CN114018613A - 高速精密压力机动力学行为测量装置及其稳定性评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高速精密压力机动力学行为测量装置及其稳定性评估方法，滑块组件安装在导轨上，滑块组件上安装有加速度传感器，滑块组件通过连杆与主轴连接，主轴上安装有编码器，导轨的表面上安装有位移传感器，位移传感器与滑块组件上部相连接，数据采集卡与显示存储器连接，数据采集卡与编码器、加速度传感器以及位移传感器连接，并将数据传递到显示存储器中。可以同步测量压力机的转速波动值、动力学响应值以及滑块运动轨迹，实现压力机动态特性参数并联数据的同步采集；提高测量参数的测量范围与精度；通过定义无量纲影响指标对动力学行为数据进行定量分析，对其稳定性进行有效评估，从而推动我国高精密数控冲压装备行业的发展。
Description
技术领域
本发明涉及高精密数控冲压装备设计与制造技术领域，尤其是一种高速精密压力机动力学行为测量装置及其稳定性评估方法。
背景技术
高速精密压力机作为金属成形加工领域中的基础装备，其动力学行为对金属零件的成形加工精度有重要的影响，传动系统稳定性是高速精密压力机性能评估的主要指标。目前，高速精密压力机精度测量技术已经成熟，并形成了相关的标准与规范，但对于动力学行为测量技术却存在相对滞后的问题。这一问题严重制约了我国高速精密压力机以及相关行业的发展，特别是行业内对高速精密压力机的性能评定提出的要求在于能够同步测量压力机传动系统转速波动值、动力学响应值以及运动轨迹，并对测试结果进行定量分析。为了解决这一问题，国内外相关学者开展了大量的研究工作，主要集中于高速精密压力机下死点位置的测量、滑块动态精度的测量以及高速精密压力机滑块运动轨迹的测量，但并未从根本上解决这一问题。其主要原因在于尚没有一套试验装置，能对高速精密压力机运行过程中动力学行为特征进行完整记录，以及采用定量分析方法进行稳定性评估。
查阅国内外相关文献，未发现高速精密压力机动力学行为测量装置及稳定性评估方法的专利和文献，尚没有类似的装置及方法对高速精密压力机动力学行为进行测量与定量分析。相关学者的研究主要是对空载工况下高速精密压力机下滑块运动轨迹进行测量，无法获得传动系统整个运行周期内的转速波动值与动力学响应值的特征，以及对压力机稳定性进行定量分析与评定。中国专利：ZL201621471026.5提及了大型多工位压力机滑块行程测量装置，该装置可以对压力机滑块运动轨迹进行测量，却无法记录压力机的转速波动值以及动力学响应值。另外，该装置只能采集滑块位移数据，采用单一数据无法对压力机稳定性进行有效评估。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种用于压力机运转过程中滑块运动轨迹的测量，并对转速波动值和动力学响应值进行记录，以及对压力机稳定性进行定量分析，从而为改善高速精密压力机使用过程中振动大、精度低等问题提供数据支撑的高速精密压力机动力学行为测量装置及其稳定性评估方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高速精密压力机动力学行为测量装置，包括主轴、连杆、滑块组件、导轨、数据采集卡以及显示存储器，所述的滑块组件安装在导轨上，并在导轨上滑动，滑块组件上安装有加速度传感器，滑块组件通过连杆与主轴连接，主轴上安装有编码器，导轨的表面上安装有位移传感器，位移传感器与滑块组件上部相连接，数据采集卡与显示存储器连接，数据采集卡与编码器、加速度传感器以及位移传感器连接，并将数据传递到显示存储器中。
进一步的，滑块组件的竖直方向的截面形状呈梯形，滑块组件包括上滑块、下滑块以及滑块，所述上滑块与下滑块之间安装有若干连接杆，下滑块的两端安装有滑块，下滑块上安装有加速度传感器。
进一步的，编码器通过编码器安装工装安装在主轴上，所述编码器安装工装包括法兰盘、主支架、固定支架以及限位支架，所述法兰盘通过螺栓固定安装在主轴的端面上，主支架的端面上安装有固定支架，固定支架上安装有限位支架，支架架设在主轴上，编码器插入限位支架的下端，且编码器的输出轴与法兰盘连接，主轴转动带动法兰盘转动，并带动编码器安装到主轴上。
进一步的，主轴为实心圆柱式主轴。
进一步的，编码器为旋转编码器。
进一步的，加速度传感器为无线加速度传感器。
进一步的，位移传感器为磁致伸缩位移传感器。
一种高速精密压力机动力学行为测量装置稳定性评估方法，使用高速精密压力机动力学行为测量装置，该评估方法步骤如下：
