機(jī)床振動掃頻系統(tǒng)設(shè)計與研究

摘 要 本文在分析機(jī)床振動掃頻系統(tǒng)設(shè)計的理論基礎(chǔ)上，通過虛擬儀器LabVIEW與NIPXI的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，設(shè)計了具有掃頻功能的測試系統(tǒng)用于鏜桿動態(tài)性能的掃頻激振試驗，結(jié)果顯示該系統(tǒng)設(shè)計科學(xué)合理，并具有良好的準(zhǔn)確性和精度。

關(guān)鍵詞 機(jī)床振動；掃頻系統(tǒng)；工作原理；設(shè)計；掃頻試驗

中圖分類號 TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)052-0198-02

在對機(jī)床進(jìn)行動力學(xué)研究的過程中，需要對機(jī)床進(jìn)行各種必要的機(jī)械振動方面的測試與診斷。由于在傳統(tǒng)的機(jī)床振動測試方法中，所運(yùn)用到的測試儀器存在靈活性低、攜帶不便、造價成本過高的缺點(diǎn)，使得機(jī)床振動測試的應(yīng)用受到一定的限制。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)械振動的測試技術(shù)得以日益提升，機(jī)械振動的測試技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

1 機(jī)床振動掃頻系統(tǒng)設(shè)計的理論基礎(chǔ)

穩(wěn)態(tài)正弦信號、瞬態(tài)信號、純隨機(jī)信號及周期信號是模態(tài)試驗中最常見的四種激勵信號。穩(wěn)態(tài)正弦測試是簡諧激振的一種主要形式，它是指在選定的頻率段范圍及振動坐標(biāo)內(nèi)，將一定量級的簡諧激振力施加在測試對象的結(jié)構(gòu)上，以便能夠?qū)⒓ふ窳Α㈨憫?yīng)信號準(zhǔn)確地測試出來。穩(wěn)態(tài)正弦信號具有較強(qiáng)的激勵能量，能夠有效地集中到單一頻率上，因此，測量信號的信噪比相對較高，測試準(zhǔn)確度高，更重要的是測試信號的幅值與頻率易于控制。具體通過單自由度振動系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的

說明。

單自由度振動系統(tǒng)振動微分方程式為：

mx+cx+kx=f（t） （1）

其中：m表示單自由度振動系統(tǒng)的系統(tǒng)質(zhì)量；c表示系統(tǒng)中的粘性阻尼系數(shù)；k表示振動系統(tǒng)中的剛度。

假設(shè)系統(tǒng)作用的簡諧激勵為：

f（t）=Fejωt （2）

其中，F(xiàn)表示系統(tǒng)中的激勵幅值；ω表示系統(tǒng)中的激勵頻率。而此時，穩(wěn)態(tài)位移響應(yīng)x=Xejωt

從（1）（2）兩式中可以得出，在簡諧激勵的作用下，其系統(tǒng)位移頻響函數(shù)主要是穩(wěn)態(tài)位移響應(yīng)與激勵幅值的比值，也就是：

H（ω）= （3）

由上述方程式可以看出，系統(tǒng)位移頻響函數(shù)主要取決于m，c，k三個參數(shù)，因而可以通過改變參數(shù)ω的方式來得到頻響曲線。

頻響函數(shù)的測試原理主要是通過FFT 將采集到的離散序列、激振信號及振動信號直接轉(zhuǎn)換成頻域信號、自功率譜及互功率譜。而機(jī)床振動掃頻的測試實驗原理與此相同，都需將激勵頻率加以改變才能繪制好頻響曲線。

2 機(jī)床振動掃頻系統(tǒng)設(shè)計的實驗方案

2.1 系統(tǒng)設(shè)計的實驗原理

本設(shè)計實驗以PXI-1042Q機(jī)箱為主體，通過計算機(jī)硬件系統(tǒng)、PXI-6251數(shù)據(jù)采集板卡、BNC-2120屏蔽接線盒以及PXI 模塊化儀器等研制出一個機(jī)床振動測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)的實驗原理主要是利用軟件系統(tǒng)將正選掃頻信號直接發(fā)出，然后由PXI-6251數(shù)據(jù)采集板卡將正選掃頻信號轉(zhuǎn)化成模擬電壓信號，接著由BNC-2120 屏蔽接線盒將其信號傳遞到功率放大器，激振器接受功率放大后，其電信號就會出現(xiàn)不同頻率、波形、幅值的激勵值，但均可通過軟件系統(tǒng)加以控制。同時，在激振器與測試對象的相連部位，通過阻抗頭CL-YD-331A能夠?qū)⒓铀俣扰c力信號直接輸出到電荷放大器上，再通過A/D的 轉(zhuǎn)換處理，并在軟件系統(tǒng)中對其信號予以一定的處理，如響應(yīng)信號平均處理、工程單位換算處理等。待以上所有的過程全部完成后，便可得到頻率響應(yīng)函數(shù)的幅值頻率曲線及相位頻率曲線。需注意的是，對于每一次的測試結(jié)果必須以文件方式進(jìn)行保存，這樣可邊讀取邊進(jìn)行曲線生成的數(shù)據(jù)分析。該系統(tǒng)的實驗原理圖如圖1所示。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

