基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于振动测试技术领域，具体涉及一种基于激光扫描的高档数控机床模态 振型测试装置及方法。
【背景技术】
[0002] 在机床行业，一般以数控机床所控制的轴数为标准来划分档次，三轴以下的为低 档，三至五轴、或五轴以上为高档数控机床。目前，我国机床制造企业竞相研发高档数控机 床，但我国多半个高档数控机床市场份额被外商所占有，其中的一个重要原因是机床行业 基础研发能力薄弱，实验软、硬件条件落后，缺乏先进的测量技术与测量手段。高档数控机 床振型测试是机床研发过程中的一个重要环节，一般包括模态振型测试和工作振型测试， 其对于了解机床的薄弱环节、结构优化设计、故障诊断、切削稳定性预测等都具有极其重要 的意义。由于激光测振仪具有非接触无损测试的优点，且测振距离可调，还可以实现高速旋 转、高频、高温等环境的振动测试。目前，许多机床企业希望将其应用于高档数控机床的模 态振型测试，但由于传统的激光测振仪使用不方便，无法满足结构尺寸大、表面形状复杂的 高档数控机床模态振型测试的需求。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于激光扫描的高档数控机床模态振 型测试装置及方法。
[0004] 本发明的技术方案：
[0005] -种基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置，包括：信号发生器、多个功 率放大器、多个激振器、多个力传感器、激光扫描装置、数据采集仪、工业计算机；
[0006] 所述信号发生器的输入端与所述工业计算机的输出端连接；所述信号发生器的输 出端同时与所述多个功率放大器的输入端相连接；所述多个功率放大器与所述多个激振器 之间以及所述多个激振器与所述多个力传感器之间均为为一对一独立连接；所述多个力传 感器分布安装在预先确定的机床各激振点位置上；各个力传感器的输出端均连接所述数据 采集仪的输入端；所述数据采集仪的另一输入端与所述激光扫描装置中的激光测振仪的输 出端相连接；同时，数据采集仪还与工业计算机互联；
[0007] 所述信号发生器用于根据工业计算机的指令，发出相应频率的多路随机激励信号 并分别发送给多个功率放大器；
[0008] 所述多个功率放大器用于同时分别对多路激励信号进行放大，并将放大后的激励 信号分别发送给多个激振器；
[0009] 所述多个激振器用于在不同的位置同时激振，激励高档数控机床使其振动；
[0010] 所述多个力传感器，分布安装在预先确定的机床各激振点位置上，用于分别获得 多个激振器发出的激振力信号并发送给数据采集仪；
[0011] 所述数据采集仪用于实时采集和记录振动响应信号与激振力信号并传送给工业 计算机；
[0012] 所述激光扫描装置，用于获得高档数控机床的不同响应测点的振动响应信号并发 送给数据采集仪；所述激光扫描装置进一步包括：
[0013] 所述激光测振仪用于通过激光测振仪位置自动调整机构，对高档数控机床的响 应测点进行逐点扫描，获得高档数控机床的不同响应测点的振动响应信号并发送给数据采 集仪；
[0014] 所述激光测振仪位置自动调整机构，用于自动调整激光测振仪在该机构X轴上的 位置、激光测振仪在该机构Z轴上的位置以及激光测振仪在该机构上绕着Z轴旋转的角度， 该机构还可以由用户根据测试需要移动到所需位置；
[0015] 所述工业计算机用于控制信号发生器发出相应频率的激励信号；根据机床的结 构、形状和尺寸关系，建立高档数控机床的线框模型；基于所获得的各个激振点对应的激振 力信号和各个响应测点的响应信号，计算得出多个频响函数；利用多输入多响应模态参数 识别方法识别频响函数，得到高档数控机床的固有频率和机床模态振型；对获得的机床模 态振型进行仿真，得到机床模态振型动画。
[0016] 根据所述的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置，所述激光测振仪位 置自动调整机构由XZ移动平台和Z轴旋转平台组合构成，且Z轴旋转平台可以在XZ移动 平台上沿着Z轴移动和沿着X轴移动；所述激光测振仪设置在Z轴旋转平台上。
[0017] 采用所述的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置确定高档数控机床 模态振型的方法，包括如下步骤：
[0018] 步骤1 :将高档数控机床调整到测试状态；
[0019] 步骤2:根据机床的结构、形状和尺寸关系，建立高档数控机床的线框模型，并在 该高档数控机床的线框模型上确定响应测点及各响应测点的感兴趣振动方向；
[0020] 步骤3 :从步骤2中所确定的响应测点中选择j个响应测点作为激振点；
[0021] 步骤4:将多个力传感器分布安装在各激振点位置上；
[0022] 步骤5 :利用高档数控机床的线框模型，进行激振参数预判实验，确定激振点的数 量、激振点的位置和激振方向，以及每个激振点激振力的幅度；
[0023] 步骤5-1 :为获得良好的实验结果，在正式实验进行之前需进行激振参数预判实 验，在机床的线框模型中选取i个响应测点，i的个数满足：
[0024] i彡人j (1)
[0025] 式中，A=3~5,A取值愈大，则激振参数预判实验效果愈好，调节激光测点到 上述i个响应测点位置，并分别测试获得i个响应测点分别相对于各激振点的相干函数，得 到i*j组相干函数；
[0026] 步骤5-2:针对每个激振点，将i个响应测点分别相对于激振点的相干函数进行求 和取平均计算出激振点的集总相干函数，得到j个集总相干函数；如果集总相干函数对应 的相干系数绝大部分值大于〇. 8,则证明该激振点对应的激励幅度、位置和激振方向符合振 型测试的要求，则该激振点的激振参数可用于正式实验；如果集总相干函数对应的相干系 数绝大部分值小于〇. 8,则需要调整该激振点对应的激励幅度、位置和激振方向；
[0027] 步骤5-3:重复步骤5-2,直到完成全部激振点的预判，并最终确定激振点的数量、 各激振点的位置和各激振点的激振方向，以及每个激振点激振力的幅度；
[0028] 步骤6 :开始正式实验，启动信号发生器发出随机激励信号，并通过功率放大器将 激励信号放大后输入给对应的激振器；
[0029] 步骤7 :各激振器以不同的激励幅度同时对被测机床进行激励，同时通过数据采 集仪实时记录各个激振点对应的激振力信号；
[0030] 步骤8 :确定激光扫描的速率，使用激光扫描装置，沿机床响应测点进行逐点扫 描，扫描时分别沿+X，-X，+Y，-Y四个方向，按照逐行扫描或者逐列扫描的方式进行，扫描过 程中通过数据采集仪实时记录响应信号的时域波形，获得机床线框模型在不同行和不同列 对应的振动扫描时域信号；
[0031] 步骤9 :通过滑窗缩减法准确辨识线框模型中不同行和不同列的振动扫描信号所 对应的不同响应测点的响应信号；
[0032] 步骤9-1 :确定滑窗个数；
[0033] 根据扫描信号对应的行或者列中包含的n个测点，确定滑窗的个数为n;
[0034] 步骤9-2 :确定滑窗位置；
[0035] 假设激光扫描装置的扫描速率为V，完成某行或者某列的振动响应时间为t，且扫 描第1