是技术娴熟的操作人员，不良激振的比例也不低。其二，各次激振的均匀性也难以控制，试验中常采用的单点多次激振并取平均的办法难以达到提高精度的目的。第三，对机床主轴系统而言，其运转下的模态参数对动态性能分析更具有应用价值，但是，人工激振的方法在主轴转动时是无法使用的。再者，现有的机械激振器，在完成对激振部件的加速后，便不再控制激振部件的运动，即无法控制实际激振时间段的运动。因此，现有的方法都存在激振时间与激振位移都无法精确可控的缺点。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种新型激振器，能够精确控制控制激振时间与激振位移，尤其适用于机床主轴系统。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明公开了一种新型激振器，包括激振装置，所述激振装置包括驱动机构、传动机构、凸轮机构和从动机构，其中：所述驱动机构通过所述传动机构连接所述凸轮机构以驱动所述凸轮机构转动，所述从动机构设置在所述凸轮机构和待激振体之间以使得在所述凸轮机构转动时带动所述从动机构接触并撞击所述待激振体以实现对所述待激振体进行激振。
优选地，所述激振装置还包括位置调节机构，所述驱动机构、所述传动机构、所述凸轮机构和所述从动机构分别安装在所述位置调节机构上，所述位置调节机构用于调节所述驱动机构、所述传动机构、所述凸轮机构和所述从动机构的平面位置。
优选地，所述驱动机构包括伺服电机，所述传动机构包括摩擦离合器。
优选地，所述凸轮机构包括凸轮和凸轮支架，所述凸轮安装在所述凸轮支架上。
优选地，在所述凸轮上设有制动槽，在所述凸轮支架上设有制动杆，以使得在所述凸轮机构的回程中所述制动杆能够进入到所述制动槽内以止住所述凸轮的转动。
优选地，所述制动槽从外往内呈收敛结构，所述收敛结构是指：所述制动槽的内圆周的半径逐渐增大，外圆周的半径逐渐减小。
优选地，所述从动机构包括从动杆、从动杆支架和从动杆套，所述从动杆设置在所述从动杆套内并能够沿着所述从动杆套移动，所述从动杆套固定设置在所述从动杆支架上。
优选地，所述从动机构还包括撞击头，所述撞击头安装于所述从动杆的一端以接触并撞击所述待激振体。
优选地，所述撞击头能够沿着所述从动杆的长度方向移动。
优选地，所述撞击头与所述从动杆通过螺纹连接，且在连接处的所述撞击头和所述从动杆上分别设有尺寸刻度线，其中所述撞击头上的刻度线是沿着所述撞击头的长度方向上设置的，所述从动杆上的刻度线是沿着所述从动杆的圆周方向上设置的。
优选地，所述新型激振器还包括数据采集器与多个传感器，所述多个传感器分别安装在所述激振装置上，所述数据采集器通过信号线分别连接所述多个传感器；优选地，所述多个传感器分别包括位移传感器、力传感器和加速度传感器，所述位移传感器设置在所述从动机构上以测量所述从动机构与所述待激振体之间的距离，所述力传感器设置在所述从动机构与所述待激振体接触的一端处以测量所述从动机构与所述待激振体之间的激振力，所述加速度传感器设置在所述待激振体上以测量所述待激振体上的激振响应。
优选地，所述新型激振器还包括分析终端装置，所述分析终端装置连接所述数据采集器，所述分析终端包括时域分析模块、频域分析模块和模态参数辨识模块，所述时域分析模块用于获取时域图像及时域特征值，所述频域分析模块用于频率响应函数求解及频率特征提取，所述模态参数辨识模块用于根据频率响应函数来求取所述待激振体的模态参数。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的新型激振器通过驱动机构带动凸轮结构，并通过凸轮机构的转动以使得从动机构接触并撞击待激振体，实现精确控制激振时间与激振位移，可实质性地提高激振的质量和激振可重复性；尤其适用于机床主轴系统，可以实现主轴运转下安全激振，从而实现真正意义上的主轴动态激振，大幅度提高机床动态性能分析的精度。