圖2 激振參數(shù)設(shè)置

該軟件系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)在于具有產(chǎn)生掃頻信號、處理采集信號、數(shù)據(jù)導(dǎo)出及頻域分析的功能。在系統(tǒng)的初始化階段，將會選擇不同通道來設(shè)置信號輸入輸出值，如以方波、三角波或正弦波三種中的任意一種作為激勵信號，同時將信號的幅值相應(yīng)的設(shè)置好。在參數(shù)的設(shè)置界面的設(shè)置過程中，會將加速度傳感器的靈敏度和力傳感器靈敏度考慮到設(shè)置范圍內(nèi)，同時生成的系統(tǒng)實驗曲線將會按照工程單位換算方法將統(tǒng)一換算成國際標(biāo)準(zhǔn)單位值。此外還將通過參數(shù)菜單設(shè)置好初始激振頻率、截止頻率及兩者的頻率間隔，激振參數(shù)設(shè)置如圖2所示。系統(tǒng)中的正弦波形的輸出頻率范圍在0 KHz-10 KHz之間，加速度與力信號的采樣頻率范圍也在

0 KHz-10 KHz不斷變化。在激振中，將會有位移幅值頻域圖、時域響應(yīng)圖、相位頻域圖得以生成，這些圖可為機(jī)床振動掃頻的實驗過程分析提供一定的指導(dǎo)作用，不過若要充分進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，需在指定路徑導(dǎo)出試驗數(shù)據(jù)后方可進(jìn)行。

3 機(jī)床振動掃頻試驗與對比

圖3 幅值頻譜圖與與之對應(yīng)的相位頻譜圖

此次機(jī)床振動掃頻測試系統(tǒng)的測量工作主要在長度為440 mm，對直徑為40 mm的鏜桿動態(tài)特性中進(jìn)行。所需要的實驗儀器如下所示：靈敏度為3.09 PC/N的加速度計，靈敏度為4.49 PC/ms^2的力傳感器，JZK-5的激振器、CL-YD-331A和阻抗頭，其參數(shù)設(shè)置如上圖2所示，采樣時鐘頻率和掃頻采樣頻率達(dá)到10 000 Hz，初始頻率為50 Hz，掃描頻段要50 Hz-650 Hz之間，以0.5 Hz的間隔進(jìn)行一次掃描。

鏜桿的支撐方式主要通過刀架固定鏜桿一端，另一端可自由懸臂，由于試驗要求的頻率較高，因此激振器固定方式可以采用彈性固定的方法，以柔性的膠繩進(jìn)行懸掛，并確保阻抗頭與激振器及鏜桿之間的連接，但是阻抗頭與鏜桿之間的連接方式最好采用雙頭螺釘?shù)膭傂赃B接方式，這樣能夠保證阻抗頭與激振器之間是以彈性桿存在的。

如圖3所顯示的鏜桿位移幅值頻譜圖，第一階段顯示的位移幅值頻率約為147 Hz，第二階位移幅值頻率約為347 Hz，第三階段位移幅值頻率約為599 Hz，而其振動峰值恰好在此時達(dá)到了最大，從與之相對應(yīng)的相位頻譜圖可以看出，其相位差為90°，完全與單自由度振動理論相符合。

為了確保測量的準(zhǔn)確性，本文對此實驗測量進(jìn)行驗證，在條件相同的情況下，通過BK的3560C信號分析儀及與之相配套的pulse的錘擊模態(tài)進(jìn)行了試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，前三階段的固有頻率值如下所示：第一階段為148.5 Hz，第二階351 Hz，第三階589 Hz。將掃頻系統(tǒng)與BK錘擊試驗之間的結(jié)果進(jìn)行對比分析如表1，不難發(fā)現(xiàn)，前三階的固有頻率相差率基本處在1.5%以內(nèi)，這充分說明了機(jī)床振動掃頻實驗系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確性與精度較高。

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