一种四阶梯机床主轴弹性模量无损检测方法及装置转让专利
申请号 : CN201710013868.9
文献号 : CN106596100B
文献日 : 2018-10-30
发明人 : 向家伟 , 宋文磊 , 钟永腾
申请人 : 温州大学
摘要 :
本发明涉及一种四阶梯机床主轴弹性模量无损检测方法及装置。通过有限元分析和响应面分析法得到四阶梯机床主轴脉冲激振检测弹性模量的经验公式，建立四阶梯机床主轴弹性模量、几何尺寸和弯曲频率的关系，进而通过力锤在四阶梯机床主轴一端激励，另一端用加速度传感器拾取加速度信号，通过快速傅里叶变换获得一阶弯曲共振频率，与待检测四阶梯机床主轴的几何尺寸作为经验公式的输入，最后计算出弹性模量。本发明能克经典脉冲激振检测弹性模量标准方法需要制备矩形截面样件的缺点，适合于实际工作状况下四阶梯机床主轴弹性模量无损检测；只需要通过简单的力锤激振实验，并只依据一个公式，快速给出四阶梯机床主轴弹性模量值。
权利要求 :
1.一种四阶梯机床主轴弹性模量无损检测方法，其特征在于：其步骤如下：
1)通过有限元分析和响应面分析法得到四阶梯机床主轴脉冲激振检测弹性模量的经验公式，建立四阶梯机床主轴弹性模量、几何尺寸和第一阶弯曲固有频率的关系；
2)在距离两端面均为0.224L处用用弹性金属线悬吊起四阶梯机床主轴，其中L＝l1+l2+l3+l4为主轴总长度，l1，l2，l3，l4分别为四阶梯轴长度；
3)通过力锤在四阶梯机床主轴右端激励，而在左端用加速度传感器拾取加速度信号，并通过快速傅里叶变换获得第一阶弯曲固有频率f；
4)将第一阶弯曲固有频率f与待检测四阶梯机床主轴的几何尺寸R1，R2，R3，R4，通过步骤
1)中的关系，获得弹性模量E*，
步骤1)中的步骤如下：对模拟的四阶梯机床主轴进行多次模态频率计算，获得第一阶弯曲固有频率f，并对获得第一阶弯曲固有频率f进行BBD响应面分析，获得弹性模量预测值E*与几何尺寸R1、R2、R3、R4和第一阶弯曲固有频率f的关系，E*＝2.15196×1011-2.15307×1013R1-2.02443×1013R2-1.70041×1012R3+6.24694×
1012R4+3835003975f-9.04594×1014R1R2-67759500560R1f-4.07318×1014R2R4-
82762415004R2f-9.40012×1013R3R4-15201689270R3f+32685835169R4f+1.1947×1015R12+
1.11873×1015R22+1.15113×1014R32+6.08567×1013R42+2536349.853f2，其中R1，R2，R3，R4分别为四阶梯机床主轴半径。
2.根据权利要求1所述的一种四阶梯机床主轴弹性模量无损检测方法，其特征在于，步骤3)中将拾取的加速度信号经过信号调理器放大、数字采样、滤波处理，并将得到数字信号输入到计算机，通过计算机进行快速傅里叶变化。
3.一种基于上述权利要求1或2所述的四阶梯机床主轴弹性模量无损检测方法的装置，其特征在于：其包括：若干根弹性金属线，用于固定待测四阶梯机床主轴，且所固定位置分别为离两端面
0.224L的位置；
施力物，用于在待测四阶梯机床主轴任意一端提供激励，使待测四阶梯机床主轴激振；
加速度传感器，沿待测四阶梯机床主轴的轴向设置，用于采集四阶梯机床主轴的脉冲激振数据；
测试系统，用于获取脉冲激振数据，并进行弹性模量的获得。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述施力物为力锤。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述测试系统包括依次相连的A/D转换放大电路、控制器以及显示器，其中A/D转换放大电路与加速度传感器连接。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述测试系统还设有力传感器，所述力传感器与A/D转换放大电路连接。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述测试系统还设有存储机构。
