CN109883629B - 一种测量不同规格地脚支承三向刚度的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种测量不同规格地脚支承三向刚度的测量装置及方法，测试装置包括主体框架、法向力加载***、切向力加载***、位移测量***、信息采集***。其中主体框架采用半封闭式结构，上下分体式设计。法向、切向力加载***，内置中空力传感器，可实现加载的实时监控与采集，加载***末端的压块可实现力的局部均布传递，模拟实际地脚支承受载。位移测量***以电涡流传感器为核心部件，最终通过信息采集***实现地脚支承法、切向变形的非接触测量与收集。基于上述结构，本发明能够实现不同类型的地脚支承三向静刚度的快速测量与准确分析，整体操作简单，测量快速，结果可靠且对后续地脚支承静刚度的研究具有重要的开拓性意义。

Description

一种测量不同规格地脚支承三向刚度的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及数控机床设计领域，特别是涉及一种快速测量不同规格地脚支承刚度的测量装置及测量方法。

背景技术

静刚度是机床设计的重要指标之一，提高机床的静刚度有利于提高机床的效率、加工精度和表面加工质量。而目前针对地脚支承三向刚度的测量方法，主要是采用模态测试试验，其具体方法是将地脚支承简化成一个垫块——质量块***，通过振动方程和测得的频率振型来求垫块等效刚度，而这种方法实验成本高、周期长，而且只能针对某一种地脚支承进行分析，不具备良好的应用价值。因此，开发一套可以同时在地脚支承的法向和切向加载压力，并且使作用面受力均匀，并可随时调整压力大小，并能准确得到测量的压力与应变的测试装置并配套出一种快速高效地测试方法，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种快速测量不同规格地脚支承刚度的测量装置及测量方法。该装置具有法向、切向压力加载实时可控性、高稳定性，地脚支承受载均匀性、地脚支承测试通用性及地脚刚度快速可得性等特性。同时还基于此装置提出了快速测量地脚支承三向刚度的测试方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种测量不同规格地脚支承三向刚度的测量装置，包括金属工作台、主体框架、载荷加载***、位移测量***和信号采集***，所述主体框架安装于金属工作台上表面并采用半封闭式结构，由上部定位架和下部平台相互连接组成，所述上部定位架的顶部和侧部分别设置有法向压缸孔和切向压缸孔，所述下部平台的上表面设有T型槽，用于安装不同类型的地脚支承；所述法向压缸孔和切向压缸孔用于连接固定载荷加载***，所述载荷加载***包括依次相互连接的液压缸、法兰盘、传感器底座、传感器外壳与压头，所述传感器底座和传感器外壳中设置有中空力传感器，中空力传感器通过导线与信号采集***相连；所述位移测量***包括电涡流传感器和磁力表座，电涡流传感器的测量探头通过磁力表座安装于测量点位，所述电涡流传感器通过导线与所述信号采集***连接，用以实现地脚支承法向、切向变形的非接触测量与采集。

进一步的，所述载荷加载***的液压缸和法向压缸孔、切向压缸孔通过法兰盘连接。

进一步的，所述磁力表座吸附于金属工作台上。

进一步的，测量法向刚度时，同时使用两个电涡流传感器，一个测量点设置在待测地脚支承的上部压块位置，另一个测量点设置于实验台下部平台的上表面，随着载荷的加载，下部测点测量下部平台的变形，上部测点测量地脚支承与下部平台的总变形，二者的差值即为地脚支承的法向变形；测量切向刚度时，只使用一个电涡流传感器，测量点设置于待测地脚支承上部压块的侧面位置，其测量得到的数据即为地脚支承的切向变形。

一种快速测量地脚支承三向刚度的方法，包括以下步骤：

(1)将待测地脚支承置于主体框架中调整好位置，同时应用磁力表座安装调试好电涡流传感器，使用载荷加载***手动调节法向力与切向力，对地脚支承进行预加载，且预加载力为地脚支承所受的最大载荷，通过信号采集***收集处理的数据对加载力进行监控，以消除地脚支承初始间隙对地脚支承刚度的影响及防止切向载荷过大导致地脚支承产生切向滑移；