在进一步的方案中，从动机构中包括从动杆和撞击头等，其中从动杆与撞击头通过螺纹连接，并在从动杆和撞击头的连接处设置尺寸刻度线，起到尺寸放大的作用，将轴向的位移放大到周向的位移，提高了位移控制的精度；与此同时，还结合位移传感器，实现精确控制撞击头实际撞击待激振体的激振位移，并精确控制激振过程，使得该新型激振器的激振力时域与频域特性优良、激振可重复性高，对激振人员的经验要求低。此外，该新型激振器还具有激振时间精确可控的优点，可根据激振需求，选取合适的电机转速，从而控制激振时间。
附图说明
图1是本发明优选实施例的新型激振器的结构示意图；
图2是图1中的激振装置的结构示意图；
图3是图2中的凸轮机构的结构示意图；
图4是图2中的从动机构的结构示意图；
图5是图4中的从动杆的俯视图；
图6是图5中的A-A的剖面示意图；
图7是模态参数辨识模块的计算流程图。
具体实施方式
下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明优选实施例的新型激振器，应用于机床主轴系统40(即在本实施例中，待激振体即为机床主轴系统40中的主轴41)，包括：激振装置 10、传感与测量装置20和分析终端装置30，其中激振装置10用于实现精确可控的激振运动，传感与测量装置20用于测量激振力、激振响应及激振位移，分析终端装置30用于分析计算测量数据，获取主轴41的模态参数，如模态频率、模态质量、模态刚度、阻尼比等。
激振装置10包括驱动机构、传动机构、凸轮机构、从动机构和位置调节机构，驱动机构通过传动机构连接凸轮机构以驱动凸轮机构转动，从动机构的两端设置在凸轮机构和待激振体(即主轴41)之间以使得凸轮机构转动时带动从动机构接触并撞击待激振体(即主轴41)以实现对待激振体(即主轴41)进行激振。
结合图2所示，驱动机构包括伺服电机11，传动机构包括摩擦离合器12，凸轮机构包括凸轮131和凸轮支架132，从动机构包括从动杆141、从动杆套142、从动杆支架143、撞击头144和紧固螺钉145。伺服电机11输出激振原动力，可精确调速，当伺服电机11转速达到预定值后，摩擦离合器12开始工作，动力经摩擦离合器12，传输至凸轮131，驱动从动杆141和撞击头144按照设计的运动规律运动，撞击头144在最大位移前后接触并撞击主轴41，实现激振。
结合图3，凸轮131安装在凸轮支架132上，在凸轮131上设有制动槽1311，在凸轮支架132上设有制动杆1321，以使得在凸轮机构的回程中制动杆1321能够进入到制动槽1311内；且制动槽1311从外往内呈收敛结构，也即从外往内制动槽1311的内圆周的半径逐渐增大，外圆周的半径逐渐减小；将制动槽1311设置为渐次收敛的结构，使得凸轮131会不断减速，直至停止，且在制动过程中，摩擦离合器12的摩擦由静摩擦转换为静、动混合摩擦，直至完全打滑；凸轮131 制动后，电机控制器关停伺服电机11，以延长摩擦离合器12的使用寿命；这样就保证凸轮机构在一次激振中只完成一次升程与回程运动，实现单次撞击。其中在凸轮131上还设置了回拨孔1312，便于将凸轮131回拨，为下次激振做准备。
结合图4至图6所示，从动杆141套设在从动杆套142内并能够沿着从动杆套142移动，从动杆套142固定设置在从动杆支架143上；而撞击头144以能够沿着从动杆141的长度方向移动调节的方式安装于从动杆141的一端以接触并撞击主轴41，具体地，撞击头144与从动杆141通过螺纹连接，且在连接处的撞击头144和从动杆141上分别设有尺寸刻度线，撞击头144上的刻度线是沿着撞击头144的长度方向设置的，从动杆141上的刻度是沿着从动杆141的圆周方向上设置的，从而可以指示当前从动杆141与撞击头144的连接状态。其中通过螺纹连接还起到尺寸放大的作用，将轴向的位移放大为周向的位移，从而提高位移控制精度，调整到所需位移后，利用锁紧螺钉145将撞击头144固定锁紧。其中撞击头144可以采用不同材质，如金属、高聚物、橡皮等，以获得不同的激振频谱，适应于不同的激励需求。
