CN109656194A - 用于测量动态响应的动态表征系统 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种用于测量机床的动态响应的系统。所述系统包括振动机构、加速度计、控制器和壳体。所述振动机构可操作以产生激励信号，并且所述加速度计可操作以响应于所述激励信号测量动态能量并输出指示所述动态能量的动态响应信号。所述控制器包括通信接口并操作所述振动机构以输出所述激励信号并基于所述激励信号通过所述通信接口发送振动输入信号。所述壳体容纳所述振动机构和所述控制器。
Description
技术领域
本公开涉及一种用于测量机床的动态响应的系统。
背景技术
本节中的说明仅提供与本公开相关的背景信息，并且可以不构成现有技术。
计算机数控(CNC)机床可操作以执行工件(诸如铝块)的高速加工以形成零件。在高切削速度下加工时，特别是对于薄壁工件，机床的结构动力学可成为防止过度或不稳定振动的关注点。现有的状况指示器分析箱(CIAB)系统测量切割过程中的振动，但不能用于确定机床结构动力学(即，固有频率和振动模式)。
目前，手动离线测试被用于校准和排除不稳定振动。例如，当CNC机床离线时，操作员在沿机床的一个或多个点处用仪器化的锤(instrumented hammer)撞击CNC机床，并使用加速度计进行振动测量。此操作受操作员错误的影响，并且可能由于施加在机床上的未知和变化的力而导致不准确。
此外，CNC机床使用的工具的磨损在很大程度上是未知的，并且需要定期的预防性维护。这导致昂贵的成本，因为更换了具有显著剩余使用期限的部件，机床工具被停止服务并且操作员忙于不必要的维护中。这些和其他问题通过本公开的教导被解决。
发明内容
这部分提供本公开的简要综述，并且不是本公开的全部范围或全部特征的全面公开。
在一种形式中，本公开涉及一种动态表征系统，其包括可操作以产生激励信号的振动机构、加速度计、包括通信接口的控制器、和壳体。加速度计可操作以响应于激励信号测量动态能量并输出指示动态能量的动态响应信号。控制器被配置为操作振动机构以输出激励信号并基于激励信号通过通信接口发送振动输入信号。壳体容纳振动机构和控制器。
在另一种形式中，壳体容纳加速度计。
在又一种形式中，控制器基于来自加速度计的动态响应信号通过通信接口发送振动信号。
在一种形式中，加速度计与壳体被分开定位。
在另一种形式中，动态表征系统还包括向振动机构或控制器中的至少一个供电的电源，并且壳体容纳电源。
在又一种形式中，电源是涡轮发电机。
在另一种形式中，振动机构是压电致动器。
在一种形式中，通信接口包括无线收发器。
在另一种形式中，振动机构可操作以输出不同的激励信号。
在一种形式中，本公开涉及用于测量物体的动态响应的动态表征系统。该系统包括可操作以产生激励信号的压电致动器、加速度计、包括无线收发器的控制器、和壳体。加速度计可操作以响应于激励信号测量动态能量并产生指示动态能量的动态响应信号。壳体被配置为与物体附接和分离。壳体还容纳振动机构和控制器。控制器被配置为操作压电致动器以输出激励信号和通过无线收发器基于激励信号输出数据。
在另一种形式中，该系统还包括向振动机构和控制器供电的电源。
在一种形式中，壳体容纳加速度计，并且加速度计将动态响应信号输出到控制器。
在另一种形式中，控制器被配置为对来自加速度计的动态响应信号进行滤波，并使用无线收发器输出指示滤波的动态响应信号的数据。
在又一种形式中，控制器将动态响应信号从测量位置转移到期望位置。
在一种形式中，加速度计被定位在与壳体分开的位置处的物体上。
在一种形式中，本公开涉及一种用于测量机床的动态响应的系统。该系统包括可操作以产生激励信号的压电致动器、加速度计、控制器、和壳体。加速度计可操作以输出指示机床的动态能量的动态响应信号。控制器被配置为操作压电致动器以输出激励信号并输出指示激励信号的数据。壳体容纳压电致动器和控制器，并被配置为附接到机床。
在一种形式中，壳体容纳加速度计。
在另一种形式中，加速度计被定位在与壳体分开的机床上。
在又一种形式中，该系统还包括涡轮发电机，用于向控制器或压电致动器中的至少一个供电。