说明书 :
一种四阶梯机床主轴弹性模量无损检测方法及装置
技术领域
[0001] 本发明属于机械结构无损检测技术领域，涉及一种四阶梯机床主轴弹性模量无损检测方法及装置。
背景技术
[0002] 目前，随着国家经济的飞速发展，社会对装备的需求日益扩大。作为装备关键核心部件设计制造，数值模拟成为一种日臻成熟的设计制造过程分析手段。然而，目前普遍存在仿而不真的瓶颈问题，迫切需要真实结构件力学参数，而弹性模量是关键的力学参数。若能通过无损检测方法，获得特定结构的弹性模量，将为其数值模拟提供可靠的力学参数，具有非常重要的意义。
[0003] 脉冲激振法是一种号称无损检测方法，通过试样(矩形截面标准试样)固有频率、尺寸和质量来获取材料杨氏模量、剪切模量、泊松比的一种方法。脉冲激振法(Impulse Excitation Technique)是指通过合适的外力给定试样某一特定位置一个连续的脉冲激振信号，当激振信号中的某一频率与试样的固有频率相一致时，产生共振，此时振幅最大，延时最长，通过测量传感器接收该振动信号，然后通过数据的分析处理获得试样的固有频率，该固有频率依据试样的振动方式不同而获得不同类型的频率，如弯曲频率、扭曲频率等，然后由标准试样的经验公式计算得出其杨氏模量E、剪切模量G、泊松比及阻尼比等。目前脉冲激振法已被广泛应用于研究与质量控制领域，适用于各种固体材料，如金属、合金、陶瓷、玻璃、耐火材料、石墨等等，是目前世界上公认的先进的非接触测定各种材料弹性模量的一种理想检测方法。
[0004] 然而，脉冲激振法并非严格意义上的无损检测方法，仅适合矩形截面标准试样，标准试样本身具有特定的几何尺寸要求。针对工作条件恶劣、环境振动噪声大、并且运行中的四阶梯机床主轴，几何形状并非标准试样，不可能用现有的脉冲激振法进行快速检测，因此，目前尚无报道。
发明内容
[0005] 为了克服以上的技术不足，本发明提供一种四阶梯机床主轴弹性模量无损检测方法及装置。
[0006] 本发明提供一种四阶梯机床主轴弹性模量无损检测方法，其步骤如下：
[0007] 1)通过有限元分析和响应面分析法得到四阶梯机床主轴脉冲激振检测弹性模量的经验公式，建立四阶梯机床主轴弹性模量、几何尺寸和第一阶弯曲固有频率的关系；
[0008] 2)在距离两端面均为0.224L处用用弹性金属线悬吊起四阶梯机床主轴，其中L＝l1+l2+l3+l4为主轴总长度，l1，l2，l3，l4分别为四阶梯轴长度；
[0009] 3)通过力锤在四阶梯机床主轴右端激励，而在左端用加速度传感器拾取加速度信号，并通过快速傅里叶变换获得第一阶弯曲固有频率f；
[0010] 4)将第一阶弯曲固有频率f与待检测四阶梯机床主轴的几何尺寸R1，R2，R3，R4，通过步骤1)中的关系，获得弹性模量E*。
[0011] 步骤1)中的步骤如下：对模拟的四阶梯机床主轴进行多次模态频率计算，获得第一阶弯曲固有频率f，并对获得第一阶弯曲固有频率f进行BBD响应面分析，获得弹性模量预测值E*与几何尺寸R1、R2、R3、R4和第一阶弯曲固有频率f的关系，
[0012] E*＝2.15196×1011-2.15307×1013R1-2.02443×1013R2-1.70041×1012R3+6.24694×1012R4+3835003975f-9.04594×1014R1R2-67759500560R1f-4.07318×1014R2R4-82762415004R2f-9.40012×1013R3R4-15201689270R3f+32685835169R4f+1.1947×1015R12+
15 2 14 2 13 2 2
1.11873×10 R2+1.15113×10 R3+6.08567×10 R4+2536349.853f，
15 2 14 2 13 2 2
1.11873×10 R2+1.15113×10 R3+6.08567×10 R4+2536349.853f，
