激光多普勒面内振动测试系统.pdf

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激光多普勒面内振动测试系统 白永明,纪跃波,黄卫清 (南京航空航天大学,江苏南京210016) 摘要:介绍了所开发的一种超声电机定子面内振动模态测试系统。系统采用X-Y电移台实现测点点阵定 位,只用一个一维面内振动激光测头LSV065.306F,基于分量测量方法,通过旋转激光测头实现了测点面内振动 二维矢量的测量。该系统可以检测试件的面内振动模态频率和定频激励下的振型,适用于多种形状包括矩形、圆 (环)形和直线分布点阵试件的面内振动模态测试。对纵扭超声电机定子面内振动的测试表明,该系统能够用于 超声电机定子面内振动测试。 关键词:超声电机; 面内振动; 模态实验; 测试系统 超声电机【1,2】(UltrasonicMotor)是近二十年来发展起来的一种新概念动力输出装置。它依靠 压电陶瓷的逆压电效应将电能转化为弹性体的机械能,使定子产生高频的微幅振动(微、纳米级), 再利用接触和摩擦作用将定子的微幅振动转换为转子的回转或者直线运动,从而输出机械能以带 动负载工作。这种新型电机使用频率高于20kHz(即超声频率范围)的交流电源来驱动,故称之 为超声电机。超声电机有一系列显著的优点【3】,使其在智能结构、微型机械、机器人、精密仪器 仪表、伺服机构、电推动技术、自动控制、日用家电等领域有广阔的应用前景。因超声电机的历 史还比较短,其工作机理的基础理论还缺乏清晰的模型,当前超声电机的研究开发主要依靠数值 仿真计算与测试控制实验等动态设计方法。目前已有多种成熟的动力学仿真设计软件如ANSYS, NASTRAN等可作为超声电机动力学设计的有力工具。但是由于材料特性、振动理论和摩擦理论 基础的局限性,超声电机的动力学仿真设计结果必须经过模态实验进行确认。超声电机所利用的 超声振动一般都只有微、纳米级的振幅,而且其构件都是小结构件,因此通常采用激光测振系统 面内单个测点特定方向的振动速度。目前所进行的基于面内振动模态超声电机研究、纵扭复合型 超声电机研究、直线型超声电机研究等项目都需要进行面内振动模态测试。Polytec公司的3D测 振系统可以测试3维振动但价格高昂。因此,我们有必要自行开发一套面内振动模态测量系统。 置成本。 1系统构成 平面内测点的振动速度可以用互相垂直的瓜】,两个分量来表示。基于分时分量测量,可以 测点的面内振动速度矢量。设计的超声电机定子面内振动模态实验测试系统如图1所示。系统主 要包括z滑板、测点定位控制模块、激励信号模块、模态频率测试模块、正弦定频激励振型测试 模块和数据采集与分析处理模块等。 .187. Z滑板用于手动调节激光测头与测量表面垂直距离以聚 焦激光光斑。激光测头安装在回转台上,实现X、Y向的切换。 测点定位控制模块通过一个x.Y电移台将测点阵逐点定 位于激光测头测试位置,测件在激励信号激励下产生的振动, 并由模态频率测试模块或正弦定频激励振型测试模块进行测 试。数据采集与分析处理模块主要让用户进行相关参数或选 项设置,如采样频率、采集带宽、信号谱窗、时域波形、频 响谱、振型动态显示和数据保存等功能。根据超声电机实验 要求,基于通用计算机的直接数字频率与波形合成技术,激 励信号模块实现了正弦和快速扫频信号输出,信号带宽 0—100kHz,满足超声电机定子模态实验的要求。 其中测点定位控制模块、模态频率测试模块、定频正弦 图1测试系统结构 激励振型测试模块是系统的三个主要模块。 。 2测点定位控制 测点定位控制模块的功能就是依次将测试点定位于激光测试光斑位置进行测量。试件表面振 动情况可以用表面上若干点的振动进行拟合表示。因此,可由用户定义测量表面点阵作为振动测 试点集,超声电机定子模态实验试件表面的典型形状包括圆形(圆环形)平面、矩形平面,圆柱 面等。 —— I 圆环形面分布点阵 矩形面分布点阵 直线分布点阵 m=12.刀=4 m=13.以=11

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