基于机床不同结构状态的数控机床频响函数获取方法
【专利摘要】一种基于机床不同结构状态的数控机床频响函数获取方法，该方法包括，步骤(1)将整个机床划分为两部件，包括固定部件和可动部件；步骤(2)获得可动部件在第一位置时机床结构状态的模态参数；步骤(3)获得可动部件在第二位置时机床结构状态的模态参数；步骤(4)利用不同结构状态的模态参数先计算得出模态标定因子，后结合频响函数的模态表达式合成机床在该结构状态的频响函数，本发明方法不需要测量输入力即可获得频响函数，应用本发明方法可实时监控机床的动态特性。
【专利说明】基于机床不同结构状态的数控机床频响函数获取方法
【技术领域】
[0001]本发明属于数控装备结构状态动力学分析领域，尤其涉及一种基于机床不同结构状态的数控机床频响函数获取方法。
【背景技术】
[0002]频响函数即频率响应函数，是互功率谱函数除以自功率谱函数得到的商。频响函数是复函数，它是被测系统的动力学特征在频域范围的描述，也就是被测系统本身对输入信号在频域中传递特性的描述。在数控机床中，用频响函数来表征机床结构状态的动力学特性，而机床的动力学特性对于改善其加工性能和结构状态的设计至关重要。
[0003]目前获得机床结构状态的动力学特性方法主要是基于强迫振动的实验模态分析法，该方法的主要特点是对机床结构状态施加特定的激励力，并同时测量该激励力和机床结构状态的振动响应以获得频响函数。该方法只能获得机床结构状态处于静止时的频响函数，然而，在实际应用当中，人们更关注的是机床在工作状态下的动力学特性，大量研究证明，机床结构状态在工作状态下的动力学特性会发生变化，与静止状态下机床结构状态的动力学特性完全不同。
[0004]近些年发展起来的工作模态分析法通过测量机床不同结构状态在工作时的振动响应来辨识机床结构状态的模态参数，其辨识结果较强迫振动的实验模态分析法更加精确可靠，更加适合机床运行状态下动力学特性的研究。然而，在工作模态分析中，获得固有频率、阻尼比以及未标定的模态振型后，还必须测定输入力，才能获得机床结构状态的频响函数，而测量输入力需要占用机床大量的工作时间，费时费力。
【发明内容】
[0005]针对以上现有技术的缺陷，本发明目的是提供一种基于机床不同结构状态的频响函数获取方法，通过改变机床可动部件的位置使机床结构状态发生变化，利用不同机床结构状态的工作模态参数计算各阶模态振型的标定因子，然后合成机床在该结构状态下的频响函数，其特征在于，该方法具体包括:
[0006](I)将整个机床划分为两大部件，包括固定部件和可动部件，其中可动部件是机床中可通过程序控制位置的可移动部件，固定部件是机床中不可移动的部件；
[0007](2)获得机床可动部件在第一位置时结构状态的工作模态参数；
[0008](3)获得机床可动部件在第二位置时结构状态的工作模态参数；
[0009](4)利用步骤(2)和步骤(3)获得的工作模态参数先计算得出模态标定因子，后结合频响函数的模态表达式分别合成可动部件在第一位置和第二位置时机床结构状态的频响函数。
[0010]进一步的，所述步骤(2)包括以下子步骤:
[0011](2-1)控制机床可动部件移动到第一位置，然后对机床实施激励，通过加速度传感器测量机床的振动响应；[0012](2-2)通过机床的振动响应信号辨识出可动部件在第一位置时机床的工作模态参数，包括固有频率ωρ阻尼比ζ ^和未标定的模态振型向量1^。
[0013]进一步的，所述步骤(3)包括以下子步骤:
[0014](3-1)控制机床可动部件移动到第二位置，然后对机床实施激励，通过加速度传感器测量机床的振动响应；
[0015](3-2)通过机床的振动响应信号辨识出可动部件在第二位置时机床的工作模态参数，包括固有频率ω/、阻尼比ζ/和未标定的模态振型向量η/。
[0016]进一步的，所述的激励为空运行自激励和切削自激励，优选为空运行自激励。
[0017]进一步的，所述步骤(4)中，所述可动部件在第一位置时机床结构状态的频响函数[H1(Co)]采用以下公式计算:
【权利要求】
1.一种基于机床不同结构状态的数控机床频响函数获取方法，通过改变机床可移动部件的位置使机床结构状态发生变化，利用机床不同结构状态的工作模态参数计算各阶模态振型的标定因子，然后合成机床在不同结构状态下的频响函数，其特征在于，该方法具体包括以下步骤: (1)将整个机床划分为两大部件，包括固定部件和可动部件，其中可动部件是机床中可通过程序控制位置的可移动部件，固定部件是机床中不可移动的部件； (2)获得机床可动部件在第一位置时结构状态的工作模态参数； (3)获得机床可动部件在第二位置时结构状态的工作模态参数； (4)利用步骤(2)和步骤(3)获得的工作模态参数先计算得出模态标定因子，后结合频响函数的模态表达式分别合成可动部件在第一位置和第二位置时机床结构状态的频响函数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)包括以下子步骤: (2-1)控制机床可动部件移动到第一位置，然后对机床实施激励，通过加速度传感器测量机床的振动响应； (2-2)通过机床的振动响应信号辨识出可动部件在第一位置时机床的工作模态参数，包括固有频率ωρ阻尼比ζ ^和未标定的模态振型向量1^。
3.根据权利要 求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)包括以下子步骤: (3-1)控制机床可动部件移动到第二位置，然后对机床实施激励，通过加速度传感器测量机床的振动响应； (3-2)通过机床的振动响应信号辨识出可动部件在第二位置时机床的工作模态数，包括固有频率ω/、阻尼比ζ/和未标定的模态振型向量η/。
4.根据权利要求2或3所述基于机床不同结构状态的数控机床频响函数获取方法，所述的激励为空运行自激励和切削自激励。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的方法，所述步骤(4)中，所述可动部件在第一位置时机床结构状态的频响函数[H1(Q)]采用以下公式计算:
6.根据权利要求1-5任意一项所述的方法，所述步骤(4)中，所述可动部件在第二位置时机床结构状态的频响函数[H2 (ω)]采用以下公式计算:
7.根据权利要求1-6任意一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述的模态标定因子ar采用以下公式计算:
【文档编号】G05B19/18GK103970066SQ201410181574
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2014年4月30日
【发明者】李斌, 毛新勇, 罗博, 闫睿智, 蔡辉, 张译寒, 刘响求, 潘大为, 彭芳瑜 申请人:华中科技大学