CN110455486A - 一种高精度低g值冲击加速度波形发生装置 - Google Patents

一种高精度低g值冲击加速度波形发生装置 Download PDF

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孙浩琳
张大治
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Abstract

本发明公开的一种高精度低g值冲击加速度波形发生装置，属于冲击设备技术领域。本发明主要由冲击激励结构、碰撞系统、运动支撑系统和底座组成；冲击激励结构包括电磁力锤、空气力锤和精密丝杠电机机构；电磁力锤和空气力锤并列安装在所述精密丝杠电机上，通过精密丝杠电机实现激励结构定位准确的自动切换，得到较宽的冲击加速度和脉宽的测量范围；碰撞系统主要由锤体、砧体和波形发生器构成，锤体和砧体用于实现对心自由碰撞，锤体和砧体的运动限位部分采用一体化加工成形的法兰以提高整体的谐振频率。本发明能够实现在加速度范围(2～1000)g、冲击脉宽时间范围(0.5～10)ms加速度波形发生。本发明具有控制精度高、加速度波形重复性好、结构简单等优点。

Description

一种高精度低g值冲击加速度波形发生装置
技术领域
本发明涉及一种高精度低g值冲击加速度波形发生装置，属于冲击设备技术领域。
背景技术
在飞行员安全防护、汽车安全测试、星箭分离、卫星状态监测、MEMS性能验证以及舰载机起落架性能测试等领域中，广泛存在对10000m/s2以内冲击加速度的高精度测量需求，ISO、欧洲安全标准均对测量范围和精度给出严格的规定。然而我国国防和民用系统的冲击校准过程中，仅在最高5000m/s2的冲击加速度范围内实现1％的测量不确定度，与PTB、NMIJ等国际计量机构存在较大差距。
对于计量领域而言，机械冲击的测试校准实质上是冲击加速度的校准，而冲击速度、冲击位移和动态冲击力都可以由冲击加速度的校准结果通过进一步的数学处理或结合对质量的测量而得到。机械冲击的校准是动态测试校准领域的典型研究内容，被测量的物理量是一个随时间快速变化的瞬态过程，这对测量冲击使用的传感器即加速度传感器及其校准技术提出了很高的要求。目前，国际标准规定了加速度计采用振动与冲击激励进行校准的方法。对于振动激励的校准方式，一般采用固定频率点的正弦形式的机械振动，结合激光干涉仪和正弦逼近法来进行高精度校准，但由于机械结构本身的限制，加速度峰值一般不会超过几百个m/s2。对于采用冲击激励的校准方式，加速度峰值可达几万个m/s2，但由于冲击加速度波形难以用精确的数学表达式来进行描述，所以难以实现精确校准。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高精度低g值冲击加速度波形发生装置，能够实现在加速度范围(2～1000)g、冲击脉宽时间范围(0.5～10)ms加速度波形发生。本发明基于刚体碰撞的原理，适用于对低冲击传感器的测试及校准。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明公开的一种高精度低g值冲击加速度波形发生装置，主要由冲击激励结构、碰撞系统、运动支撑系统和底座组成。
所述冲击激励结构包括电磁力锤、空气力锤和精密丝杠电机机构；所述电磁力锤和空气力锤并列安装在所述精密丝杠电机上，通过精密丝杠电机实现激励结构定位准确的自动切换，得到较宽的冲击加速度和脉宽的测量范围。
冲击激励结构采用电磁力锤和空气力锤组合的方式构成，电磁力锤是采用电磁力激励的电磁锤，空气力锤是采用压缩空气激励的空气锤；电磁力锤由于激励电压有限，所能提供的冲击能量大小受限制，空气力锤用于弥补电磁力锤冲击能量大小受限制的不足；通过上述两种方式的激励源的结合，能够满足不同量程及精度的冲击加速度校准及测试。
所述碰撞系统主要由锤体、砧体和波形发生器构成，所述锤体和砧体用于实现对心自由碰撞，锤体和砧体的运动限位部分采用一体化加工成形的法兰设计以提高整体的谐振频率。
