[發(fā)明專利]一種基于多點(diǎn)脈沖激勵的主軸系統(tǒng)運(yùn)行模態(tài)分析方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410340987.1
• 申請日: 2014-07-17
• 公開（公告）號: CN104142219A
• 公開（公告）日: 2014-11-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王揚(yáng)渝;文東輝;蔡東海;陳恒
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01M7/02
• 分類號: G01M7/02
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務(wù)所有限公司 33241
• 代理人: 王利強(qiáng)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及運(yùn)行模態(tài)分析技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種主軸系統(tǒng)運(yùn)行模態(tài)分析方法。

背景技術(shù)

主軸系統(tǒng)的動態(tài)特性對機(jī)床的加工精度和切削效率有直接影響，準(zhǔn)確掌握包含刀具-刀柄-主軸的主軸系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)是穩(wěn)定性預(yù)測、加工參數(shù)優(yōu)化等的重要依據(jù)。通常在刀尖點(diǎn)施加激勵并拾取響應(yīng)，獲得刀尖點(diǎn)頻響函數(shù)，再由試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析獲得系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)。

然而由于刀具需不斷更換，當(dāng)主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化時，需要重新進(jìn)行試驗(yàn)，增加了測試時間。從在役結(jié)構(gòu)的響應(yīng)信號中獲取模態(tài)參數(shù)的運(yùn)行模態(tài)分析方法，只需要利用響應(yīng)數(shù)據(jù)便可進(jìn)行參數(shù)辨識，其測試結(jié)果比實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法更接近結(jié)構(gòu)的真實(shí)動力學(xué)行為。

目前基于環(huán)境激勵的運(yùn)行模態(tài)分析方法通常假設(shè)激勵信號為零均值白噪聲信號。但是對于用于切削加工的主軸系統(tǒng)而言，切削振動信號中存在由于主軸周期性旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的刀齒通過頻率、切削力周期頻率等復(fù)雜諧波，往往淹沒包含動態(tài)特性信息的自由振動響應(yīng)信號。雖然可以通過從切削響應(yīng)數(shù)據(jù)中濾除諧波成分的方法，獲得結(jié)構(gòu)的自由振動響應(yīng)來識別模態(tài)參數(shù)，但是由于諧波成分復(fù)雜，難以確定需要濾除的頻率成分，并且濾波和重構(gòu)過程易破壞信號結(jié)構(gòu)，易造成識別誤差，給主軸系統(tǒng)運(yùn)行模態(tài)分析造成困難。中國發(fā)明專利申請?zhí)枮椋?00910193883.1，發(fā)明名稱為：一種數(shù)控裝備實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法，公布了一種通過采集數(shù)控裝備“自激勵”狀態(tài)下的振動響應(yīng)信號進(jìn)行分析處理的模態(tài)分析方法，但是空運(yùn)行激勵下的非平穩(wěn)自由振動響應(yīng)信號的信噪比不高，從該振動信號識別模態(tài)參數(shù)也面臨較大的挑戰(zhàn)。因此，面向數(shù)控裝備主軸系統(tǒng)動態(tài)特性辨識的合理激勵方式以及運(yùn)行模態(tài)分析方法亟待研究。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服已有主軸系統(tǒng)模態(tài)分析方法的計算速度較慢、精確度較低、誤差控制較差、試驗(yàn)效率較低的不足，本發(fā)明提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)快速計算、精確度高、具有較好的誤差控制、能夠減少試驗(yàn)強(qiáng)度和時間、大幅提高試驗(yàn)效率的基于多點(diǎn)脈沖激勵的主軸系統(tǒng)運(yùn)行模態(tài)分析方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于多點(diǎn)脈沖激勵的主軸系統(tǒng)運(yùn)行模態(tài)分析方法，包括以下步驟：

1)在主軸系統(tǒng)的刀具、刀柄及主軸上分別選取激勵點(diǎn)，利用鋼錘在選取的激勵點(diǎn)對主軸實(shí)施脈沖激勵；

選取距離激勵點(diǎn)較近且響應(yīng)信號幅值較大的響應(yīng)點(diǎn)作為參考點(diǎn)；

在所述參考點(diǎn)及反映主軸振型的各關(guān)鍵幾何模型節(jié)點(diǎn)布置響應(yīng)測點(diǎn)；

2)采集所述參考點(diǎn)和響應(yīng)點(diǎn)在脈沖激勵后產(chǎn)生的響應(yīng)信號；

3)對采集信號進(jìn)行帶通濾波，其通頻帶為感興趣的結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率范圍；

4)求取參考點(diǎn)與響應(yīng)點(diǎn)之間的互相關(guān)函數(shù)，并構(gòu)建互相關(guān)函數(shù)不同采樣時刻數(shù)據(jù)構(gòu)成的矩陣方程組；

5)利用所述矩陣方程組求解系數(shù)矩陣；

6)識別系統(tǒng)極點(diǎn)，建立最小二乘誤差穩(wěn)態(tài)圖，求解模態(tài)振型；

7)進(jìn)行模態(tài)置信判據(jù)矩陣值計算，如果模態(tài)置信判據(jù)值不佳，則選取不同采樣時刻值，返回到步驟4)重新構(gòu)建矩陣方程組，直至模態(tài)置信判據(jù)值在預(yù)設(shè)合理區(qū)間以內(nèi)，獲得主軸系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)。

進(jìn)一步，所述方法還包括以下步驟：8)模態(tài)動畫繪制：得出各點(diǎn)每個方向的模態(tài)振型矢量，與測點(diǎn)布置幾何模型對應(yīng)，就得到描述各測點(diǎn)x、y、z方向上的相對振幅的模態(tài)振型動畫。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：1、能夠?qū)崿F(xiàn)快速計算、精確度高、具有較好的誤差控制、能夠減少試驗(yàn)強(qiáng)度和時間，大幅提高試驗(yàn)效率；2、突破了已有實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)要求外加激勵響應(yīng)輸入和對激勵輸入各種強(qiáng)制假設(shè)的缺陷，可實(shí)現(xiàn)在工作現(xiàn)場方便快速地對數(shù)控加工設(shè)備的主軸系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)特性分析，而且可以得到有些在實(shí)驗(yàn)室激勵條件下不能得到的振型；3、不需要測量外部激勵，只測量響應(yīng)數(shù)據(jù)，減少了設(shè)備需求，試驗(yàn)成本可以大大降低，為主軸系統(tǒng)運(yùn)行模態(tài)分析理論和技術(shù)增添了一種新方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明流程示意圖。

圖2為主軸系統(tǒng)運(yùn)行模態(tài)分析系統(tǒng)組成示意圖。

圖3為主軸系統(tǒng)測點(diǎn)及激勵點(diǎn)布置示意圖。

圖4為模態(tài)參數(shù)識別穩(wěn)態(tài)圖。

圖5為識別的主軸系統(tǒng)模態(tài)振型圖，其中，(a)是一階振型，(b)是二階振型，(c)為三階振型，(d)為四階振型。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

參照圖1～圖5，一種基于多點(diǎn)脈沖激勵的主軸系統(tǒng)運(yùn)行模態(tài)分析方法，包括以下步驟：

1)在主軸系統(tǒng)的刀具、刀柄及主軸上分別選取激勵點(diǎn)，利用鋼錘在選取的激勵點(diǎn)對主軸實(shí)施脈沖激勵；