CN109186974B - 一种固定连接装配体性能稳定加速方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固定连接装配体性能稳定加速方法，属于机械装配性能优化技术领域。本方法包括：1)基于模态实验的固定连接装配体固有频率及模态振型测定；2)基于结构模态的激振实验装置布置和参数设置；3)结构动静态性能跟踪测试以及稳定性判断。本发明可以在机械装配完成后，根据固定连接装配体的结构模态通过施加合适振动激励使装配体动静态性能提前快速渡过磨合期到达稳定期，使机械产品在运行过程中能够保持良好的动静态精度，提高产品性能和精度保持性。本方法可适用于各种形状的固定连接装配结构，实验装置灵活可调整，可以重复利用；相比于传统试运行跑合的方法，本方法可以加速装配结构精度稳定过程，节约时间和成本。

Description

一种固定连接装配体性能稳定加速方法

技术领域

本发明属于机械装配性能优化技术领域，涉及技术原理、方案和判定指标，尤其涉及一种固定连接装配体性能稳定加速方法。

背景技术

装配结构是机械领域中最常见的产品结构，通过装配能够使若干零件组合成结构复杂、功能多样的机械结构，装配质量和装配后的性能对于机械产品性能有着重要的影响。

一般机械产品的性能分为动态和静态两个方面，静态性能通常指的是尺寸精度、几何精度、静刚度等指标，如机械产品结构的形状尺寸、平行度、同轴度以及承受静力时的抗变形能力等。动态性能指的是在运行和运动过程中，受外力、惯性力以及振动等原因导致的机械产品的结构变形和速度、加速度波动，与机械产品的结构动态特性具有直接关系，因此动态性能可以直接从结构动态特性得到。

装配通常采用配合、螺栓连接等方式将不同零件连接起来，但装配后由于外力引入的装配应力、零件内应力释放以及磨损等原因，导致装配后的结构精度和性能并非一成不变，而是随着时间推移精度逐渐衰减。通常机械产品的精度损失存在着“浴盆曲线”，即开始时为磨合期，精度损失较快，当经过一定的磨合后，精度损失进入稳定期，也即机器的正常工作期，此时精度损失主要来自于正常磨损，最后磨损到一定程度后精度损失加快直至精度丧失，此时机器的生命周期结束。因此在机械产品装配完成后，通常需要进行一段时间的跑合和试运行使机器精度达到稳定期后才会开始正式进入工作期。但在实际生产中，对大批量产品进行跑合和试运行会产生大量的时间成本和人力成本，导致效益降低。如果能发明一种新方法能够以低成本的方式快速提高装配产品的性能稳定性，则可以提高使用过程中机械产品的性能和使用时间，降低产品的故障率，具有重要意义。

模态是结构的固有振动特性，线性结构的自由振动可以被解耦为N个正交的单自由度振动系统,对应结构的N个模态，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得到，将一个计算或试验分析的过程称为模态分析。目前模态分析已经被广泛应用于航天航空、汽车、船舶、土木、机械等领域。

根据振动时效的相关研究表明，对机械结构施加振动可以促进结构内应力的释放，最终使结构尺寸和动态特性更加稳定。

目前通过施加振动以加快固定连接装配体性能稳定的研究鲜有报道。

发明内容

本发明的目的是提出一种固定连接装配体性能稳定加速方法，旨在为实际机械产品装配后需要大量时间进行磨合才能进入精度稳定工作期这一问题提供一种可行的解决方案。本发明通过激振器对装配体进行激振，通过振动释放装配结构内应力并加快结合面接触稳定，并通过动静态精度跟踪测量分析判定，最终使固定连接装配体动静态性能快速达到稳定期。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种固定连接装配体性能稳定加速方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)基于模态实验的固定连接装配体固有频率及模态振型测定，具体包括：

1-1)将固定连接装配体置于弹簧垫或者利用弹性绳进行悬挂，模拟自由支撑条件，然后在固定连接装配体上布置实验所需加速度传感器，使用移动力锤法通过力锤对固定连接装配体上加速度传感器布点的附近进行逐点敲击；

1-2)采集力锤的力信号和加速度传感器的加速度信号，根据力锤敲击点和加速度传感器布置点的位置对应关系求得各加速度传感器布点之间的频响函数，得到固定连接装配体的频响函数矩阵，并通过常规的拟合和参数辨识方法得到固定连接装配体的各阶固有频率和模态振型；

