机床教学说明书

PAGEPAGE7机床教学实验使用说明书前言为适应机床的现代化发展,对其加工性能要求愈来愈高。机床加工性能包括加工质量和切削效率两个方面。机床在空运转和切削加工时，各个部件间的相互作用力会产生机床的自由振动、强迫振动和自激振动。特别地,机床在切削加工时，刀具与工件间的相对变位直接影响着机床的加工性能,而刀具与工件间的相对变位又受作用在机床上的各种力，以及机床-工件-刀具弹性系统的力学特性的影响。因此，为提高机床的加工性能，除了要减小作用在机床上的各种力以外，还应提高机床的静刚度和动态特性。机床的动态特性主要指它抵抗振动的能力，包括它的抗振性能和稳定性。从实验方面探索机床的动态特性是编写机床振动实验指导书的目的,通过机床振动响应测量，磨床动刚度实验以及镗杆颤振实验等三个教学实验,培养学生高速数据采集、谱分析和机械阻抗的实验能力及分析能力。正确地区分自由振动、强迫振动和自激振动,并深刻地理解这些振动的特征。为机床的动态设计提供必要的实验手段。为便于学生阅读实验指导书，有效地进行振动实验,在指导书中还列出机床振动中的常用术语,供学生查阅。实验1.平面磨床振动响应试验1.1试验目的·学习动态信号计算机采集及测量机床振动的方法。包括加速度传感器、电荷放大器、低通滤波器、高速数据采集方法及数字信号处理基本方法。·测量及记录平面磨床的空运转及磨削时的振动加速度及波形、频谱。·分析平面磨床的各种振动源。1.2测量系统示意图(图1.1)图1.1平面磨床振动响应测量系统示意图1.3测点图1.2卧轴矩台型磨床和测点位置示意图平面磨床根据砂轮工作表面和工作台形状的不同可分为四种类型：图1.2卧轴矩台型磨床和测点位置示意图测点位置·驱动电机垂直方向、水平方向及轴向·床身与地基安装基面（4个）·磨头水平及垂直方向·工作台4个角（空运转状态）1.4使用程序CRAS振动及动态信号采集分析系统VTRP振动测量及记录1.5试验步骤1.5.1按照示意图(图1.1)连接传感器、信号调理器及数据采集箱或采集卡1.5.2AZ802放大倍数10，滤波频率1000Hz1.5.3在PC机桌面上点击CRAS图标进入CRAS公共程序运行平台。选择并点击VTRP振动测量和记录程序进入VTRP振动测量和记录主菜单(图1.3)图1.3VTRP振动测量和记录主莱单1.5.4建立作业（选择或建立作业路径及作业,图1.4）1.5.5设定记录方式为“手动”(图1.5)图图1.4建立新作业或返放老作业图1.5数据记录方式对话框图1.6参数设置1.5.6设定采集参数(图1.6)传感器：加速度校正因子：根据加速度计灵敏度及AZ802放大倍数决定。例如：若加速度计灵敏度为2.88Pc/m/s2，AZ-802放大倍数为10(即10mV/pc)，则校正因子为2.88×10=28.8mV/m/s2电压范围：±5000mV采样频率：5120Hz监示采集：逐点1.5.7数据采集（空载）将加速度计磁力座放置在计划第一个的测量点上，观察波形及频谱。若波形过载则改小AZ802的放大倍数；若波形太小则加大AZ802的放大倍数或改小参数设置中的电压范围。信号合适后按F1键记录第一个测点数据。依次对第二个测点等进行测量记录。1.5.8点击STOP停止按键或按S键停止采集。1.5.9点击振动测量列表主莱单,显示测量结果。振动测量列表包括记录号(在手动记录方式下对应测点号)、记录日期时间、速度有效值、单峰值和峰峰值、加速度的单峰值以及位移的峰峰值等结果。1.5.10观察每一个测点的波形和频谱。1.5.11记录数据统计报告。点击记录数据统计主菜单进入振动测量集总统计平均报告,该报告记录了作业路径和作业名,测量传感器类型,试验日期时间,统计平均总记录数(手动方式对应测点总数)以及各测点速度、加速度和位移的平均值和最大值。对于振动测量列表、测点波形和频谱和数据统计报告可以工具条“P”,将屏幕图形存储为位图文件或直接打印(图1.7)。