一种测点自动定位的模态测试系统

文章编号:1008-0570(2012)10-0076-03

《微计算机信息》2012年第28卷第10期

一种测点自动定位的模态测试系统

AModalTestSystemofAutomaticallyLocalizingTestingPoints

(北京航空航天大学)

赵伟华王巍

ZHAOWei-huaWANGWei

摘要:为消除接触式传感器对轻质工件和薄壁类工件产生附加质量影响的弊端,本文采用激光测振仪采集响应信号。对布置

多个测点的大型工件进行测试时,为了保证重复定位精度,减轻人工负担,提高工作效率,采用机器人末端搭载激光测振仪在不同测点间自动切换和定位。为了实现激励信号和响应信号的同步采集,开发了基于LabWindows/CVI平台的上位机软件用于协调机器人运动和数据采集。以简支梁为实验对象,把试验测试结果与理论计算结果、有限元仿真分析结果比较,发现所测得的前三阶固有频率的误差都在10%之内,证明用机器人搭载激光测振仪采集响应信号的方法是可行的。关键词:附加质量;激光测振仪;机器人;同步采集

文献标识码:A中图分类号:TB123

技

术创新

Abstract:Toovercometheshortcomingsthatcontactsensorswillproducetheun-neglectableextramassinfluencesonlightorthin-walledworkpieces,thispaperappliesthelaservibrometertosampletheresponsesignals.Intheprocessoftestinglargecomponentswithmultipoints,toguaranteetherepeatedpositioningaccuracy,reducethemanualburden,andimprovethetestingefficiency,arobotisusedtomovethelaservibrometertorealizetheautomaticswitchingandlocalizationamongdifferenttestingpoints.Asoft-waredevelopedonLabWindows/CVIcoordinatesthemotionoftherobotwiththesamplingactionofthePC,aswellassynchronizethesignalsoftheexcitingforceandtheoutputofthelaservibrometer.Thepracticabilityofthesystemisfinallydemonstratedbyan-alyzingthemodalparametersofasimplesupportedbeam,whosefirstthreenaturalfrequenciesareallin10%erroneouscomparedwiththeresultoftheoreticalcalculationandfiniteelementanalysis.Keywords:extramass;laservibrometer;robot;synchronousacquisition

引言

模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性,即结构的固有频率和振型。试验模态分析中常用的测振方法是接触式测量,多用加速度传感器实现。加速度传感器的质量往往会影响被测物体的振动,从而产生测量误差。激光测振是非接触,高精度,实时性强,测点布置方便的测振技术。本文选用Polytec公司的NLV-2500型单点激光测振仪构建测试系统。

对于需要布置多个测点的大型工件,或是需要保证激光束严格垂直的曲面类零件,如果用三脚架支撑激光头手工移动的方式,既不能保证重复定位精度,效率也不高。因此,设计一种可使激光测振仪在多个测点之间高效率、高精度定位的机构成为首先要解决的问题。文献中用五轴数控铣床带动激光测振仪,可实现高定位精度,但占地面积大,编程复杂,限制了应用范围。而小巧灵活,操作方便的工业机器人则可克服上述缺点。本文采用ABB公司的IRB120机器人搭载激光测振仪完成测点定位。

本文按如下结构展开论述:首先,介绍机器人—激光测振仪模态测试系统构成;其次,描述测试过程、软件和所采用的模态分析方法;最后,利用简支梁进行模态测试实验,并与理论计算结果和有限元仿真分析结果比较,验证本测试方案的可行性。

赵伟华:硕士研究生

基金项目:基金申请人:王巍;项目名称:小型爬壁毛虫柔性构型及运动机理研究;基金颁发部门:国家自然科学基金委

1模态测试系统的构成

模态测试系统由三部分组成:激振系统;数据采集系统;控制软件和信号分析系统。

激振系统包括激振器、功率放大器及信号发生模块。激励信号由信号发生模块产生,通过数据采集仪的DA通道输入到功率放大器,经放大后施加在激振器上完成对工件的激励。

数据采集系统包括力传感器、电荷放大器、激光测振仪和数据采集仪。力传感器采集施加在试验对象上的力信号,通过电荷放大器,转换为电压信号后输入到数据采集仪。激光测振仪测试试验对象的振动速度信号,输入到数据采集仪。

上位机控制软件的作用是协调信号发生、机器人运动和数据采集三者之间的动作顺序。在本测试系统中,为了保证力信号和速度信号采集的同步性,基于LabWindows平台开发了上位机控制软件,通过网络通讯控制信号发生模块的启动和停止、采集软件的采集和结束,通过串口通讯控制机器人运动到指定的测点。信号分析系统包括信号数字化处理,传递函数计算,模态参数识别。本实验系统的实物构成如图1所示。

(51075015).

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图1测试系统实物图

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测控自动化

置,又能保证采集信号具有良好的信噪比。

实验安装和参数设置完毕后,按照第二章所述的测试流程,进行试验模态测试。

测试完毕后,对各测点分别进行快速傅里叶变换,得到频响函数。原点的频响函数曲线如图3,可以看到共振峰处的相干值接近1,在共振处相角变化180度,说明测试结果可靠。

得到频响函数后,即可根据频响函数的表达式,由各个测点的频响函数求结构的模态参数。根据频响函数曲线看到三个共振频率分散较远,说明在主导模态附近,其余阶模态对频响函数贡献很小。可采用频域法中的单模态识别法。