另外的应用领域将从本文提供的描述中变得明显。应理解的是，描述以及特定示例仅仅是用于说明的目的，而不旨在限制本公开的范围。
附图说明
为了可以很好地理解本公开，现在将通过示例的方式参考附图描述其各种形式，其中：
图1说明了根据本公开的教导的配备有动态表征(DC)系统的计算机数控(CNC)机床系统；
图2说明了根据本公开的教导的定位在CNC机床的主轴处的DC系统的一种形式；
图3是根据本公开的教导的DC系统的DC控制器的框图；和
图4说明了根据本公开的教导的定位在主轴处的DC系统的另一种形式。
本文所描述的附图仅用于说明的目的，而不旨在以任何方式限制本公开的范围。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并且不旨在限制本公开、应用或用途。应理解的是，贯穿附图，对应的附图标记指示相似或对应的部分和特征。
参考图1，计算机数控(CNC)机床系统100(下文中称为“CNC系统”)配备有本公开的动态表征(DC)系统102。CNC系统100包括CNC系统控制器104和多轴CNC加工中心106(下文中称为“CNC机床”)，其可操作以从工件107(例如，金属铸件)形成零件(例如，发动机缸体)。CNC机床106包括主轴108和附接到主轴108的端部的工具(未示出)。该工具选自容纳在工具库112中的多个工具。主轴108和/或工件可沿多个轴相对于彼此移动，以致主轴108与待加工的工件107的一部分对齐。本公开的教导适用于其他机床，并且不应限于所描绘的CNC系统100。
CNC系统控制器104被配置为使用一个或多个预先存储的程序来操作CNC机床106。因此，与CNC机床106的其他部件一起，CNC系统控制器104控制主轴108的扭矩、位置、定向和其他操作参数，以便形成零件。操作员可以通过用户界面111访问CNC系统控制器104。
CNC系统控制器104还被配置为在CNC系统100上执行诊断以确保系统100在某些参数内操作。在一种形式中，使用本公开的DC系统102，CNC系统控制器104执行CNC机床106的振动分析以确定机床106的结构动力学。DC系统102响应于由DC系统102产生的受控激励信号测量CNC机床106的动态能量。基于所接收的数据，CNC系统控制器104执行诊断以确定机床是否在预定义参数内操作。
参考图2，在一种形式中，动态表征系统102包括壳体202、振动机构204、电源206、加速度计208和动态表征(DC)控制器210。如说明的，壳体202容纳振动机构204、电源206、加速度计208和DC控制器210。在一种形式中，壳体202被配置为与主轴108接合，以致DC系统102可被容易地附接到主轴108并且可从主轴108拆卸。例如，DC系统102可被存储在CNC机床106的工具库112中，并且在要执行振动分析的情况下，CNC系统控制器104操作CNC机床106以从工具库112检索DC系统102并将系统102附接到主轴108。在另一种形式中，DC系统102被操作员定位在CNC机床106上，并且可被附接到CNC机床106的不同位置。因此，可以基于使用DC系统102的环境来改变壳体202的物理配置。
振动机构204可操作以产生用于引起来自主轴108的动态响应的预定义的激励信号。在一种形式中，振动机构204是可由DC控制器210操作的压电致动器。在另一种形式中，振动机构204是不均衡体，其被安装在主轴上以产生激励信号(即，输入力)。在这种形式中，DC系统102可以在与主轴108转速相关的频率下输送更多能量以激励CNC机床106的较重部件。
电源206向DC系统102的一个或多个部件提供电力。例如，电源206向DC控制器210、振动机构204和/或加速度计208中的至少一个供电。在一种形式中，电源206是涡轮发电机，其将来自主轴的机械能(诸如压缩空气)转换成电能。其他电源(诸如电池)也在本公开的范围内。
加速度计208响应于激励信号测量沿一个或多个轴的动态能量(即，加速度)。更具体地，由振动机构204产生的激励信号引起沿主轴108的振动，并且加速度计208测量振动的强度。在一种形式中，加速度计208将指示主轴108的动态能量的数据作为动态响应信号发送到DC控制器210。在其他形式中，加速度计可以将信号输出到CNC系统控制器104，如下所述。