如图2，驱动机构、传动机构、凸轮机构和从动机构都分别安装在位置调节机构上，其中位置调节机构包括T型槽151、调节部件152、螺母153、螺栓154，螺栓154的紧固点在T型槽151及调节部件152上移动，即可实现平面上两个自由度的运动，即平面任意运动。通过位置调节机构，一方面保证激振装置的可靠安装，另一方面实现激振装置在工作平面上两个自由度上的位置调节，使激振的撞击头144的撞击速度方向与主轴41上被撞击点的切平面法线方向保持一致。
传感与测量装置20包括数据采集器与多个传感器，多个传感器分别安装在激振装置上，数据采集器分别通过信号线a、b、c连接多个传感器。其中多个传感器包括位移传感器21、力传感器(图中未示)和加速度传感器22。位移传感器21设置在从动杆套142上，以测量位移传感器21安装点到主轴41之间的距离，通过信号线a连接数据采集器以将测量数据传送给数据采集器；另外通过位移传感器21结合从动杆141和撞击头144之间的尺寸调节，实现精确控制撞击头144实际撞击主轴41的激振位移。力传感器设置在撞击头144的端部，以测量撞击头144撞击主轴41的激振力，通过数据线b连接数据采集器以将测量数据传送给数据采集器。加速度传感器22设置在主轴41上，以测量主轴41上的振动响应，通过数据线c连接数据采集器以将测量数据传送给数据采集器。
激振位移是指在凸轮131的升程中，撞击头144与主轴41接触到从动杆141 的最大位移之间从动杆141所移动的距离；激振时间是指撞击头141升程接触主轴41到回程离开主轴41时的历时时间，通过从动机构、伺服电机与位移传感器的配合，可精确控制撞击头144实际撞击主轴41的激振时间和激振位移。
激振位移(Δh)和激振时间(t)满足以下关系：
Δh＝L0-L+x
Figure GDA0002273560950000061
其中，L为位移传感器21测得的距离，x为撞击头144上的尺寸读数，n为伺服电机的转速，
Figure GDA0002273560950000062
为撞击头144与主轴41接触期间凸轮131的撞击行程转角；其中上式满足在L＝L0，x＝0时，激振位移Δh＝0。
数据采集器采集力、加速度、位移的信号，并将它们传送给分析终端装置 30，分析终端装置30包括激振力和主轴系统振动响应的时域分析模块、频域分析模块和模态参数辨识模块，其中时域分析模块用于获取时域图像及时域特征值，频域分析模块用于频率响应函数求解及频率特征提取，模态参数辨识模块用于根据频率响应函数来求取主轴系统的模态参数。结合图7所示，基本步骤是：从传感与测量装置20传输到分析终端装置30的数据，经过FFT变换，得到频率响应函数，然后经IFFT变换得到脉冲响应，并以此建立自回归模型；根据该模型，即可估计模型参数，并解得模态参数，包括模态频率、模态质量、动刚度、阻尼比等。
本发明优选实施例的新型激振器，可实质性地提高激振的质量和激振可重复性，并能够在主轴运转下激振，获取主轴系统运转下的模态特性参数，对提高机床动态特性分析精度有着重要的意义。而且，该新型激振器的激振位移也可精确控制，利用位移传感器与从动机构上的尺寸刻度调节，即可精确设定激振位移，控制激振过程，因此该激振器的激振力时域与频域特性优良、激振可重复性高，对激振人员的经验要求低。另外，该新型激振器还具有激振时间精确可控的优点，可根据激振需求，设定激振时间，然后根据激振时间的计算公式，选取合适的电机转速，从而控制激振时间。因此，该新型激振器可以实现主轴运转下的安全激振，能够实现真正意义上的主轴动态激振，大幅度提高机床动态性能分析的精度。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种适用于机床主轴系统的激振器，其特征在于，包括激振装置，所述激振装置包括驱动机构、传动机构、凸轮机构、从动机构和位移传感器，其中：所述驱动机构通过所述传动机构连接所述凸轮机构以驱动所述凸轮机构转动，所述从动机构设置在所述凸轮机构和待激振体之间以使得在所述凸轮机构转动时带动所述从动机构接触并撞击所述待激振体以实现对所述待激振体进行激振，所述位移传感器设置在所述从动机构上以测量所述从动机构与所述待激振体之间的距离；其中，
