CN201017228Y - 数控机床加工动力学特性测试分析系统 - Google Patents

Abstract

一种数控机床加工动力学特性测试分析系统，具有硬件和软件；硬件有：刀具、力锤、加速度传感器、电荷放大器、数据采集器、麦克风和计算机；加速度传感器设在刀具末端，力锤和加速度传感器与电荷放大器相连，电荷放大器与数据采集器相连，数据采集器与计算机进行数据传输；软件具有：人机交互界面、数据采集、数据回放、锤击实验、传函分析、参数辨识及噪声测试与分析等模块；工作时力锤对刀具进行激励，得到电荷信号经电荷放大器，数据采集器到达计算机，软件从计算机中读出数据并显示，保存文件，对测得数据进行FFT及传函分析、模态分析；硬件与软件配合获得“机床－刀具－工件”的频率响应函数及模态参数，作为动力学仿真及参数优化的基础。

Description

数控机床加工动力学特性测试分析系统

(一)技术领域：

本实用新型是一种数控机床加工动力学特性测试分析系统(DynaCut)，具体涉及数控机床加工动力学特性研究，属于数控加工技术领域。

(二)背景技术：

近几年，数控加工在中国的机械加工行业中所占据的比例越来越重，数控加工代替普通机械加工已经成为不可逆转的趋势。为了提高我国武器装备的研制水平，我国引进了大量的数控设备，但是这些设备所发挥的作用只有国外的几分之一。数控加工效率低下已经成为一个普遍的问题，不仅严重制约了我国国防工业的发展，而且造成了巨大的经济损失和资源浪费。

数控加工应用技术水平低下的主要原因之一是：缺乏数控工艺参数及其选择和优化方法。选用合理的切削参数是提高数控机床应用技术水平和综合效率最为直接的方法，数控加工过程仿真和优化技术是获取最优切削参数数据的最佳途径，而数据采集和分析处理系统是进行数控加工过程仿真和优化的基础，它提供数控加工过程方针和优化所需要的一系列的参数。数控加工过程中，切削力、振动情况、工件变形和表面粗糙度等都是衡量切削过程优劣与否的重要标志。由于实际铣削过程的加工品质与“机床-刀具-工件”构成的工艺系统的动力学特性密切相关，因此对数控机床铣削过程动力学特性的测试与分析可以有效的改善机床的切削性能，一直是众多的理论研究者和工艺人员不遗余力的一个研究方向。

(三)实用新型内容：

本实用新型一种数控机床加工动力学特性测试分析系统，其目的是：通过现场进行数控机床加工动力学特性的测试分析，获得“机床-刀具-工件”工艺系统的频率特性及模态参数，作为数控加工过程仿真及参数优化的基础。

本实用新型一种数控机床加工动力学特性测试分析系统，硬件平台和软件系统两部份组成；

该硬件平台，包括有：数控机床刀具1、力锤2、加速度传感器3、电荷放大器4、具有通用串行总线(USB接口)的数据采集器7、麦克风12和便携式计算机11；硬件结构图如图1所示。

该加速度传感器3采用胶泥粘在数控机床刀具1的末端，该力锤2和加速度传感器3通过信号线与电荷放大器4相连，电荷放大器4与数据采集器7通过电缆线相连，数据采集器7与计算机11通过USB数据线实现数据传输；

该数据采集器7是系统的硬件部分的核心部件，所必须满足的性能指标：量程±5v，通道数为4路并行，模数(AD)转换精度为12位，每通道最高采样频率50kHz，麦克风12与计算机声卡的麦克风12接口相连，负责采集加工过程中的噪声信号。