存储的位图文件可以在绘图板上进行编辑或另存为其它。压工具条“W”,可将屏幕上的图形或数据列表直接粘贴到Word文档中。图1.7屏幕图形存储为位图文件或直接打印对话框图1.7屏幕图形存储为位图文件或直接打印对话框1.6磨削工况下重复上述1.5.7～1.5.11过程对比磨削工况与空载工况下的振动特征。1.7讨论问题1.7.1平面磨床存在的各种振动及其频谱特征,对比磨削工况与空载工况下的振动特征。1.7.2平面磨床存在振动的主要根源。1.8试验报告试验报告形式由学生自行设计,但应包含如下内容:1.8.1写出试验目的,画出试验框图,说明试验仪器的功能1.8.2试验中的通道标定因子,即校正因子的确定1.8.3列表显示测量结果,计算振动响应均值、标准离差和最大值1.8.4说明磨削工况与空载工况下的振动特征和频谱特征1.8.5分析平面磨床的主要振源实验2.外圆磨床动刚度试验2.1试验目的·学习动态信号计算机采集及测量磨床振动的方法。包括加速度传感器、附力传感器的力锤、电荷放大器、低通滤波器的正确使用以及高速数据采集和数字信号处理的基本方法。·测量外圆磨床在空运转时的动刚度。2.2试验原理及方法采用双通道的脉冲锤击法测量外圆磨床在空运转时的动刚度,第1通道为力,第2通道为响应。对于线性振动系统,若输入力f(t)的傅立叶变换记作F(jω),输出响应x(t)的傅立叶变换记作X(jω),则系统的机械阻抗(动刚度)可表为(2-1)是一个复数,可用其幅值A(ω)和位相角θ(ω)表示为(2-2)根据响应量是位移、速度和加速度,阻抗又分为位移阻抗、速度阻抗和加速度阻抗。从式(2-1)看到,机械阻抗实际上是机械导纳(频响函数)的倒数。动刚度的幅值A(ω)随着频率f(ω=2πf)而变化,从量纲上看是单位响应下的力值。若测响应的是加速度计,则动刚度的量纲为N/m/s2。2.3试验框图及仪器图2.1图2.1外圆磨头动刚度测量的试验框图2.4测点外周磨床及测点位置布局如图2.2所示。图图2.2外圆磨床及测点位置示意图测点位置·头架·工作台4个角·内磨装置·砂轮架·尾座·床身与地基安装基面2.5使用程序CRAS振动及动态信号采集分析系统SsCras信号分析软件包2.6试验步骤2.5.1按照示意图(图2.1)连接传感器、信号调理器、数据采集箱或采集卡及计算机2.5.2AZ802放大倍数10，滤波频率1000Hz2.5.3在PC机桌面上点击CRASV6.1图标进入CRAS公共程序运行平台。选择并点击SsCras信号分析软件包进入动态菜单。SsCras动态菜单由初始菜单、新作业莱单和老作业菜单组成。初始菜单如图2.3，只有“作业”及“退出”两个菜单项，迫使用户必须首先建立作业。图2.3初始菜单在作业对话框中选择了新的作业，菜单如图2.4所示允许用户“设置参数”、“示波”及“采集”。但不允许作波形显示及数据处理等操作。图2.4新作业菜单采集完成后或对老作业已经正确读进内存后，最后的菜单如图2.5所示图2.5SsCras信号分析软件包的主菜单2.5.4建立作业(图2.5)选择通道数:双通道;作业路径:建立新作业或返放作业;按确认按钮进入图2.4的主菜单CRAS在不同通道下,允许相同的作业名图2.5建立新作业或返放作业对话框2.5.5参数设置(图2.6)图图2.6参数设置对话框分析频率:1000Hz。校正因子:设置第1通道力和第2通道加速度计的校正因子值的方法参看1.5.6工程单位:设置第1通道力的单位N(牛顿),第2通道加速度的单位m/s2。电压范围:5V,若信号弱也可选用1.25V(程控放大4倍)、0.625V(程控放大8倍)和0.3125V(程控放大16倍)。触发参数(图2.7)图2.7触发参数设置触发方式:自由运行、正触发和负触发。选正触发或负触发,视力传感器的力脉冲极性决定。