[发明专利]机床振动测试的载荷与响应信号同步采集系统及其方法

说明书

技术领域

本发明属于机床振动测试领域，特别涉及一套机床振动测试系统，尤其是涉及一套机床振动测试的载荷与响应信号同步采集系统。

背景技术

数控机床是实现装备制造业现代化的重要基础装备，其性能是衡量一个国家工业现代化水平、综合国力的重要标志。随着数控机床向高精化、复合化、重载化方向发展，对机床加工过程中各零件及整机的振动性能提出了越来越高的要求。机床振动不仅影响机床的加工精度和加工表面质量，还影响加工精度稳定性和机床的使用可靠性，因此对机床的振动性能进行分析尤为必要。

目前常用的机床振动性能分析方法有两种，第一种是有限元仿真法，第二种是试验测试法。对机床的振动性能进行有限元仿真分析时，由于机床结构特征、零件间结合面和实际工作状况等问题的复杂性，目前仍难以准确、高效地通过有限元法仿真出机床的振动性能。试验测试法是最直接、有效的分析方法，目前常用的试验测试方法可分为两种，一种方法是在机床实际加工过程中测量零件和整机的振动。但由于精密机床的切削力较小，且实际加工过程的振动较小，难以准确测量载荷和振动响应信号；多轴加工中心和重型机床加工过程复杂，难以布置响应传感器，限制了该方法的应用。另外一种是采用冲击力锤激励机床零件，并通过传感器测量零件响应，从而得到零件的振动性能。但该方法一般用于对机床的单个零件进行激励和振动信号采集，而且由于冲击力锤的激振力能量有限，难以激励起大型机床和重载机床的振动，限制了其应用。

另外，目前对机床的振动性能进行试验测试时，常用的方法是对机床施加振动激励，采用力传感器测量激振力信号，采用加速度传感器测量振动响应信号，然后对加速度信号进行二次积分，得到机床的位移信号。例如2011年9月7日申请公布的CN 102175436 A中国发明专利公布了一种基于MEMS的机床主轴动刚度的测试方法，该方法采用力传感器测量主轴承受的力载荷，采用加速度传感器测量主轴的加速度。通过在时域内对加速度信号进行二次积分，得到主轴的位移信号。由于振动响应信号延迟于施加的激励信号，采集得到的激振力和加速度信号间存在相位差。而且由于采用加速度传感器测量低频信号容易失真，且测得的信号中存在高频噪声，直接在时域内对振动信号进行二次积分会导致微小误差的放大，因此该方法求解出的位移误差较大。

发明内容

本发明的目的是针对目前机床振动测试技术存在的不足，提出一种机床振动测试的载荷与响应信号同步采集系统及其方法，该测试系统能够提供稳定的动态激振力，并且能同步采集激振力和机床的振动响应信号，避免了信号延迟造成的测量误差，并能滤除加速度信号中的误差，能准确分析机床各零件和整机的动态振动响应，具有测试准确、操作简单等优点。

本发明提出的一种机床振动测试的载荷与响应信号同步采集系统，其特征在于，该系统包括激励子系统、响应信号采集子系统、数据采集前端和数据处理器四个部分；其中，激励子系统包括功率放大器、激振器和激振杆；该激振器的输入端通过功率放大器与数据采集前端的一个输出端连接；激振器的输出端连接激振杆的一端，激振杆的另一端与响应信号采集子系统的力传感器相连；

响应信号采集子系统包括一个力传感器、多个加速度传感器和多个电荷放大器；该力传感器的输入端通过螺纹安装在激励子系统的激振杆的一端上，力传感器的输出端连接电荷放大器的输入端；各加速度传感器的输出端连接一个电荷放大器；

数据采集前端的输入端通过响应信号采集子系统的电荷放大器与力传感器和各加速度传感器连接；数据采集前端的一个输出端通过激励子系统的功率放大器与激振器连接，另外一个输出端与数据处理器的输入端相连，该数据处理器预先存储有对载荷和响应信号进行数据处理的程序。

利用上述机床振动测试的载荷与响应信号同步采集系统的同步采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）启动同步采集系统，使其处于正常工作状态，并调试力传感器和加速度传感器的量程；

2）数据采集前端提供稳态正弦激励信号，稳态正弦激励信号经过功率放大器进行功率放大后转换电信号，驱动激振器正常工作，激振器工作时由激振杆输出动态激振力；

3）激振杆通过力传感器对机床主轴施加动态激励，由力传感器采集动态激励信号，经过电荷放大器放大后传输至数据采集前端，得到动态激振力信号f(t)；

4）预先在需要测试机床振动性能的多个位置通过磁力座分别安装一个加速度传感器；每个加速度传感器采集相应位置的加速度信号，经过电荷放大器放大后传输至数据采集前端，得到各测试位置在所测试方向上的加速度响应信号a(t)；