所述从动机构包括从动杆、从动杆支架、从动杆套和撞击头，所述从动杆设置在所述从动杆套内并能够沿着所述从动杆套移动，所述从动杆套固定设置在所述从动杆支架上，所述撞击头安装于所述从动杆的一端以接触并撞击所述待激振体，且在所述撞击头和所述从动杆上分别设有尺寸刻度线；
激振位移是指在所述凸轮机构的升程中，所述撞击头与所述待激振体接触到所述从动杆的最大位移之间所述从动杆所移动的距离；激振时间是指所述撞击头升程接触所述待激振体到回程离开所述待激振体时的历时时间，且所述激振位移(Δh)和所述激振时间(t)满足以下关系：
Δh＝L0-L+x
Figure FDA0002385154060000011
其中，L为所述位移传感器测得的距离，x为所述撞击头上的尺寸读数，n为所述驱动机构的转速，
Figure FDA0002385154060000012
为所述撞击头与所述待激振体接触期间所述凸轮机构的撞击行程转角；其中上式满足在L＝L0，x＝0时，激振位移Δh＝0。
2.根据权利要求1所述的激振器，其特征在于，所述激振装置还包括位置调节机构，所述驱动机构、所述传动机构、所述凸轮机构和所述从动机构分别安装在所述位置调节机构上，所述位置调节机构用于调节所述驱动机构、所述传动机构、所述凸轮机构和所述从动机构的平面位置。
3.根据权利要求1所述的激振器，其特征在于，所述驱动机构包括伺服电机，所述传动机构包括摩擦离合器。
4.根据权利要求1所述的激振器，其特征在于，所述凸轮机构包括凸轮和凸轮支架，所述凸轮安装在所述凸轮支架上。
5.根据权利要求4所述的激振器，其特征在于，在所述凸轮上设有制动槽，在所述凸轮支架上设有制动杆，以使得在所述凸轮机构的回程中所述制动杆能够进入到所述制动槽内以止住所述凸轮的转动。
6.根据权利要求5所述的激振器，其特征在于，所述制动槽从外往内呈收敛结构，所述收敛结构是指：所述制动槽的内圆周的半径逐渐增大，外圆周的半径逐渐减小。
7.根据权利要求1所述的激振器，其特征在于，所述撞击头能够沿着所述从动杆的长度方向移动。
8.根据权利要求1所述的激振器，其特征在于，所述撞击头与所述从动杆通过螺纹连接，其中所述撞击头上的刻度线是沿着所述撞击头的长度方向上设置的，所述从动杆上的刻度线是沿着所述从动杆的圆周方向上设置的。
9.根据权利要求1至8任一项所述的激振器，其特征在于，还包括数据采集器与多个传感器，所述多个传感器分别安装在所述激振装置上，所述数据采集器通过信号线分别连接所述多个传感器。
10.根据权利要求9所述的激振器，其特征在于，所述多个传感器分别包括力传感器和加速度传感器，所述力传感器设置在所述从动机构与所述待激振体接触的一端处以测量所述从动机构与所述待激振体之间的激振力，所述加速度传感器设置在所述待激振体上以测量所述待激振体上的激振响应。
11.根据权利要求9所述的激振器，其特征在于，还包括分析终端装置，所述分析终端装置连接所述数据采集器，所述分析终端装置包括时域分析模块、频域分析模块和模态参数辨识模块，所述时域分析模块用于获取时域图像及时域特征值，所述频域分析模块用于频率响应函数求解及频率特征提取，所述模态参数辨识模块用于根据频率响应函数来求取所述待激振体的模态参数。
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