CN110967158A - 自动冲击引发装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动冲击引发装置，用于引发对要特征化的物体、特别是对机床的冲击。该装置包括螺栓单元、传感器单元和拉回机构。螺栓单元布置在壳体中并且可在螺栓单元的轴向方向上移动。传感器单元布置在壳体外部并固定安装在螺栓单元的前部，包括用于接触物体的尖端和在尖端和螺栓单元之间用于测量作用在物体上的力的力传感器。拉回机构可操作地与螺栓单元连接，并且部分地布置在螺栓单元后面的壳体中，并且被配置为通过拉回螺栓单元而在储存单元中储存用于引发冲击所需的能量。拉回机构包括致动器和用于将螺栓单元与致动器联接的联接机构，以拉回螺栓单元并将螺栓单元与致动器分离以释放螺栓单元用于引发对物体的冲击。

Description

自动冲击引发装置

技术领域

本发明涉及自动冲击引发装置，其用于引发对要特征化的物体、特别是对机床的冲击。

背景技术

冲击引发装置广泛用于模态测试以分析要特征化的物体的模态参数，即模态频率和阻尼，以及模态形状。冲击引发装置对要特征化的结构施加冲击，同时测量冲击的响应。

在机床中，模态测试对于分析或预测加工过程的结果是重要的，例如其中可能发生振动的铣削过程。在铣削过程中，颤振是限制生产率的主要问题中的一个。为了预测颤振，将导出在工具中心点处的机床的动力学。当机床由冲击引发装置引发的冲击激励并且其响应由传感器测量时，可以导出机床的频率响应以表示其动力学的特性。由于它们在若干个位置生成冲击力的便利性，通常使用手动操作的冲击锤来执行模态测试的激励。然而，手动操作的冲击锤的主要缺点中的一个是难以精确地重复冲击水平、冲击位置和激励轴线。此外，如果不在代表实际加工条件的条件下进行测试，则对机器动力学的一些影响，例如热效应、预加载的轻微变化或机器动力学中的交叉耦合项导致不太精确的预测。然而，如果在代表实际加工条件的条件下通过使用冲击锤手动激励进行测试，诸如在旋转结构上进行测量，因为需要识别机床的动力学对主轴速度的依赖性，所以受伤的风险很高。

因此，自动引发冲击的冲击引发装置可以克服上述缺点。市售的自动冲击锤很少。然而，此类系统非常昂贵并且不适合于表示机床的特性，其中需要关于可实现的激励频带的高通用性和鲁棒性。另一个挑战是抓住弹跳装置而不会在力传感器的时间捕获中引起额外的显著信号。另一种现有装置是以模态锤摆的形式实现的半自动解决方案。该方法具有相当庞大的缺点，使得难以控制冲击力的位置和取向，并且仅在垂直取向上可用。此外，由于其有限的冲击能量，它具有有限的应用，例如仅适用于小结构的激励。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种冲击引发装置，其具有冲击激励的改进的精度和可重复性。特别地，目的是提供一种低成本的冲击引发装置，其能够在频率带宽和脉冲能量方面实现不同激励力的用户友好设置。本发明的另一目的是提供一种可用于危险测试条件（例如旋转结构）的冲击引发装置，其避免双重撞击测试物体。

根据本发明，这些目的通过权利要求1的特征实现。此外，另一有利实施例由从属权利要求和说明书得出。

在本发明中，自动冲击引发装置用于引发对要特征化的物体，特别是对机床的冲击。该装置包括螺栓单元、传感器单元和拉回机构。螺栓单元布置在壳体中并且可沿螺栓单元的轴向方向移动。传感器单元布置在壳体外部并且固定地安装在螺栓单元的前部，该螺栓单元包括用于接触物体的尖端。力传感器布置在尖端和螺栓单元之间，用于测量作用在物体上的力。拉回机构可操作地与螺栓单元连接，并且部分地布置在螺栓单元后面的壳体中，并且被配置为通过拉回螺栓单元在储存元件中储存引发冲击所需的能量。拉回机构包括致动器和联接机构，其可以将螺栓单元与致动器联接以拉回螺栓单元，以及将螺栓单元与致动器分离以释放螺栓单元以用于引发对物体的冲击。

对于铣削过程，感兴趣的频率范围从低频跨越到高频。低频可以是50 Hz或更低，这取决于要特征化的机器的尺寸。当考虑微铣削过程时，高频可以是5 kHz或更高。因此，必须提供一种装置，该装置在可适用的激励频谱方面具有高的通用性。为了调整激励频率带宽，螺栓单元设计成可更换的，使得具有不同质量或尖端的螺栓单元可以容易地应用。