检查力脉冲极性方法,鼠标点击主菜单上的示波按钮进入示波画面,不断地敲击力锤若显示的是正脉冲就选用正触发,否则选用负触发。触发电平:信号电压达到满量程电压的百分数就可触发,一般设定20%或10%。触发延迟:分正、负延迟。负延迟是在信号触发前就处于采集,触发延迟取－20表示在信号触发前已采集20个点,若触发延迟取＋20表示在信号被触发20个点后才采集信号。触发通道:1ch。采集方式：选监示采集。频谱参数:分析类型,定带宽FFT;1/3倍频程声级显示,off;频谱类型选功率谱;零分贝参考值取1。平均次数或谱阵线数:平均4或2次,数据块长度1024,平均方式不平均(图2.8)。频响函数类型(图2.9)：选1/H1(动刚度,对应式(2-1)中的Z(jω))。图2.8平均次数或谱阵线数图2.9频响函数类型选择2.5.6示波鼠标点击主菜单上的示波按钮,检查仪器线路是否接通,电源是否打开以及参数设置是否合适。2.5.7数据采集鼠标点击主菜单上的采集按钮,显示已设置好的参数值对话框,确认后便可进入具有第1次等待触发的对话框,否则可重新进行参数设置。显示等待触发对话框时,用力锤敲击试验机器,显示器的屏幕上将显示力和响应波形以及本次触发采集是否有效的对话框,该对话框有三种选择：是、否和取消。选是,代表此次触发有效,进入第2次等待触发的对话框;选否表示此次触发无效;选取消表示退出触发。2.5.8动刚度显示鼠标点击主菜单上的频响函数按钮,在出现的下拉莱单上点击幅值和相位,即可显示动刚度曲线,幅值曲线的横坐标是频率,纵坐标是动刚度的数值,某一频率的动刚度是一个复数,可用一矢量表示,该频率下的相位表示这矢量的方向。2.5.9文件存盘鼠标点击主菜单上的文件按钮,选择标准存盘2.7讨论问题2.7.1分析外圆磨床动刚度特征,动刚度的幅频特性峰值和谷值的物理含义？2.7.2分析频率1000Hz的频率分辨率是多少赫兹？在分析频率1000Hz不变的条件下如何提高频率的分辨率平面磨床存在振动的主要根源。2.7.3对SsCras软件包进行什么样的操作,可获得测点的频响函数(导纳),导纳(动柔度)幅频特性的峰值频率与阻抗(动刚度)幅频特性的谷值频率是否相等。2.8试验报告试验报告形式由学生自行设计,但应包含如下内容:2.8.1试验目的、试验原理、试验框图、试验仪器的功能和试验步骤2.8.2试验中的通道标定因子,即校正因子的确定。2.8.3动刚度的幅频和相频特性曲线。2.8.4测试结果分析。实验3.镗杆颤振试验在没有周期性的外力作用下,由系统内部激发及反馈的相互作用而产生的稳定的周期性振动,称为自激振动。自激振动的振幅和频率与外界干扰无关,完全是由系统本身的参数决定的。自激振动简称为颤振。镗床在镗削加工时,在没有周期性外干扰力作用下,镗杆与工件之间也可能产生强烈的相对振动。振动时,动态的镗削力伴随产生,并在工件的加工表面上残留下明显的、有规律的振纹,这种现象的振动属于自激振动。3.1试验目的·学习动态信号计算机采集及测量磨床振动的方法。包括加速度传感器、电荷放大器、低通滤波器的正确使用以及高速数据采集和数字信号处理的基本方法。·在镗削工况时测量镗杆颤动的振幅和频率。·加深理解镗杆颤动的振动特征。图3.1镗杆颤振测量的试验框图图3.1镗杆颤振测量的试验框图3.3试验方法在镗削工况下,以自由运行方式高速数据采集振动的波形及对其作频谱分析。3.4测点镗床及其颤振测点位置如图3.2所示。测点位置·后支架、后立柱·工作台4个角·前立柱·主轴箱(靠径向刀具溜板处的垂直、水平和轴向测量以及箱体其它位置取2个测点)·后尾筒·床身与地基安装基面图图3.2镗床及其颤振测点位置示意图3.5试验步骤3.5.1按照示意图(图3.1)连接传感器、信号调理器、数据采集箱或采集卡及计算机3.5.2设置AZ802放大倍数和滤波频率3.5.3在PC机桌面上点击CRASV6.1图标进入CRAS公共程序运行平台。