该软件系统，包括有下述模块，其总体结构框架及各功能模块具体说明如下：

1.主界面提供进入各功能模块的入口和主要的人机交互界面；(图2)；

2.数据采集模块：将传感器所传输的数据不失真的进行采集，并将采集的数据按照十进制数字的形式存储在计算机中；

3.数据回放模块：读取已存储的数据文件，将数据以波形形式或者数组形式显示给用户查看，进行后期离线统计分析；

4.锤击实验模块：对机床系统进行锤击实验，采集力与响应信号，显示时域波形，对时域信号作快速傅立叶(FFT)变换，得到频域特性，并保存时域信号数据；

5.传函分析模块：对锤击实验采集得到的数据作功率谱分析并求平均，计算出系统的传递函数并保存，显示幅频图、相频图，并计算得到相干系数判断传递函数的可靠性；

6.模态参数辨识模块：对系统的传递函数进行模态拟合，在拟合的基础上计算固有频率、阻尼比、刚度等模态参数并保存；

7.噪声测试与分析模块：采集机床加工过程中的声音信号并作FFT分析，得到噪声频域特性，判断加工过程中的振动情况。

该软件系统各功能模块的功能具体描述如下：

1.人机交互界面：

系统运行之后，会首先调用软件启动动界面，然后出现人机交互主界面，如图3所示，选择所需要调用的功能模块，点击相应的功能模块按钮，就会弹出相应的功能模块的前面板图形；其程序流程是：首先初始化-下一步执行显示软件动画-下一步执行询问状态机的值-是否告等于零？，若等于零则执行调用数据采集模块；否则询问是否等于1，若等于1则执行调用数据回放模块，否则询问是否等于2，若是则执行进行锤击实验；否则询问是否等于3，若是执行调用传函分析模块；否则询问是否等于4，若是执行调用模态参数辨识模块；否则询问是否等于5，若是执行调用噪声测试与分析模块；否则执行退出-若不退出则返回到执行询问状态机的值，若是退出则执行停止；如图4所示；

2.数据采集模块：

在数据采集模块的采集参数配置界面(图5)的左侧为功能模块所需要输入的参数：采样频率，采样点数，缓冲区数量，初始通道，通道总数，最高电压限(即最高测量电压)，最低电压限(即最低测量电压)；用户设置好上述参数后就可以进入波形显示和数据采集界面中开始启动采集程序；右侧为从数据采集器所读取的信息，不能够被修改；

在数据采集模块波形显示和数据存储界面中(图6)，可以查看到当前的实际系统采样频率输入数据采集日期和数据文件的保存路径，点击保存数据按钮就可以将数据存成计算机中的数据文件，支持的格式为文本文件*.txt和Excel文件*.xls；与此同时在数组显示界面(图7)中可以查看存储在计算机内存数组中的实时数据点，数据采集模块的程序开发流程是：首先初始化-下一步执行调用动态链接库(DLL)函数-下一步执行取出缓冲区数据-下一步执行转换运算-下一步执行数据重组-下一步同时执行数组显示及波形显示-下一步执行存储数据-如果不存储数据返回-若是存储数据则执行下一步写入数据-下一步执行退出-若是退出则执行退出模块，否则询问是否按下退出按钮；如图8所示；

3.数据回放模块：

数据回放模块主要是为了对以前所采集和保存的数据进行离线地分析，选择需要调用的已存储的数据文件，点击回放按钮，就可以在波形显示界面(图9)中看到数据文件的波形，同时在数组显示(图10)中以二维表格式显示数据，数据回放模块程序开发流程是：首先初始化-执行调入文件路径-执行查询状态机的值-等于零？等于零返回到查询状态机的值，否则执行读取文件-同时执行显示波形和数组显示-下一步询问是否退出程序-若是则退出，否则继续询问是否按下“退出按钮”；如图11所示；