1-3)进行如下判断：若固定连接装配体的刚体模态频率低于固定连接装配体的非刚体模态频率的1/10，则认为实验条件近似为自由支撑，得到固定连接装配体的的各阶自由模态，执行步骤2)；若固定连接装配体的刚体模态频率大于等于固定连接装配体的非刚体模态频率，则实验条件有误，执行步骤1-4)；

1-4)重新选择弹簧垫和弹性绳的刚度和长度，重复步骤1-1)～步骤1-3)；

2)基于结构模态的激振实验装置布置和参数设置，具体包括：

2-1)根据步骤1)中得到的固定连接装配体的各阶固有频率和模态振型，在低频段和高频段各选择一些模态作为待激振参考模态并确定待激振参考模态的频率；其中，低频段参考模态按照以下方式选择：模态振型使固定连接装配体整体发生振动，且低频段参考模态之间零点重叠尽量少，使固定连接装配体整体的装配应力得到充分释放；高频段参考模态按照以下方式选择：模态振型使固定连接装配体内结合面附近发生振动，使结合面进行充分磨合，并且模态频率低于实验所用激振器的许用激振频率；

2-2)实验装置布置，实验装置包括激振器、加速度传感器和力传感器；其中，

所述激振器和加速度传感器均分别通过磁吸或胶粘的方式连接于固定连接装配体表面；所述激振器的连接位置位于待激振参考模态的模态振型中振幅较大的点；

2-3)实验参数设置，包括激振频率和激振力幅；其中，

所述激振频率根据选择的待激振参考模态频率进行设置，设置激振频率避开共振频率两侧附近以防止过大的振动破坏固定连接装配体；

所述激振力幅按照如下方式设置：根据选择的待激振参考模态频率处与步骤1)所对应的频响函数矩阵以及激振器的布置点，计算在单位力作用下固定连接装配体各激振器布置点的应力幅值；根据固定连接装配体的许用应力大小，计算出相应的最大激振力作为参考；选择不超过最大激振力的具有冗余的激振力大小使固定连接装配体充分振动的同时不发生塑性变形和破坏；

3)结构动静态性能跟踪测试以及稳定性判断，具体包括：

3-1)根据设置的激振频率和激振力幅，通过函数信号发生器、功率放大器以及激振器对固定连接装配体进行激振，每隔设定时间对固定连接装配体进行动静态性能检测；其中，所述静态性能检测包括尺寸精度和几何精度检测；所述动态性能检测是利用布置好的激振器以及力传感器，通过猝发随机激励测量固定连接装配体的频响函数；

3-2)随着激振的进行，观察固定连接装配体动静态性能的变化情况，当连续3次的结构静态精度误差和动态特性误差均小于设定阈值时，则判定固定连接装配体的动静态性能均已进入稳定期，停止激振；否则，继续激振直到固定连接装配体的动静态性能稳定。

本发明的特点及有益效果：

本发明是用于加速固定连接机械结构装配后达到性能稳定期的方法，具体是通过外加激振装置，对装配完成后的固定连接装配体施加激振力，使结构振动引起内部残余装配应力快速释放，从而使装配结构快速度过磨合期进入稳定期。

1、可以适用于各种形状的固定连接装配结构，实验装置灵活可调整，可以重复利用。

2、相比于传统试运行跑合的方法，本方法可以加速装配结构精度稳定过程，节约时间和成本。

3、通过对结构动静态性能进行跟踪测试，可以对结构性能是否达到稳定期进行准确判断，特别是对于动态性能稳定性的判断，相比传统方法准确度更好。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明发明实施例的固定连接装配体为一典型试件，该试件通过四个螺栓将上下两个零部件组装而成，该试件的静态精度要求为试件上部圆孔轴线与底面的平行度与距离尺寸。

本发明实施例的一种固定连接装配体性能稳定加速方法，包括以下步骤：

1)基于模态实验的固定连接装配体固有频率及模态振型测定，具体包括：

1-1)将固定连接装配体置于弹簧垫或者利用弹性绳进行悬挂，模拟自由支撑条件，然后在固定连接装配体上以一定密度和间隔布置实验所需加速度传感器(本实施例布置有6个加速度传感器)，使用移动力锤法通过力锤对固定连接装配体上加速度传感器布点的附近进行逐点敲击。

1-2)采集力锤的力信号和加速度传感器的加速度信号，根据力锤敲击点和加速度传感器布置点位置对应关系求得各加速度传感器布点之间的频响函数，得到固定连接装配体的频响函数矩阵，并通过常规的拟合和参数辨识方法(如复模态指示函数法)得到固定连接装配体的各阶固有频率和模态振型。

