CN116481751A - 为装配接触界面提供宽频微振动的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械接触界面动态特性测量技术领域，具体为一种为装配接触界面提供宽频微振动的装置及方法，装置包括由左上部分外部框架和右下部分外部框架组成的矩形框架主体，左上部分外部框架和右下部分外部框架上相对设置有夹持部，左上部分外部框架水平设置有第一预紧螺栓，右下部分外部框架上竖向设置有压电陶瓷促动器，左上部分外部框架上与压电陶瓷促动器相对设置有第二预紧螺栓；此外还包括：拉压力传感器、微型测力传感器、压电放大器、函数信号发生器、变送器以及上位机。本发明提供的方案为探究精密配合接触界面的微塑性、微滑移机理提供依据，并进一步有助于从统计的角度，揭示精密配合界面接触状态的变化规律。

Description

为装配接触界面提供宽频微振动的装置及方法

技术领域

本发明涉及机械接触界面动态特性测量技术领域，特别是涉及一种为装配接触界面提供宽频微振动的装置及方法。

背景技术

装配领域中常见的机械连接方式，主要以螺纹连接和过盈配合为主，在现有连接方式下，导致高精密仪器装配性能不稳定的主要影响因素，来源于对接触界面处于宽频微振动的服役工况下的微观时变机理不明晰；具体来说，对于高精密仪器在处于持续的宽频微振动载荷作用下时，不同零部件在装配时产生的接触界面由于微塑性和微滑移的产生，界面的接触状态发生变化，进而影响接触界面的稳定，并最终导致高精密仪器的整体性能不稳定。

目前，缺少针对不同粗糙度不同金属配合表面在不同预紧压力及不同宽频微振动工况下，对接触界面微塑性和微滑移影响的系统性研究和相应试验装置；同时也缺少从统计角度，探讨表面粗糙度、预紧力和微振动的宽频范围和振动特性对接触界面连接状态变化行为的影响，以及总结上述现象中的微塑性和微滑移的形成规律。

发明内容

针对上述问题，本发明实施例提供了一种为装配接触界面提供宽频微振动的装置及方法。

本发明实施的一方面，提供了一种为装配接触界面提供宽频微振动的装置，包括由左上部分外部框架和右下部分外部框架组成的矩形框架主体，左上部分外部框架和右下部分外部框架上相对设置有夹持部，两夹持部之间形成与待测试样件适配的夹持通道，左上部分外部框架上与夹持通道相对位置水平设置有第一预紧螺栓，右下部分外部框架上且位于夹持部的一侧竖向设置有压电陶瓷促动器，左上部分外部框架上与压电陶瓷促动器相对位置竖向设置有第二预紧螺栓；此外还包括：

拉压力传感器、微型测力传感器、压电放大器、函数信号发生器、变送器以及上位机，拉压力传感器和微型测力传感器均与变送器连接，变送器与上位机连接；压电陶瓷促动器与压电放大器连接，压电放大器与函数信号发生器连接，函数信号发生器与上位机连接。

本发明实施的又一方面，还提供了一种应用上述装置为装配接触界面提供切向宽频微振动的方法，包括：

将振动样件固定在压电陶瓷促动器的移动端，振动样件右侧与右下部分外部框架贴合，振动样件的顶面固定拉压力传感器；

微型测力传感器固定在固定样件的左侧，固定样件放置于右下部分外部框架的夹持部上，并与振动样件左侧贴合；

将左上部分外部框架和右下部分外部框架组合固定，形成矩形框架主体使得固定样件在竖直方向上固定，此后将矩形框架主体固定在光学隔振平台上；

旋入第二预紧螺栓使得拉压力传感器在竖直方向上固定，并记录此时拉压力传感器的初始数值；旋入第一预紧螺栓与微型测力传感器相抵，直至通过微型测力传感器检测到的预紧压力达到设定值；

基于拉压力传感器的检测值调整压电放大器的输出电压，使得压电陶瓷促动器的移动端提供的推力达到设定的阈值，并记录此时的输出电压，基于所记录的输出电压确定输出电压的波动阈值；

通过上位机设定函数发生器的输出参数，使得压电放大器的输出电压在波动阈值内按输出参数设定的方式波动，波动期间上位机通过拉压力传感器记录振动样件振动时的受力数值。

本发明实施的又一方面，还提供了一种应用上述装置为装配接触界面提供法向宽频微振动的方法，包括：

将振动样件固定在压电陶瓷促动器的移动端，振动样件右侧与右下部分外部框架之间留有一段间隙；

将拉压力传感器固定在固定样件的顶面，并在拉压力传感器的顶部固定一薄板，此后将固定样件放置在振动样件的顶面上，且将固定样件的右侧面与右下部分外部框架贴合，旋入第二预紧螺栓与薄板相抵；