4.锤击实验模块：

在锤击实验模块中，需要进行采样参数设置，包括设定分析频率、采样点数、敲击次数、采样触发电压、采集冲击力的通道号、采集响应的通道号，力与响应的标定值，数据存储文件的文件名和路径等；右侧两个曲线图(图12)显示所采集的冲击力和响应的时域信号，并且以文件形式存储在计算机中；锤击实验模块开发流程：首先初始化-下一步执行设置采样参数-下一步等待敲击-下一步询问是否有力信号输入-如果否则返回到等待敲击，如果是则执行下一步采集力与响应信号-下一步同时执行显示波形及存储数据-同时询问已敲击次数是否大于设定总次数-如果是则退出模块，否则返回执行等待敲击；如图13所示；

5.传函分析模块：

在传函分析模块中，读入锤击实验采集的信号文件，并在界面(图14)中显示实验配置信息。分别对N次敲击得到的力信号与响应信号作FFT分析和功率谱分析，利用频响函数的计算公式：

$H\left(w\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{\mathrm{fxi}}\left(w\right)}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{\mathrm{ffi}}\left(w\right)}$

得到系统的频响函数数据，并利用相干函数的计算式：

${\mathrm{\γ}}^2\left(w\right)=\frac{{\left|G_{\mathrm{fx}\left(w\right)}\right|}^2}{G_{\mathrm{ff}}\left(w\right)G_{\mathrm{xx}}\left(w\right)}$

判断频响函数的测试质量及可靠性；传函分析模块开发流程是：首先初始化-下一步执行打开采集数据文件-下一步执行显示采集配置参数-下一步执行FFT(快速傅立叶变换)-下一步执行功率谱变换-下一步执行功率谱平均-下一步执行计算频响函数-下一步同时分别执行显示幅频图、相频图、相干系数图-下一步执行保存频响函数数据；如图15所示；

6.模态参数辨识模块：

在模态参数辨识模块中，读入加速度传函数据文件，将其转换为位移传函数据并在界面(图16)中显示，输入拟合的频率范围和拟合阶数，利用有理分式正交多项式对其进行曲线拟合，在曲线拟合的基础上求出固有频率、阻尼比、刚度等模态参数，模态分析流程是：初始化-下一步执行打开传函数据文件-下一步执行转换为位移传函数据-下一步确定拟合频率范围-下一步执行确定拟合阶数-下一步执行曲线拟合-下一步执行拟合结果显示-下一步询问是否对结果满意-不满意则返回到执行确定拟合频率范围，如果满意则执行下一步求取模态参数-下一步执行保存模态参数数据；如图17所示；

7.噪声测试与分析模块：

噪声测试与分析模块中，首先进行采样参数设置，设定采集格式、采集速率和采集时间等，软件启动声卡开始采集，系统从缓冲区中读入数据并显示，采集结束后关闭声卡。对采集得到的声音信号作FFT分析，得到信号的幅频特性并在界面显示(图18)，噪声测试与分析流程是：首先初始化-下一步执行设置采样参数-下一步执行启动声卡-下一步执行读缓冲区数据-下一步询问采样是否结束-如果是则执行关闭声卡，否则返回到读缓冲区数据-下一步同时分别执行显示波形及存储数据-下一步执行选择信号时间段-下一步执行FFT分析-下一步同时分别执行显示幅频波形、测量基波频率；如图20所示。