本实施例得到固定连接装配体的前6阶模态频率为17Hz、680Hz、879Hz、1112Hz、2300Hz、2630Hz，模态振型分别为整体平移、前后弯曲、左右弯曲、上下扭转、对角起伏、上下拉伸。

1-3)进行如下判断：若固定连接装配体的刚体模态频率(即第一阶模态频率)低于固定连接装配体的非刚体模态频率(即第二阶及以上模态频率)的1/10，则认为实验条件可以近似为自由支撑，得到固定连接装配体的的各阶自由模态，执行步骤2)；若固定连接装配体的刚体模态频率大于等于固定连接装配体的非刚体模态频率，则实验条件有误，执行步骤1-4)。

1-4)重新选择弹簧垫和弹性绳的刚度和长度，重复步骤1-1)～步骤1-3)。

2)基于结构模态的激振实验装置布置和参数设置，具体包括：

2-1)根据步骤1)中得到的固定连接装配体的各阶固有频率和模态振型，在低频段(一般选取前1/2模态，模态测量的频段是有限的，该频段范围内通常有多个模态，但具体数量不定，高低频段以测得模态数的半数处作为划分)和高频段(一般选取后1/2模态)各选择一些模态作为待激振参考模态并确定待激振参考模态的频率；其中，低频段参考模态按照以下方式选择：模态振型使固定连接装配体整体发生振动，且低频段参考模态之间零点重叠尽量少，使固定连接装配体整体的装配应力得到充分释放；高频段参考模态按照以下方式选择：模态振型使固定连接装配体内结合面附近发生振动，使结合面进行充分磨合，并且模态频率低于实验所用激振器的许用激振频率。

本实施例选取第二阶、第四阶模态作为低频段待激振参考模态，选取第五阶、第六阶模态作为高频段待激振参考模态，这四阶模态频段由低到高，并且振型能够使试件各部分以及结合面进行充分振动。

2-2)实验装置布置，实验装置包括激振器、加速度传感器和力传感器；其中，

激振器和加速度传感器均分别通过磁吸或胶粘的方式连接于固定连接装配体表面，需要说明的是本步骤中的加速度传感器根据步骤1)得到的模态振型布置于1～2个振幅较大的点(该点不一定属于步骤1中加速度传感器的布点，而是模态振型中振幅较大的点)，无需覆盖整个固定连接装配体；

激振器的连接位置位于待激振参考模态的模态振型中振幅较大的点，具体位置可根据实验现场进行选择，此外，可以使用必要的固定装置固定激振器和装配体，但需保证实验条件与步骤1)中模态实验的条件一致。本实施例通过压板螺栓固定激振器以使激振力能够充分加载并且不会对装配体测量模态造成较大影响。

2-3)实验参数设置，包括激振频率和激振力幅；其中，

激振频率根据选择的待激振参考模态频率进行设置，可考虑设置激振频率避开共振频率两侧附近(如3～5Hz)以防止过大的振动破坏固定连接装配体；

激振力幅按照如下方式设置：根据选择的待激振参考模态频率处与步骤1)所对应的频响函数矩阵(即该频响函数矩阵在步骤1)中已测得)以及激振器的布置点，计算在单位力作用下固定连接装配体各激振器布置点的应力幅值；根据固定连接装配体的许用应力大小，计算出相应的最大激振力作为参考；选择不超过最大激振力的具有冗余的的激振力大小使固定连接装配体充分振动的同时不发生塑性变形和破坏，本实施例考虑测量误差、安全性以及使固定连接装配体振动充分，选择实际激振力幅为计算得到最大激振力幅值的1/3。

3)结构动静态性能跟踪测试以及稳定性判断，具体包括：

3-1)根据设置的激振频率和激振力幅，通过函数信号发生器、功率放大器以及激振器对固定连接装配体进行激振，每隔一段时间对固定连接装配体进行动静态性能检测；其中，静态性能检测包括尺寸精度和几何精度检测，可以利用常见测量设备进行测量；本实施例的静态性能检测采用每5分钟测量一次试件上部圆孔轴线与底面的平行度与距离尺寸。动态性能检测是利用布置好的激振器以及力传感器，通过猝发随机激励测量固定连接装配体的频响函数。

