CN111596611A - 一种数控机床动力学特性测试分析*** - Google Patents

一种数控机床动力学特性测试分析*** Download PDF

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李鸿光
王箫剑
申振丰
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Abstract

本发明涉及数控机床技术领域，尤其涉及一种用于对数控机床的动力学特性进行测试分析的***。为方便相关技术人员准确了解数控机床的动力学特性，本发明提出一种数控机床动力学特性测试分析***，其中，激励装置与数据采集装置电连接并将激励模拟信号实时发送到数据采集装置中；传感装置布设在待测数控机床上的测试点，实时监测待测数控机床的振动并转化为振动模拟信号传输到数据采集装置中；数据采集装置将模拟信号分别转化为数字信号并传输到数据处理分析存储装置中；数据处理分析存储装置处理分析激励数字信号和振动数字信号，得到测试点的频率响应结果。本发明数控机床动力学特性测试分析***测试数控机床实物，得出的频率响应结果更为准确。

Description

一种数控机床动力学特性测试分析***
技术领域
本发明涉及数控机床技术领域，尤其涉及一种用于对数控机床的动力学特性进行测试分析的***。
背景技术
数控机床是一种适应性强、加工精度高的生产设备，广泛应用于各种生产领域。在运行过程中，数控机床中的主轴会因高速旋转而产生振动，并通过连接件将该振动传递到数控机床的各个部位。由此可见，在运行过程中，数控机床上各个部位的振动是不可避免的。另外，当数控机床上某一部位的固有频率与传递至该部位的振动的频率一致时，该部位就会产生强烈的共振，严重威胁数控机床的安全运行。为提高数控机床的运行安全性，相关技术人员在设计、试制及调试数控机床的过程中，需要对数控机床的动力学特性进行测试，以便于相关技术人员了解数控机床的动力学特性，并根据测试结果改进设计，调整运行参数，从而避免共振发生。
目前，本领域技术人员主要是利用有限元软件进行仿真试验来获取数控机床的动力学特性。但是，由于建模得到的试验模型与实物之间总会存在一定的差别，故仿真结果与实测结果必然会存在一定的偏差，进而导致相关技术人员尤其是设计人员无法准确了解数控机床的特性，更无法通过改进设计来避免数控机床上的共振发生。
发明内容
为方便相关技术人员准确了解数控机床的动力学特性，本发明提出一种数控机床动力学特性测试分析***，该数控机床动力学特性测试分析***包括激励装置、传感装置、数据采集装置和数据处理分析存储装置，所述激励装置与所述数据采集装置电连接并将激励模拟信号实时发送到所述数据采集装置中；所述传感装置布设在待测数控机床上的测试点，用于监测所述待测数控机床的振动并转化为振动模拟信号实时传输到所述数据采集装置中；所述数据采集装置将所述激励模拟信号和所述振动模拟信号分别转化为激励数字信号和振动数字信号并传输到所述数据处理分析存储装置中；所述数据处理分析存储装置对所述激励数字信号和所述振动数字信号进行处理分析，得到所述测试点的频率响应结果。
使用时，本发明数控机床动力学特性测试分析***通过激励装置敲击待测数控机床，激发待测数控机床各个部位振动，并将激励模拟信号实时传输到数据采集装置中；通过传感装置采集待测数控机床上各个测试点的振动并转化为振动模拟信号传输到数据采集装置中；数据采集装置将接收到的激励模拟信号和振动模拟信号转化为激励数字信号和振动数字信号并传输到数据处理分析存储装置中；数据处理分析存储装置对振动数字信号和激励数字信号进行处理分析，得到各个测试点的频率响应结果。由此可见，本发明数控机床动力学特性测试分析***通过对待测数控机床的振动情况进行实际测试，并对测试得到的数据进行处理分析，得出待测数控机床上各个测试点的频率响应结果，相较于现有技术中利用有限元仿真试验得到的仿真结果，更为准确。另外，相关技术人员可根据测试分析得出的频率响应结果绘制出各个测试点的频率响应曲线，确定各个测试点所在部位的固有频率，方便相关技术人员尤其是设计人员更为准确地了解待测数控机床的动力学特性，从而便于设计人员根据测试分析得到的频率响应结果对数控机床进行改进设计，便于使用人员根据测试分析得到的频率响应结果调整数控机床的运行参数，进而可避免数控机床在运行过程中发生共振，确保数控机床的加工质量和加工精度，提高数控机床的加工可靠性和安全性。
优选地，所述数据处理分析存储装置对所述激励数字信号进行快速傅里叶变换得到所述激励数字信号的傅里叶变换X(jω)，对所述振动数字信号进行快速傅里叶变换得到所述振动数字信号的傅里叶变换Y(jω)，并根据所述激励数字信号与所述振动数字信号的频率响应函数H(jω)计算得出所述测试点的频率响应结果，且
Figure BDA0002531749470000031
其中，
j为复数单位，
ω为频率。
这样，数据处理分析存储装置通过对激励数字信号和振动数字信号进行快速傅里叶变换处理，得到激励数字信号的傅里叶变换X(jω)和振动数字信号的傅里叶变换Y(jω)，从而根据频率响应函数H(jω)计算得出的测试点的频率响应结果准确，方便相关技术人员根据各个测试点对应的频率响应结果绘制处各个测试点的频率响应曲线，以确定各个测试点所在部位的固有频率，从而判定测试点是否有共振发生，进而方便设计人员根据测试分析得到的频率响应结果对数控机床进行改进设计，方便使用人员根据测试分析得到的频率响应结果调整数控机床的运行参数，以避免数控机床在运行过程中发生共振，提高数控机床的加工质量、精度、可靠性和安全性。