(2)保持初始载荷10-20min，待磁力表座内残余应力完全释放后，即信号采集***处理得到的位移变化不再随时间产生上升或下降趋向型波动时，对中空力传感器和位移传感器进行标定，并采集力与位移的信息；

(3)逐步对地脚支承上法向力进行卸载，每卸载一部分力后，信号采集***采集的相应载荷与位移的信息；

(4)将信号采集***中采集到的信息导出到相应软件，应用刚度定义式进行拟合，进而输出在不同加载条件下地脚支承的静刚度实验曲线。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明的整体结构由于采用静力学分析设计和优化，在满足试验所需刚度的情况下具有轻量化，小体积和易装配的特点。同时，加载***和测量采集***都以模块化的方式安装在主体结构上，具有易拆装，易维护，易调节的特点。

2.由于采用模拟地脚支承所受法向载荷进行测量，对比于传统整机装配并识别地脚刚度的方法，此装置测量三向刚度快捷、准确、可操作性强的优点。并且，在实际实验过程中，由收集到的数据，经相关软件拟合出来的刚度曲线，与实际工况中的刚度对应良好，误差不超过10％，在现有阶段，满足测量的预期与要求。

3.该装置中每个中空力传感器均通过导线与信号采集***相连，可实现加载载荷的实时监控与采集，同时与载荷加载***末端接触的待测地脚支承的压块可实现力的局部均布传递，模拟实际地脚支承受载。

4.该装置中位移测量***以电涡流传感器为核心部件，实现地脚支承法、切向变形的非接触测量与采集，同时电涡流传感器与中空力传感器采集到的信号均通过导线输入到信号采集***中，并通过信号采集***中采集箱集成的采集卡进行信号处理并传递给信号采集***中的Labview软件进行可视化处理，根据软件处理得到的力与位移信息的变化可方便快速地对加载与测量***进行调试与修正。基于该装置的结构，同时基于刚度定义公式，本发明能够实现不同类型的地脚支承三向刚度的快速测量与精准分析。

5.本发明主体框架采用半封闭式结构，具有较高的刚度，下部平台上表面留有的T型槽使其具有很高的通用性，故可满足不同类型地脚支承三向刚度的测量。

6.载荷加载***中空力感器内置于传感器底座和传感器外壳中，实现液压缸，中空力传感器与压头紧凑结合。

7.本发明测试方法规避了地脚支承初始间隙对刚度的影响，且其操作简单高效，通用性强。

附图说明

图1为本发明的主体框架的结构示意图。

图2为本发明的载荷加载***的结构示意图。

图3为本发明的位移测量***示意图。

图4为本发明装置的整体结构的示意图。

附图标记：1-上部定位架，2-法向压缸孔，3-切向压缸孔，4-下部平台，5-T型槽，6-液压缸，7-法兰盘，8-传感器底座，9-中空力传感器，10-传感器外壳，11-压头，12-压块，13-地脚支承，14-电涡流传感器，15-磁力表座，16-信号采集***，17-金属工作台，18-主体框架，19-切向载荷加载***，20-法向载荷加载***，21-位移测量***，