步骤1：将所述高速精密压力机动力学行为测量装置安装在被测冲压装备上，使的编码器、加速度传感器和位移传感器随被测冲压装备以稳定的速度运动；
步骤2：启动被测冲压装备，使主轴以稳定的速度转动，并将编码器、加速度传感器和位移传感器清零、校对，用于压力机运行状态下的动力学行为的数据采集；
步骤3：编码器、加速度传感器和位移传感器在数据采集卡的控制下进行数据采集，并采用显示存储器记录冲压装备整个运转过程中的转速、加速度及位移；
步骤4：重复步骤2～3，直到不同工况下冲压装备动力学行为数据采集完毕；
步骤5：通过对试验数据的分析，研究高速精密压力机运行过程中的动力学行为，并利用提出的稳定性评估方法对其性能进行评定。
本发明的有益效果是，解决了背景技术中存在的缺陷，(1)可以同步测量压力机的转速波动值、动力学响应值以及滑块运动轨迹，实现压力机动态特性参数并联数据的同步采集；
(2)通过无线加速度传感器和磁致伸缩位移传感器方式，提高了测量参数的测量范围与精度；
(3)通过定义无量纲影响指标对动力学行为数据进行定量分析，对其稳定性进行有效评估，从而推动我国高精密数控冲压装备行业的发展。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的优选实施例的结构示意图；
图2是本发明的编码器安装工装的结构示意图；
图3是本发明同步数据采集的逻辑示意图。
图中：1.主轴，2.编码器，3.连杆，4.滑块组件，5.加速度传感器，6.位移传感器，7.导轨，8.数据采集卡，9.显示存储器，41.上滑块，42.下滑块，43.滑块，44.连接杆，10.法兰盘，11.主支架，12.固定支架，13.限位支架。
具体实施方式
现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1～3所示的一种高速精密压力机动力学行为测量装置，包括主轴1、连杆3、滑块组件4、导轨7、数据采集卡8以及显示存储器9，所述的滑块组件4安装在导轨7上，并在导轨7上滑动，滑块组件4上安装有加速度传感器5，用于测量压力机运行过程中的动力学响应值，滑块组件4通过连杆3与主轴1连接，用以实现旋转运动到直线运动的转变，主轴1为实心圆柱式主轴，主轴1上安装有编码器2，编码器2通过专用工装设置在主轴1上，用于测量主轴转速波动值，导轨7的表面上安装有位移传感器6，用于记录完整周期内的滑块运动轨迹，位移传感器6与滑块组件4上部相连接，数据采集卡8与显示存储器9连接，数据采集卡8与编码器2、加速度传感器5以及位移传感器6连接，组成告诉精密压力机动力学行为测量系统，并将数据传递到显示存储器9中，可实现对被测数据的实时机记录。
滑块组件4的竖直方向的截面形状呈梯形，滑块组件4包括上滑块41、下滑块42以及滑块43，所述上滑块41与下滑块42之间安装有若干连接杆44，下滑块42的两端安装有滑块43，下滑块42上安装有加速度传感器5。
编码器2为旋转编码器(量程3000r/min)，优选NI-PXI6251，加速度传感器5为无线加速度传感器(量程6g)，优选BS901，位移传感器6为磁致伸缩位移传感器(量程100mm)，优选NI-USB9215，用于进行告诉精密压力机动力学行为的数据采集。
如图2所示，编码器2通过编码器安装工装安装在主轴1上，所述编码器安装工装包括法兰盘10、主支架11、固定支架12以及限位支架13，所述法兰盘10通过螺栓固定安装在主轴1的端面上，主支架11的端面上安装有固定支架12，固定支架12上安装有限位支架13，支架11架设在主轴1上，编码器2插入限位支架13的下端，且编码器20的输出轴与法兰盘10连接，主轴1转动带动法兰盘10转动，随之带动编码器20转动，并带动编码器2安装到主轴1上。
一种高速精密压力机动力学行为测量装置稳定性评估方法，使用高速精密压力机动力学行为测量装置，该评估方法步骤如下：
步骤1：将所述高速精密压力机动力学行为测量装置安装在被测冲压装备上，使的编码器2、加速度传感器5和位移传感器6随被测冲压装备以稳定的速度运动；
步骤2：启动被测冲压装备，使主轴1以稳定的速度转动，并将编码器2、加速度传感器5和位移传感器6清零、校对，用于压力机运行状态下的动力学行为的数据采集；
步骤3：编码器2、加速度传感器5和位移传感器6在数据采集卡8的控制下进行数据采集，并采用显示存储器9记录冲压装备整个运转过程中的转速、加速度及位移；
步骤4：重复步骤2～3，每种工况下采集10个完整周期数据，直到不同工况下冲压装备动力学行为数据采集完毕；