将左上部分外部框架和右下部分外部框架组合固定，形成矩形框架主体，旋入第一预紧螺栓同时在第一预紧螺栓上拧入两个防松螺母，在第一预紧螺栓和防松螺母的配合下将固定样件在水平方向上固定，固定后将矩形框架主体固定在光学隔振平台上；

调整第二预紧螺栓的扭矩，使得通过拉压力传感器检测到的第二预紧螺栓向薄板提供的预紧压力达到设定值；

此后基于拉压力传感器的检测值调整压电放大器的输出电压，使得压电陶瓷促动器的移动端提供的推力达到设定的阈值，并记录此时的输出电压，基于所记录的输出电压确定输出电压的波动阈值；

通过上位机设定函数发生器的输出参数，使得压电放大器的输出电压在波动阈值内按输出参数设定的方式波动，波动期间上位机通过拉压力传感器记录振动样件振动时的受力数值。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：充分利用了压电陶瓷促动器随着输入电压的变化，能够产生一般的大型激振器所不具备的微米级的位移变化和高宽频范围，进而实现振动样件与固定样件之间的接触界面能够较为准确地模拟精密配合界面的微振动工况；同时由于压电陶瓷促动器的位移变化是通过可编程控制方式输入的可变电压信号，因而能够充分和精细地模拟高精密仪器在特定的不同工况下的微振动特性，即能够不仅仅定义包括：对于频率、振幅、以及波形等基础振动信号参数，还能够较为精确地设置包括：规律的正弦信号、某一特定频段下的线性扫频信号、以及复杂多噪声环境下的随机信号等多种场景。同时，整个装置的结构简单，略微改变样件的固定方式就可以切换对于界面法向和切向振动工况的模拟，因此大大降低了测试的复杂程度。

另外，该装置可以通过改变振动样件与固定样件的材料属性和相接触界面的粗糙度，模拟具有不同配合面条件的精密仪器组件，在不同的装配预紧力的前提下，处于不同的微振动工况时，精密配合界面接触状态的时变情况；借助于该装置，可以开展针对具有精密配合界面的组件，在服役过程中，其材料属性、表面粗糙度、预紧力和微振动宽频范围和参数特性对精密配合界面连接状态影响的研究；同时，基于该装置提供的实验数据，为探究精密配合接触界面的微塑性、微滑移机理提供依据，并进一步有助于从统计的角度，揭示精密配合界面接触状态的变化规律。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种为装配接触界面提供宽频微振动的装置的第一状态结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种为装配接触界面提供宽频微振动的装置的第二状态结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种为装配接触界面提供切向振动的原理图；

图4为本发明实施例提供的一种为装配接触界面提供法向振动的原理图。

其中，左上部分外部框架1、右下部分外部框架2、夹持部3、第一预紧螺栓4、压电陶瓷促动器5、第二预紧螺栓6、拉压力传感器7、微型测力传感器8、压电放大器9、函数信号发生器10、变送器11、上位机12、固定样件13、振动样件14、薄板15、防松螺母16。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参见图1-图4，本发明实施例提供的一种为装配接触界面提供宽频微振动的装置，包括由左上部分外部框架1和右下部分外部框架2组成的矩形框架主体，左上部分外部框架1和右下部分外部框架2上相对设置有夹持部3，两夹持部3之间形成与待测试样件适配的夹持通道，左上部分外部框架1上与夹持通道相对位置水平设置有第一预紧螺栓4，右下部分外部框架2上且位于夹持部3的一侧竖向设置有压电陶瓷促动器5，左上部分外部框架1上与压电陶瓷促动器5相对位置竖向设置有第二预紧螺栓6；此外还包括：

拉压力传感器7、微型测力传感器8、压电放大器9、函数信号发生器10、变送器11以及上位机12，拉压力传感器7和微型测力传感器8均与变送器11连接，变送器与上位机12连接；压电陶瓷促动器5与压电放大器9连接，压电放大器9与函数信号发生器10连接，函数信号发生器10与上位机12连接。

实施中，待测试样件包括固定样件13和振动样件14，两个外部框架由左下位置的M8螺栓和右上位置的M6螺栓固定成矩形框架主体，并且试验过程中矩形框架主体被固定在光学隔振平台上；第一预紧螺栓4和第二预紧螺栓6均采用M8螺栓；在提供切向振动时，固定样件13固定于夹持通道内从而在竖直方向上限位并固定固定样件13；在提供法向振动时，通过第一预紧螺栓4可起到在水平方向上限位并固定固定样件13的作用；