3-2)随着激振的进行，观察固定连接装配体动静态性能的变化情况，当连续3次的结构静态精度误差和动态特性误差均小于设定阈值(一般为0.1％～0.5％)时，可以认为固定连接装配体的动静态性能已经进入稳定期，停止激振；本实施例当连续3次的试件上部圆孔轴线与底面的平行度与距离尺寸和第2～6阶固有频率、共振峰值误差均小于0.1％时，可以认为试件的动静态性能已经进入稳定期，停止激振，取下实验装置和固定连接装配体，性能稳定加速过程结束。否则，继续激振直到装配体的动静态性能稳定。

本发明的原理为：外加振动可以促进结构残余应力的释放，使结构尺寸和形状发生微小形变后更好地保持形状和尺寸等静态精度的稳定性，另外振动可以让固定连接装配体内结合面的接触部分产生微观碰撞和摩擦，使结合面磨合后贴合地更加紧密，从而使结构具有良好的动态特性稳定性。最终使得固定连接装配体快速度过磨合期，进入动静态性能的稳定期。

Claims (1)

1.一种固定连接装配体性能稳定加速方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)基于模态实验的固定连接装配体固有频率及模态振型测定，具体包括：

1-1)将固定连接装配体置于弹簧垫或者利用弹性绳进行悬挂，模拟自由支撑条件，然后在固定连接装配体上布置实验所需加速度传感器，使用移动力锤法通过力锤对固定连接装配体上加速度传感器布点的附近进行逐点敲击；

1-2)采集力锤的力信号和加速度传感器的加速度信号，根据力锤敲击点和加速度传感器布置点的位置对应关系求得各加速度传感器布点之间的频响函数，得到固定连接装配体的频响函数矩阵，并通过常规的拟合和参数辨识方法得到固定连接装配体的各阶固有频率和模态振型；

1-3)进行如下判断：若固定连接装配体的刚体模态频率低于固定连接装配体的非刚体模态频率的1/10，则认为实验条件近似为自由支撑，得到固定连接装配体的的各阶自由模态，执行步骤2)；若固定连接装配体的刚体模态频率大于等于固定连接装配体的非刚体模态频率，则实验条件有误，执行步骤1-4)；

1-4)重新选择弹簧垫和弹性绳的刚度和长度，重复步骤1-1)～步骤1-3)；

2)基于结构模态的激振实验装置布置和参数设置，具体包括：

2-1)根据步骤1)中得到的固定连接装配体的各阶固有频率和模态振型，在低频段和高频段各选择一些模态作为待激振参考模态并确定待激振参考模态的频率；其中，低频段参考模态按照以下方式选择：模态振型使固定连接装配体整体发生振动，且低频段参考模态之间零点重叠尽量少，使固定连接装配体整体的装配应力得到充分释放；高频段参考模态按照以下方式选择：模态振型使固定连接装配体内结合面附近发生振动，使结合面进行充分磨合，并且模态频率低于实验所用激振器的许用激振频率；

2-2)实验装置布置，实验装置包括激振器、加速度传感器和力传感器；其中，

所述激振器和加速度传感器均分别通过磁吸或胶粘的方式连接于固定连接装配体表面；所述激振器的连接位置位于待激振参考模态的模态振型中振幅较大的点；

2-3)实验参数设置，包括激振频率和激振力幅；其中，

所述激振频率根据选择的待激振参考模态频率进行设置，设置激振频率避开共振频率两侧附近以防止过大的振动破坏固定连接装配体；

所述激振力幅按照如下方式设置：根据选择的待激振参考模态频率处与步骤1)所对应的频响函数矩阵以及激振器的布置点，计算在单位力作用下固定连接装配体各激振器布置点的应力幅值；根据固定连接装配体的许用应力大小，计算出相应的最大激振力作为参考；选择不超过最大激振力的具有冗余的激振力大小使固定连接装配体充分振动的同时不发生塑性变形和破坏；

3)结构动静态性能跟踪测试以及稳定性判断，具体包括：

3-1)根据设置的激振频率和激振力幅，通过函数信号发生器、功率放大器以及激振器对固定连接装配体进行激振，每隔设定时间对固定连接装配体进行动静态性能检测；其中，所述静态性能检测包括尺寸精度和几何精度检测；所述动态性能检测是利用布置好的激振器以及力传感器，通过猝发随机激励测量固定连接装配体的频响函数；

3-2)随着激振的进行，观察固定连接装配体动静态性能的变化情况，当连续3次的结构静态精度误差和动态特性误差均小于设定阈值时，则判定固定连接装配体的动静态性能均已进入稳定期，停止激振；否则，继续激振直到固定连接装配体的动静态性能稳定。