选择并点击SsCras信号分析软件包进入SsCras主莱单(参看图2.3.1～图2.3.3)。3.5.4建立作业(参看图2.4)选择通道数:单通道。作业路径:建立新作业或返放作业。CRAS在不同通道下,允许相同的作业名。3.5.5参数设置(参看图2.5对话框)分析频率:1000Hz。校正因子:设置加速度通道的校正因子值的方法参看1.5.6节工程单位:m/s2。电压范围:5V,若信号弱也可选用1.25V(程控放大4倍)、0.625V(程控放大8倍)和0.3125V(程控放大16倍)。触发参数(图2.5.1)触发方式:自由运行采集控制：监示采集,逐页显示;监示类型,选频谱。频谱参数：分析类型,定带宽FFT;1/3倍频程声级显示,off;频谱类型选功率谱;零分贝参考值取1。平均次数或谱阵线数:平均4次,数据块长度1024,平均方式线性平均(参看图2.5.2)。3.5.6示波鼠标点击主菜单上的示波按钮,检查仪器线路是否接通,电源是否打开以及参数设置是否合适。3.5.7数据采集鼠标点击主菜单上的采集按钮,显示已设置好的参数值对话框,确认后便可进入自由运行方式采集,否则应重新进行参数设置。3.5.8波形显示鼠标点击主菜单上的波形按钮,即可分页(1页512个采样点)显示波形,通过工具条进行换页。波形图的右边矩形框内显示有效值、峰值、峰峰值及统计参数值,“/”左边的数据是当前页的值,右边的数据是所有页的平均值。3.5.9频谱显示鼠标点击主菜单上的频谱按钮,频谱的峰值频率便是镗杆的自振频率。3.5.10文件存盘鼠标点击主菜单上的文件按钮,标准存盘。3.7讨论问题3.7.1分析镗杆颤振特征。3.7.2如何正确区分受迫振动和自激振动?3.8试验报告试验报告形式由学生自行设计,但应包含如下内容:3.8.1试验目的、试验框图、试验仪器的功能和试验步骤。3.8.2试验中的通道标定因子,即校正因子的确定。3.8.3试验结果及其分析。附录机床振动基本术语1.位移(D):表征物体或质点相对于某参考系位置变化的矢量。注：相对于非给定情况下原始参考系的某参考系所测得的位移称为相对位移。2.速度(V):表征位移对时间导数的矢量。注：相对于非给定情况下原始参考系的某参考系所测得的速度称为相对速度。3.加速度(a):表征速度对时间导数的矢量。注：相对于非给定情况下原始参考系的某参考系所测得的加速度称为相对加速度。4.频率(f):每秒振动的次数,单位为赫兹(Hz)。5.圆(角)频率(ω):2π秒内振动的次数,单位为rad/s。ω=2πf。6.周期(T):振动一次所需的时间，单位为秒(s)。T=1/f。7.幅值:位移、速度或加速度振动量的幅值。正弦振动的最大值。同义词:振幅。8.相角:将自变量的某值作为基准值来测量时,周期函数的超前的周期分数值用角度表示(用角度表示)。同义词:相位。9.波形(振动的时间历程):振动是时间的函数,通常以时间为横坐标,以振动体的某一振动量(位移、速度或加速度)为纵坐标的线图来描述振动的规律,这种线图称为振动的波形。10.对数减幅系数:在单频衰减振动中,同侧两个相继的幅值之比的自然对数。。11.线性粘性阻尼系数(C):线性粘性阻尼力与变形速度的比值。12.临界阻尼系数(Cc):使偏离平衡位置的单自由度系统,无振动地回到平衡位置的最小线性粘性阻尼系数。13.阻尼比():线性粘性阻尼系数与临界阻尼系数之比。14.振型:机械系统的某一给定振动模态的振型是指由中性面(或中性轴)上的点偏离其平衡位置的最大位移值所描述的图形。各点的振型值通常要按选定点的偏离值进行归一化。15.模态参数:模态的特征参数,即振动系统的各阶固有频率、振型、模态质量、模态刚度与模态阻尼。16.峰值:在给定区间内振动量的最大值。注:振动量峰值通常取该量与均值间的最大偏离：正峰值为正最大偏离,负峰值为负最大偏离17.双峰值:振动量的最大值间的代数差。18.有效值:量的均方根值。对于简谐振动,有效值＝峰值(振幅)/。