专利名称：滑动导轨结合面动态特性参数测试装置及其测试方法
技术领域：
本发明涉及一种机械结合面动态特性参数测试装置及其测试方法，特别是一种滑动导轨结合面动态特性参数测试装置及其测试方法。
背景技术：
在机械结构中大量存在各类机械结合面，这些结合面的接触刚度和阻尼对机械结构的性能有着重要的影响，比如Burdekin等人1979年在研究论文中指出机床中结合面的接触刚度约占机床总刚度的60 80%。因此，准确获取机械结合面动态特性参数是进行机械结构整体动态特性分析的基本保证。目前，虽然建立了机械结合面的各种动力学模型，但对基础动态特性参数(如刚度、阻尼等)的获取还存在一定困难。滑动导轨是机床尤中广泛应用的功能部件，滑动结合面的力学特性往往是机床整体结构的薄弱环节，因此发明一种测试原理正确、机构简单并且测试精度高的滑动导轨结合面动态特性参数测试装置具有重要意义。文献1 张广鹏，黄玉美。机床导轨结合部的动态特性解析方法及其应用，机械工程学报，2002 (10)，38 (10) :114 117。提出了以结合面的基础特性参数为基础，建立导轨结合部的动力学模型，研究机床导轨结合部的动态特性的解析方法。解析法虽然可以较方便的求得导轨结合面动态特性参数，但必须具备较精确的结合面基础特性参数，且滑动导轨结合面接触状态复杂，影响因素较多，因此缺乏精度保障。

发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种具有测试原理正确、机构设计简单、测试精度高并能测量法向动态特性参数等特点的滑动导轨结合面动态特性参数测试装置。实现本发明目的的技术解决方案为一种滑动导轨结合面动态特性参数测试装置，包括测量平台、电荷放大器、数据采集器、功率放大器、电子计算机，所述测量平台包括基座、安装平台、固定导轨、楔形块、镶条、滑块、若干压电式加速度传感器、激振器、弹性绳、 阻抗头、架子、法向施力螺栓和橡胶圈；安装平台位于基座的上方，固定导轨固连在安装平台上，该固定导轨通过楔形块压紧定位，固定导轨上设置矩形滑块，该滑块通过镶条调整侧向间隙，法向施力螺栓将滑块压紧在安装平台上，法向施力螺栓与滑块之间设置橡胶圈，激振器通过弹性绳悬挂在架子上，激振器的前端连接阻抗头，在测量时，阻抗头通过螺柱与滑块上的法向联接螺纹孔联接，所述法向联接螺纹孔位于滑块上表面的中心位置，压电式加速度传感器通过磁头分别安装在滑块和固定导轨上，阻抗头的力信号输出端和压电式加速度传感器输出端与电荷放大器的输入端相连，电荷放大器输出端与数据采集器输入端相连，数据采集器的USB端口与电子计算机通过USB数据线相连，功率放大器的输入端与数据采集器的输出端相连，功率放大器的输出端与激振器的输入端相连。—种滑动导轨结合面动态特性参数测试装置的测量方法，包括以下步骤
步骤1 安装滑动导轨、滑块、法向施力螺栓，将待测量的固定导轨通过螺栓连接在安装平台上，然后移动滑块到测量位置，通过镶条调整侧向间隙，最后安装上法向施力螺栓，在施压力螺栓上加上橡胶圈，测量时通过扭力扳手调节法向施力螺栓预紧力对滑动导轨结合面施加法向载荷；步骤2 安装压电式加速度传感器、激振器和阻抗头，测量滑动结合面法向动态特性时在滑块和固定导轨上表面安放压电式加速度传感器；测量结合面法向刚度时将阻抗头安装在法向联接螺纹孔上，然后将激振器通过顶杆联接到阻抗头上；步骤3 对其它测试装置的连接，将压电式加速度传感器、激振器、阻抗头、电荷放大器、数据采集器、功率放大器和电子计算机用相应的数据线联接起来构成整个测试系统， 即阻抗头的力信号输出端和压电式加速度传感器输出端与电荷放大器的输入端相连，电荷放大器输出端与数据采集器输入端相连，数据采集器的USB端口与电子计算机通过USB数据线相连，功率放大器的输入端与数据采集器的输出端相连，功率放大器的输出端与激振器的输入端相连；步骤4:测试参数设置，在电子计算机中启动振动及动态信号采集分析系统，进行建模及相应的参数设置，确定扫频范围，电荷放大器放大倍数，功率放大器的电流和电压， 加速度传感器和阻抗头力传感器校正因子；步骤5 开始测量，保存试验数据；步骤6 试验结果处理与分析，测量结束后，对试验结果进行处理与判断，考察系统振型，看是否满足试验要求，如果系统振型满足要求，则此次测量有效，保存试验数据，进行下一步计算，如果振型不满足要求，则返回到步骤1重新改变测量参数、检查各试验装备是否正常后，重新试验；步骤7 根据步骤6测量得到的桥板频响函数Χ(ω)和滑动导轨频响函数Y ( ω )数据，在Matlab7.0中计算得到等效单自由度系统频响函数Η(ω)，这样就可以根据式(6)和式(7)得到所测滑动导轨结合面的刚度k和阻尼C。