[0013] 其中R1，R2，R3，R4分别为四阶梯轴半径。
[0014] 步骤3)中将拾取的加速度信号经过信号调理器放大、数字采样、滤波处理，并将得到数字信号输入到计算机，通过计算机进行快速傅里叶变化。
[0015] 一种基于四阶梯机床主轴弹性模量无损检测方法的装置，其包括：
[0016] 若干根弹性金属线，用于固定待测四阶梯机床主轴，且所固定位置分别为离两端面0.224L的位置；
[0017] 施力物，用于在待测四阶梯机床主轴任意一端提供激励，使待测四阶梯机床主轴激振；
[0018] 加速度传感器，沿待测四阶梯机床主轴的轴向设置，用于采集四阶梯机床主轴的脉冲激振数据；
[0019] 测试系统，用于获取脉冲激振数据，并进行弹性模量的获得。
[0020] 所述施力物为力锤。
[0021] 所述测试系统包括依次相连的A/D转换放大电路、控制器以及显示器，其中A/D转换放大电路与加速度传感器连接。
[0022] 所述测试系统还设有力传感器，所述力传感器与A/D转换放大电路连接。
[0023] 所述测试系统还设有存储机构。
[0024] 本发明的有益效果：能克经典脉冲激振检测弹性模量标准方法需要制备矩形截面样件的缺点，适合于实际工作状况下四阶梯机床主轴弹性模量无损检测；只需要通过简单的力锤激振实验，并只依据一个公式，快速给出四阶梯机床主轴弹性模量值。
附图说明
[0025] 图1为四阶梯机床主轴简化模型图。
[0026] 图2为四阶梯机床主轴悬吊支撑位置。
[0027] 图3为公式(1)计算出的弹性模量E预测值与真实值吻合程度图。
[0028] 图4为四阶梯机床主轴弹性模量无损检测仪器框图。
[0029] 图5为工况1的测试时域信号及其频谱，其中a为测试时域信号，b为频谱。
[0030] 图6为工况2的测试时域信号及其频谱，其中a为测试时域信号，b为频谱。
[0031] 图7为BBD响应面法的五因素三水平表。
[0032] 图8为BBD响应面法的五因素三水平46次实验组合的表。
[0033] 图9为两种尺寸的四阶梯机床主轴的表。
[0034] 图10为实验检测弹性模量结果及误差的表
具体实施方式
[0035] 下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：
[0036] 如图所示，本发明包括通过有限元分析和响应面分析法得到四阶梯机床主轴脉冲激振检测弹性模量的经验公式，建立四阶梯机床主轴弹性模量、几何尺寸和弯曲频率的关系，进而通过力锤在四阶梯机床主轴一端激励，另一端用加速度传感器拾取加速度信号，通过快速傅里叶变换获得一阶弯曲共振频率，与待检测四阶梯机床主轴的几何尺寸作为经验公式的输入，最后计算出弹性模量。基于本发明检测方法，采用DSP开发板，构建四阶梯机床主轴弹性模量无损检测装置。包括以下步骤：
[0037] 1、四阶梯机床主轴脉冲激振检测弹性模量的经验公式。
[0038] 图1所示为四阶梯机床主轴简化模型图，为典型的阶梯轴结构，其中l1，l2，l3，l4分别为四阶梯轴长度；R1，R2，R3，R4分别为四阶梯轴半径。图2所示为四阶梯机床主轴悬吊支撑位置，距离两端面均为0.224L(L＝l1+l2+l3+l4为主轴总长度),通过有限元分析和响应面分析法得到四阶梯机床主轴脉冲激振检测弹性模量的经验公式，建立四阶梯机床主轴弹性模量、几何尺寸和弯曲频率的关系。具体实施流程：
[0039] 首先，利用响应面分析法中方法之一——基于Box-Behnkendesign(BBD)的响应面法进行实验设计。图7所示为BBD响应面法的五因素三水平表。
[0040] BBD响应面法的五因素三水平需做46次实验，如图8所示。在BBD响应面法中的每一次实验，运用有限元分析软件ANSYS，采用实体单元“Solid 186”，四阶梯机床主轴材料参数为泊松比μ＝0.3，材料密度ρ＝7860kg/m3，约束位置在0.224L(如图2所示)处，假定l1＝0.4m，l2＝0.3m，l3＝0.2m，l4＝0.1m，进行模态频率计算，获得第一阶弯曲固有频率f，其值如图8所示。
