CN201926613U - 固定结合面单位面积动态特性识别实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及固定结合面单位面积动态特性识别实验装置，属于数控机床开发中的产品主结构优化设计技术领域。该固定结合面单位面积动态特性识别实验装置包括基座(4)、实验底块(3)、实验垫片(2)、实验连接块(1)、驱动执行模块等，采用两端分别实验的结构形式，实现了小面积完全接触的实验平台，完成了单位面积结合面通用化动态特性参数的识别。本实用新型的实验装置提供了整机主结构优化需要的基础理论数据，实现了无样机结构的动态解析及其优化设计，对于加工精度、产品性能的提高具有积极的现实意义。

Description

固定结合面单位面积动态特性识别实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种实验装置，特别是一种在不同的材料、表面粗糙度、含油介质及预加载荷状态下的固定结合面单位面积动态特性参数识别实验装置，属于机械结构开发中的产品主结构优化设计技术领域。

背景技术

机床主结构系统的静动态品质成为了产品性能提高的关键因素。据统计，机床上出现振动问题有60％以上是源自结合面，阻尼值90％以上来自于结合部的阻尼。对结合面的静动态特性的研究成为了高速、高精密、高效机床研究的重要课题。固定结合面是机床中基础的结合面形式，其中有机床箱体与床身的连接、机架与机座的连接、主轴与刀柄的锥面的连接等。而组成结合面的动态特性具有非线性、多因素相关、依附机械系统等特点，因此将结合面从其中分离出来就成了结合面研究的难题。而实验模态分析随着以双通道跟踪滤波技术为基础的“机械阻抗测试仪”和以数字相关技术为基础的“频率特性分析仪”，“数据采集卡”的发展而日趋成熟和完善。

提供通用性的固定结合面参数：单位面积的法向刚度与阻尼和单位面积的切向刚度与阻尼。本实验系统的研究，为机床的整机有限元分析与优化设计提供了重要的结合面基础参数。同时也可以模拟机床结合面的实际接触状况，为本机床系统提供准确的结合面动态特性参数，作为检测优化机床结构的重要参数数据。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种固定结合面单位面积动态特性识别实验装置，为机床结构的有限元分析、无样机快速优化提供所需的重要结合面参数数据。本实用新型采用以下技术手段实现：

一种固定结合面单位面积动态特性识别实验装置，其特征在于：包括基座、实验底块、实验垫片、实验连接块、驱动执行模块五部分，所述实验装置整体采用对称式结构同时进行实验，以基座的中心面为中心左右对称，所述基座的 两端为对称式结构，与实验平台通过螺栓连接，两端对称式结构可同时进行结合面动态实验；所述实验底块、所述实验连接块的实验材料以及粗糙度一致，为实验装置中的可换件，实验材料、粗糙度、预压力以及含油介质构成多种实验组合；实验底块安装位置孔的位置根据基座定位孔的位置布置，通过沉头螺钉与基座连接；实验连接块为两翼设计，以保证作用重心在四个实验垫片的几何中心处，实验连接块通过螺柱螺母与实验底块连接；所述实验垫片上下表面积分别与实验连接块和实验底块完全接触，一种实验组合类型需要四块，均匀布置在实验底块上；所述的驱动执行模块，包括激振器、阻抗头、试验连接块，激振器通过激振杆与阻抗头连接，阻抗头则粘贴或吸贴在实验连接块的法向中心线的表面处或与实验垫片的重心水平的连接板侧面处，由激振器产生的激振力作用于实验连接块上；所述的实验装置还设有动态信号处理模块，动态信号处理模块包括加速度传感器、电荷放大器、功率放大器、数据采集器、微机；阻抗头粘结或吸附在试验连接块上，加速度传感器粘结或吸附在实验底块上或者布置在基座上，加速度传感器信号经过电荷放大器和功率放大器调理，送数据采集器和微机进行处理。

前述的固定结合面单位面积动态特性参数识别实验装置的实验垫片的加工精度高，采用精铣加工，相对面积要尽量小，实验垫片的厚度为2mm，面积为1cm2。

上述固定结合面单位面积动态特性识别实验装置的识别方法如下：

步骤一：将实验装置实验底块、实验连接块与四块实验垫片构成的结合面等效为8个弹簧，8个阻尼器的理论模型，将该实验装置等效为等效质量M_e，等效刚度K_e，等效阻尼为C_e的单自由度系统，其正弦激励的等效单自由度系统的频响函数H_e(w)如式①、式②所示

$H_e\left(w\right)=1/-M_e{w}^2+\mathrm{jw}{C}_e+K_e$ ①

$H_e\left(w\right)=\frac{H_{X_e-X_{\mathrm{es}}}\left(w\right)}{1-{\mathrm{mw}}^2((M_e/m)\·H_{X_e-X_{\mathrm{es}}}\left(w\right)-H_{X_c}\left(w\right))}$ ②