本实用新型一种数控机床加工动力学特性测试分析系统，其优点和积极功效是：

可在加工现场方便地进行现场测试与分析，系统结构简明，运行可靠，操作方便；与传统测试仪器相比，大大提高了测试效率和精度，并降低了测试成本，应用效果好。

(四)附图说明：

图1系统硬件实物示意图。

图2软件系统整体设计方案。

图3数据采集和分析软件主界面。

图4人机交互主界面程序流程图。

图5数据采集模块采集参数配置界面。

图6数据采集模块波形显示和数据存储界面。

图7数据采集模块数据数组显示界面。

图8数据采集模块流程图。

图9数据回放模块波形显示界面。

图10数据回放模块数组显示界面。

图11数据回放模块流程图。

图12锤击实验模块界面。

图13锤击实验模块流程图。

图14传函分析模块界面。

图15传函分析模块流程图。

图16模态拟合界面。

图17模态拟合流程图。

图18噪声采集界面。

图19噪声分析界面。

图20噪声测试与分析流程图。

图21锤击实验方法示意图。

图中标号如下：

1数控机床刀具        2力锤             3加速度传感器

4电荷放大器          5电荷放大器正面   6电荷放大器背面

7数据采集器          8数据采集器正面   9数据采集器背面

10数据采集器USB接口  11计算机          12麦克风

13计算机USB接口      14计算机麦克风接口

(五)具体实施方式：

本实用新型一种数控机床加工动力学特性测试分析系统，实验测试方法为单点激励单点响应法，请参阅图21所示，把加速度计安装在铣刀的刀尖上，力锤2在数控机床刀具1的另一侧，对数控机床刀具1进行激励，由力锤2和加速度计得到两路电荷信号，经电荷放大器4，数据采集器7到达计算机11内存，软件从计算机11内存中读出数据并显示，保存为文本文件格式，并对测得数据进行FFT分析，传函分析，模态分析。硬件与软件配合获得“机床-刀具-工件”的频率响应函数(FRF)文件及所有的模态参数，作为动力学仿真及参数优化的基础。针对一台机床的一把刀具，需在机床坐标的X，Y方向上各进行一次锤击实验，分别得到X，Y方向上的传函数据。具体实施步骤如下：

首先搭建系统硬件，搭建步骤如下：

(1)把冲击力锤2和附带的电缆连接好，需拧紧，不得松动，否则会出现异常。

(2)把力锤2电缆和加速度传感器3的电缆与电荷放大器4连接，力锤2电缆连接到电荷输入I端，加速度计电缆连接到电荷输入II端。

(3)把电荷放大器4的输出端与数据采集器响应输入通道相连接，输出I端接数据采集器CHO端，输出II端接到数据采集器CH1端。

(4)数据采集器7与便携式计算机11通过USB连接线接好。

(5)用胶泥把加速度传感器3牢固地粘在刀尖上。

系统硬件搭建完毕后，进行电荷放大器4的设置，电荷放大器4左面板对应一通道及力锤参数设置，右面板对应二通道及加速度计参数设置，电荷放大器4设置步骤如下：

(1)两个通道的电荷/电压选择开关置到电荷处；

(2)两个通道的直通/隔直开关置到隔直处；

(3)两个通道的功能选择为线性；

(4)根据电荷信号的强弱选择电荷增益的大小，例如，如果通道的值较小，如100～200mv，而量程5000mv，完全没有充分利用量程，应增加增益倍数，两通道电荷增益默认设置为0.1；

(5)根据所要分析频率频带的大小选择低通滤波档，默认值为5000Hz；

(6)设定适调灵敏度的数值，一通道的适调灵敏度数值需要与力传感器出厂设置值一致，二通道的适调灵敏度数值需要与加速度传感器出厂设置值一致，例如，加速度传感器的灵敏度值：0.392Pc/m/s2，则适调灵敏度的数值为392。

至此系统硬件设置完毕，开始进行锤击实验。

锤击实验步骤如下：

1.首先进行采样参数设置，采样参数设置步骤如下：

(1)通过下拉菜单设置分析频率，确定采样频率的大小，分析频率数值要与电荷放大器低通滤波设置值相匹配，默认为5000Hz；

(2)输入实验名，设置文件保存路径，采集信号数据以实验名为文件名保存在指定路径下；

(3)输入实验次数确定在锤击实验中力锤的敲击次数，增加测量次数可降低噪声干扰，默认为5次；

(4)输入力和响应的标定值大小。力的标定值大小为电荷放大器左面板电荷增益值的100倍；响应标定值大小为电荷放大器右面板电荷增益值的10倍(电荷放大器电荷增益值默认设置为0.1，则力标定值默认为10，响应标定值默认为1)。

