[发明专利]一种光栅尺可靠性试验台及基于载荷谱的可靠性试验方法

摘要

本发明涉及一种光栅尺可靠性试验台及基于载荷谱的可靠性试验方法，属于应用于机械领域的试验装置。包括光栅尺主尺安装板、支撑块、读数头安装板、拖链、直线电机、滑板、光栅尺主尺、读数头、底板及三向加速度传感器，包括基于速度谱和加速度谱的可靠性试验方法。可以根据试验具体要求进行调整，包括调整直线电机的瞬时速度、瞬时加速度、平均速度、平均加速度及其运动规律曲线；通过模拟速度及加速度载荷对光栅尺进行试验，根据光栅尺在实际运行中的速度、加速度载荷，编制速度谱及加速度谱，基于速度谱和加速度谱的可靠性试验能真实反映光栅尺在实际运行中承受的速度及加速度载荷，满足多种型号的封闭式光栅尺可靠性试验。

主权项

1.一种基于载荷谱的可靠性试验方法，其特征在于包括：(1)、基于速度谱的可靠性试验方法，步骤如下：第一步：收集多种安装有光栅尺的典型工业设备，如数控机床、3D打印机、工业机器人等在工作时光栅尺的各运行速度及对应的时间；第二步：为了便于数据的处理及分析，首先将收集的所有速度载荷按照速度大小从小到大排序，记为V₁、V₂、V₃、……、V_n，各速度对应的时间为T₁、T₂、T₃、……、T_n，可知，最小速度为V₁，最大速度为V_n；第三步：将速度进行归一化，引入相对速度概念，即各速度与最高速度之比，表达式为V_i'＝V_i/V_n，其中i＝1、2、……、n，V_i'为转换后的相对速度，其中最小相对速度为V₁'，最大相对速度为V'_n，即为1，记为区间[V₁'，1]；第四步：根据相对速度大小并结合实际情况，对相对速度进行分组，组数为m(m≤n)，即将区间[V₁'，1]分成m个子区间[V₁'，l₁)、(l₁，l₂)、……、(l_h‑1，l_h)、……、(l_m‑1，1]，令V₁'＝l₀，1＝l_m，其中l₁、l₂、……、l_m为相对速度，第h个子区间(l_h‑1，l_h)的长度为△l_h＝l_h‑l_h‑1，h＝1,2,…,m，数出V₁'、V'₂、……、V_i'、……V'_n落在每个子区间(l_h‑1，l_h)的个数c_h，用每个子区间的中位数代表整个子区间的值，记第h个子区间的中位数为V”_h，每个子区间对应的时间为该子区间所有元素的对应时间之和，记每个子区间对应的时间为T'_h；第五步：计算各子区间的频率，其中各速度总运行时间记为T_z，则有：其中k为下标，k＝1,2,……,n，各子区间对应的频率记为ω_h，则：h＝1,2,3,……,m；第六步：计算各子区间对应的概率密度，第h个子区间的概率密度记为f(V_h”)，则有第七步：计算各子区间对应的累积分布，第h个子区间的累积分布记为F(V_h”)，则有：i为下标；第八步：根据各子区间对应的概率密度f(V_h”)，采用威布尔分布模型进行分布拟合，建立该速度的概率分布模型，得到速度谱分布的概率密度函数f(V”)和累积分布函数F(V”)；第九步：在速度谱累积分布的基础上对其进行载荷谱分级，建立八级程序载荷谱，各级载荷大小按照幅值比系数法得到，幅值比系数分别取0.125、0.275、0.425、0.575、0.725、0.85、0.95、1，由此得到各级的速度，再根据相邻速度累计分布函数值依次作差，得到每级速度对应的时间百分比；第十步：根据试验要求及实际情况确定试验总时间，根据每级速度对应的时间百分比确定每级速度的试验时间，再进行可靠性试验；第十一步：将前十步确定的速度加载参数输入上位工控机的软件中；第十二步：检查光栅尺可靠性试验台的机械及电气结构，确定无误后安装受试光栅尺，并检测光栅尺的安装是否达到安装要求；第十三步：光栅尺安装完毕后，再检查一次光栅尺可靠性试验台，然后启动光栅尺可靠性试验台，并进行回零操作；第十四步：光栅尺试验台进行回零操作之后，将与受试光栅尺连接的数显表进行清零