优选地，所述数据处理分析存储装置包括处理分析模块和存储模块，所述处理分析模块用于对所述激励数字信号和所述振动数字信号进行处理分析；所述存储模块与所述处理分析模块电连接，用于存储监测数据及所述测试点的频率响应结果。这样，利用数据分析模块对激励数字信号和振动数字信号进行处理分析，方便快捷；利用存储模块对监测数据及处理分析模块处理分析得到的频率响应结果进行存储，方便相关技术人员在需要时查看。进一步地，所述数据处理分析存储装置还包括显示模块，该显示模块与所述存储模块电连接，用于显示所述监测数据及所述频率响应结果。这样，在使用过程中，相关技术人员可根据需要调取监测数据及频率响应结果在显示模块中显示，查看方便。进一步优选地，所述数据处理分析存储装置可选用PC机或工作站，选取简单方便。
优选地，所述激励装置中设置有力传感器，该力传感器与所述数据采集装置电连接，用于实时监测所述激励装置的激励力并转化为所述激励模拟信号传输到所述数据采集装置中。这样，在激励装置敲击待测数控机床时，内置在激励装置中的力传感器可以实时精准得监测到激励装置的激励力信号，进而可提高数据处理分析存储装置处理分析得出的测试点的频率响应结果的精准度。进一步地，所述激励装置可选用力锤或激振器。这样的激励装置选取方便，安装及使用操作简单。
优选地，所述传感装置中设置有多个与所述数据采集装置电连接的振动传感器，所述振动传感器布设在所述待测数控机床上的测试点，且所述测试点分布在所述待测数控机床的主轴、装夹平台和床身上。这样，传感装置可利用布设在不同测试点的振动传感器对相应的测试点的振动进行实时监测，从而可获知待测数控机床上不同部位的振动情况，进而可确定待测数控机床各个部位的固有频率及其是否有发生共振，以方便数控机床的设计人员改进设计，使用人员调整运行参数，避免待测数控机床在运行过程中发生共振。进一步地，所述振动传感器可选用加速度传感器、速度传感器或位移传感器，选取及使用方便。
优选地，所述数据采集装置可选用数据采集仪，选材简单方便。
附图说明
图1为本发明数控机床动力学特性测试分析***的结构框图；
图2为本发明数控机床动力学特性测试分析***中传感装置中的振动传感器在待测数控机床上的布设示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的各实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。
除非语境有其它需要，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”和其变型，诸如“包含”和“具有”应被理解为开放的、包含的含义，即应解释为“包括，但不限于”。
在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。
如该说明书和所附权利要求中所用的单数形式“一”和“所述”包括复数指代物，除非文中清楚地另外规定。应当指出的是术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非文中清楚地另外规定。
在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。
下面，结合图1和2对本发明数控机床动力学特性测试分析***进行详细说明。
如图1所示，本发明数控机床动力学特性测试分析***包括激励装置100、传感装置200、数据采集装置300及数据处理分析存储装置400。其中，激励装置100与数据采集装置300电连接，并在激励装置100敲击待测数控机床500时将激励模拟信号实时发送到数据采集装置300中。优选地，激励装置100中设置有力传感器101，该力传感器101与数据采集装置300电连接，且当激励装置100敲击待测数控机床500时，力传感器101对激励装置100的激励力进行监测并转化为激励模拟信号实时传输到数据采集装置300中。优选地，激励装置100可选用力锤或激振器。这样的激励装置100选取方便，安装及使用操作简单。
传感装置200布设在待测数控机床500上的测试点，用于监测待测数控机床500的振动并转化为振动模拟信号实时传输到数据采集装置300中。优选地，传感装置200中设置有多个与数据采集装置300电连接的振动传感器201，如图2所示，振动传感器201布设在分布在待测数控机床500的主轴501、装夹平台502及床身503上的测试点，并将监测到的振动信号转化为振动模拟信号实时传输到数据采集装置300中。由于待测数控机床500为对称结构，为获取待测数控机床500更多的动态特性即动力学特性，振动传感器201在待测数控机床500上呈不对称布设。另外，由于模态振型的节点在理论上是不振动的，故在具体安装本发明数控机床动力学特性测试分析***时，传感装置200中的振动传感器201需避开模态振型的节点，具体布设可根据测试需要设定测试点的数量及位置。优选地，振动传感器可选用加速度传感器、速度传感器或位移传感器，比如，Kistler 8763B型压电式加速度传感器，选取及使用方便。
数据采集装置300在接收到激励模拟信号后，将该激励模拟信号转化为激励数字信号并传输到数据处理分析存储装置400中；在接收到振动模拟信号后，将该振动模拟信号转化为振动数字信号并传输到数据处理分析存储装置400中。优选地，数据采集装置300可选用数据采集仪，比如，SIEMENS LMS SCADAS XS数据采集仪，选材简单方便。