理论计算、仿真分析和试验测试三种方法得到的前三阶固有频率及比较见表1。

表1理论,仿真,试验结果的比较

2模态测试过程

本实验采用单点激光测振仪,每次只能测量一个点的响应信号,即各个测点是分时采集的,可能会丢失某些阶次的固有频率。通过上位机软件的调度,可以保证各个测点的信号采集是分时同步的,经验证,测试结果与理论计算和有限元仿真分析结果都非常接近,证明了本测试方法的可行性。信号采集分时同步的操作过程为:

(1)对机器人示教,使激光斑对准测点,并且使激光束垂直对准工件表面,存储机器人当前位姿信息,对其它测点重复同样的操作。

(2)编写机器人运动程序,根据上位机下达的串口指令移动到指定的测点。经测试,机器人在各测点之间完成定位的平均时间小于1秒,定位精度0.01mm。

(3)实验测试时,上位机软件通知机器人到达第一个测点,收到机器人发送的到达指定位置的信号后,启动信号发生器,激振器开始输出正弦扫描信号,然后发送开始采样命令,数据采集仪采集当前测点的力信号和速度信号,经过固定个数的信号周期后,结束采集,停止激励信号输出。然后通知机器人移动到下一个测点,重复同样的采样过程。

(4)对各个测点来说,信号采集的时刻都是在激励信号输出后的同一时间,并且采集长度一致,保证了各个测点是分时同步采集的。由于激励信号是周期信号,并且采集时间是激励信号周期的整数倍,因此可以避免泄漏误差。

(5)完成全部测点的信号采集后,转到模态分析模块,经快速傅里叶变换得到频响函数,进行模态参数识别。

技术创新

图3原点频响曲线

试验模态测试得到的前三节振型如图4所示,其振型图与有限元分析结果一致,说明有限元建立的模型是合理的。

3实验验证

为验证本测试方案的可行性和准确性,对简支梁进行激励,测得简支梁的前三阶固有频率,阻尼比和振型,并与理论计算值、有限元仿真值比较。简支梁的参数为:材料45钢,弹性模量2.1×1011Pa,泊松比0.3,密度7850kg/m3,长度410mm,宽度40mm,厚度5mm。

3.1理论计算

简支梁的固有频率的计算公式为

(j=1,2,3……)

(1)

式中,为第j阶固有圆频率,单位为rad/s。为简支梁长度,为弹性模量,为惯性矩,为密度,为横截面积。各参数都采用国际单位制,带入简支梁的参数,得到前三阶固有频率见表1。

3.2有限元仿真分析

根据实物建立几何模型,导入到ANSYS中,输入材料参数,划分网格,施加约束条件,求解得到模态参数。在实验中,力传感器是通过螺钉固定在简支梁上的,在建模时需要考虑力传感器的质量。仿真分析的前三阶固有频率见表1,振型如图2。

(a)一阶弯曲振型(b)二阶弯曲振型(c)三阶弯曲振型

图4简支梁试验测试振型图

由表1可以看出,理论计算结果,仿真分析结果与试验测试结果的误差都在10%之内,三者出现偏差原因可能有:

1)理论计算时没有考虑力传感器附加质量的影响。

2)有限元仿真时虽然考虑了力传感器附加质量的影响,但其材料属性与简支梁并不一致,因此考虑的附加质量的大小也是有误差的。

3)试验测试值与简支点的紧固状态密切相关,紧固程度不同,测试结果会有变化。

4结论

本文提出用机器人带动激光测振仪采集速度响应信号的方法进行试验模态分析,具有操作灵活、测点定位迅速、准确的优点。通过对已知参数的简支梁的测试实验,可得出如下结论:

(1)本文所采用的激振力信号与响应信号分时同步采集的方法不影响最终测量结果,表明利用机器人搭载单点激光测振仪的模态测试方案可行。(下转第43页)邮局订阅号：82-946120元/年-77-

(a)一阶弯曲振型(b)二阶弯曲振型(c)三阶弯曲振型

图2简支梁仿真分析振型图

3.3实验测试

实验测试照片如图1。简支梁平均分成8份,即布置9个测点,两端点为简支点,激振点选为第6个测点,既避开了节点位《PLC技术应用200例》

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图5新型光纤弯曲度传感器结构与原理概

2结论

本文介绍了多种特殊结构的光纤光栅传感器,详细介绍了他们的传感原理以及解调方法。指出了各自的优点和存在的不足,提出了一些改进的方法。虽然经过国内外学者的努力,光纤光栅传感器的研究取得了大量的成果,但是依然还有许多问题需要进一步研究。第一,进一步降低其成本,使其更好的在实际工程中得到大范围的应用。第二,进一步优化传感器的布设,使其做到用最少的传感器测量尽可能大的范围。第三,延长光纤光栅传感器的使用寿命,优化传感器的设计,做到更小体积,更长寿命。

本文作者创新点:对特殊光纤光栅传感器进行了概括,提出了优化和改进的措施。

作者对本文版权全权负责,无抄袭。参考文献

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(上接第77页)(2)使用单自由度法识别模态参数,在各阶模态相距较远的情况下实现简单,结果可靠。

本文无抄袭,作者全权负责版权事宜。参考文献

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Biography:ZHAOWei-hua(1985-)female(han),HeBei,CangZhou,BeihangUniversity,graduatestudent,Researcharea:technologyofmobilerobotics.WANGWei(1973-)male(han),HuBei,YiChang,BeihangUniversity,ViceProfessor,Researcharea:technologyofmobilerobotics,modularrobot.(100191北京市北京航空航天大学机械工程及自动化学院)

赵伟华王巍

通讯地址:(100191北京市海淀区学院路37号北京航空航天大学新主楼A314室)赵伟华

(收稿日期:2011.10.28)(修稿日期:2012.01.28)

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