所述较宽的冲击加速度和脉宽的测量范围指加速度范围(2～1000)g、冲击脉宽时间范围(0.5～10)ms。
作为优选，所述运动支撑系统包括锤体运动支撑系统和砧体运动支撑系统。
所述锤体运动支撑系统包括高精密空气轴承、空气轴承安装套、轴承端盖和安装套压环，所述高精密空气轴承安装在所述空气轴承安装套中，所述轴承端盖用于对所述高精密空气轴承进行固定和限位，所述锤体在所述空气轴承安装套中由所述高精密空气轴承支撑。
所述砧体运动支撑系统包括高精密空气轴承、空气轴承安装套、轴承端盖和安装套压环，所述高精密空气轴承安装在所述空气轴承安装套中，所述轴承端盖用于对所述高精密空气轴承进行固定和限位，所述砧体在所述空气轴承安装套中由所述高精密空气轴承支撑。
所述运动支撑系统采用高精密空气轴承的支撑方式，保证砧体始终受到对称力的作用，解决在锤体和砧体运动过程中由于非对称里的作用而导致出现转动或者其他非轴向运动分量的问题。
作为优选，所述冲击激励结构的电磁力锤、空气力锤均采用直线导轨列阵为活塞的运动提供精确导向，有效的减少因摩擦、结构偏摆导致的能量损失，提高冲击力输出的重复性和可控性。
作为优选，为了保证高精密空气轴承的压缩空气能够进气畅通，在高精密空气轴承内壁对应的位置设有匹配的进出气口，以保证气流能够顺利进入高精密空气轴承各部分，有效均匀地支撑锤体和砧体，进而避免机械结构部分的谐振以及外界环境的干扰对冲击运动部分的不利影响。
作为优选，所述波形发生器安装在所述锤体端面，在锤体和砧体的碰撞面之间起缓冲作用，避免锤体和砧体直接碰撞产生的强烈谐振现象的影响，所述波形发生器选用材料包括毛毡、硅胶、聚氨酯，不同材料的冲击脉冲波形发生器会产生不同的冲击加速度脉冲波形。
作为优选，所述底座采用V型槽的结构，所述运动支撑系统通过安装套压环固定在所述底座的V型槽中间。
作为优选，所述空气力锤采用快开球形气阀，提高械阀门响应速度。
作为优选，砧体是受电磁力锤或空气力锤撞击而产生加速度脉冲激励的机械实体部件，加速度传感器安装在砧体端面的轴心处，砧体端面留有安装用的螺孔，采用钢螺栓连接提高其连接刚度。
本发明公开的一种高精度低g值冲击加速度波形发生装置，工作方法为：根据所要产生的冲击加速度范围和脉宽时间范围，主控电脑通过控制器给激励装置电磁力锤和空气力锤发送指令以准确设定冲击激励能量的大小并启动冲击击打过程，根据控制器指令启动精密丝杠电机，切换产生所需加速度范围和脉宽时间范围的电磁力锤或空气力锤，当激励装置的电磁力锤或空气力锤撞击冲击锤体后，锤体在高精密空气轴承中水平运动一段距离后，再撞击另一高精密空气轴承中的直径相同、长度相同的砧体，安装在被撞击的砧体另一端的加速度传感器受到机械冲击加速度脉冲信号的激励，从而输出对应的加速度信号，从而产生半正弦的冲击加速度波形；因为电磁力锤或空气力锤不直接撞击砧体，凭借高精密空气轴承中锤体的过渡作用以及砧体受撞击后在高精密空气轴承中的惯性运动，显著减少横向运动和其他可能的谐振成分，产生的波形基本没有畸变或毛刺；高精密空气轴承对锤体起支承和导向的作用；高精密空气轴承对砧体起支承和导向的作用；在锤体和砧体的对心碰撞及其前后运动过程中，除了冲击力及空气轴承产生的摩擦力的作用外，几乎不存在任何其他的耦合方式；锤体被法兰限位反向弹回，安装在被撞击的砧体另一端的加速度传感器受到机械冲击加速度脉冲信号的激励，从而输出对应的加速度信号；所述高精度低g值冲击加速度波形发生装置能够产生要求的冲击加速度波形，即根据需要实现在加速度范围(2～1000)g、冲击脉宽时间范围(0.5～10)ms加速度波形发生。
有益效果：
1、本发明公开的一种高精度低g值冲击加速度波形发生装置，采用刚体碰撞原理产生冲击波形，作为碰撞体的锤体和砧体利用精密空气轴承悬浮支撑，通过高加工精度与安装精度确保产生冲击加速度波形的激励信号质量。
2、本发明公开的一种高精度低g值冲击加速度波形发生装置，冲击激励结构采用电磁力锤和空气力锤组合的方式构成，电磁力锤是采用电磁力激励的电磁锤，空气力锤是采用压缩空气激励的空气锤；电磁力锤由于激励电压有限，所能提供的冲击能量大小受限制，空气力锤用于弥补电磁力锤冲击能量大小受限制的不足；通过电机驱动的精密丝杠实现定位准确的自动切换，通过上述两种方式的激励源的结合，能够满足不同量程及精度的冲击加速度校准及测试。