本发明的原理是安装有滑动导轨的机械结构是一个多自由度系统，而采用多自由度系统理论来测试结合面动态特性参数非常困难，因此在设计滑动导轨结合面动态特性参数测试装置时将其简化成单自由度系统。测试装置主要是由基座和滑动导轨副构成，设计原理是(1)滑动导轨自身滑块具有较大刚度，在滑动结合面引发的模态下滑块不产生较大变形；( 合理设计滑块结构，对滑块进行激励时都能获得激振力方向上的平稳振型。 这样测试装置就可简化为单自由度系统，对于单自由度系统，系统刚度及阻尼可由式(1) 求取A: = W(y 2,c = 2πιωηζ(1)其中m为系统质量，ωη为系统固有频率，ξ为阻尼比。因此只要测试出系统的固有频率及阻尼比就可以根据式(1)计算出系统刚度及阻尼，即滚动导轨结合面刚度及阻尼。本发明与现有技术相比，其显著优点是(1)将测试装置简化为单自由度系统大大降低了测试的复杂程度，测试装置简单，容易准确的获取结合面动态特性测试信号；(2) 对测试装置进行法向激励，能够准确获取该滑动导轨结合面法向动态特性参数；C3)在滑块上表面中心进行法向激励时激振力方向通过其重心。这样激励时，滑块在激振力方向上都可获得平稳振型，避免了扭转及侧翻等振型，提高了参数识别的准确性；(4)测试时对基础位移进行了消除，使测量模型更符合实际，测试结果更为精确。


图1是本发明的滑动导轨结合面动态特性参数测试装置总体结构图。图2是本发明的工作台的局部装配图。图3是本发明的测试系统结构图。图4是本发明的简谐激励下单自由度振动原理图，其中图(a)为基础做简谐振动模型图，图(b)为质量块受力分析图。图5是本发明的测试实例的振型图。图6是本发明的测试信号相位与幅值图，其中图(a)为幅值图，图(b)为相位图。
具体实施例方式一种滑动导轨结合面动态特性参数测试装置，包括测量平台、电荷放大器14、数据采集器15、功率放大器16、电子计算机17，所述测量平台包括基座1、安装平台2、固定导轨 3、楔形块4、镶条5、滑块6、若干压电式加速度传感器7、激振器8、弹性绳9、阻抗头10、架子 11、法向施力螺栓12和橡胶圈13 ；安装平台2位于基座1的上方，固定导轨3固连在安装平台2上，该固定导轨通过楔形块4压紧定位，固定导轨3上设置矩形滑块6，该滑块通过镶条5调整侧向间隙，法向施力螺栓12将滑块6压紧在安装平台2上，法向施力螺栓12与滑块6之间设置橡胶圈13，激振器8通过弹性绳9悬挂在架子11上，激振器8的前端连接阻抗头10，在测量时，阻抗头通过螺柱与滑块6上的法向联接螺纹孔联接，所述法向联接螺纹孔位于滑块6上表面的中心位置，压电式加速度传感器7通过磁头分别安装在滑块6和固定导轨3上，阻抗头10的力信号输出端和压电式加速度传感器7输出端与电荷放大器14的输入端相连，电荷放大器14 输出端与数据采集器15输入端相连，数据采集器15的USB端口与电子计算机17通过USB 数据线相连，功率放大器16的输入端与数据采集器15的输出端相连，功率放大器16的输出端与激振器8的输入端相连。所述滑块6重心为法向激振力方向和结合面的交点。所述法向施力螺栓12的数量为2，所述两个法向施力螺栓12的连线与导轨方向平行，连线的中心位置位于滑块6上表面的中心位置。连接滑块6和安装平台2的法向施力螺栓12的预紧扭矩可调。滑块6上的压电式加速度传感器7的数量为15，滚动导轨3上压电式加速度传感器7的数量为8。具体而言，基座1和安装平台2是由两个整体铸铁件通过多个螺栓联接在一起，固定导轨3规格可以根据测量要求进行一定范围的选择。固定导轨3固连在安装底板2上， 滑块6通过镶条4及施力螺栓12固定与固定导轨3连接，滑块6和安装平台2之间通过法向施力螺栓12施加载荷。激振器8通过弹性绳9悬挂在架子11上，阻抗头10通过顶杆与激振器8相连，另一头法向激振时通过法向联接螺纹孔与滑块6相联。压电式加速度传感器7通过磁头分别安装在滑块6和固定导轨3上，滑块6上安装15个压电式加速度传感器 7,固定导轨3上安装8个压电式加速度传感器7。滑块6通过计算将其重心设计在法向联接螺纹孔轴线与滑动结合面的交点处。
