专利名称：滚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，特别是一种滚 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。滚动导轨是机床尤其是数 控机床中广泛应用的功能部件，由于滚动结合面为线接触或点接触，其力学特性往往是数 控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滚 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 方便的求得滚动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 滚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。文献2 李磊，张胜文.滚动导轨结合面参数识别及仿真分析，江苏科技大学学报， 2009(4),23 (2) :142 145。以模态试验的方法识别出了滚动导轨结合面动态特性参数， 但测试装置及方法都较简单，缺少理论支持，并且未有效排除基础位移的影响，因此存在一 定误差。

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 精度高并能同时测量法向和切向动态特性参数等特点的滚动导轨结合面动态特性参数测
I式 ο实现本发明目的的技术解决方案为一种滚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、安装底板、滚动导轨、滚动导轨滑块、桥板、若干压电式加速度传感器、激振器、弹性 绳、橡胶圈、架子、阻抗头、法向施力螺栓；安装底板固连于基座上，两根滚动导轨平行的固 连于安装底板上方，其上方分别装有滚动导轨滑块，桥板位于滚动导轨滑块上方并通过螺 栓与其相固连，所述桥板为U型结构，其开口朝下，U型结构的底部开有法向激振器连接螺 纹孔，U型结构的两侧壁分别开有一个切向激振器连接螺纹孔，所述法向与切向激振器连接 螺栓孔的轴线交点为桥板的重心，法向施力螺栓贯穿桥板的底部并与安装底板相连接，对 桥板施加压力，法向施力螺栓与桥板之间垫有橡胶圈，消除法向施力螺栓刚度的影响；激振器通过弹性绳吊在架子上，激振器的前端设置阻抗头，在测量时，该阻抗头通过螺柱与法向 激振器连接螺栓孔或切向激振器连接螺栓孔相连接；压电式加速度传感器通过磁头分别设 置在滚动导轨和桥板上；阻抗头的力信号输出端和压电式加速度传感器输出端分别与电荷 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。—种滚动导轨结合面动态特性参数测量方法，包括以下步骤
步骤1 安装滚动导轨、桥板和法向施力螺栓。将待测量的滚动导轨通过螺栓联接到安 装底板上，然后移动滚动导轨滑块到测量位置，桥板通过螺栓联接两滚动导轨滑块，最后安 装上法向施力螺栓，为了减小法向施力螺栓刚度对导轨动刚度测量的影响，在法向施力螺 栓上加上较厚的橡胶垫圈，测量时通过扭力扳手调节法向施力螺栓预紧力对滚动结合面施 力口载荷；
步骤2 安装压电式加速度传感器、激振器和阻抗头。测量滚动导轨结合面法向动态特 性时在桥板和滚动导轨上表面均勻安装压电式加速度传感器，测量滚动导轨结合面切向动 态特性时在桥板和滚动导轨侧面均勻安装压电式加速度传感器；法向和侧向测量时阻抗头 通过螺柱分别与桥板上表面及侧面激振器联接螺纹孔相连，然后将激振器通过顶杆联接到 阻抗头；
步骤3:其它测试装置的联接，将压电式加速度传感器、激振器、阻抗头、电荷放大器、 数字采集器、功率放大器及电子计算机用数据线联接构成整个测试系统；
步骤4:测试参数设置，在模态分析软件中进行建模并对参数进行设置，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 因子等；
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分析，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釕钓和滚动导轨频响函数打钓数据，在 Matlab7.0中计算得到等效单自由度系统频响函数劝，根据^；均可识别出滚动导轨结 合面的刚度>和阻尼e。本发明的原理是安装有滚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，因此在设计滚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桥板构成，设计原理 是(1)桥板具有较大刚度，在滚动导轨结合面引发的模态下桥板不产生较大变形；(2)合 理设计桥板结构，对桥板进行法向及侧向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
权利要求
