CN108318199A - 一种机械结合面法向基础特性参数测试装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械结合面法向基础特性参数测试装置，在箱体顶板中心位置开有上定位孔，该上定位孔中固定有定位套，定位套向上固定安装有激振杆，定位套向下通过力传感器与上试件连接；上试件下端面与下试件上端面之间形成目标结合面A；下试件放置在托座上端面的园柱形凹槽中，托座的园柱形凹槽对下试件进行定位，托座下端头伸进套筒内腔中，套筒固定在箱体中间板中心位置的下定位孔中；在上试件上安装有非接触微位移传感器和加速度计一，在下试件上安装有加速度计二。本发明还公开了一种机械结合面法向基础特性参数测试方法。本发明的装置结构简单、方法实施方便，便于研究结合面静态和动态特性机理和获取结合面特性参数。

Description

一种机械结合面法向基础特性参数测试装置与方法

技术领域

本发明属于机床结构基础特性测试技术领域，涉及一种机械结合面法向基础特性参数测试装置，本发明还涉及一种机械结合面法向基础特性参数测试方法。

背景技术

结合面存在于两个被连接件之间，结合面特性具有非线性，受众多因素影响，国外研究表明，机床整机刚度的55％、阻尼的70-90％源于结合面，数控机床等机械系统中存在着大量的结合面，结合面特性对机床整机性能影响非常大，因此研究结合面基础特性对提升机床整机性能具有重要意义。

在机床结构设计阶段，建立机床结构静、动态特性分析模型必须有结合面特性数据库的支持，才能保证计算分析的准确性，因此准确合理测试出结合面特性数据是关键。传统方法是对一个较大尺寸结构的结合面进行参数识别获取结合面特性参数，所获得的结合面特性参数不仅与该结构尺寸密切相关，而且与识别所采用的数学模型相关，因此测得的结合面数据难以通用。

发明内容

本发明的目的是提供一种机械结合面法向基础特性参数测试装置，解决了现有技术中，结合面特性参数检测不科学，不准确，通用性差，机床整机静动态特性预测中缺乏结合面特性参数的问题。

本发明的另一目的是提供一种机械结合面法向基础特性参数测试方法。

本发明采用的技术方案是，一种机械结合面法向基础特性参数测试装置，在箱体顶板中心位置开有上定位孔，该上定位孔中固定有定位套，定位套向上固定安装有激振杆，定位套向下通过力传感器与上试件连接；上试件下端面与下试件上端面之间形成目标结合面A；下试件放置在托座上端面的园柱形凹槽中，托座的园柱形凹槽对下试件进行定位，托座下端头伸进套筒内腔中，套筒固定在箱体中间板中心位置的下定位孔中；在上试件上安装有非接触微位移传感器和加速度计一，在下试件上安装有加速度计二。

本发明采用的另一技术方案是，一种机械结合面法向基础特性参数测试方法，基于上述的测试装置，按照以下步骤实施：

建立如下关系式：

式(1)中，α、β为实验系数，简称结合面法向静态基础特性参数；

通过式(1)，由面压P_n对变形λ_n求导获得如下的结合面的法向静刚度K_n与面压P_n的关系式：

式(2)中，c、m为系数；

列出如下动力学方程式：

其中，f为外界激振力，通过力传感器测得；f_n为结合面法向动态力；m为上试件的质量；为上试件的振动加速度，由加速度计一测得；c_n为结合面法向阻尼；k_n为结合面法向动刚度；为结合面A的振动速度，x_n为结合面A的振动位移；

当外界激振力f为简谐力时，则令：

f_n＝F_ncosωt (5)

其中，F_n为结合面法向动态力的幅值；ω为激振频率；t为时间变量；x_n为结合面法向振动位移；X_n为结合面法向振动位移的幅值；为结合面法向振动位移x_n与结合面法向力f_n之间的相位差，

由式(6)得到结合面法向振动速度

将式(5)、(6)、(7)带入式(4)中，得到单位面积结合面动刚度及阻尼计算公式：

式(9)中，

式(10)中，F为外界激振力f的幅值；S为目标结合面的面积，

从式(8)、式(9)、式(10)看出，上试件的质量m和激振频率ω已知，通过加速度计一测得，外界激振力幅值F通过力传感器测得；结合面振动位移X_n通过非接触微位移传感器测得；通过f_n相对于f的相位差及x_n相对于f的相位差来求得；由式(8)计算出单位面积结合面法向动刚度，同时由式(9)计算出单位面积结合面法向阻尼。