在一个变型中，提供布置在壳体的内表面中的至少两对滑动轴承以精确地引导螺栓单元，使得螺栓单元的移动在直线上。

在优选实施例中，拉回机构包括安装在致动器上的电磁体，特别是安装在致动器臂的端部上。螺栓单元可以通过启动电磁体与致动器联接，并通过停用电磁体与致动器分离。

在一个变型中，在螺栓单元的端部处设置接触表面，当电磁体由于磁力而被启动时，该接触表面与电磁体接触。例如，通过调节提供给电磁体的电流，可以简单地控制此种联接机构。另外，磁力足够高以在螺栓单元和致动器之间提供稳定联接。另一优点是构造简单。此外，电磁体是可以集成在壳体中的小元件。

在一些实施例中，提供控制单元以控制拉回机构将螺栓单元从初始位置拉回到期望位置，使得预定能量可以储存在储存元件中。

在一个优选的变型中，能量储存元件是弹性元件，特别是弹簧。弹簧可以通过线性致动器预张紧。当致动器与螺栓单元联接时，可以通过调整线性致动器的端部位置来改变弹簧压缩。控制单元被配置为调整弹簧的弹簧压缩以改变储存的能量。所需的冲击能量储存在安装在螺栓单元和拉回机构之间的弹簧中。所需的弹簧压缩可以基于下式计算：1/2⋅k_𝑠⋅s²=1/2⋅m_𝑏⋅𝑣_b ²，其中k_𝑠是弹簧刚度，s是弹簧压缩，m_𝑏和𝑣_b分别是螺栓单元的质量和螺栓单元的所得速度。

在一个实施例中，线性致动器用于拉回螺栓单元。例如，选择行程为100 mm、最大力为75 N并且最大速度为20 mm/s的线性执行器。应用最大力为65 N的电磁体以提供足够大的力以使螺栓单元与致动器稳定地联接。电磁体通过接触安装在螺栓单元端部的接触表面来夹紧螺栓单元并将其向后拉，直到到达所需位置。之后，电磁体被停用以释放螺栓单元。在释放之后，线性致动器再次向前移动以夹紧螺栓单元以进行下一次冲击。

为了改善装置的通用性，尖端是可更换的。不同的材料会对物体产生不同的冲击力。更具体地，取决于尖端材料的机械性质（例如杨氏模量），尖端和目标结构之间的接触持续时间变化，允许将螺栓的动能转换成具有不同频率带宽的脉冲激励。因此，尖端可以由不同的材料制成，用于生成宽范围的冲击能量带宽，以改善装置的通用性。取决于应用，尖端由特氟隆、钢、resofil或橡胶制成。

在一些实施例中，提供了基于气动原理的制动机构，用于在螺栓单元引发对物体的冲击之后使螺栓单元的回弹减速。为避免激励频谱的失真，在主要冲击后测量的任何力应小于原理激励力的1％。这可以通过应用制动机构来实现，以便当螺栓单元在对物体冲击之后被回弹时，使螺栓单元的移动平稳地减速。

制动机构包括例如布置在壳体的侧壁上并由控制单元控制的阀。当螺栓单元在物体的方向上移动时，阀被打开以允许空气从壳体内部流到外部。当螺栓单元从物体回弹时，阀被关闭以阻止空气从壳体内部流出。

为了控制阀，必须毫不拖延地检测螺栓单元的回弹。为此目的，螺栓单元的位置由布置在壳体的侧壁上的光学传感器监测，具体地说，激光器和光电二极管在径向方向上相对地布置在壳体上。光学传感器优选地布置在壳体的前部中，使得可以尽可能早地检测螺栓单元的回弹。

附图说明

为了描述可以获得本公开的优点和特征的方式，在下文中，将通过参考附图中所示的本公开的特定实施例来提供上面简要描述的原理的更具体的描述。这些附图仅描绘了本公开的示例性实施例，并因此不应被视为限制其范围。通过使用附图，通过附加的特异性和细节来描述和解释本公开的原理，在附图中：

图1示出了自动冲击引发装置的组装视图；

图2示出了自动冲击引发装置的分解视图；

图3示出了螺栓单元和传感器单元的剖视图；

图4示出了拉回机构的剖视图；

图5示出了用光学传感器监测螺栓位置的剖视图；

图6示出了当阀打开时制动机构的剖视图；

图7和图7a分别示出了传感器单元的组装视图和分解视图；

图8和图8a分别示出了螺栓单元的组装视图和分解视图；

图9示出了储存元件的侧视图；

图10示出了致动器的侧视图；

图11示出了前壳体部的分解视图；

图12示出了后壳体部的分解视图；以及

图13示出了控制单元的示意图。

具体实施方式

图1和图2分别示出了处于组装状态和分解状态的自动冲击引发装置1的视图。如图2所示，该装置包括传感器单元2、前壳体部3、螺栓单元5、后壳体部4、储存元件6和线性致动器32。这些零件中的每个的详细图示在随后的图中示出。