数据处理分析存储装置400对激励数字信号和振动数字信号进行处理分析，得到各个测试点的频率响应结果。优选地，数据处理分析存储装置400包括数据处理分析模块401、存储模块402和显示模块403，其中，数据处理分析模块401用于对激励数字信号和振动数字信号进行处理分析；存储模块402与数据处理分析模块401电连接，用于存储监测数据及测试点的频率响应结果；显示模块403与存储模块402电连接，用于显示监测数据及频率响应结果。这样，利用数据处理分析模块401对激励数字信号和振动数字信号进行处理分析，方便快捷；利用存储模块402对监测数据及数据处理分析模块401处理分析得到的频率响应结果进行存储，方便相关技术人员在需要时查看；在使用过程中，相关技术人员可根据需要调取监测数据及频率响应结果在显示模块403中显示，查看方便。优选地，数据处理分析存储装置400可选用PC机或工作站，选取简单方便。优选地，数据处理分析存储装置400中的数据处理分析模块401在对激励数字信号和振动数字信号进行处理分析时，先对激励数字信号进行快速傅里叶变换得到激励数字信号的傅里叶变换X(jω)，对振动数字信号进行快速傅里叶变换得到振动数字信号的傅里叶变换Y(jω)；再根据激励数字信号和振动数字信号的频率响应函数H(jω)计算得出振动数字信号对应的测试点的频率响应结果，且
Figure BDA0002531749470000081
其中，
j为复数单位，
ω为频率。
这样，数据处理分析存储装置400通过对激励数字信号和振动数字信号进行快速傅里叶变换处理，得到激励数字信号的傅里叶变换X(jω)和振动数字信号的傅里叶变换Y(jω)，从而根据频率响应函数H(jω)计算得出测试点的频率响应结果。这样计算得出的频率响应结果准确，方便相关技术人员根据各个测试点对应的频率响应结果确定测试点所在部位的固有频率，从而判定测试点是否有共振发生，进而方便设计人员根据测试分析得到的频率响应结果对数控机床进行改进设计，方便使用人员根据测试分析得到的频率响应结果调整数控机床的运行参数，以避免数控机床在运行过程中发生共振，提高数控机床的加工质量、精度、可靠性和安全性。
使用时，先在数控机床保持关机状态时通电并启动本发明数控机床动力学特性测试分析***中的力锤、传感装置、数据采集仪和PC机。本发明数控机床动力学特性测试分析***的工作过程如下：
利用力锤随意敲击待测数控机床的某一位置，比如主轴，激发待测数控机床的各个部位振动，同时，力锤中的力传感器将监测到的激励力信号转化为激励模拟信号并实时传输到数据采集仪中；
当待测数控机床上的振动传递到各个测试点时，传感装置中布设在各个测试点的振动传感器对各个测试点的振动进行监测，并将监测到的振动信号转化为振动模拟信号实时传输到数据采集仪中；
数据采集仪分别将接收到的激励模拟信号和振动模拟信号转化为激励数字信号和振动数字信号并传输到PC机中并存储在PC机中的存储模块中；
PC机在接收到激励数字信号和振动数字信号后，分别对激励数字信号和与各个测试点对应的振动数字信号进行快速傅里叶变换处理，得到激励数字信号的傅里叶变换X(jω)和振动数字信号的傅里叶变换Y(jω)，接着利用频率响应函数
Figure BDA0002531749470000091
计算出各个振动数字信号对应的测试点的频率响应结果，并存储到PC机中的存储模块中。
这样，相关技术人员可将计算得出的各个测试点的频率响应结果绘制各个测试点的频率响应曲线，从而确定各个测试点所在部位的固有频率，方便相关技术人员判断各个测试点在待测数控机床运行过程中是否发生共振，从而方便设计人员根据测试分析得到的频率响应结果对数控机床进行改进设计，方便使用人员根据测试分析得到的频率响应结果调整数控机床的运行参数，进而可避免数控机床在运行过程中发生共振，确保数控机床的加工质量和加工精度，提高数控机床的加工可靠性和安全性。
综上，本发明数控机床动力学特性测试分析***通过对待测数控机床的振动情况进行实际测试，并对测试得到的数据进行处理分析，得出待测数控机床上各个测试点的频率响应结果，相较于现有技术中利用有限元仿真试验得到的仿真结果，更为准确。相关技术人员可根据频率响应结果绘制各个测试点的频率响应曲线，确定各个测试点所在部位的固有频率，判断各个测试点在待测数控机床运行过程中是否发生共振，方便相关技术人员尤其是设计人员更为准确地了解待测数控机床的动力学特性，从而便于设计人员根据测试分析得到的频率响应结果对数控机床进行改进设计，便于使用人员根据测试分析得到的频率响应结果调整数控机床的运行参数，进而可避免数控机床在运行过程中发生共振，确保数控机床的加工质量和加工精度，提高数控机床的加工可靠性和安全性。另外，本发明数控机床动力学特性测试分析***中采用的设备均为通用设备，且设备数量少，安装简单，操作方便，对测试人员的专业性要求低，使用成本低。
以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，若需要，能修改实施例的方面来采用各种专利、申请和出版物的方面、特征和构思来提供另外的实施例。
考虑到上文的详细描述，能对实施例做出这些和其它变化。一般而言，在权利要求中，所用的术语不应被认为限制在说明书和权利要求中公开的具体实施例，而是应被理解为包括所有可能的实施例连同这些权利要求所享有的全部等同范围。

