一种基于电流信号辨识机床动力学参数的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于数控机床动力学研究领域，更具体地，涉及一种数控机床动力学参数 快速辨识方法。
【背景技术】
[0002] 目前研究机床振动特性的常用方法是直接用刀尖点处的动力学代替整机动力学 特性。该方法认为机床结构的刚度远远大于刀具的刚度，机床结构可以被视为刚体，因此仅 仅只需考虑刀尖点处的动力学特性。Altintas通过力锤敲击实验获得机床刀尖点处的动力 学参数，并利用动力学参数进行切削稳定性分析。Kamalzade对两端装有编码器的滚珠丝杆 进行运动激励，实现了滚珠丝杆轴向与扭转模态参数的辨识，并与分析模态参数进行了对 比，取得了较为一致的结果；
[0003] 传统获取机床模态参数的研究主要是通过直接拾取振动传感器的振动信号，安装 不方便、测试成本过高；同时由于对机床动力学的研究主要是通过直接拾取振动传感器的 振动信号，安装不方便、且测试成本过高；随着时间的推移机床进给系统会发生物理意义上 的变化，影响机床的动力学特性，因此需要一种快速方便低成本获取机床动力学参数的方 法，以研究机床的实时工作状态。
[0004] 本发明所述动力学参数，指机床固有频率和阻尼比。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种可以实时快速的获取机床进给系统 的动力学参数方法，通过获取机床进给系统的电流信号，对其进行预处理，对获取后的电流 信号进行预处理，将预处理后的电流信号运用最小二乘复指数算法对其进行处理，快速辨 识出机床的动力学参数。
[0006] 为实现上述目的，本发明提出了一种基于电流信号辨识机床动力学参数的方法， 其特征在于，包括如下步骤：
[0007] (1)启动机床，执行伪随机代码，对进给轴进行主动激励，使其随机运动，实现机床 自激励，从而激起机床的动力学参数；所述动学学参数，指机床固有频率和阻尼比；
[0008] (2)利用电流传感器获取自激励状态下进给轴的电机电流信号；
[0009] (3)对获取的电流信号取均方根值，进行高通滤波预处理；将预处理后电流信号 运用最小二乘复指数算法对其进行处理，辨识出机床的动力学参数；具体步骤是对获取的 电流信号作傅立叶分析，求出极点然后按下式求出固有频率ω，Ρ阻尼比ζ^
[0010]
[0011] 其中，艮=S，t，At是采样时间间隔。
[0012] 计算式的推导过程如下：
[0013] 设一个系统中由q点力引起P点位移频响函数的表达式为：
[0014]
[0015] 式中A_Sr阶模态相应的留数，与模态振型有关；N为系统的自由度数；j为虚数 符号；*表示共辄；^为频响函数第r阶模态极点，与模态频率和阻尼比有关。
[0016] 对上式简化，并令Ar+N=A/，Sr+N=S/，可得：
[0017]
即由q点力引起P点位移频响函数。
[0018] 对上式进行逆FFT，得系统响应函数h(t)为：
[0019]
[0020] 由于实测的响应函数是时间离散时间序列，设时间序列tk=kAt，At是采样的 时间间隔，k为抽样序数，上式可以表示为：
[0021]
[0022] 式中，L+1为实测信号的脉冲响应函数的数据长度，一般采样时间较长，所以L+1 比2N大得多。
[0023]其中，则其方程组形式为：
[0024] I~
[0025] 将Vr看做是一个具有实系数（自回归系数）的2Ν阶的多项式方程的根，ΒΡ
[0026]
[0027] 通过上式可以看出，β2Ν= 1，对（3.4)中的式的等号两边分别乘以βk，并进行累 加，可得：
[0028]
[0029]
[0030] 为计算自回归系数i3k，需要构造一个方程组，按每次取数时向后偏移一个At方 式，依次从实测hk中取2N+1个数据，代入上式，构成一组方程如下：
[0031] 以此计算自回归系数βk，方程组如下：
[0032]
[0033]其中M=L_2N
[0034] 则该方程解：
[0035] {β}=([h]T[h]) ^[hrih'})
[0036] 将所求得{β}增加一个元素β2N= 1，则：
[0037]
[0038] 求得由系数1^组成的多项式根，则可以求出频率ω^与阻尼比ξ^
[0039]
[0040] 本发明提出的机床动力学参数的快速辨识方法，其通过直接获取伺服电机的电流 信号，运用最小二乘复指数算法对其进行处理，获取进给系统的动力学参数，以此实现快速 辨识数控机床动力学参数的目的，具有省时省力，判别简单快速，效率高等优点，可用于数 控机床进给系统的装配质量的在线监测。
【附图说明】
[0041]图1是本发明一种基于电流信号辨识机床动力学参数的方法的具体实施流程图；
[0042] 图2是基于电流信号辨识机床动力学参数的原理图；
[0043] 图3是自激励条件下获取的振动信号与电流信号的时频对比；
[0044] 图4是基于电流信号辨识机床动力学参数的具体实施例。
【具体实施方式】
[0045] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0046] 下面所描述的即为本发明的一种【具体实施方式】，一种基于电流信号辨识机床的动 力学方法，该方法具体包括：
[0047] (1)电机电流信号的采集：
[0048] 首先将信号采集平台搭建好，对被测运动轴的电机悬挂霍尔电流传感器，同时将 PCB振动传感器贴合于丝杠螺母副处，通过比利时LMS采集仪，这是一款信号采集仪器，通 过此款采集仪器