式中：m为系统的主振质量，M_e为等效质量，K_e、C_e为该理论模型的等效单自由度系统的等效刚度与等效阻尼，X_e为该理论模型上结合面处频域上的等效位移，X_es为下结合面频域上的等效位移，X_c为重心处频域上的位移， 分别为等效结合面和重心处的频响函数；

步骤二：正弦激励该实验装置，测得重心处的频响函数 

和实验垫片的左结合面组处、右结合面组处、X_e处的频响函数分别为 

设单个实验垫片与实验底块构成的结合面处的刚度和阻尼分别为K和C，则该实验装置的力学模型为式③和式④

$(\frac{K}{2}+\frac{K}{2})(x_1\left(t\right)-x_{1s}\left(t\right))+(\frac{K}{2}+\frac{K}{2})(x_2\left(t\right)-x_{2s}\left(t\right))=K_e(x_e\left(t\right)-x_{\mathrm{es}}\left(t\right))$ ③

$(\frac{K}{2}+\frac{K}{2})({\stackrel{\·}{x}}_1\left(t\right)-{\stackrel{\·}{x}}_{1s}\left(t\right))+(\frac{K}{2}+\frac{K}{2})({\stackrel{\·}{x}}_2\left(t\right)-{\stackrel{\·}{x}}_{2s}\left(t\right))=K_e({\stackrel{\·}{x}}_e\left(t\right)-{\stackrel{\·}{x}}_{\mathrm{es}}\left(t\right))$ ④

式中：x₁(t)为左结合面组处上结合面实验连接块的时域上的等效位移，x_1s(t)为左结合面组处下结合面实验底块时域上的等效位移，x₂(t)为右结合面组处上结合面实验连接块时域上的等效位移，x_2s(t)为右结合面组处下结合面实验底块时域上的等效位移，x_e(t)为该理论模型上结合面处时域上的等效位移，x_es(t)为下结合面时域上的等效位移；

由式③、式④得到单个实验垫片与实验底块构成的结合面处的刚度和阻尼分别为式⑤、式⑥

$K=\frac{K_e{H}_{X_e-X_{\mathrm{es}}}\left(w\right)}{H_{X_1-X_{1s}}\left(w\right)+H_{X_2-X_{2s}}\left(w\right)}$ ⑤

$C=\frac{C_e{H}_{X_e-X_{\mathrm{es}}}\left(w\right)}{H_{X_1-X_{1s}}\left(w\right)+H_{X_2-X_{2s}}\left(w\right)}$ ⑥

步骤三：由实验垫片的面积S计算得到单位面积结合刚度系数和阻尼系数K_n和C_n，即如式⑦、式⑧所示

K_n＝K/S        ⑦

C_n＝C/S        ⑧。

本实用新型在结合面刚度与阻尼系数与现有技术有突出的优点：

(1)实验装置简单可靠，安装方便，两端对称的结构形式，可以同时进行两种状态不同的实验，节省了实验的时间。实现了不同预紧力下的法向和切向激振实验，得到了法向和切向的刚度和阻尼系数；

(2)使用面积为1cm²的实验垫片，实现完全接触，得到单位面积的动态特性参数，实现了通用化动态特性参数的识别。为理论分析提供最基本的实验数据。同时还可进行大面积的实验。得到实际接触状态的动态特性参数；

(3)实验底块、实验垫片和实验连接板一一对应，可换件保证了实验的精度和合理性。结合面处相对振动的频响函数，排除了实验装置其它部分对主体部分的影响；

附图说明

图1是实验装置装配图；

图2是实验装置原理图；

图3是实验装置工作原理和步骤图。

图中1、实验连接板，2、实验垫片，3、实验底块，4、基座，5、阻抗头，6、加速度传感器，2A、左结合面组，2B、右结合面组，A、激振器，B1、电荷放大器，B2、功率放大器，C、数据采集器，D、微机。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。

图1所示为本实用新型实验装置，固定结合面单位面积动态特性识别装置整体采用对称式结构同时进行两组状态的实验，以基座4的中心面为中心左右对称，包括基座4、实验底块3、实验垫片2、实验连接块1、驱动执行模块五部分。