Claims (10)

1.一种数控机床动力学特性测试分析***，其特征在于，该数控机床动力学特性测试分析***包括激励装置、传感装置、数据采集装置和数据处理分析存储装置，所述激励装置与所述数据采集装置电连接并将激励模拟信号实时发送到所述数据采集装置中；所述传感装置布设在待测数控机床上的测试点，用于实时监测所述待测数控机床的振动并转化为振动模拟信号传输到所述数据采集装置中；所述数据采集装置将所述激励模拟信号和所述振动模拟信号分别转化为激励数字信号和振动数字信号并传输到所述数据处理分析存储装置中；所述数据处理分析存储装置对所述激励数字信号和所述振动数字信号进行处理分析，得到所述测试点的频率响应结果。
2.根据权利要求1所述的数控机床动力学特性测试分析***，其特征在于，所述数据处理分析存储装置对所述激励数字信号进行快速傅里叶变换得到所述激励数字信号的傅里叶变换X(jω)，对所述振动数字信号进行快速傅里叶变换得到所述振动数字信号的傅里叶变换Y(jω)，并根据所述激励数字信号与所述振动数字信号的频率响应函数H(jω)计算得出所述测试点的频率响应结果，且
Figure FDA0002531749460000011
其中，
j为复数单位，
ω为频率。
3.根据权利要求2所述的数控机床动力学特性测试分析***，其特征在于，所述数据处理分析存储装置包括处理分析模块和存储模块，所述处理分析模块用于对所述激励数字信号和所述振动数字信号进行处理分析；
所述存储模块与所述处理分析模块电连接，用于存储监测数据及所述测试点的频率响应结果。
4.根据权利要求3所述的数控机床动力学特性测试分析***，其特征在于，所述数据处理分析存储装置还包括显示模块，该显示模块与所述存储模块电连接，用于显示所述监测数据及所述频率响应结果。
5.根据权利要求4所述的数控机床动力学特性测试分析***，其特征在于，所述数据处理分析存储装置可选用PC机或工作站。
6.根据权利要求1-4中任意一项所述的数控机床动力学特性测试分析***，其特征在于，所述激励装置中设置有力传感器，该力传感器与所述数据采集装置电连接，用于监测所述激励装置的激励力并转化为所述激励模拟信号实时传输到所述数据采集装置中。
7.根据权利要求6所述的数控机床动力学特性测试分析***，其特征在于，所述激励装置可选用力锤或激振器。
8.根据权利要求1-4中任意一项所述的数控机床动力学特性测试分析***，其特征在于，所述传感装置中设置有多个与所述数据采集装置电连接的振动传感器，所述振动传感器布设在所述待测数控机床上的测试点，且所述测试点分布在所述待测数控机床的主轴、装夹平台和床身上。
9.根据权利要求8所述的数控机床动力学特性测试分析***，其特征在于，所述振动传感器可选用加速度传感器、速度传感器或位移传感器。
10.根据权利要求1-4中任意一项所述的数控机床动力学特性测试分析***，其特征在于，所述数据采集装置可选用数据采集仪。
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