DC控制器210被配置为控制振动机构204的操作并与CNC系统100的CNC系统控制器104通信。参考图3，在一种形式中，DC控制器210包括通信接口302、振动控制模块304和信号分析模块306。除了下面讨论的各种部件之外，DC控制器210还包括电子部件，诸如微控制器、滤波器(例如，快速傅里叶变换芯片)、收发器、用于保持电荷的电容器、以及用于执行这里描述的各种功能的其他合适的电子器件。
通信接口302建立与外部系统(诸如CNC系统控制器104)的通信。在一种形式中，通信接口302包括用于使用蓝牙协议建立无线通信的蓝牙收发器。通信接口302可以使用其他无线通信协议，诸如Wi-Fi、射频通信和Zigbee，并且不应限于蓝牙协议。
振动控制模块304控制振动机构204以使振动机构204产生激励信号，该激励信号还可以被称为输入力。振动控制模块304可以以各种合适的方式被配置以输出激励信号。例如，在一种形式中，振动控制模块304存储一个或多个信号分布曲线，并基于来自CNC系统控制器104的命令从一个或多个信号分布曲线中选择激励信号，该命令识别激励信号的所需的信号分布曲线。在另一种形式中，振动控制模块304被编程为一旦DC控制器210接收到电力就选择某些信号分布曲线，且因此，不需要来自CNC系统控制器104的进一步指令。
激励信号用作引起沿CNC机床106的振动(例如，动态能量)的输入力。在一种形式中，激励信号包括但不限于具有设定频率的正弦波形或频率随时间变化(即，增大或减小)的线性调频信号。由于激励信号是基于已知的信号分布曲线，因此施加到CNC机床的输入力是一致的并且不会受到操作员错误的影响。
在一种形式中，信号分析模块306发送指示激励信号和来自加速度计208的动态响应信号的信号。例如，信号分析模块306被配置为将激励信号变换为频域信号，并且通过通信接口302将对应的信号作为振动输入信号发送到CNC系统控制器104。作为另一示例，信号分析模块306被配置为将来自加速度计208的动态响应信号变换为频域信号，并且进一步对变换后的信号进行滤波。也就是说，变换后的信号被从其测量位置(即，加速度计的位置)转移到期望位置(例如，主轴的端部)。然后通过通信接口302将滤波信号作为振动信号发送到CNC系统控制器104。
在示例性操作中，DC系统102被存储在CNC机床106的工具库112中，并且CNC系统控制器104操作CNC机床106以在CNC机床106的振动分析将被执行时使机床106检索DC系统102。在一种形式中，当电源是涡轮发电机时，系统控制器104从主轴108输出空气以驱动涡轮发电机，且从而向DC系统102的部件供电。DC控制器210操作振动机构204以产生激励信号，并且加速度计208测量CNC机床的振动。DC控制器210基于激励信号和来自加速度计208的动态响应信号将数据发送到CNC系统控制器104。
CNC系统控制器104使用来自DC控制器210的数据评估机床的稳定性。在一种形式中，CNC系统控制器执行频率响应函数(FRF)测量以确定CNC机床106的稳定性叶瓣图。由CNC系统控制器104使用来自DC系统102的数据执行的其他可能的分析也在本公开的范围内。一旦振动分析完成，CNC系统控制器104操作CNC机床106以使DC系统102放回到工具库112中。使用DC系统102的其他操作和/或方法也在本公开的范围内。例如，操作员可以将DC系统定位在CNC机床106的其他位置以测量CNC机床106的动态响应。
本公开的DC系统102包括用于测量CNC机床106的动态能量的专用加速度计。在可选的形式中，DC系统被配置为利用CNC机床106的加速度计。参考图4，DC系统402包括壳体202、振动机构204、电源206和DC控制器410。类似于DC控制器210，DC控制器410被配置为操作振动机构204并将指示激励信号的数据发送到CNC系统控制器104。
CNC机床106包括设置在主轴108上的用于测量CNC机床106的动态能量的加速度计412。在一种形式中，加速度计412提供指示在正常加工操作期间和/或由CNC系统控制器104执行诊断期间的动态能量的数据。