步骤5：通过对试验数据的分析，研究高速精密压力机运行过程中的动力学行为，并利用提出的稳定性评估方法对其性能进行评定。
通过对实验数据的定量分析，可以获得转速波动值、动力学响应值、滑块组件4位移值三者之间的映射关系，对高速精密压力机稳定性进行评估。同一时刻下，根据压力机性能要求定义输出误差：
ew＝|r-r0| (1)
式中，r0为理想输出量，即理想状态下高速精密压力机动力学行为特征值；r为动力学特征值实际输出量，即测量结果。
在时间t内，将n个输出误差进行离散化分析，其误差分析函数为：
式中，η为误差极限。
在此基础上建立单因素无量纲影响指标的评价函数：
式中，i表示输出误差序号，第i个输出误差。
建立高速精密压力机输出值的无量纲影响指标向量w＝[w1,w2,……wn]T，其中wn为单因素无量纲影响指标。
考虑各输出特性对高速精密压力机动力学行为产生不同程度的影响，基于层次分析法原理，为各项指标设定权重值uj，从而建立综合无量纲影响指标：
式中，u为各项指标权重系数，j表示指标序号，第j个指标，wj表示第j个单因素无量纲影响指标。
以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离发明的实质和范围。
Claims (8)
1.一种高速精密压力机动力学行为测量装置，其特征在于：包括主轴(1)、连杆(3)、滑块组件(4)、导轨(7)、数据采集卡(8)以及显示存储器(9)，所述的滑块组件(4)安装在导轨(7)上，并在导轨(7)上滑动，滑块组件(4)上安装有加速度传感器(5)，滑块组件(4)通过连杆(3)与主轴(1)连接，主轴(1)上安装有编码器(2)，导轨(7)的表面上安装有位移传感器(6)，位移传感器(6)与滑块组件(4)上部相连接，数据采集卡(8)与显示存储器(9)连接，数据采集卡(8)与编码器(2)、加速度传感器(5)以及位移传感器(6)连接，并将数据传递到显示存储器(9)中。
2.如权利要求1所述的高速精密压力机动力学行为测量装置，其特征在于：所述的滑块组件(4)的竖直方向的截面形状呈梯形，滑块组件(4)包括上滑块(41)、下滑块(42)以及滑块(43)，所述上滑块(41)与下滑块(42)之间安装有若干连接杆(44)，下滑块(42)的两端安装有滑块(43)，下滑块(42)上安装有加速度传感器(5)。
3.如权利要求1所述的高速精密压力机动力学行为测量装置，其特征在于：所述的编码器(2)通过编码器安装工装安装在主轴(1)上，所述编码器安装工装包括法兰盘(10)、主支架(11)、固定支架(12)以及限位支架(13)，所述法兰盘(10)通过螺栓固定安装在主轴(1)的端面上，主支架(11)的端面上安装有固定支架(12)，固定支架(12)上安装有限位支架(13)，支架(11)架设在主轴(1)上，编码器(2)插入限位支架(13)的下端，且编码器(20)的输出轴与法兰盘(10)连接，主轴(1)转动带动法兰盘(10)转动，并带动编码器(2)安装到主轴(1)上。
4.如权利要求1所述的高速精密压力机动力学行为测量装置，其特征在于：所述的主轴(1)为实心圆柱式主轴。
5.如权利要求1所述的高速精密压力机动力学行为测量装置，其特征在于：所述的编码器(2)为旋转编码器。
6.如权利要求1所述的高速精密压力机动力学行为测量装置，其特征在于：所述的加速度传感器(5)为无线加速度传感器。
7.如权利要求1所述的高速精密压力机动力学行为测量装置，其特征在于：所述的位移传感器(6)为磁致伸缩位移传感器。
8.一种高速精密压力机动力学行为测量装置稳定性评估方法，其特征在于：使用如权利要求1～7任一项所述的高速精密压力机动力学行为测量装置，该评估方法步骤如下：
步骤1：将所述高速精密压力机动力学行为测量装置安装在被测冲压装备上，使的编码器(2)、加速度传感器(5)和位移传感器(6)随被测冲压装备以稳定的速度运动；
步骤2：启动被测冲压装备，使主轴(1)以稳定的速度转动，并将编码器(2)、加速度传感器(5)和位移传感器(6)清零、校对，用于压力机运行状态下的动力学行为的数据采集；
步骤3：编码器(2)、加速度传感器(5)和位移传感器(6)在数据采集卡(8)的控制下进行数据采集，并采用显示存储器(9)记录冲压装备整个运转过程中的转速、加速度及位移；
步骤4：重复步骤2～3，直到不同工况下冲压装备动力学行为数据采集完毕；
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