1.一种滚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]、 安装底板[2]、滚动导轨[3]、滚动导轨滑块[4]、桥板[5]、若干压电式加速度传感器[6]、螺 栓[7]、激振器[8]、弹性绳[9]、橡胶圈[10]、架子[11]、阻抗头[12]、法向施力螺栓[13]； 安装底板[2]固连于基座[1]上，两根滚动导轨[3]平行的固连于安装底板[2]上方，其上 方分别装有滚动导轨滑块W]，桥板[5]位于滚动导轨滑块[4]上方并通过螺栓[7]与其 相固连，所述桥板[5]为U型结构，其开口朝下，U型结构的底部开有法向激振器连接螺纹 孔，U型结构的两侧壁分别开有一个切向激振器连接螺纹孔，所述法向与切向激振器连接螺 栓孔的轴线交点为桥板[5]的重心，法向施力螺栓[13]贯穿桥板[5]的底部并与安装底板[2]相连接，对桥板[5]施加压力，法向施力螺栓[13]与桥板[5]之间垫有橡胶圈[10]，消 除法向施力螺栓[13]刚度的影响；激振器[8]通过弹性绳[9]吊在架子[11]上，激振器 [8]的前端设置阻抗头[12]，在测量时，该阻抗头[12]通过螺柱与法向激振器连接螺栓孔 或切向激振器连接螺栓孔相连接；压电式加速度传感器[6]通过磁头分别设置在滚动导轨[3]和桥板[5]上；阻抗头[12]的力信号输出端和压电式加速度传感器[6]输出端分别与 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[a]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[b]相连，功率放大器[16]的输出端[c]与激振器 [8]的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种滚动导轨结合面动态特性参数测试装置，其特征在于， 压电式加速度传感器[6]位于桥板[5]U型结构的底部或侧壁，其数量为4、个，位于滚动 导轨[3]上的压电式加速度传感器[6]数量为4个。
3.根据权利要求1所述的一种滚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[13]对桥板[5]施加压力可调。
4.一种基于权利要求1所述滚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 安装滚动导轨[3]、桥板[5]、法向施力螺栓[13]；将待测量的滚动导轨[3]通 过螺栓联接到安装底板[2]上，然后移动滚动导轨滑块到测量位置，并通过螺栓联接桥板 [5]和滚动导轨滑块W]，最后安装法向施力螺栓[13]，并在施力螺栓上加上橡胶圈[10]， 测量时通过扭力扳手调节法向施力螺栓[13]的预紧力对滚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W]、激振器[8]和阻抗头[12]；测量滚动导轨结合 面法向动态特性时在桥板[5]和滚动导轨[3]上表面放置压电式加速度传感器W]，而测 量滚动导轨结合面切向动态特性时在桥板[5]和滚动导轨[3]侧面放置压电式加速度传感 器W]；测量结合面法向刚度时将阻抗头[12]安装在法向激振器联接螺纹孔上，测量结合 面切向刚度时将阻抗头[12]安装在切向激振器联接螺纹孔上，然后将激振器[8]通过顶杆 联接到阻抗头[12]上；步骤3 其它测试装置的联接，将压电式加速度传感器[6]、激振器[8]、阻抗头[12]、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；步骤4 测试参数设置，在电子计算机[17]中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贝 )和滚动导轨频响函数F⑷数据，在 Matlab7.0中计算得到等效单自由度系统频响函数，这样就可以得到所测滚动导轨 结合面的刚度λ和阻尼e。
5.根据权利要求4所述的滚动导轨结合面动态特性参数测试方法，其特征在于，步骤2 中位于桥板[5]的压电式加速度传感器[6]数量为6个，位于导轨[3]上的压电式加速度 传感器[6]数量为4个。
6.根据权利要求4所述的滚动导轨结合面动态特性参数测试方法，其特征在于，步骤7中计算刚度t所需公式为& = ,计算阻尼所用公式为e = 2mm‘ ,所述式中w为桥板 [5]的质量，A为系统固有频率， 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滚动导轨结合面动态特性参数测试装置。包括基座、安装底板、滚动导轨、滚动导轨滑块、桥板、若干压电式加速度传感器、激振器、弹性绳、橡胶圈、架子、阻抗头、法向施压螺栓、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，可同时测量法向和侧向滚动导轨结合面动态特性参数，调整法向施压螺栓的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桥板重心，同时测量桥板和基座的振动信号，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G01M13/00GK102095574SQ20101056091
公开日2011年6月15日 申请日期2010年11月26日 优先权日2010年11月26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