本发明涉及一种自动脉冲激励频响测试装置及方法，尤其涉及一种通过力传感器力信号的反馈与识别得到理想力脉冲信号的自动脉冲激励频响测试装置，属于模态测试设备领域。
背景技术：
数控机床动态特性是影响机床加工质量和加工效率的关键特性，其主要指标包括：固有频率、阻尼比、静刚度、动刚度以及动柔度。模态测试常用于获取机床动态特性，其关键问题之一是要测得较为准确的频率响应函数数据，只有在此基础上才能准确识别出模态参数。
宽频激励是准确获取机床动态特性的要求之一，即要求输入力持续时间接近于零，力幅度无限大，冲量为一个单位。传统锤击试验一般是在机床主轴刀尖部位通过人工操作激振力锤进行脉冲激励以获取刀具主轴系统的频率响应函数。但是，人工敲击时每次锤击力的大小、方向以及激励时间难以控制，敲击过重、过轻或者双击等操作都会影响频响分析精度。敲击过重，容易产生负载；敲击过轻，无法激起各阶模态；对脉冲持续时间把握不好，容易出现双击现象，导致反复敲击。因此，响应速度快(即防止双击)、力大小可调是自动脉冲激励频响测试装置的关键问题，对于解决目前模态测试时出现的由人为操作导致的效率低、精度差等问题十分重要。
现有技术中，常见的脉冲激励方式大体分为机械式和电子式。机械式力锤主要依靠杠杆原理或急回机构等机械原理工作。例如，公告号为CN105973560A的中国发明专利，公开了“自动柔性力锤模块”，其通过电机转动带动凸轮旋转结合回复弹簧作用使柔性锤柄(即杠杆)上下运动从而产生敲击动作。此种机械式力锤存在缺陷，由于凸轮等机械运动存在“死点”且步进电机响应速度不够快，因而采用机械式力锤，存在脉冲持续时间不好控制、易产生双击等问题；电子式力锤是利用电磁感应原理，通过控制电磁线圈的通断电来控制中心衔铁的伸缩。比如公告号为CN102879167A的中国发明专利，公开了“工作台式电子冲击力锤”，其通过BCD开关调节脉冲时间从而控制推拉式电磁铁的通电时间。此种控制方式存在缺陷，由于敲击前需要根据预先设置好的脉冲时间估计和调整冲击头与刀柄之间的相对距离来得到理想的敲击力信号，因而采用此种控制方式进行敲击，存在实验准备时间长、操作复杂、敲击力信号难以趋于理想的问题。
另外，随着机床智能化要求提高，亟待设计一种响应速度快、操作简单、连续性好的自动脉冲激励频响测试装置以实现机床动态特性自动化测试，并与数控系统相连实现机床的自感知能力，为机床切削参数的在线自动优选提供基础数据。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服传统人为激励中敲击力大小和方向难以保持一致且易产生连击等不足，解决现有技术中存在的可操作性差、敲击结果不理想的问题；提供一种基于力反馈控制的自动脉冲激励频响测试装置，该装置控制简单、易操作，实现了冲击力的可调节性和可重复性，能够保证锤头与测试结构之间的接触时间以得到理想的力脉冲；并以此装置为基础，提出了一种自动频响测试方法，实现机床频响测试的自动化、数字化和高效化。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种自动频响测试装置，该装置包括电源、控制器、电磁驱动器、执行器、抗混叠滤波器、数据采集卡和计算机。电源分别与控制器和电磁驱动器连接，控制器分别与数据采集卡和电磁驱动器连接，电磁驱动器驱动执行器，执行器将结果输送至数据采集卡，数据采集卡连接计算机，计算机对数据采集卡的信息结果进行分析，执行器输出的力信号同时输送至控制器构成力反馈回路，计算机能够通过数据采集卡对控制器发出相应指令。
所述执行器包括执行器外壳、电磁线圈、衔铁、复位弹簧、导向杆、直线轴承、锤头、力传感器和位移传感器，执行器外壳底部有槽孔，执行器外壳通过螺栓螺母与机床床面连接，电磁线圈安装在执行器外壳内，衔铁穿过电磁线圈中空部分通过两端的限位轴肩能在线圈内自由伸缩，复位弹簧安装在电磁线圈与衔铁之间起到复位作用，导向杆起到配重的作用，导向杆通过螺纹连接在衔铁一端并穿过直线轴承，直线轴承安装固定在执行器外壳内，力传感器安装在导向杆的一端，力传感器与导向杆之间为螺纹连接，锤头通过螺纹连接安装在力传感器一端，位移传感器安装固定在执行器外壳内。