3、本发明公开的一种高精度低g值冲击加速度波形发生装置，所述碰撞系统主要由锤体、砧体和波形发生器构成，所述锤体和砧体用于实现对心自由碰撞，锤体和砧体的运动限位部分采用一体化加工成形的法兰设计以提高整体的谐振频率。
4、本发明公开的一种高精度低g值冲击加速度波形发生装置，所述冲击激励结构的电磁力锤、空气力锤均采用直线导轨列阵为活塞的运动提供精确导向，有效的减少因摩擦、结构偏摆导致的能量损失，提高冲击力输出的重复性和可控性。
5、本发明公开的一种高精度低g值冲击加速度波形发生装置，底座采用V型槽结构，能够保证锤体和砧体的同轴度以及空气轴承支撑系统的安装精度。
附图说明
图1本发明公开的高精度低g值冲击加速度波形发生装置整体图
图2本发明公开的高精度低g值冲击加速度波形发生装置俯视图
图3运动支撑系统内部结构示意图
图4砧体轴向谐振频率仿真测试结果
其中：1-电磁力锤，2-空气力锤，3-精密丝杠电机，4-安装套压环，5-波形发生器，6-安装套压环，7-底座，8-加速度传感器，9-砧体，10-空气轴承安装套，11-锤体，12-空气轴承安装套，13-轴承端盖，14-高精密空气轴承，15-高精密空气轴承，16-轴承端盖。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1、2所示，本实施例公开的一种高精度低g值冲击加速度波形发生装置，是基于刚体碰撞原理实现的机械冲击激励系统，采用电磁力锤1和空气力锤2相结合的冲击加速度机械系统实现激励，通过高精密空气轴承支撑的运动系统，提高产生冲击加速度波形的精度。
如图1所示，本实施例公开的一种高精度低g值冲击加速度波形发生装置，电磁力锤1和空气力锤2固定在精密丝杠电机3上，电磁力锤1和空气力锤2通过精密丝杠电机3实现自动切换。空气轴承安装套10和空气轴承安装套12的结构和安装方式一样，锤体11和砧体9的安装和支撑方式一样，以空气轴承安装套10和锤体11为例，空气轴承安装套10通过安装套压环4固定在底座7上。如图3所示，空气轴承安装套10里面各安装了两个尺寸结构一样的高精密空气轴承14和高精密空气轴承15，通过空气轴承安装套10中间的限位结构和轴承端盖13和轴承端盖16对高精密空气轴承14和高精密空气轴承15进行固定，锤体11由高精密空气轴承14和高精密空气轴承15共同支撑，在空气轴承安装套10内壁对应的位置设有匹配的进出气口，通过接入气软管将一定气压的气流顺利进入高精密空气轴承14和高精密空气轴承15各部分，锤体11和砧体9在安装后保证两者中心轴线的同轴度相对偏差在±0.2mm以内，确保锤体11和砧体9在冲击碰撞过程中能实现对心自由无摩擦碰撞。波形发生器5安装在锤体11上，通过选用不同的波形发生器5材料，如毛毡、硅胶、聚氨酯材料等，能够产生不同的冲击加速度峰值和持续脉宽时间范围。传感器8安装在砧体9上，对加速度波形进行测量。
电磁力锤1提供动力的原理是利用电磁方式产生特定的推力，即在强力永久磁铁提供的磁场中，对驱动线圈施加一定的交变电压及对应的电流，根据电磁原理产生一定大小的洛伦兹力。产生的冲击加速度范围是(2～600)g，冲击脉宽时间范围是(1～10)ms，通过实测数据，在设定电压下，电磁力锤击打所产生的冲击速度的重复性优于1％，保证整个机械系统产生可控的冲击加速度波形。
空气力锤2的工作过程是，空气力锤利用电磁阀控制气压阀门的开闭，当电磁阀打开时，高压仓的压缩空气便推动活塞运动，从而带动与活塞固定连接在一起的撞击杆向前加速运动，实现冲击击打的过程。配合波形发生器5，采用空气力锤产生的冲击加速度范围是(500～1000)g，冲击脉宽时间范围(0.5～1)ms。