上述阻抗头10的力信号输出端和压电式加速度传感器7输出端分别与电荷放大器14的输入端a和b相连，电荷放大器14输出端c与数据采集器15输入端相连，通常情况下将阻抗头10的力信号接入电荷放大器14第一通道，而压电式加速度传感器6输出信号分别接入2 M通道，其中电荷放大器14为4通道，数量6台，数据采集器15为32通道。数据采集器15的端口 f与电子计算机17通过USB数据线相连，数据采集器15的端口 f既可以接收电子计算机17的信号，又可以将采集的信号传输到电子计算机17进行处理， 完成采集信号与操作指令的交互功能。数据采集器15的输出端口 d与功率放大器16的输入端相连，可以将电子计算机17发出的扫频信号传输给功率放大器16，功率放大器16的输出端e与激振器8的输入端相连，激振器8可以接收来自功率放大器16的扫频信号，从而控制激振器8对滑块6进行激励。结合图1和图2，滑动导轨结合面动态特性参数快速测试装置的基本原理是基于单自由振动系统，将安装平台2和固定导轨整体看作基础，滑块6看成质量块，而将滑块与固定导轨间结合面刚度阻尼看作弹性及阻尼元件。系统在简谐激振力作用下，安装平台2 和滑块6在振型上表现为平动而不产生扭转、弯曲等变形。结合图4，说明本发明的基本原理，对于由基础-弹簧-阻尼器-质量构成的振动系统，当质量块m受到简谐激振力f作用时，其振动方程可表示为式O)
权利要求
1.一种滑动导轨结合面动态特性参数测试装置，其特征在于，包括测量平台、电荷放大器[14]、数据采集器[15]、功率放大器[16]、电子计算机[17]，所述测量平台包括基座 [1]、安装平台[2]、固定导轨[3]、楔形块[4]、镶条[5]、滑块[6]、若干压电式加速度传感器 [7]、激振器[8]、弹性绳[9]、阻抗头[10]、架子[11]、法向施力螺栓[12]和橡胶圈[13]；安装平台[2]位于基座[1]的上方，固定导轨[3]固连在安装平台[2]上，该固定导轨通过楔形块[4]压紧定位，固定导轨[3]上设置矩形滑块W]，该滑块通过镶条[5]调整侧向间隙，法向施力螺栓[12]将滑块[6]压紧在安装平台[2]上，法向施力螺栓[12]与滑块[6]之间设置橡胶圈[13]，激振器[8]通过弹性绳[9]悬挂在架子[11]上，激振器[8]的前端连接阻抗头[10]，在测量时，阻抗头通过螺柱与滑块[6]上的法向联接螺纹孔联接，所述法向联接螺纹孔位于滑块[6]上表面的中心位置，压电式加速度传感器[7]通过磁头分别安装在滑块[6]和固定导轨[3]上，阻抗头[10]的力信号输出端和压电式加速度传感器[7]输出端与电荷放大器[14]的输入端相连，电荷放大器[14]输出端与数据采集器[15] 输入端相连，数据采集器[15]的USB端口与电子计算机[17]通过USB数据线相连，功率放大器[16]的输入端与数据采集器[15]的输出端相连，功率放大器[16]的输出端与激振器[8]的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的滑动导轨结合面动态特性参数测试装置，其特征在于，滑块[6]重心为法向激振力方向和结合面的交点。
3.根据权利要求1所述的滑动导轨结合面动态特性参数测试装置，其特征在于，法向施力螺栓[12]的数量为2，所述两个法向施力螺栓[12]的连线与导轨方向平行，连线的中心位置位于滑块[6]上表面的中心位置。
4.根据权利要求1、2或3所述的滑动导轨结合面动态特性参数测试装置，其特征在于， 连接滑块[6]和安装平台[2]的法向施力螺栓[12]的预紧扭矩可调。