电磁驱动器的主芯片为高压驱动芯片，最大输出50V的电压和峰值为3A的电流，能够驱动电磁线圈等感性负载。
控制器包括振荡器、电压比较器、D触发器、反相器、电位器和按钮开关，D触发器输入端即D引脚接地，振荡器输出口与D触发器置位接口即PR引脚相连，电压比较器输出口与D触发器时钟信号端口即CLK引脚相连，按钮开关接地并与D触发器复位端口即CLR引脚相连，反相器与D触发器输出端口即Q引脚相连。
所述反相器输出端与电磁驱动器使能输入端相连。
所述力传感器与电压比较器正相输入端相连，电压比较器反相输入端接电位器可调节比较电压阈值，由力传感器发出的反馈信号经电压比较器后输出上升沿触发D触发器时钟端口即CLK引脚使输出端即Q引脚输出低电平。
数据采集卡带有D/A模块，同时具备数据采集和输出功能，并能与计算机相连。
计算机携带Labview编写的控制软件和测试界面，输入锤头与试件表面的距离和敲击力的幅值数据就能够通过数据采集卡和D/A转换器对控制器发出控制指令并输出满足要求的电压大小，计算机对信号进行分析处理后将结果显示在Labview前面板界面上。
该测试装置的工作原理：将执行器固定于机床床面，机床主轴刀具运动到相应位置，打开电源，输入锤头与试件表面的距离和敲击力的幅值数据，点击计算机控制面板上的启动按钮，计算机便通过数据采集卡向控制器发出一个上升沿信号，经控制器内部的振荡器输出低电平给D触发器置位端即PR引脚，D触发器输出端即Q引脚便输出高电平，反相器接收到高电平后将电平翻转从而输出低电平至电磁驱动器使能输入端，继而电磁驱动器开始工作使驱动电磁线圈通电，由于磁场作用使中心衔铁带动导向杆、力传感器和锤头向前冲出并敲击主轴刀具，单次敲击后，力传感器信号分为两路：一路输送至控制器内部的电压比较器，使电压比较器产生一个上升沿给D触发器时钟输入端即CLK引脚从而触发D触发器输出端输出低电平，经反相器反相后输出高电平给电磁驱动器，进而电磁驱动器停止工作，电磁线圈断电，中心衔铁、导向杆、力传感器和锤头由于回复弹簧的作用迅速缩回；力传感器的另一路信号与位移传感器信号同时经抗混叠滤波器输入数据采集卡，输送至计算机，Labview软件进行分析后即可在前面板界面上显示机床主轴频率响应函数及其相关结果。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明所述的测试装置能够保证锤头在一次敲击完成后迅速缩回且输入力接近Dirac脉冲。
2、本发明所述的测试装置操作简单，具有便携性，控制部分性能稳定、成本低廉，适用于工业生产。
3、本发明所述的测试装置模块化程度高，既可更换不同材质的锤头，也能对控制系统和机械结构升级从而使其能够应用于其它机械结构的模态分析、自动冲击测试和FEA模型验证。
本发明适用于机床主轴频率响应自动化测试，并能与数控系统相连实现机床的自感知能力，为机床切削参数的在线自动优选提供基础数据。
附图说明
图1是自动脉冲激励频响测试装置执行器机械原理图；
图2是自动脉冲激励频响测试装置测试方法原理图；
图3是自动脉冲激励频响测试装置控制器电路原理图；
图4是自动脉冲激励频响测试装置操作流程图
图中：1、执行器外壳，2、复位弹簧，3、衔铁，4、电磁线圈，5、导向杆，6、直线轴承，7、力传感器，8、锤头，9、位移传感器，10、控制器，11、电源，12、电磁驱动器，13、执行器，14、抗混叠滤波器，15、数据采集卡，16、计算机，17、振荡器，18、D触发器，19、按钮开关，20、反相器，21、电磁驱动器，22、电压比较器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