2.采样参数设置结束以后，开始采集数据，采集数据步骤如下：

点击开始采集按钮，系统开始等待触发，若实验次数设为5，则进行5次敲击，波形显示界面(图12)显示每一次敲击的力和响应的波形。每次敲击结束后界面弹出对话框询问进行下一次敲击或重新敲击。如未发生连击(即力和响应波形显示只有一次冲击)且除冲击部分外信号值为0，则点击“OK”按钮进行下一次敲击，否则需点击“CANCEL”按钮重敲。

锤击实验结束后，对锤击实验模块存储文件进行传函分析。传函分析步骤如下：

(1)在主界面中点击传函分析按钮，进入传函分析模块界面。

(2)选择要分析的数据文件，点击传函分析按钮，界面(图14)左侧的文件数据参数框内显示进行敲击实验时的采样参数设置信息，包括敲击次数、采样频率、分析频率、采样点数、时间间隔、频率间隔。界面右侧显示幅频图、相频图和相干系数，如相干系数在传函幅频图曲线顶点处对应的值大于0.8，则表示得到的传递函数数值是可信的，否则说明有噪声干扰，需重新进行锤击实验。

(3)系统可以实部、虚部的格式保存传函数据，点击传函数据输出按钮，输入保存的数据文件名，可将传函数据保存为文本格式(.txt)格式。

(4)传函分析结束后，进入模态参数辨识模块。

模态分析步骤如下：

(1)在主界面点击模态分析按钮，进入模态分析界面

(2)选择传函数据文件，输入起始频率和终止频率的数值确定分析频率的范围，界面显示频率范围内的位移-力的传函数据，如图16所示。

(3)根据传函图形输入拟合阶数，点击模态拟合按钮，界面同时显示实测传函图形与拟合的传函图形，并在界面下方通过数组形式显示由拟合的传函数据得到的各阶模态参数，各列分别为固有频率、阻尼比、模态质量和模态刚度。

(4)选择拟合阶数时，以实测曲线与拟合曲线最接近为主。如对拟合结果满意，可以文本文件格式保存模态参数数据，点击保存数据按钮，在数据保存对话框内输入文件名保存数据。

(5)模态拟合结束后，点击返回按钮，系统返回到主界面。

噪声测试与分析模块主要用于验证机床系统颤振稳定域计算的准确性，噪声测试与分析模块采集机床系统加工过程中的声音信号，并对时域信号作FFT分析得到系统的频域特性，判断机床加工过程中的振动情况。测试时需将麦克风接近加工位置，在加工过程进行测试。测试与分析步骤如下：

(1)进行采集参数配置，设定采集时间，点击开始采集按钮后系统开始采集声音，采集时间结束后界面显示采集的时域信号和幅频图，并在界面左下角显示信号的基波频率值。点击保存数据按钮保存数据文件。如图18所示。

(2)点击界面上方数据回放按钮可选段分析保存后的声音文件，点击打开数据文件按钮选择要分析的声音文件，在时域信号界面内用鼠标拖动两条竖线选择要分析的时间段，选定后点击选定频域范围按钮，则在界面左侧显示选定后的起始点和终止点坐标；点击频谱分析按钮，系统对选定的时间段信号进行FFT分析，界面左侧下方显示基波频率值，右侧下方显示频谱图。如图19所示。

Claims (1)

1.一种数控机床加工动力学特性测试分析系统，其特征在于：该硬件平台包括有；

数控机床刀具(1)、力锤(2)、加速度传感器(3)、电荷放大器(4)、数据采集器(7)、麦克风(12)和计算机(11)；

该加速度传感器(3)采用胶泥粘在数控机床刀具(1)的末端，该力锤(2)和加速度传感器(3)通过信号线与电荷放大器(4)相连，电荷放大器(4)与数据采集器(7)通过电缆线相连，数据采集器(7)与计算机(11)通过USB数据线实现数据传输，麦克风(12)的接口和计算机(11)声卡的接口相连并负责采集加工过程中的噪声信号。

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