为了实现全自动冲击，需要满足以下功能：拉回螺栓单元、储存用于冲击的能量、释放螺栓单元和使回弹的螺栓单元减速。第一，该装置需要能够将螺栓单元拉回到期望的位置并且在给定的时刻释放它。第二，需要能量储存元件储存加速螺栓单元所需的能量。第三，为了避免由传感器单元测量的力信号中的不希望的干扰，需要尽可能平稳地减速螺栓单元的向后移动。

图3示出了安装在一起的传感单元和螺栓单元的剖视图，它们可在其轴向方向上移动。模块化螺栓单元5包括前螺栓12和后螺栓13。力传感器14安装在尖端17和前螺栓之间，具有预张紧螺栓11。力传感器需要给定的预张力以便确保正确测量压缩和张力效果。后螺栓连接到前螺栓，并且两个零件都是可更换的，从而取决于螺栓材料的密度，可以产生具有不同特性的冲击。

图4示出了拉回机构的剖视图。螺栓单元由固定地安装在前壳体部的内表面上的两个滑动轴承15a、15b在轴向方向上引导。前螺栓和后螺栓的质量被设计成取决于冲击谱的要求。拉回机构包括致动器32和用于联接螺栓单元和致动器以拉回螺栓单元的联接机构。通过在致动器臂的一端安装电磁体31来实现联接机构。如果启动拉回机构，则接通电磁体31，并且布置在螺栓单元一端的抛光接触表面24由此连接到布置在致动器32上的电磁体。致动器由控制单元控制以拉动螺栓单元在冲击方向的相反方向上到达所需位置，同时定位在弹簧盖21和壳盖23之间的弹簧22被压缩以储存用于引发对测试物体的冲击所需的能量。当螺栓单元到达期望位置时，电磁体被切断并且螺栓单元与致动器分离，因为接触表面24和电磁体31断开连接，从而螺栓单元被释放并且在物体的方向上被加速以引发在其上的冲击。在从螺栓单元分离之后，致动器在初始位置向后移动以准备好联接螺栓单元以进行下一次拉回和释放。

图5和图6示出了制动机构的剖视图。气动制动机构由光学传感器启动，例如光学传感器42和布置在光学传感器的相对侧上的激光器41。阀设置在前壳体部的圆筒40上。在圆筒的侧壁上设置有管45以连接到外部电磁阀46。在释放螺栓单元之前，打开电磁阀，使得空气可以从其中布置有前螺栓的圆筒中逸出。在释放螺栓之后，电磁阀仍然打开，使得螺栓可以在测试物体的方向上自由移动。当由光电二极管检测到回弹的螺栓时，电磁阀以短暂的延迟关闭，以允许螺栓回弹一小段距离。在电磁阀关闭后，阻止从圆筒到外部的空气流动，从而制动移动的螺栓。当螺栓单元的运动停止时，电磁阀再次打开用于下一次释放。

图6示出了当电磁阀打开并且空气可以从圆筒流出时的状态。

图7和图7a示出了处于组装和分解状态的传感器单元的视图。传感器单元包括尖端17、尖端保持件18、间隔盘19和力传感器14，它们通过两个螺钉串联连接。尖端可通过尖端螺钉18a可更换地安装在尖端保持件18上。尖端螺钉17a的一端可以拧入尖端保持件中，并且在尖端螺钉的相对端上设置有突起以将尖端安装在其上。

图8、图8a示出了处于组装状态和分解状态的螺栓单元的视图。前螺栓12在轴向方向上部分地插入后螺栓13中，后螺栓13具有管状形状。前螺栓通过螺栓螺钉25从后螺栓的一端与后螺栓连接。在螺栓螺钉25的另一端上，抛光接触表面24固定在其上以使螺栓单元能够与图1所示的致动器32联接，并具有固定到后螺栓的导销10，以避免螺栓围绕冲击轴线旋转。

图9示出了处于组装状态的储存单元的视图。壳盖23具有管状元件，其在一端具有扩大的头部。在管状元件的端部的相对处安装有弹簧盖21，用于停止围绕管状元件且在弹簧盖和壳盖的盘元件之间接收的弹簧22。弹簧盖可在轴向方向上移动，以当螺栓被致动器拉回时压缩弹簧，或当螺栓在拉回之后被释放时，使弹簧减压。

图10示出了致动器32，在致动器臂的端部处设置有电磁体31，该电磁体31由磁螺钉33固定。电磁体31可由控制单元启动，用于将螺栓单元与致动器联接以在期望位置拉回螺栓单元。

图11和图12分别示出了前壳体部和后壳体部。前壳体部包括与后壳体部4固定在一起的圆筒40。滑动轴承15a和15b固定安装在圆筒40的内表面上。激光器41和光电二极管42布置在圆筒壁上的两个开口中，用于检测螺栓单元的位置。在圆筒壁上设有另一个开口以连接阀，该阀可以在外部连接到电磁阀。