本发明的有益效果是，当通过激振杆给上试件施加一定频率的激振力时，通过力传感器可以测得激振力的大小，通过固定在上试件上的加速度计一可测得上试件的振动加速度，通过固定在下试件上的加速度计二可测得下试件的振动加速度，通过非接触微位移传感器可以测得目标结合面的振幅大小，根据上述信息可以通过数学模型计算出单位面积结合面的阻尼和动刚度。该测试装置同时可以进行结合面的静态和动态特性的测试，结构简单、操作方便。

附图说明

图1是本发明测试装置的结构示意图；

图2是本发明测试方法得到的结合面变形与面压的关系曲线；

图3是本发明测试方法得到的结合面静刚度与面压的关系曲线；

图4是本发明测试方法结合面法向动态特性参数计算模型。

图中，1.激振杆，2.定位套，3.箱体，4.力传感器，5.上试件，6.非接触微位移传感器，7.下试件，8.托座，9.套筒，10.钢球，11.螺杆，12.加速度计二，13.加速度计一。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明着眼于单位面积结合面法向静、动态特性参数的获取方法和装置方案，通过对一定尺度面积的结合面施加不同的法向力，获取其对应的结合面变形值，绘制其结合面面压与法向变形之间的关系曲线，通过拟合可以获得其函数关系式，进而通过对该函数关系求导确定出该结合面的不同面压下的静刚度，这就是结合面的静态特性参数，这里结合面面压就是单位面积结合面上的压力。

当结合面保持在一定面压下，给该结合面施加一定频率的简谐激振力，该结合面即可产生阻尼和动刚度，通过测试该结合面的加速度值和结合面的振幅值，即可获得该结合面动刚度和阻尼值，这就是结合面的动态特性参数。由于本发明实验获取的是单位面积结合面上法向静态和动态特性参数，即结合面法向静、动态基础特性参数，因此可以在不同尺度结合面特性解析中使用，具有通用性，解决了机床整机静动态特性预测中缺乏结合面特性参数的难题。

参照图1，本发明测试装置的结构是，在箱体3顶板中心位置开有上定位孔，该上定位孔中固定有定位套2，定位套2向上固定安装有激振杆1，定位套2向下通过力传感器4与上试件5连接，确保上试件5与箱体3的上部定位孔同轴；上试件5下端面与下试件7上端面之间形成目标结合面A；下试件7放置在托座8上端面的园柱形凹槽中，托座8的园柱形凹槽对下试件7进行定位，托座8下端头伸进套筒9内腔中实现定位，套筒9固定在箱体3中间板中心位置的下定位孔中，这样确保下试件7与箱体3中的下定位孔同轴；套筒9内腔的下部通过螺纹安装有螺杆11，螺杆11上端面与托座8下端头之间接触面设置有钢球10；在上试件5上安装有非接触微位移传感器6和加速度计一13，在下试件7上安装有加速度计二12。

由于箱体3的上定位孔与下定位孔同轴，箱体3上定位孔通过定位套2和力传感器4，下定位孔通过套筒9和托座8，一起保证上试件5与下试件7上下同轴对正，从而保证目标结合面A上的压力分布均匀，即保持面压均匀；螺杆11拧动向上抬升，通过钢球10、托座8、下试件7将力作用给目标结合面A，从而使结合面A作用有均匀面压；

螺杆11通过钢球10及托座8作用给下试件7，由于钢球10位于轴心上，螺杆11的扭矩不仅传不到托座8上，而且所加载荷作用在轴心线上，从而保证下试件7与上试件5所形成的目标结合面只有法向面压，并且保证结合面面压分布均匀。

从箱体3的下方通过下试件7使结合面产生法向面压，而在箱体3的上方通过上试件5使结合面产生不同的激振力作用，保证静态和动态实验互相不干涉，便于实验操作。

通过在上试件5上固定的非接触微位移传感器6来测量目标结合面A的变形λ_n；通过力传感器4测量结合面受力大小，将所测到的力除以结合面A的面积大小即可获得结合面的面压P_n，从而绘制出结合面变形λ_n与面压P_n的变化曲线，进而通过拟合方法建立关系函数，通过面压P_n对变形λ_n求导获得结合面的静刚度K_n与面压P_n的关系函数。

当通过激振杆1给上试件5施加一定频率的激振力时，通过力传感器4测得此时激振力大小，通过固定在上试件5上的加速度计一13测得上试件5振动加速度，通过固定在下试件7上的加速度计二12测得下试件7的振动加速度，通过非接触微位移传感器6测得结合面A的振幅大小，根据上述信息即可通过数学模型计算出结合面A的阻尼和动刚度。