图1是自动脉冲激励频响测试装置执行器机械原理图。所述执行器包括执行器外壳1、复位弹簧2、衔铁3、电磁线圈4、导向杆5、直线轴承6、力传感器7、锤头8和位移传感器9，执行器外壳1底部有槽孔，通过螺栓螺母与机床床面连接，电磁线圈4安装在执行器外壳1内，衔铁3穿过电磁线圈4中空部分通过两端的限位轴肩可在电磁线圈4内自由伸缩，复位弹簧2安装在电磁线圈4与衔铁3之间起到复位作用，导向杆5通过螺纹连接在衔铁一端并穿过直线轴承6，直线轴承6安装固定在执行器外壳1内，力传感器7安装在导向杆5一端，与导向杆5之间为螺纹连接，锤头8通过螺纹连接安装在力传感器7一端，位移传感器9安装固定在执行器外壳1内。
图2是自动脉冲激励频响测试装置测试方法原理图。一种自动脉冲激励频响测试装置，包括控制器10、电源11、电磁驱动器12、执行器13、抗混叠滤波器14、数据采集卡15、计算机16。电源11分别与控制器10和电磁驱动器12连接，控制器10分别与数据采集卡15和电磁驱动器12连接，电磁驱动器12驱动执行器13，执行器13将结果输送至数据采集卡15，数据采集卡15连接计算机16进行结果分析，执行器13输出的力信号同时输送至控制器10构成力反馈回路，计算机16通过数据采集卡15对控制器10发出相应指令。
所述电磁驱动器21主芯片为高压驱动芯片，可输出最大50V的电压和峰值为3A的电流，能够驱动电磁线圈4等感性负载。
图3是自动脉冲激励频响测试装置控制器电路原理图。所述控制器包括振荡器17、D触发器18、按钮开关19、反相器20和电压比较器22，D触发器输入端即D引脚接地，振荡器输出口与D触发器置位接口即PR引脚相连，电压比较器输出口与D触发器时钟信号端口即CLK引脚相连，按钮开关接地并与D触发器复位端口即CLR引脚相连，反相器与D触发器输出端口即Q引脚相连。
所述反相器20输出端与电磁驱动器21使能输入端相连，起到电压反相的作用。
所述力传感器7与电压比较器22正相输入端相连，电压比较器22反相输入端接电位器可调节比较电压阈值，由力传感器7发出的反馈信号经电压比较器后输出上升沿触发D触发器时钟端口即CLK引脚使输出端即Q引脚输出低电平。
数据采集卡15带有ADC功能，同时具备数据采集和输出功能，并能与计算机16相连。
计算机16携带Labview编写的控制软件和测试界面，能够对控制器发出控制指令并进行测试结果分析。
图4是自动脉冲激励频响测试装置操作流程图。本发明所涉及的自动频响测试装置的工作原理与测试方法：将执行器13固定于机床床面，机床主轴刀具运动到相应位置，打开电源11，在计算机测试界面上输入锤头与试件表面的距离和敲击力的幅值数据，点击计算机16控制面板上的启动按钮，计算机16便通过数据采集卡15向控制器10发出一个上升沿信号，经控制器10内部的振荡器17输出低电平给D触发器18置位端即PR引脚，D触发器18输出端即Q引脚便输出高电平，反相器20接收到高电平后将电平翻转从而输出低电平至电磁驱动器21使能输入端，继而电磁驱动器21开始工作使电磁线圈4通电，由于磁场作用使中心衔铁3带动导向杆5、力传感器7和锤头8向前冲出并敲击主轴刀具，单次敲击后，力传感器7信号分为两路：一路输送至控制器内部的电压比较器22，使电压比较器22产生一个上升沿给D触发器18时钟输入端即CLK引脚从而触发D触发器18输出端输出低电平，经反相器20反相后输出高电平给电磁驱动器21，进而电磁驱动器21停止工作，电磁线圈4断电，中心衔铁3、导向杆5、力传感器7和锤头8由于回复弹簧2的作用迅速缩回；力传感器7的另一路信号与位移传感器9信号经抗混叠滤波器14输入数据采集卡15，输送至计算机16，Labview软件进行分析后即可在前面板界面上显示机床主轴频率响应函数及其相关结果。
以上所述具体实施方式用来解释说明本发明，并非对本发明保护范围进行限制。在本发明的设计思想和权利要求的保护范围内，对本发明做出任何修改或改变，均应视为本发明的保护范围。