19.振动烈度:诸如极大值、平均值、均方根值或其它描述振动的参数中的一个或一组指定值。它可适用于瞬时数据或平均后的数据。注:机器的振动烈度被定义为在机器的轴承和机座等特定点特定方向的振动速度的最大均方根值。20.工程单位:工程上对物理量所采用的单位称为工程单位,诸如力的单为N、加速度单位为m/s2、速度单位为mm/s、位移单位为μm、电压单位为mV、应变单位为με等等。21.校正因子:每一个工程单位EU对应的毫伏数,即mV/EU。校正因子实际上是通道的标定因子。22.激励:作用于系统的外力或其他输入。23.响应:系统受外力或其他输入作用后的输出。24.采样:从函数的定义域内等间隔(或不等间隔)地获取数值的过程。25.量化:对可取任意值的采样数据进行模数转换使其变成有限位数字值的过程。26.A/D转换:模数转换。27.分辨率:A/D转换的精度(12bit、16bit、24bit等)。28.采样间隔:相邻两次采样的时间间隔。29.采样频率:一秒钟内的采样次数。30.频率分辨率:等于采样频率除于FFT块大小。31.快速傅里叶变换(FFT变换):能大大减少复数乘法和加法计算时间的离散傅里叶变换算法。32.频率混迭:由于采样频率过低引起分析频率范围以外的信号在低频端产生虚拟频率成份的现象。33.抗混滤波:为了克服频率混迭采用的低通滤波。34.窗函数(简称:窗):为了用数字信号分析仪进行分析，对信号进行截断处理时所用的权函数。理想窗函数的傅里叶谱的主瓣应很窄(分辨率高)，旁瓣应很低(泄漏少)。实际窗函数往往不可能同时兼顾。35:平均:利用分析仪对各个(时域或频域)测试数据进行逐次加权处理，又分为:线性平均:对新、旧数据作相同加权,通常用于平稳随机数据；指数平均:对新数据的加权大于旧数据，通常用于非平稳随机数据。36.级:在物理学中一个量与同类基准量之比的对数。对数的底、基准量和级的类别应加注明。级的类别用名称表示,对数的底可以以10或以e=2.71828为底。37.分贝(dB):贝尔的十分之一，贝是一种级的单位，其对数的底是10,用于可与功率类比的量(例如,声压平方、电流平方、电压平方、力平方、加速度平方、速度平方、位移平方、声能密度以及功率本身等等。用于电压时,分贝实际是电压平方级的单位。分贝数可写作:N=dBdB式中:—功率比;—电压比。38.自相关函数:量在t时刻的值与在时刻的值乘积的平均,即自相关函数可表为当时,表示的均方值。39.互相关函数:和两个量中一个量在t时刻的值与另一个量在时刻值乘积的平均,即互相关函数可表为40.功率谱(PWR):表征信号的能量(或功率)的频率分布，并能突出信号频谱图中的主频率。41.功率谱密度(PSD):自相关函数的FFT变换，表示某一频带上的功率。42.能量谱(ESD):表示某一个短时间内的信号，在某一频带上的功率。43.幅值谱(RMS):功率谱的平方根。44.自功率谱密度(简称:自谱密度):量x(t)通过中心频率f、带宽B的窄带滤波器后的单位带宽的均方值;当带宽趋于零平均时间趋于无穷大时的极限称为量x(t)的功率谱密度G(f)。45.互功率谱密度(简称:互谱密度):两个量和的由式定义的频率f的复函数。式中:(f≥0)(f＜0)(f≥0)(f＜0)46.机械阻抗:线性定常机械系统中激振力相量与响应的速度相量之比。同义词:速度阻抗。注:对于旋转系统应当用力矩和角速度代替力和速度。47.机械导纳:机械阻抗的倒数。同义词:速度导纳。48.频率响应函数(简称:频响函数):A.简谐激励时,稳态输出相量与输入相量之比。B.瞬态激励时,输出的傅里叶变换与输入的傅里叶变换之比。C.平稳随机激励时,输出和输入的互谱与输入的自谱之比。响应是位移、速度和加速度的分别称为位移、速度和加速度的频响函数。位移频响函数又称为动柔度,其倒数称为动刚度。频响函数是频率f的复函数,在数学上可表为注:频响