【机床振动扫频系统设计与研究】正旋扫频模拟电机振动

时间：2019-05-17 03:13:56　来源：雅意学习网本文已影响人

　　摘?要本文在分析机床振动扫频系统设计的理论基础上，通过虚拟仪器LabVIEW与NIPXI的数据采集系统，设计了具有扫频功能的测试系统用于镗杆动态性能的扫频激振试验，结果显示该系统设计科学合理，并具有良好的准确性和精度。
　　关键词机床振动；扫频系统；工作原理；设计；扫频试验
　　中图分类号 TP368 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)052-0198-02
　　在对机床进行动力学研究的过程中，需要对机床进行各种必要的机械振动方面的测试与诊断。由于在传统的机床振动测试方法中，所运用到的测试仪器存在灵活性低、携带不便、造价成本过高的缺点，使得机床振动测试的应用受到一定的限制。随着科学技术的不断进步，机械振动的测试技术得以日益提升，机械振动的测试技术也得到了广泛的应用和发展。
　　1 机床振动扫频系统设计的理论基础
　　稳态正弦信号、瞬态信号、纯随机信号及周期信号是模态试验中最常见的四种激励信号。稳态正弦测试是简谐激振的一种主要形式，它是指在选定的频率段范围及振动坐标内，将一定量级的简谐激振力施加在测试对象的结构上，以便能够将激振力、响应信号准确地测试出来。稳态正弦信号具有较强的激励能量，能够有效地集中到单一频率上，因此，测量信号的信噪比相对较高，测试准确度高，更重要的是测试信号的幅值与频率易于控制。具体通过单自由度振动系统进行详细的
　　说明。
　　单自由度振动系统振动微分方程式为：
　　mx+cx+kx=f（t）（1）
　　其中：m表示单自由度振动系统的系统质量；c表示系统中的粘性阻尼系数；k表示振动系统中的刚度。
　　假设系统作用的简谐激励为：
　　f（t）=Fejωt （2）
　　其中，F表示系统中的激励幅值；ω表示系统中的激励频率。而此时，稳态位移响应x=Xejωt
　　从（1）（2）两式中可以得出，在简谐激励的作用下，其系统位移频响函数主要是稳态位移响应与激励幅值的比值，也就是：
　　H（ω）= （3）
　　由上述方程式可以看出，系统位移频响函数主要取决于m，c，k三个参数，因而可以通过改变参数ω的方式来得到频响曲线。
　　频响函数的测试原理主要是通过FFT 将采集到的离散序列、激振信号及振动信号直接转换成频域信号、自功率谱及互功率谱。而机床振动扫频的测试实验原理与此相同，都需将激励频率加以改变才能绘制好频响曲线。
　　2 机床振动扫频系统设计的实验方案
　　2.1 系统设计的实验原理
　　本设计实验以PXI-1042Q机箱为主体，通过计算机硬件系统、PXI-6251数据采集板卡、BNC-2120屏蔽接线盒以及PXI 模块化仪器等研制出一个机床振动测试系统。该测试系统的实验原理主要是利用软件系统将正选扫频信号直接发出，然后由PXI-6251数据采集板卡将正选扫频信号转化成模拟电压信号，接着由BNC-2120 屏蔽接线盒将其信号传递到功率放大器，激振器接受功率放大后，其电信号就会出现不同频率、波形、幅值的激励值，但均可通过软件系统加以控制。同时，在激振器与测试对象的相连部位，通过阻抗头CL-YD-331A能够将加速度与力信号直接输出到电荷放大器上，再通过A/D的转换处理，并在软件系统中对其信号予以一定的处理，如响应信号平均处理、工程单位换算处理等。待以上所有的过程全部完成后，便可得到频率响应函数的幅值频率曲线及相位频率曲线。需注意的是，对于每一次的测试结果必须以文件方式进行保存，这样可边读取边进行曲线生成的数据分析。该系统的实验原理图如图1所示。
　　2.2 软件系统设计
　　图2 激振参数设置
　　该软件系统的最大优点在于具有产生扫频信号、处理采集信号、数据导出及频域分析的功能。在系统的初始化阶段，将会选择不同通道来设置信号输入输出值，如以方波、三角波或正弦波三种中的任意一种作为激励信号，同时将信号的幅值相应的设置好。在参数的设置界面的设置过程中，会将加速度传感器的灵敏度和力传感器灵敏度考虑到设置范围内，同时生成的系统实验曲线将会按照工程单位换算方法将统一换算成国际标准单位值。此外还将通过参数菜单设置好初始激振频率、截止频率及两者的频率间隔，激振参数设置如图2所示。系统中的正弦波形的输出频率范围在0 KHz-10 KHz之间，加速度与力信号的采样频率范围也在
　　0 KHz-10 KHz不断变化。在激振中，将会有位移幅值频域图、时域响应图、相位频域图得以生成，这些图可为机床振动扫频的实验过程分析提供一定的指导作用，不过若要充分进行数据分析，需在指定路径导出试验数据后方可进行。
　　3 机床振动扫频试验与对比
　　图3 幅值频谱图与与之对应的相位频谱图
　　此次机床振动扫频测试系统的测量工作主要在长度为440 mm，对直径为40 mm的镗杆动态特性中进行。所需要的实验仪器如下所示：灵敏度为3.09 PC/N的加速度计，灵敏度为4.49 PC/ms^2的力传感器，JZK-5的激振器、CL-YD-331A和阻抗头，其参数设置如上图2所示，采样时钟频率和扫频采样频率达到10?000 Hz，初始频率为50 Hz，扫描频段要50 Hz-650 Hz之间，以0.5 Hz的间隔进行一次扫描。
　　镗杆的支撑方式主要通过刀架固定镗杆一端，另一端可自由悬臂，由于试验要求的频率较高，因此激振器固定方式可以采用弹性固定的方法，以柔性的胶绳进行悬挂，并确保阻抗头与激振器及镗杆之间的连接，但是阻抗头与镗杆之间的连接方式最好采用双头螺钉的刚性连接方式，这样能够保证阻抗头与激振器之间是以弹性杆存在的。
　　如图3所显示的镗杆位移幅值频谱图，第一阶段显示的位移幅值频率约为147 Hz，第二阶位移幅值频率约为347 Hz，第三阶段位移幅值频率约为599 Hz，而其振动峰值恰好在此时达到了最大，从与之相对应的相位频谱图可以看出，其相位差为90°，完全与单自由度振动理论相符合。
　　为了确保测量的准确性，本文对此实验测量进行验证，在条件相同的情况下，通过B&K的3560C信号分析仪及与之相配套的pulse的锤击模态进行了试验，结果发现，前三阶段的固有频率值如下所示：第一阶段为148.5 Hz，第二阶351 Hz，第三阶589 Hz。将扫频系统与B&K锤击试验之间的结果进行对比分析如表1，不难发现，前三阶的固有频率相差率基本处在1.5%以内，这充分说明了机床振动扫频实验系统的测量准确性与精度较高。
　　参考文献
　　[1]山静明等人.缓冲系统振动特性的扫频测试[J].包装工程,2002,23(4).
　　[2]张文苑,秦志英.虚拟式振动测试系统的研发和应用[J].现代制造工程,2003(8):68-70.

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