基座4是一块两端一样的对称式结构，其两端的凸台式结构高50mm，基座4的设计及连接刚度保证了大于结合面刚度5倍以上的要求。两端对称式结构可同时进行不同状态下的实验，包括结合面材料、是否有含油介质、不同预压力、结合面粗糙度等试验条件的组合，将基座4用螺栓固定在试验平台上；实验底块3根据不同材料、不同粗糙度制成，成为实验装置中的可换件，其安装位置孔的位置根据基座4定位孔的位置布置，通过沉头螺钉与基座4连接；实验垫片2全部精铣加工，面积1cm²，厚度为2mm，保证与实验底块3和实验连接块1的完全接触，可以为各种材料制成，一种材料类型四块，均匀布置在实验底块3上，实验连接块1的两翼设计使其作用重心在四个实验垫片2的几何中心处，通过螺栓与实验底块3连接；驱动执行模块，由激振器A、阻抗头5、试验连接块1组成，激振器A通过激振杆与阻抗头5连接，阻抗头5则粘贴或吸贴在实验连接块1的法向中心 线的表面处或与实验垫片2的重心水平的连接板侧面处，由激振器A产生的激振力作用于实验连接块上1上；动态特性识别系统还设有动态信号处理模块，动态信号处理模块包括加速度传感器6、电荷放大器B1、功率放大器B2、数据采集器C、微机D。加速度传感器6分别粘结或吸附在试验连接块1上、基座4上，其信号经过电荷放大器B1和功率放大器B2调理，送数据采集器C和微机D进行处理。

固定结合面单位面积动态特性参数识别系统的工作原理和步骤如图3所示

1)该实验装置实验底块3、实验连接块1与四块实验垫片2构成的结合面等效为8个弹簧，8个阻尼器的理论模型如图2所示，等效为等效质量M_e，等效刚度K_e，等效阻尼为C_e的试验系统。其力学模型为式⑨

$m{\stackrel{\·\·}{x}}_c+C_e({\stackrel{\·}{x}}_e\left(t\right)-{\stackrel{\·}{x}}_{\mathrm{es}}\left(t\right))+K_e(x_e\left(t\right)-x_{\mathrm{es}}\left(t\right))=F\left(t\right)$ ⑨

2)将阻抗头5和加速度传感器6固定好，将激振器A吊起，激振杆对准阻抗头5，正弦激励信号经功率放大器B2作用于激振器上。由微机D控制测试由电荷放大器B1调理过的重心处的频响函数 

和左结合面组2A处、右结合面组2B处、X_e处的频响函数 

3)其正弦激励的等效单自由度系统的频响函数H_e(w)如式①、②所示，由此等效单自由度系统的频谱图，根据峰值共振识别系统的固有频率f_n得到等效刚度K_e以及半功率带带宽识别法的半功率带宽Δf得到等效阻尼C_e分别为K_e＝M_e(2πf_n)，C_e＝2πM_eΔf；

4)根据公式⑤、⑥得到单个垫片与实验底块3构成的结合面刚度和阻尼K和C，再由公式⑦、⑧求得单位面积结合面的刚度和阻尼K_n、C_n

5)对切向或者其它状态下的结合面进行激振，重复以上步骤。

以上所述仅为本实用新型的一个实例，我们还可对实验装置进行一些变换，以应用于结合面的其它动态特性识别。只要其动态特性识别装置的机械结构设计思想以及整体控制思想同本实用新型所叙述的一致，均应视为本实用新型所包括的范围。

Claims (2)

1.固定结合面单位面积动态特性识别实验装置，其特征在于：包括基座(4)、实验底块(3)、实验垫片(2)、实验连接块(1)、驱动执行模块五部分，所述实验装置整体采用对称式结构同时进行实验，以基座(4)的中心面为中心左右对称，所述基座(4)的两端为对称式结构，与实验平台通过螺栓连接，两端对称式结构可同时进行结合面动态实验；所述实验底块(3)、所述实验连接块(1)的实验材料以及粗糙度一致，为实验装置中的可换件，实验材料、粗糙度、预压力以及含油介质构成多种实验组合；实验底块(3)安装位置孔的位置根据基座(4)定位孔的位置布置，通过沉头螺钉与基座(4)连接；实验连接块(1)为两翼设计，以保证作用重心在四个实验垫片(2)的几何中心处，实验连接块(1)通过螺柱螺母与实验底块(3)连接；所述实验垫片(2)上下表面积分别与实验连接块(1)和实验底块(3)完全接触，一种实验组合类型需要四块，均匀布置在实验底块(3)上；所述的驱动执行模块，包括激振器(A)、阻抗头(5)、试验连接块(1)，激振器(A)通过激振杆与阻抗头(5)连接，阻抗头(5)则粘贴或吸贴在实验连接块(1)的法向中心线的表面处或与实验垫片(2)的重心水平的连接板侧面处，由激振器(A)产生的激振力作用于实验连接块(1)上；所述的实验装置还设有动态信号处理模块，动态信号处理模块包括加速度传感器(6)、电荷放大器(B1)、功率放大器(B2)、数据采集器(C)、微机(D)；阻抗头(5)粘结或吸附在试验连接块(1)上，加速度传感器(6)粘结或吸附在实验底块(3)上或者布置在基座(4)上，加速度传感器(6)信号经过电荷放大器(B1)和功率放大器(B2)调理，送数据采集器(C)和微机(D)进行处理。

2.根据权利要求1所述的固定结合面单位面积动态特性识别实验装置，其特征在于：实验垫片(2)采用精铣加工，厚度为2mm，面积为1cm²。

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