参照图2，本发明的测试方法，按照以下步骤实施：

结合面变形λ_n和结合面面压P_n，利用上述的装置结构测得相关数据，然后对所测得数据进行指数拟合，建立如下关系式：

式(1)中，α、β为实验系数，与结合面A的材质、热处理条件、粗糙度、润滑介质等有关，简称结合面法向静态基础特性参数，

参照图3，通过式(1)，由面压P_n对变形λ_n求导获得如下的结合面的法向静刚度K_n与面压P_n的关系式：

式(2)中，c、m为系数，

参照图4，列出如下动力学方程式：

其中，f为外界激振力，通过力传感器4测得；f_n为结合面法向动态力；m为上试件5的质量；为上试件5的振动加速度，由加速度计一13测得；c_n为结合面法向阻尼；k_n为结合面法向动刚度；为结合面A的振动速度，x_n为结合面A的振动位移；

当外界激振力f为简谐力时，则令：

f_n＝F_n cosωt (5)

其中，F_n为结合面法向动态力的幅值；ω为激振频率；t为时间变量；x_n为结合面法向振动位移；X_n为结合面法向振动位移的幅值；为结合面法向振动位移x_n与结合面法向力f_n之间的相位差，

由式(6)得到结合面法向振动速度

将式(5)、(6)、(7)带入式(4)中，得到单位面积结合面动刚度及阻尼计算公式：

式(9)中，

式(10)中，F为外界激振力f的幅值；S为目标结合面的面积，

从式(8)、式(9)、式(10)看出，上试件5的质量m和激振频率ω是已知的，通过加速度计一13测得，外界激振力幅值F通过力传感器4测得；结合面振动位移X_n通过非接触微位移传感器6测得；通过f_n相对于f的相位差及x_n相对于f的相位差来求得；因此基于本发明上述的测试装置，由式(8)计算出单位面积结合面法向动刚度，同时由式(9)计算出单位面积结合面法向阻尼。

Claims (4)

1.一种机械结合面法向基础特性参数测试装置，其特征在于：在箱体顶板中心位置开有上定位孔，该上定位孔中固定有定位套，定位套向上固定安装有激振杆，定位套向下通过力传感器与上试件连接；上试件下端面与下试件上端面之间形成目标结合面A；下试件放置在托座上端面的园柱形凹槽中，托座的园柱形凹槽对下试件进行定位，托座下端头伸进套筒内腔中，套筒固定在箱体中间板中心位置的下定位孔中；在上试件上安装有非接触微位移传感器和加速度计一，在下试件上安装有加速度计二。

2.根据权利要求1所述的机械结合面法向基础特性参数测试装置，其特征还在于：所述的箱体的上定位孔与下定位孔同轴。

3.根据权利要求1所述的机械结合面法向基础特性参数测试装置，其特征还在于：所述的套筒内腔的下部通过螺纹安装有螺杆，螺杆上端面与托座下端头之间接触面设置有钢球。

4.一种机械结合面法向基础特性参数测试方法，基于权利要求1-3任一所述的测试装置，其特征在于，按照以下步骤实施：

建立如下关系式：

式(1)中，α、β为实验系数，简称结合面法向静态基础特性参数，

通过式(1)，由面压P_n对变形λ_n求导获得如下的结合面的法向静刚度K_n与面压P_n的关系式：

式(2)中，c、m为系数，

列出如下动力学方程式：

其中，f为外界激振力，通过力传感器测得；f_n为结合面法向动态力；m为上试件的质量；为上试件的振动加速度，由加速度计一测得；c_n为结合面法向阻尼；k_n为结合面法向动刚度；为结合面A的振动速度，x_n为结合面A的振动位移；

当外界激振力f为简谐力时，则令：

f_n＝F_ncosωt (5)

其中，F_n为结合面法向动态力的幅值；ω为激振频率；t为时间变量；x_n为结合面法向振动位移；X_n为结合面法向振动位移的幅值；为结合面法向振动位移x_n与结合面法向力f_n之间的相位差，

由式(6)得到结合面法向振动速度

将式(5)、(6)、(7)带入式(4)中，得到单位面积结合面动刚度及阻尼计算公式：

式(9)中，

式(10)中，F为外界激振力f的幅值；S为目标结合面的面积，

从式(8)、式(9)、式(10)看出，上试件的质量m和激振频率ω已知，通过加速度计一测得，外界激振力幅值F通过力传感器测得；结合面振动位移X_n通过非接触微位移传感器测得；通过f_n相对于f的相位差及x_n相对于f的相位差来求得；由式(8)计算出单位面积结合面法向动刚度，同时由式(9)计算出单位面积结合面法向阻尼。