压电陶瓷促动器5通过M4双头全螺纹螺丝固定在右下部分外部框架2上，压电陶瓷促动器5的移动端的转接头为M4外螺纹式，与振动样件14底部的内螺纹孔连接固定；通过设定压电陶瓷促动器5的不同工作电压，实现其移动端微米级位移量的不同运动情况，实现对振动样件14提供推拉力，达到振动样件14的振动工况模拟效果。

具体实施中，通过上述装置为装配接触界面提供切向振动的过程，包括：

将振动样件14固定在压电陶瓷促动器5的移动端，振动样件14右侧与右下部分外部框架2贴合，振动样件14的顶面固定拉压力传感器7；振动样件14与拉压力传感器7可通过M8双头全螺纹螺丝连接。

微型测力传感器8固定在固定样件13的左侧，固定样件13放置于右下部分外部框架2的夹持部3上，并与振动样件14左侧贴合；微型测力传感器8可由三个M3双头全螺纹螺丝与固定样件13固定连接。

将左上部分外部框架1和右下部分外部框架2组合固定，形成矩形框架主体使得固定样件13在竖直方向上固定，此后将矩形框架主体固定在光学隔振平台上，可使用四个M6螺丝将矩形框架主体固定在光学隔振平台上。

旋入第二预紧螺栓6使得拉压力传感器7在竖直方向上固定，并记录此时拉压力传感器7的初始数值；可利用力矩扳手旋入第一预紧螺栓4与微型测力传感器8相抵，调整第一预紧螺栓4的扭矩直至通过微型测力传感器8检测到的预紧压力达到设定值。

基于拉压力传感器7的检测值调整压电放大器9的输出电压，使得压电陶瓷促动器5的移动端提供的推力达到设定的阈值，并记录此时的输出电压，基于所记录的输出电压确定输出电压的波动阈值；

通过上位机12设定函数发生器10的输出参数，包括频率、幅度、波形等，使得压电放大器9的输出电压在波动阈值内按输出参数设定的方式波动，波动期间上位机12通过拉压力传感器7记录振动样件14振动时的受力数值，受力数值为拨动期间拉压力传感器7实时监测到的数值与初始数值之间的差值。

具体实施中，通过上述装置为装配接触界面提供法向振动的过程，包括：

将振动样件14固定在压电陶瓷促动器5的移动端，振动样件14右侧与右下部分外部框架2之间留有一段间隙；

将拉压力传感器7固定在固定样件13的顶面，并在拉压力传感器7的顶部通过M8双头全螺纹螺丝固定一薄板15，此后将固定样件13放置在振动样件14的顶面上，且将固定样件13的右侧面与右下部分外部框架2贴合，旋入第二预紧螺栓6与薄板15相抵；

将左上部分外部框架1和右下部分外部框架2组合固定，形成矩形框架主体，旋入第一预紧螺栓4同时在第一预紧螺栓4上拧入两个防松螺母16，在第一预紧螺栓4和防松螺母16的配合下将固定样件13在水平方向上固定，固定后将矩形框架主体固定在光学隔振平台上；

可通过力矩扳手调整第二预紧螺栓6的扭矩，使得通过拉压力传感器7检测到的第二预紧螺栓6向薄板15提供的预紧压力达到设定值；

此后基于拉压力传感器7的检测值调整压电放大器9的输出电压，使得压电陶瓷促动器5的移动端提供的推力达到设定的阈值，并记录此时的输出电压，基于所记录的输出电压确定输出电压的波动阈值；

通过上位机12设定函数发生器10的输出参数，使得压电放大器9的输出电压在波动阈值内按输出参数设定的方式波动，波动期间上位机12通过拉压力传感器7记录振动样件14振动时的受力数值，受力数值为波动期间拉压力传感器7实时监测的数值与预紧压力设定值之间的差值。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：充分利用了压电陶瓷促动器随着输入电压的变化，能够产生一般的大型激振器所不具备的微米级的位移变化和高宽频范围，进而实现振动样件与固定样件之间的接触界面能够较为准确地模拟精密配合界面的微振动工况；同时由于压电陶瓷促动器的位移变化是通过可编程控制方式输入的可变电压信号，因而能够充分和精细地模拟高精密仪器在特定的不同工况下的微振动特性，即能够不仅仅定义包括：对于频率、振幅、以及波形等基础振动信号参数，还能够较为精确地设置包括：规律的正弦信号、某一特定频段下的线性扫频信号、以及复杂多噪声环境下的随机信号等多种场景。同时，整个装置的结构简单，略微改变样件的固定方式就可以切换对于界面法向和切向振动工况的模拟，因此大大降低了测试的复杂程度。