5.根据权利要求1、2或3所述的滑动导轨结合面动态特性参数测试装置，其特征在于， 滑块[6]上的压电式加速度传感器[7]的数量为15，滚动导轨[3]上压电式加速度传感器[7]的数量为8。
6.一种基于权利要求1所述滑动导轨结合面动态特性参数测试装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1 安装滑动导轨[3]、滑块W]、法向施力螺栓[12]，将待测量的固定导轨[3]通过螺栓连接在安装平台[2]上，然后移动滑块[6]到测量位置，通过镶条[4]调整侧向间隙，最后安装上法向施力螺栓[12]，在施压力螺栓上加上橡胶圈[13]，测量时通过扭力扳手调节法向施力螺栓[12]预紧力对滑动导轨结合面施加法向载荷；步骤2 安装压电式加速度传感器[7]、激振器[8]和阻抗头[10]，测量滑动结合面法向动态特性时在滑块[6]和固定导轨[3]上表面安放压电式加速度传感器[7]；测量结合面法向刚度时将阻抗头[10]安装在法向联接螺纹孔上，然后将激振器[8]通过顶杆联接到阻抗头[10]上；步骤3 对其它测试装置的连接，将压电式加速度传感器[7]、激振器[8]、阻抗头[10]、 电荷放大器[14]、数据采集器[15]、功率放大器[16]和电子计算机[17]用相应的数据线联接起来构成整个测试系统，即阻抗头[10]的力信号输出端和压电式加速度传感器[7]输出端与电荷放大器[14]的输入端相连，电荷放大器[14]输出端与数据采集器[15]输入端相连，数据采集器[15]的USB端口与电子计算机[17]通过USB数据线相连，功率放大器 [16]的输入端与数据采集器[15]的输出端相连，功率放大器[16]的输出端与激振器[8] 的输入端相连；步骤4 测试参数设置，在电子计算机[17]中启动振动及动态信号采集分析系统，进行建模及相应的参数设置，确定扫频范围，电荷放大器放大倍数，功率放大器的电流和电压， 加速度传感器和阻抗头力传感器校正因子；步骤5 开始测量，保存试验数据；步骤6 试验结果处理与分析，测量结束后，对试验结果进行处理与判断，考察系统振型，看是否满足试验要求，如果系统振型满足要求，则此次测量有效，保存试验数据，进行下一步计算，如果振型不满足要求，则返回到步骤1重新改变测量参数、检查各试验装备是否正常后，重新试验；步骤7 根据步骤6测量得到的桥板频响函数Χ(ω)和滑动导轨频响函数Υ(ω)数据， 在Matlab7.0中计算得到等效单自由度系统频响函数Η(ω)，这样就可以根据式(6)和式 (7)得到所测滑动导轨结合面的刚度k和阻尼C。
7.根据权利要求6所述的滑动导轨结合面动态特性参数测试装置的测量方法，其特征在于，步骤2中在滑块[6]上放置的压电式加速度传感器[7]的数量为15，在滚动导轨[3] 上放置压电式加速度传感器[7]的数量为8。
8.根据权利要求6所述的滑动导轨结合面动态特性参数测试装置的测量方法，其特征在于，步骤7计算刚度k所需公式为A 二 mcol，计算阻尼c所用公式为c = &ιωη ζ，所述式中m为滑块[6]的质量，ωη为系统固有频率，ξ为阻尼比。
全文摘要
本发明涉及一种可简化为单自由度系统的滑动导轨结合面动态特性参数测试装置。所述装置包括基座、安装平台、固定导轨、楔形块、镶条、滑块、若干压电式加速度传感器、激振器、弹性绳、阻抗头、架子、法向施力螺栓、橡胶圈、电荷放大器、数据采集器、功率放大器和电子计算机。本发明与现有技术相比，其显著优点是结构紧凑，测试原理清晰，调整法向施力螺栓预紧力可以测量不同载荷状态下的结合面动态特性参数，测量时激振力方向通过滑块重心，同时测量滑块和基础的振动信号，在计算系统频响函数时消除了基础振动信号的影响，具有高效率、高稳定性和高精度的特点。
文档编号G01M13/00GK102183363SQ20101062264
公开日2011年9月14日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者张华 , 朱蕴璞, 汪振华, 王维友, 程寓, 胡小秋, 袁军堂 申请人:南京理工大学