[发明专利]一种自动脉冲激励频响测试装置及方法

说明书

本发明公开了一种自动脉冲激励频响测试装置及方法，包括电源、控制器、电磁驱动器、执行器、抗混叠滤波器、数据采集卡、计算机，电源分别与控制器和电磁驱动器连接，控制器分别与数据采集卡和电磁驱动器连接，电磁驱动器驱动执行器，执行器将结果输送至数据采集卡，数据采集卡连接计算机进行结果分析，计算机通过数据采集卡对控制器发出相应指令，力传感器输出的力信号分成并行的两路信号：一路输送至控制器形成力反馈回路，确保锤头迅速缩回以得到理想的力脉冲信号；一路与位移传感器信号经抗混叠滤波器和数据采集卡输送至计算机进行力信号与位移信号的分析。本发明系统稳定性高、响应速度快，整体结构紧凑、操作简单、携带方便且成本低廉。

技术领域

本发明涉及一种自动脉冲激励频响测试装置及方法，尤其涉及一种通过力传感器力信号的反馈与识别得到理想力脉冲信号的自动脉冲激励频响测试装置，属于模态测试设备领域。

背景技术

数控机床动态特性是影响机床加工质量和加工效率的关键特性，其主要指标包括：固有频率、阻尼比、静刚度、动刚度以及动柔度。模态测试常用于获取机床动态特性，其关键问题之一是要测得较为准确的频率响应函数数据，只有在此基础上才能准确识别出模态参数。

宽频激励是准确获取机床动态特性的要求之一，即要求输入力持续时间接近于零，力幅度无限大，冲量为一个单位。传统锤击试验一般是在机床主轴刀尖部位通过人工操作激振力锤进行脉冲激励以获取刀具主轴系统的频率响应函数。但是，人工敲击时每次锤击力的大小、方向以及激励时间难以控制，敲击过重、过轻或者双击等操作都会影响频响分析精度。敲击过重，容易产生负载；敲击过轻，无法激起各阶模态；对脉冲持续时间把握不好，容易出现双击现象，导致反复敲击。因此，响应速度快(即防止双击)、力大小可调是自动脉冲激励频响测试装置的关键问题，对于解决目前模态测试时出现的由人为操作导致的效率低、精度差等问题十分重要。

现有技术中，常见的脉冲激励方式大体分为机械式和电子式。机械式力锤主要依靠杠杆原理或急回机构等机械原理工作。例如，公告号为CN105973560A的中国发明专利，公开了“自动柔性力锤模块”，其通过电机转动带动凸轮旋转结合回复弹簧作用使柔性锤柄(即杠杆)上下运动从而产生敲击动作。此种机械式力锤存在缺陷，由于凸轮等机械运动存在“死点”且步进电机响应速度不够快，因而采用机械式力锤，存在脉冲持续时间不好控制、易产生双击等问题；电子式力锤是利用电磁感应原理，通过控制电磁线圈的通断电来控制中心衔铁的伸缩。比如公告号为CN102879167A的中国发明专利，公开了“工作台式电子冲击力锤”，其通过BCD开关调节脉冲时间从而控制推拉式电磁铁的通电时间。此种控制方式存在缺陷，由于敲击前需要根据预先设置好的脉冲时间估计和调整冲击头与刀柄之间的相对距离来得到理想的敲击力信号，因而采用此种控制方式进行敲击，存在实验准备时间长、操作复杂、敲击力信号难以趋于理想的问题。

另外，随着机床智能化要求提高，亟待设计一种响应速度快、操作简单、连续性好的自动脉冲激励频响测试装置以实现机床动态特性自动化测试，并与数控系统相连实现机床的自感知能力，为机床切削参数的在线自动优选提供基础数据。

发明内容

本发明的目的在于克服传统人为激励中敲击力大小和方向难以保持一致且易产生连击等不足，解决现有技术中存在的可操作性差、敲击结果不理想的问题；提供一种基于力反馈控制的自动脉冲激励频响测试装置，该装置控制简单、易操作，实现了冲击力的可调节性和可重复性，能够保证锤头与测试结构之间的接触时间以得到理想的力脉冲；并以此装置为基础，提出了一种自动频响测试方法，实现机床频响测试的自动化、数字化和高效化。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：