通过移除加速度计并利用CNC机床106上现有的加速度计，进一步简化了DC系统402。例如，DC控制器410被配置为提供关于激励信号的数据，并且不需要处理来自加速度计412的信号。
通过本公开的DC系统，CNC系统基于已知的力输入(即，预定的激励信号)而不是基于操作员的经验来接收机床动力学。此外，CNC系统100可以不必离线而执行振动分析。也就是说，CNC系统100可以在没有操作员的帮助的情况下自动获得CNC机床106的动态响应。CNC系统能够表征整个工作行程，而不仅仅是几个固定配置的动态响应，这可能不包括在所有输入频率的结构弱点。也就是说，DC系统能够表征整个工作空间，包括机床内部不能由操作人员安全访问的区域，且因此可以研究机床结构的在结构上的薄弱部分，这些部分当机床处于操作模式时无法通过手动方法测量。
本公开的描述本质上仅是示例性的，且因此，不脱离本公开的实质的变化旨在落入本公开的范围内。这些变化不应被视为脱离本公开的精神和范围。
根据本发明，一种用于测量物体的动态响应的动态表征系统，该系统被提供具有：压电致动器，其可操作以产生激励信号；加速度计，其可操作以响应于激励信号测量动态能量并产生指示动态能量的动态响应信号；包括无线收发器的控制器，其中控制器被配置为操作压电致动器以输出激励信号并基于激励信号通过无线收发器输出数据；以及壳体，其被配置为与物体附接和分离，其中壳体容纳振动机构和控制器。
根据实施例，上述发明的特征还在于电源向振动机构和控制器供电。
根据实施例，电源是涡轮发电机。
根据实施例，壳体容纳加速度计，并且加速度计将动态响应信号输出到控制器。
根据实施例，控制器被配置为对来自加速度计的动态响应信号进行滤波，并使用无线收发器输出指示滤波的动态响应信号的数据。
根据实施例，控制器将动态响应信号从测量位置转移到期望位置。
根据实施例，加速度计被定位在与壳体分开的位置处的物体上。
根据本发明，一种用于测量机床的动态响应的系统，该系统被提供具有：压电致动器，其可操作以产生激励信号；加速度计，其可操作以输出指示机床的动态能量的响应信号；控制器，其被配置为操作压电致动器以输出激励信号，并输出指示激励信号的数据；以及壳体，其容纳压电致动器和控制器，并且被配置为附接到机床。
根据实施例，壳体容纳加速度计。
根据实施例，加速度计被定位在与壳体分开的机床上。
根据实施例，上述发明的特征还在于用于向控制器或压电致动器中的至少一个供电的涡轮发电机。
Claims (12)
1.一种动态表征系统，其包括：
振动机构，其可操作以产生激励信号；
加速度计，其可操作以响应于所述激励信号测量动态能量并输出指示所述动态能量的动态响应信号；
控制器，其包括通信接口，其中所述控制器被配置为操作所述振动机构以输出所述激励信号并基于所述激励信号通过所述通信接口发送振动输入信号；和
壳体，其容纳所述振动机构和所述控制器。
2.如权利要求1所述的动态表征系统，其中所述壳体还容纳所述加速度计。
3.如权利要求1所述的动态表征系统，其中所述控制器通过所述通信接口基于来自所述加速度计的所述动态响应信号发送振动信号。
4.如权利要求1所述的动态表征系统，其中所述加速度计与所述壳体被分开定位。
5.如权利要求1所述的动态表征系统，其中所述振动机构是压电致动器。
6.如权利要求1所述的动态表征系统，其中所述通信接口包括无线收发器。
7.如权利要求1所述的动态表征系统，其中所述振动机构可操作以输出不同的激励信号。
8.如权利要求1所述的动态表征系统，其中所述壳体容纳所述加速度计，并且所述加速度计将所述动态响应信号输出到所述控制器。
9.如权利要求8所述的动态表征系统，其中所述控制器被配置为对来自所述加速度计的所述动态响应信号进行滤波，并使用所述无线收发器输出指示所述滤波的动态响应信号的数据。
10.如权利要求8所述的动态表征系统，其中所述控制器将所述动态响应信号从测量位置转移到期望位置。
11.如权利要求1至10中任一项所述的动态表征系统，其还包括向所述振动机构或所述控制器中的至少一个供电的电源，其中所述壳体容纳所述电源。
12.如权利要求11所述的动态表征系统，其中所述电源是涡轮发电机。
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