[發明專利]對數控機械加工設備的模態分析測點執行布置優化的方法

有效

• 申請號: 201110412810.4
• 申請日: 2011-12-12
• 公開（公告）號: CN102566424A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 李斌;毛新勇;劉紅奇;毛寬民;彭芳瑜;白向賀;蔡輝
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 朱仁玲

技術領域

本發明屬于數控機械加工設備結構模態測試領域，尤其涉及一種對數控機械加工設備的實驗模態測點執行布置優化的方法。

背景技術

近年來，測點優化越來越引起大家的關注。測點選取是模態測試分析的響應信號拾取的基本問題。在數控機床的模態實驗測試中測點的選取對結構模態識別有著重要的作用。所謂實驗模態分析法，是通過力錘，激振器或是激振臺實施人工激勵，通過測量輸入和輸出信號來分析結構的模態屬性，為結構優化和結構狀況分析提供參考依據。隨著數控機床不斷向高精高速方向發展，人們對機床結構動態特性要求也越來越高，因此，作為分析結構動力特性的有效方法——實驗模態分析方法得到了越來越廣泛的應用。然而由于機床結構相對復雜，在實驗模態測試中，為保證測試分析的精度，往往布置了較多測點，一般中型數控機床通常需要200多個測點，對重型數控機床則需更多，這其中有很多是冗余測點，另外測點布置位置的選擇基本依賴于經驗，在實驗模態分析中通常要經過反復試測才能得到準確結果，因此，實驗的效率很低。為提高實驗效率降低測試成本，在數控機床實驗模態分析中，測點的優化布置研究越來越受到重視。

目前有關測點優化布置的主要方法有：模態動能法(MKE)，QR分解法和有效獨立法。模態動能法是考慮結構各待測點中模態動能較大的位置布置傳感器。該方法首先應用在航天領域，土木建筑等領域得到應用，后來Moore發展出平均模態動能法和加權平均動能法(WAKE)(參見On-orbit?sensor?placement?and?system?identification?of?space?station?with?limited?instrumentations，Proceedings?of?the?28th?Structures，Structural?Dynamics，and?Materials?Conference，Monterey)，其優點是通過選擇模態動能較大的點提高結構動態響應信號測量時的信噪比。QR分解法的主要原理是通過對系統振型矩陣轉置的正交分解(QR分解)獲得傳感器配置方案，該方法在航空和土木建筑上都得以應用。但是模態動能法和QR分解會出現測點過分集中的問題，很難達到好的優化效果。

Kammer在1990年基于模態動能法提出有效獨立法(參見“Sensor?Placement?for?On-Orbit?Modal?Identification?and?Correlation?of?Large?Space”，American?Control?Conference，1990，2984-2990.)，可以很好地避免模態動能法所造成測點較為集中的缺點。所謂有效獨立法就是通過對模態振型矩陣計算Fisher信息矩陣，求得有效獨立系數，再去掉有效獨立系數的最小元素對應的點由此逐步迭代完成測點的選擇。Kammer在2005年擴大了該方法的適用范圍。該方法在航空航天領域和土木建筑領域都得以應用。然而，有效獨立法的所獲得的測點并不能滿足識別振型的要求，因此無論在測點數量和測點位置方面皆不能完全有效地實現對測點的布置優化。

發明內容

針對現有技術中的上述缺陷，本發明的目的在于提供一種用于對數控機床的實驗模態分析測點執行布置優化的方法，該方法包括下列步驟：

(1)通過有限元仿真，對數控機械加工設備進行實物三維建模、網格劃分和模態分析，由此獲得其整體結構模態振型和相應的模態振型矩陣；

(2)利用所述整體結構模態振型，確定并選取數控機械加工設備的模態振型敏感部件及其相應的振型矩陣；

(3)從所述模態振型敏感部件中選取其表面可測節點，并將這些表面可測節點作為布置優化的對象；

(4)使用有效獨立法，對所述表面可測節點進行迭代剔除，由此實現對這些表面可測節點的首次優化；

(5)采用香農采樣定理，對所述模態振型敏感部件執行線性化均勻布點，該步驟具體包括以下子步驟：

(5-1)根據步驟(1)所獲得的整體結構模態振型，確定所述模態振型敏感部件的最高階模態；

(5-2)計算所述最高階模態的半波長；

(5-3)根據所述模態振型敏感部件的最高階模態的所有模態振型節點，將每個節點之間的距離設定為所述半波長，并相應在每個節點上布置一個測點；

(5-4)在上述間距為半波長的每兩個節點之間，再均勻布置兩個測點，以對步驟(5-3)所獲得的測點進行補充；