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

见图1，测量装置的主体框架结构如图1所示，主体框架结构是测量装置的平台和基础，故其刚度的可靠性就尤为重要，故主体框架整体采用铸钢材质，另外考虑到主体框架结构的实际搭建的快速性，拆装不同型号垫铁的便宜性，以及加工铸造、运输安装的工艺性，故将主体框架整体结构设计成分体式的上、下两部分，并采用十二个螺栓连接副将上下两部分进行装配。最终主体框架采用半封闭式结构设计，由上部定位架1和下部平台4相互连接组成，在上部定位架1预留的法向压缸孔2和切向压缸孔3可以安装三个载荷加载***，满足同时测量三个方向的压力加载与变形情况，此结构设计既保证了试验台其他部件以及地脚支承的快速安装调试，与框架结构相比又具备更好的刚度。法向压缸孔2的位置建立在试验台三向刚度定位架的中心位置，其上通过法兰盘并连接液压缸6，试验过程中对试验台基础上的地脚支承进行法向压力的加载；切向压缸孔3则建立在试验台上部定位架侧面，切向上的位置与法向压缸孔对应，其上通过法兰盘连接液压缸6，并且法兰盘的位置可以根据不同尺寸型号的地脚支承的高度参数进行调整，便于在实验过程中对试验台下部平台4基础上的垫铁进行切向载荷的加载。另外，下部平台4上表面留有T型槽5，为可能的测量仪器与地脚螺栓预留了安装途径。

图2示意了载荷加载***的结构图，具体的，为较好的模拟出实际工况中机床床身对地脚支承压力加载的状况，通过ANSYS软件的仿真，对加载力的方式进行优化，最终采用液压缸-中空力传感器-压头串联推进压块的方式进行压力的加载。载荷加载***的液压缸6和试验台上部定位架1通过法兰盘7进行连接，同时传感器底座8嵌入液压缸6末端，中空力传感器9也采用同样的方式与传感器底座8相连接，传感器外壳10与传感器底座8采用螺栓连接，完成对中空力传感器9的保护，最终液压缸产生的载荷通过压头11施加在压块12上，完成载荷的传递，试验过程中在手动加载法向载荷时，固定在试验台的液压缸6产生的压力通过经优化设计后的压块最终会将力均匀的施加在地脚支承13上，同时内置于载荷加载***的中空力传感器9会将加载的载荷实时地收集到采集***中相应程序里。同理载荷加载***的切向载荷是固定在实验台上部定位架1侧向的液压缸6产生力载荷，通过压力测量***传递到压头11上，再传递到压块12的侧面。切向载荷的采集方式同上述法向载荷。上述这种连接方式即保证了载荷测量的数值与液压缸产生的载荷一致，稳固可靠，又便于安装和拆卸。

图3示意了位移测量***的结构及工作原理，具体如下，为了避免实验台结构受力变形，进而对测量结果产生误差，位移测量***在安装时与实验台主体结构不接触。电涡流传感器14的测量探头通过磁力表座15安装在测量点位，磁力表座15吸附在实验台主体框架18下方的金属工作台17上，因此实验台主体框架结构的变形不会对磁力表座的位置造成影响。具体数据收集流程如下，测量法向刚度时，同时使用两个电涡流传感器，一个测量点设置在地脚支承上部压块12位置，另一个测量点设置在下部平台4上表面，随着载荷的加载，下部测点测量实验台座基础的变形，上部测点测量地脚支承13与实验台座的总变形，二者的差值即为地脚支承13的法向变形。测量切向刚度时，由于切向载荷远小于法向载荷，经过测量地脚支承13下部不会产生可测量的切向变形，故只需要使用一个电涡流传感器14，测量点设置在地脚支承13上部压块12的侧面位置，其测量得到的数据即为地脚支承13的切向变形。

图4示意了整体测量***的组成，从图中可以看出主体框架18、切向载荷加载***19、法向载荷加载***20位移测量***21与信号采集***16结构紧凑，模块清晰，可保证地脚支承21三向刚度快速准确的测量。信号采集***主要负责监控和提取实验过程中压力数据与位移数据，利用信号采集***和匹配软件，将电信号放大转换成电子信号，通过USB接口采集到电脑上，达到对压力与位移实时监控与采集的目的。