在一个实施例中，电磁阀46布置在后部壳体4的外表面上。

图13示出了控制单元7，其实现了冲击引发装置的自动化。用于分析机床的模态参数的模态测试可以在没有手动操作的情况下进行。控制单元包括微控制器8和电力电子模块9。微控制器被配置为从冲击引发装置接收输入信号并生成用于电力电子模块的控制信号，该电力电子模块直接启动或停用冲击引发装置的部件。例如，微控制器将控制信号发送到第一电力电子模块9a，其命令线性致动器32的移动。第二电力电子器件9b主要包括晶体管。通过控制晶体管的栅极电压，可以启动或停用电磁体31，从而致动器可以与螺栓单元联接以执行拉回机构。另外，控制单元命令制动机构。例如，光学传感器42检测螺栓单元的位置并将输入信号发送到微控制器，其控制第三电力电子模块9c以打开或关闭电磁阀46。

参考标号列表

1 自动冲击引发装置

2 传感器单元

3 前壳体部

4 后壳体部

5 螺栓单元

6 储存单元

7 控制单元

8 微控制器

9 电力电子模块

9a 第一电力电子模块

9b 第二电力电子模块

9c 第三电力电子模块

10 导销

11 预张紧螺栓

12 前螺栓

13 后螺栓

14 力传感器

15a、15b 滑动轴承

16 连接螺栓

17 尖端

18 尖端保持件

18a 尖端螺钉

19 间隔盘

21弹簧盖

22 弹簧

23 壳盖

24 接触表面

25 螺栓螺钉

31 电磁体

32 线性致动器

33 螺钉

40 圆筒

41 激光器

42 光学传感器

46 电磁阀。

Claims (12)

1.一种用于引发对要特征化的物体、特别是机床的冲击的自动冲击引发装置（1），其包括：

螺栓单元（5），其布置在壳体中并能在所述螺栓单元的轴向方向上移动，

传感器单元（2），其固定地安装在所述螺栓单元的前部，包括用于接触所述物体的尖端（17）和布置在所述尖端和所述螺栓单元之间用于测量作用在所述物体上的力的力传感器（14），

拉回机构，其与所述螺栓单元可操作地连接并且布置在所述螺栓单元后面，其中所述拉回机构被配置为通过拉回所述螺栓单元而在储存元件中储存用于引发所述冲击所需的能量，

其特征在于，

所述拉回机构包括致动器和联接机构，所述联接机构能够联接所述螺栓单元和所述致动器，以拉回所述螺栓单元并将所述螺栓单元与所述致动器分离以释放所述螺栓单元用于引发对所述物体的冲击。

2.根据权利要求1所述的自动冲击引发装置，其中所述拉回机构包括安装在所述致动器上的电磁体（31），并且其中所述螺栓单元能够通过启动所述电磁体与所述致动器联接，并通过停用所述电磁体与所述致动器分离。

3.根据权利要求1或2所述的自动冲击引发装置，其中设置控制单元以控制所述拉回机构将所述螺栓从初始位置拉回到期望位置，使得预定能量能够储存在所述储存元件（6）中。

4.根据前述权利要求中任一项所述的自动冲击引发装置，其中所述能量储存元件是弹性元件，特别是弹簧（22）。

5.根据权利要求4所述的自动冲击引发装置，其中所述控制单元被配置为调整所述弹簧的弹簧压缩以改变储存的能量。

6.根据前述权利要求中任一项所述的自动冲击引发装置，其中所述螺栓单元包括前螺栓（12）和可更换地连接到所述前螺栓的后螺栓（13）。

7.根据前述权利要求中任一项所述的自动冲击引发装置，其中所述尖端是可更换的，特别是所述尖端由特氟隆、钢、resofil或橡胶制成。

8.根据前述权利要求中任一项所述的自动冲击引发装置，其中所述致动器是线性致动器（32）。

9.根据前述权利要求中任一项所述的自动冲击引发装置，其中制动机构被设置用于在所述螺栓单元引发对所述物体的冲击之后使所述螺栓单元的回弹减速。

10.根据权利要求9所述的自动冲击引发装置，其中所述制动机构基于气动原理。

11.根据权利要求9或10所述的自动冲击引发装置，其中设置阀并由所述控制单元控制所述阀，其中当螺栓单元在所述物体的方向上移动时所述阀打开，并且当所述螺栓单元从所述物体回弹时所述阀关闭。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的自动冲击引发装置，其中所述螺栓单元的位置由布置在所述壳体上的光学传感器监测，特别是激光器（41）和光电二极管在径向方向上相对地布置在所述壳体上，并连接到所述控制单元以用于控制所述阀。

Images