如图4所示，砧体9的轴向一阶谐振频率约为12kHz，二阶、三阶谐振频率分别约为20kHz和27kHz，其中，轴向一阶谐振频率决定了冲击激励系统能够产生冲击加速度的脉宽范围。在对应冲击加速度脉冲波形峰值10％的位置，冲击脉冲宽度为0.5ms时，冲击脉冲波形的完整持续时间约为0.8ms。根据国际标准的相关要求，对应的一阶谐振频率应大于10kHz，由于该冲击加速度脉冲的主要能量成分分布在低频部分，8kHz以上的能量成分很少，对冲击加速度脉宽为0.5ms时的冲击加速度传感器激光干涉法校准，影响较小，引入的标准不确定度分量小于2×10-3。
本实施例公开的一种高精度低g值冲击加速度波形发生装置的工作方法为：工作方法为，根据所要产生的冲击加速度范围和脉宽时间范围，主控电脑通过控制器给激励装置电磁力锤1和空气力锤2发送指令以准确设定冲击激励能量的大小并启动冲击击打过程，根据控制器指令启动精密丝杠电机3，切换产生所需加速度范围和脉宽时间范围的电磁力锤1或空气力锤2，当激励装置的电磁力锤1或空气力锤2撞击冲击锤体11后，锤体11在高精密空气轴承14中水平运动一段距离后，再撞击另一高精密空气轴承15中的直径相同、长度相同的砧体9，安装在被撞击的砧体9另一端的加速度传感器8受到机械冲击加速度脉冲信号的激励，从而输出对应的加速度信号，从而产生半正弦的冲击加速度波形；因为电磁力锤1或空气力锤2不直接撞击砧体9，凭借高精密空气轴承14中锤体11的过渡作用以及砧体9受撞击后在高精密空气轴承15中的惯性运动，显著减少横向运动和其他可能的谐振成分，产生的波形基本没有畸变或毛刺；高精密空气轴承14对锤体11起支承和导向的作用，其空气薄膜的厚度约为15μm。高精密空气轴承15对砧体9起支承和导向的作用；在锤体11和砧体9的对心碰撞及其前后运动过程中，除了冲击力及空气轴承产生的摩擦力的作用外，几乎不存在任何其他的耦合方式；锤体11被法兰限位反向弹回，安装在被撞击的砧体9另一端的加速度传感器8受到机械冲击加速度脉冲信号的激励，从而输出对应的加速度信号；所述高精度低g值冲击加速度波形发生装置能够产生要求的冲击加速度波形，即根据需要实现在加速度范围(2～1000)g、冲击脉宽时间范围(0.5～10)ms加速度波形发生。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高精度低g值冲击加速度波形发生装置，其特征在于：主要由冲击激励结构、碰撞系统、运动支撑系统和底座(7)组成；
所述冲击激励结构包括电磁力锤(1)、空气力锤(2)和精密丝杠电机(3)机构；所述电磁力锤(1)和空气力锤(2)并列安装在所述精密丝杠电机(3)上，通过精密丝杠电机(3)实现激励结构定位准确的自动切换，得到较宽的冲击加速度和脉宽的测量范围；
冲击激励结构采用电磁力锤(1)和空气力锤(2)组合的方式构成，电磁力锤(1)是采用电磁力激励的电磁锤，空气力锤(2)是采用压缩空气激励的空气锤；电磁力锤(1)由于激励电压有限，所能提供的冲击能量大小受限制，空气力锤(2)用于弥补电磁力锤(1)冲击能量大小受限制的不足；通过上述两种方式的激励源的结合，能够满足不同量程及精度的冲击加速度校准及测试；
所述碰撞系统主要由锤体(11)、砧体(9)和波形发生器(5)构成，所述锤体(11)和砧体(9)用于实现对心自由碰撞，锤体(11)和砧体(9)的运动限位部分采用一体化加工成形的法兰设计以提高整体的谐振频率；
所述较宽的冲击加速度和脉宽的测量范围指加速度范围(2～1000)g、冲击脉宽时间范围(0.5～10)ms。
2.如权利要求1所述的一种高精度低g值冲击加速度波形发生装置，其特征在于：所述运动支撑系统包括锤体运动支撑系统和砧体运动支撑系统；
所述锤体运动支撑系统包括高精密空气轴承(14)、空气轴承安装套(12)、轴承端盖(13)和安装套压环(4)，所述高精密空气轴承(14)安装在所述空气轴承安装套(10)中，所述轴承端盖(13)用于对所述高精密空气轴承(14)进行固定和限位，所述锤体(11)在所述空气轴承安装套(10)中由所述高精密空气轴承(14)支撑；
所述砧体运动支撑系统包括高精密空气轴承(15)、空气轴承安装套(10)、轴承端盖(16)和安装套压环(6)，所述高精密空气轴承(15)安装在所述空气轴承安装套(10)中，所述轴承端盖(16)用于对所述高精密空气轴承(15)进行固定和限位，所述砧体(9)在所述空气轴承安装套(10)中由所述高精密空气轴承(15)支撑；