另外，该装置可以通过改变振动样件与固定样件的材料属性和相接触界面的粗糙度，模拟具有不同配合面条件的精密仪器组件，在不同的装配预紧力的前提下，处于不同的微振动工况时，精密配合界面接触状态的时变情况；借助于该装置，可以开展针对具有精密配合界面的组件，在服役过程中，其材料属性、表面粗糙度、预紧力和微振动宽频范围和参数特性对精密配合界面连接状态影响的研究；同时，基于该装置提供的实验数据，为探究精密配合接触表面的微塑性、微滑移机理提供依据，并进一步有助于从统计的角度，揭示精密配合界面接触状态的变化规律。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非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作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种为装配接触界面提供宽频微振动的装置，其特征在于，包括由左上部分外部框架和右下部分外部框架组成的矩形框架主体，左上部分外部框架和右下部分外部框架上相对设置有夹持部，两夹持部之间形成与待测试样件适配的夹持通道，左上部分外部框架上与夹持通道相对位置水平设置有第一预紧螺栓，右下部分外部框架上且位于夹持部的一侧竖向设置有压电陶瓷促动器，左上部分外部框架上与压电陶瓷促动器相对位置竖向设置有第二预紧螺栓；此外还包括：

拉压力传感器、微型测力传感器、压电放大器、函数信号发生器、变送器以及上位机，拉压力传感器和微型测力传感器均与变送器连接，变送器与上位机连接；压电陶瓷促动器与压电放大器连接，压电放大器与函数信号发生器连接，函数信号发生器与上位机连接。

2.应用权利要求1所述装置为装配接触界面提供切向宽频微振动的方法，其特征在于，包括：

将振动样件固定在压电陶瓷促动器的移动端，振动样件右侧与右下部分外部框架贴合，振动样件的顶面固定拉压力传感器；

微型测力传感器固定在固定样件的左侧，固定样件放置于右下部分外部框架的夹持部上，并与振动样件左侧贴合；

将左上部分外部框架和右下部分外部框架组合固定，形成矩形框架主体使得固定样件在竖直方向上固定，此后将矩形框架主体固定在光学隔振平台上；

旋入第二预紧螺栓使得拉压力传感器在竖直方向上固定，并记录此时拉压力传感器的初始数值；旋入第一预紧螺栓与微型测力传感器相抵，直至通过微型测力传感器检测到的预紧压力达到设定值；

基于拉压力传感器的检测值调整压电放大器的输出电压，使得压电陶瓷促动器的移动端提供的推力达到设定的阈值，并记录此时的输出电压，基于所记录的输出电压确定输出电压的波动阈值；

通过上位机设定函数发生器的输出参数，使得压电放大器的输出电压在波动阈值内按输出参数设定的方式波动，波动期间上位机通过拉压力传感器记录振动样件振动时的受力数值。

3.应用权利要求1所述装置为装配接触界面提供法向宽频微振动的方法，其特征在于，包括：

将振动样件固定在压电陶瓷促动器的移动端，振动样件右侧与右下部分外部框架之间留有一段间隙；

将拉压力传感器固定在固定样件的顶面，并在拉压力传感器的顶部固定一薄板，此后将固定样件放置在振动样件的顶面上，且将固定样件的右侧面与右下部分外部框架贴合，旋入第二预紧螺栓与薄板相抵；

将左上部分外部框架和右下部分外部框架组合固定，形成矩形框架主体，旋入第一预紧螺栓同时在第一预紧螺栓上拧入两个防松螺母，在第一预紧螺栓和防松螺母的配合下将固定样件在水平方向上固定，固定后将矩形框架主体固定在光学隔振平台上；

调整第二预紧螺栓的扭矩，使得通过拉压力传感器检测到的第二预紧螺栓向薄板提供的预紧压力达到设定值；

此后基于拉压力传感器的检测值调整压电放大器的输出电压，使得压电陶瓷促动器的移动端提供的推力达到设定的阈值，并记录此时的输出电压，基于所记录的输出电压确定输出电压的波动阈值；

通过上位机设定函数发生器的输出参数，使得压电放大器的输出电压在波动阈值内按输出参数设定的方式波动，波动期间上位机通过拉压力传感器记录振动样件振动时的受力数值。