操作；第十五步：光栅尺连续运动过程中，在上位机软件中实时显示试验数据，采集的试验数据包括光栅尺读数头当前的速度和位置；在试验过程中当发现所监测的信号出现异常情况时要及时报警并停机，并分析产生信号异常的原因和可能的故障，并记录于上位机软件中；第十六步：每次试验完毕后，将试验时间、检测信号数据、故障数据、误差数据等分类处理并记录在上位机软件中，以便后期分析；(2)、基于加速度谱的可靠性试验方法，步骤如下：第一步：收集多种安装有光栅尺的典型工业设备，如数控机床、3D打印机、工业机器人等在工作时光栅尺的各加速度及对应的时间；第二步：为了便于数据的处理及分析，首先将收集的所有加速度载荷按照加速度大小从小到大排序，记为a₁、a₂、a₃、……、a_p，p为下标，各加速度对应的时间为t₁、t₂、t₃、……、t_p，可知，最小加速度为a₁，最大加速度为a_p；第三步：将加速度进行归一化，引入相对加速度概念，即各加速度与最高加速度之比，表达式为a'_i＝a_i/a_p，其中i＝1、2、……、p，a'_i为转换后的相对加速度，其中最小相对加速度为a'₁，最大相对加速度为a'_p，即为1，记为区间[a'₁，1]；第四步：根据相对加速度大小并结合实际情况，对相对加速度进行分组，组数为q(q≤p)，即将区间[a'₁，1]分成q个子区间[a'₁，r₁)、(r₁，r₂)、……、(r_j‑1，r_j)、……、(r_q‑1，1]，令a'₁＝r₀，1＝r_q，其中r_j为相对加速度，第j个子区间(r_j‑1，r_j)的长度为△r_j＝r_j‑r_j‑1，j＝1,2,…,q，数出a'₁、a'₂、……、a'_i、……、a'_p落在子区间(r_j‑1，r_j)的个数d_j，用每个子区间的中位数代表整个子区间的值，记第j个子区间的中位数为a”_j，每个子区间对应的时间为该子区间所有元素的对应时间之和，记每个子区间对应的时间为t'_j；第五步：计算各子区间的频率，其中各加速度总运行时间记为t_z，则有：o为下标，o＝1,2,……,p，各子区间对应的频率记为则：第六步：计算各子区间对应的概率密度，第j个子区间的概率密度记为f(a”_j)，则有第七步：计算各子区间对应的累积分布，第j个子区间的累积分布记为F(a”_j)，则有i下标；第八步：根据各组相对加速度对应的概率密度f(a”_j)，采用威布尔分布模型进行分布拟合，建立该加速度的概率分布模型，得到加速度谱分布的概率密度函数f(a”)和累积分布函数F(a”)；第九步：在加速度谱累积分布的基础上对其进行载荷谱分级，建立八级程序载荷谱，各级载荷大小按照幅值比系数法得到，幅值比系取0.125、0.275、0.425、0.575、0.725、0.85、0.95、1，由此得到各级的加速度，再根据相邻加速度累计分布函数值依次做差，得到每级加速度对应的时间百分比；第十步：根据试验要求及实际情况确定试验总时间，根据每级加速度对应的时间百分比确定每级加速度的试验时间，再进行可靠性试验；第十一步：将前十步确定的加速度加载参数输入上位工控机的软件中；第十二步：检查光栅尺可靠性试验台的机械及电气结构，确定无误后安装受试光栅尺，并检测光栅尺的安装是否达到安装要求；第十三步：光栅尺安装完毕后，再检查一次光栅尺可靠性试验台，然后启动光栅尺可靠性试验台，并进行回零操作；第十四步：光栅尺试验台进行回零操作之后，将与受试光栅尺连接的数显表进行清零操作；第十五步：光栅尺连续运动过程中，在上位机软件中实时显示试验数据，采集的试验数据包括光栅尺读数头当前的加速度、速度和位置，在试验过程中当发现所监测的信号出现异常情况时要及时报警并停机，并分析产生信号异常的原因和可能的故障，并记录于上位机软件中；第十六步：每次试验完毕后，将试验时间、检测信号数据、故障数据、误差数据等分类处理并记录在上位机软件中，以便后期分析。