所述运动支撑系统采用高精密空气轴承(14、15)的支撑方式，保证砧体(9)始终受到对称力的作用，解决在锤体(11)和砧体(9)运动过程中由于非对称里的作用而导致出现转动或者其他非轴向运动分量的问题。
3.如权利要求1或2所述的一种高精度低g值冲击加速度波形发生装置，其特征在于：所述冲击激励结构的电磁力锤(1)、空气力锤(2)均采用直线导轨列阵为活塞的运动提供精确导向，有效的减少因摩擦、结构偏摆导致的能量损失，提高冲击力输出的重复性和可控性。
4.如权利要求3所述的一种高精度低g值冲击加速度波形发生装置，其特征在于：为了保证高精密空气轴承(14、15)的压缩空气能够进气畅通，在高精密空气轴承(14、15)内壁对应的位置设有匹配的进出气口，以保证气流能够顺利进入高精密空气轴承(14、15)各部分，有效均匀地支撑锤体(11)和砧体(9)，进而避免机械结构部分的谐振以及外界环境的干扰对冲击运动部分的不利影响。
5.如权利要求4所述的一种高精度低g值冲击加速度波形发生装置，其特征在于：所述波形发生器(5)安装在所述锤体(11)端面，在锤体(11)和砧体(9)的碰撞面之间起缓冲作用，避免锤体(11)和砧体(9)直接碰撞产生的强烈谐振现象的影响，所述波形发生器(5)选用材料包括毛毡、硅胶、聚氨酯，不同材料的冲击脉冲波形发生器(5)会产生不同的冲击加速度脉冲波形。
6.如权利要求5所述的一种高精度低g值冲击加速度波形发生装置，其特征在于：所述底座(7)采用V型槽的结构，所述运动支撑系统通过安装套压环(4、6)固定在所述底座(7)的V型槽中间。
7.如权利要求6所述的一种高精度低g值冲击加速度波形发生装置，其特征在于：所述空气力锤(2)采用快开球形气阀，提高械阀门响应速度。
8.如权利要求7所述的一种高精度低g值冲击加速度波形发生装置，其特征在于：砧体(9)是受电磁力锤(1)或空气力锤(2)撞击而产生加速度脉冲激励的机械实体部件，加速度传感器(8)安装在砧体(9)端面的轴心处，砧体(9)端面留有安装用的螺孔，采用钢螺栓连接提高其连接刚度。
9.如权利要求7所述的一种高精度低g值冲击加速度波形发生装置，其特征在于：工作方法为，根据所要产生的冲击加速度范围和脉宽时间范围，主控电脑通过控制器给激励装置电磁力锤(1)和空气力锤(2)发送指令以准确设定冲击激励能量的大小并启动冲击击打过程，根据控制器指令启动精密丝杠电机(3)，切换产生所需加速度范围和脉宽时间范围的电磁力锤(1)或空气力锤(2)，当激励装置的电磁力锤(1)或空气力锤(2)撞击冲击锤体(11)后，锤体(11)在高精密空气轴承(14)中水平运动一段距离后，再撞击另一高精密空气轴承(15)中的直径相同、长度相同的砧体(9)，安装在被撞击的砧体(9)另一端的加速度传感器(8)受到机械冲击加速度脉冲信号的激励，从而输出对应的加速度信号，从而产生半正弦的冲击加速度波形；因为电磁力锤(1)或空气力锤(2)不直接撞击砧体(9)，凭借高精密空气轴承(14)中锤体(11)的过渡作用以及砧体(9)受撞击后在高精密空气轴承(15)中的惯性运动，显著减少横向运动和其他可能的谐振成分，产生的波形基本没有畸变或毛刺；高精密空气轴承(14)对锤体(11)起支承和导向的作用；高精密空气轴承(15)对砧体(9)起支承和导向的作用；在锤体(11)和砧体(9)的对心碰撞及其前后运动过程中，除了冲击力及空气轴承产生的摩擦力的作用外，几乎不存在任何其他的耦合方式；锤体(11)被法兰限位反向弹回，安装在被撞击的砧体(9)另一端的加速度传感器(8)受到机械冲击加速度脉冲信号的激励，从而输出对应的加速度信号；所述高精度低g值冲击加速度波形发生装置能够产生要求的冲击加速度波形，即根据需要实现在加速度范围(2～1000)g、冲击脉宽时间范围(0.5～10)ms加速度波形发生。
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