07-机床振动频率的测量

机床振动频率的测量

一．研究背景

车削加工过程中，工件和刀具之间常常发生强烈的振动，破坏和干扰了正常的切削加工，是一种极其有害的现象。当车床发生震动时，工件表面质量恶化，产生明显的表面振纹，工件的粗糙度增大，这时必须降低切削用量，使车床的工作效率大大降低。强烈振动时，会时车床产生崩刃现象，使切削加工过程无法进行下去。由于振动，将使车床和刀具磨损加剧，从而缩短车床和刀具的使用寿命；振动并伴随有噪音，危害工人身心健康，使工作环境恶化。尽管超精密车床具有很高的刚度，但振动仍然是影响表面粗糙度的主要因素之一。超精密机床通常都有很高的固有频率，在超精密加工过程中，实际的工艺系统是一个非常复杂的振动系统，系统中的振动使工件与刀具之间的相对位置发生了微幅变动，最终使工件表面粗糙度增大、表面质量降低。有关学者通过研究发现：机床主轴的振动、导轨的振动以及刀具的振动都具有高频率、小振幅的特征，积屑瘤、外界干扰、机床刚性不足以及高速旋转部件不平衡也会引起切削振动，最终导致加工表面微观特征的改变。另外，切削系统中的动态效应对振动也有显著的影响。因此，必须采取必要的预防措施来减小或防止振动对超精密加工表面质量的影响。所以，我们选择测量振动频率这个课题。

二. 研究现状

1．A47-V1002激光非接触振动测量仪

激光非接触振动测量仪不需要在被测物体上安装传感器，只需对针测量点，对发射激光及接受激光进行特殊技术处理，测量被测物体的振动数据，特别适用于机器零部件，电子元器件等微小物品振动测量。

ZXP-J200振动监测仪为双通道、多功能、智能化的在线式监测仪表，用于测量轴承的绝对振动或轴的相对振动，可广泛用于监测汽轮机、发电机、风机和泵等各种旋转机械的振动。仪表可同时测量和显示出两个通道的振动参数，参数包括：转速、振幅通频值、报警值、1X选频值和相位。每通道可提供独立的4-20mA 标准电流输出，输出电流相互隔离。每个通道的报警值可以各自任意设置，当测

量的通频值超过各自的设置值时，各自的报警指示灯亮，相应继电器动作。仪表采用LED数码显示器，显示明了、操作简便，具有较强的抗干扰能力和通用性。

图1 ZXP-J200振动监测仪

三.研究方案

该方案的研究主要分成两大部分进行：测量和显示。通过电容式位移传感器，将振动信号采集到计算机中。该传感器属于高精度传感器，能够十分精确的将振动变化转化为一呈正弦波形输出的电压变化。采入计算机后，该方案将这一电压输出分别输入至Labview分析程序和数字频率计中，通过频率计即可显示出振动的频率，通过Labview对信号进行处理及分析。

该研究方案框图如图2。

图2 研究方案框图

四．研究内容

1 传感器部分

1.1 结构组成

(1) 探头

capaNCDT6100有多种可用探头，如图3所示。

不同探头所规定的测量量程不同。我组所用传感器探头的有效量程为5mm。有效测量面积为ø12.6mm。输出电压范围为0~10V。被测物需为可导电材质。

图3 可用探头

(2) 信号处理器

信号处理器见图4。

图4 信号处理器

该信号调理电路板包含一个振荡器，解调和不可分割的前置放大器。还包含了“零”和“增益”电位器，用于调整零点和增益。这便于优化电流测量任务。

连接的电路板还包含8引脚连接器，反向极性保护和各种保护部分。

(3) 连接线

连接线有两端，一端与处理器连接，此端同时为电源端和信号输出端，如图5所示。

图5 信号处理器

另一端有多根连接线，可外接电源与分析显示设备。使用时需注意连接线中不同颜色的线不可混用，避免造成短路和异常工作。图6为线的连接方式。注意本传感器的使用电压为正负15V ，+24V 的电压不使用。

图6 线的连接方式

1.2 测量原理

间隙变化型电容传感器用于测量位移及一切能转换为位移测量的物理参数，其特点是非接触式测量。测量原理示意图如图7所示。

其测量计算公式为

δ

εεωA C C j X C 0;1

==

(1) 式中

A —— 极板面积；

0ε—— 真空介电常数，F/m 1085.8120

-⨯=ε

；

ε

—— 极板间介质的介电常数，当介质为空气时1=ε； δ

—— 两极板间的距离。

由上式可知，当两板间距离

δ

发生变化，即位移变化时，电容值就会发生

相应的变化，并且以正弦信号表现出来。

图7 测量原理示意图

1.3 测量过程及结果

图8 所用实验设备

图8为所用实验设备。传感器已连接完成，将探头放至振动源上国定平台处，并保证探头与振件距离不超过5mm ，调节振动台的振动频率和振动幅度，使之达到一个适宜的数值。

连接示波器，将传感器输出端与示波器连接，调节示波器，即可显示出正弦信号。从中可观察出振动台的频率与振幅变化。

图9为仿真软件处理后输出的方波信号与正弦波的对比。

图9 仿真软件处理后输出的方波信号与正弦波的对比

从示波器可明显观察到波形的变化，达到了转化振动信号的目的。为软件部分再分析提供了原始信号。

2 数字频率计部分

2.1 工作原理

电路原理图如图10所示。电路连接图如图11所示。

图10 电路原理图

本电路能够精确测量输入的0～999Hz的方波信号频率。

2.2 工作原理分析

(1) 整体分析

频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他电信号每秒钟出现的个数，对被测电信号在一定时间内不断地进行取样、计数、存储，并用数码管及时地显示出来. 本数字频率计由四部分组成：时基电路、闸门电路、逻辑控制电路以及可控制的计数、译码、显示电路。