[0041] 对图8所示数据进行BBD响应面法分析，可得到弹性模量E的经验公式：
[0042] E*＝2.15196×1011-2.15307×1013R1-2.02443×1013R2-1.70041×1012R3+6.24694×1012R4+3835003975f-9.04594×1014R1R2-67759500560R1f-4.07318×1014R2R4-82762415004R2f-9.40012×1013R3R4-15201689270R3f+32685835169R4f+1.1947×1015R12+
1.11873×1015R22+1.15113×1014R32+6.08567×1013R42+2536349.853f2 (1)[0043] 式(1)即为四阶梯机床主轴脉冲激振检测弹性模量的经验公式，该公式建立起了四阶梯机床主轴弹性模量预测值E*、几何尺寸R1，R2，R3，R4和一阶弯曲频率f的关系。该关系式准确度检验用图8中46次实验条件下，用公式(1)计算得到的弹性模量与图8中真实的弹性模量170GPa，190GPa，210GPa的吻合程度描述，结果见图3所示，可见，吻合程度非常好。
1.11873×1015R22+1.15113×1014R32+6.08567×1013R42+2536349.853f2 (1)[0043] 式(1)即为四阶梯机床主轴脉冲激振检测弹性模量的经验公式，该公式建立起了四阶梯机床主轴弹性模量预测值E*、几何尺寸R1，R2，R3，R4和一阶弯曲频率f的关系。该关系式准确度检验用图8中46次实验条件下，用公式(1)计算得到的弹性模量与图8中真实的弹性模量170GPa，190GPa，210GPa的吻合程度描述，结果见图3所示，可见，吻合程度非常好。
[0044] 2、四阶梯机床主轴弹性模量无损检测方法。
[0045] 四阶梯机床主轴弹性模量无损检测方法操作流程：
[0046] 首先按图2所示，距离两端面均为0.224L处用用弹性金属线悬吊起四阶梯机床主轴；
[0047] 然后如图3所示，通过力锤在四阶梯机床主轴右端激励，而在左端用加速度传感器拾取加速度信号，经过信号调理器放大、数字采样、滤波等处理，得到数字信号输入到计算机，通过快速傅里叶变换获得一阶弯曲共振频率f；
[0048] 最后将一阶弯曲共振频率f与图3所示的待检测四阶梯机床主轴的几何尺寸R1，R2，R3，R4，代入经验公式(1)，计算出弹性模量E*。
[0049] 3、所述检测装置。
[0050] 采用DSP开发板，构建四阶梯机床主轴弹性模量无损检测装置，如图4所示。具体实施流程：
[0051] 所述传感器为加速度传感器，并沿传动轴轴向设置，即沿着尽量靠近右端顶部设置，用于采集四阶梯机床主轴的脉冲激振原始数据。
[0052] 所述测试系统还设有力传感器，所述力传感器与A/D转换放大电路连接。该力传感器可扩展为求解频率响应函数，进而测出材料阻尼。
[0053] 所述控制器还与存储装置连接，可以将坚持数据通过存储装置进行存储，也可以与设定的数值进行比较，同时也能调用查看以往的检测数据。
[0054] 其上还可以设置液晶显示屏，用于直接观察数据。
[0055] 实施案例1：为验证本发明方法的有效性，本实施案例给出两种尺寸的四阶梯机床主轴，如图9所示。图5和图6分别工况1和工况2的测试时域信号及其频谱。图10给出了实验检测弹性模量结果及相对误差ε＝(E*-E)/E×100％。由图10可见，对于工况1，相对误差仅为0.87％，而对于工况2，误差亦只有1.82％，因此，是一种准确度较高的无损检测方法。标准脉冲激振法，由于其公式仅仅对矩形截面标准试样有效，而标准试样本身具有特定的矩形截面几何尺寸要求，因此，并非严格意义上的无损检测方法，不能针对几何形状并非标准试样的四阶梯机床主轴。而本发明方法则不需要制作矩形截面试件，具有针对四阶梯机床主轴的快速和准确性。
[0056] 实施例不应视为对本发明的限制，任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。