基于上述测量装置，本发明还提出了一种地脚支承三向静刚度的快速测量方法，包括以下步骤：

步骤1、测量法向刚度时，将待测地脚支承置于主体框架中调整好位置，同时应用磁力表座安装调试好电涡流传感器，使两个电涡流传感器分别与地脚支承上的压块下表面与下部平台上表面保持有工作间隙，使用载荷加载***手动调节法向力，对地脚支承进行预加载，且预加载力为地脚支承所受的最大载荷，通过信号采集***收集处理的数据对加载力进行监控，以消除地脚支承初始间隙对地脚支承刚度的影响；

测量切向刚度时，将待测地脚支承置于主体框架中调整好位置，同时应用磁力表座安装调试好电涡流传感器，使电涡流传感器距地脚支承上部压块的切向加载***的远距离端的侧平面，保持有工作间隙，同时法向加载***对地脚支承法向施加实验所需载荷，再用切向加载***对地脚支承切向方向加载载荷，并通过信号采集***收集处理的数据对加载力进行监控，防止切向载荷过大导致地脚支承产生切向滑移。

步骤2、保持初始载荷一段时间，待磁力表座内残余应力完全释放后，即信号采集***集成的软件中采集到的位移变化不再随时间产生上升或下降趋向型波动时，对中空力传感器和电涡流传感器进行标定，并采集载荷与位移的信息。

步骤3、逐步对地脚支承上法向载荷进行卸载，每卸载一部分力后，就应用信号采集***采集相应载荷与位移的信息，并导入信号采集***相应软件中。

步骤4、将信号采集***中采集到的信息导出到相应软件，应用刚度定义式进行拟合，进而输出在不同加载条件下地脚支承的静刚度实验曲线。

切向刚度测量步骤同理故不赘述。

综上，本发明的地脚支承三向刚度快速测量装置，不仅可以快速实现载荷的准确加载，而且能够准确的测得其相应的变形位移，并且由收集到的试验数据数据经过相关软件拟合出的刚度曲与实际工况下的刚度偏差不超过10％，进而可以说在现有条件下可快速准确的测得地脚支承的三向静刚度线。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种快速测量地脚支承三向刚度的方法，基于测量不同规格地脚支承三向刚度的测量装置，包括金属工作台、主体框架、载荷加载***、位移测量***和信号采集***，所述主体框架安装于金属工作台上表面并采用半封闭式结构，由上部定位架和下部平台相互连接组成，所述上部定位架的顶部和侧部分别设置有法向压缸孔和切向压缸孔，所述下部平台的上表面设有T型槽，用于安装不同类型的地脚支承；所述法向压缸孔和切向压缸孔用于连接固定载荷加载***，所述载荷加载***包括依次相互连接的液压缸、法兰盘、传感器底座、传感器外壳与压头，所述传感器底座和传感器外壳中设置有中空力传感器，中空力传感器通过导线与信号采集***相连；所述位移测量***包括电涡流传感器和磁力表座，电涡流传感器的测量探头通过磁力表座安装于测量点位，所述电涡流传感器通过导线与所述信号采集***连接，用以实现地脚支承法向、切向变形的非接触测量与采集，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将待测地脚支承置于主体框架中调整好位置，同时应用磁力表座安装调试好电涡流传感器，使用载荷加载***手动调节法向力与切向力，对地脚支承进行预加载，且预加载力为地脚支承所受的最大载荷，通过信号采集***收集处理的数据对加载力进行监控，以消除地脚支承初始间隙对地脚支承刚度的影响及防止切向载荷过大导致地脚支承产生切向滑移；

(2)保持初始载荷10-20min，待磁力表座内残余应力完全释放后，即信号采集***处理得到的位移变化不再随时间产生上升或下降趋向型波动时，对中空力传感器和位移传感器进行标定，并采集力与位移的信息；

(3)逐步对地脚支承上法向力进行卸载，每卸载一部分力后，信号采集***采集的相应载荷与位移的信息；

(4)将信号采集***中采集到的信息导出到相应软件，应用刚度定义式进行拟合，进而输出在不同加载条件下地脚支承的静刚度实验曲线。

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