[发明专利]一种基于多点脉冲激励的主轴系统运行模态分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及运行模态分析技术领域，尤其是一种主轴系统运行模态分析方法。

背景技术

主轴系统的动态特性对机床的加工精度和切削效率有直接影响，准确掌握包含刀具-刀柄-主轴的主轴系统的模态参数是稳定性预测、加工参数优化等的重要依据。通常在刀尖点施加激励并拾取响应，获得刀尖点频响函数，再由试验模态分析获得系统模态参数。

然而由于刀具需不断更换，当主轴系统结构变化时，需要重新进行试验，增加了测试时间。从在役结构的响应信号中获取模态参数的运行模态分析方法，只需要利用响应数据便可进行参数辨识，其测试结果比实验模态分析方法更接近结构的真实动力学行为。

目前基于环境激励的运行模态分析方法通常假设激励信号为零均值白噪声信号。但是对于用于切削加工的主轴系统而言，切削振动信号中存在由于主轴周期性旋转产生的刀齿通过频率、切削力周期频率等复杂谐波，往往淹没包含动态特性信息的自由振动响应信号。虽然可以通过从切削响应数据中滤除谐波成分的方法，获得结构的自由振动响应来识别模态参数，但是由于谐波成分复杂，难以确定需要滤除的频率成分，并且滤波和重构过程易破坏信号结构，易造成识别误差，给主轴系统运行模态分析造成困难。中国发明专利申请号为：200910193883.1，发明名称为：一种数控装备实验模态分析方法，公布了一种通过采集数控装备“自激励”状态下的振动响应信号进行分析处理的模态分析方法，但是空运行激励下的非平稳自由振动响应信号的信噪比不高，从该振动信号识别模态参数也面临较大的挑战。因此，面向数控装备主轴系统动态特性辨识的合理激励方式以及运行模态分析方法亟待研究。

发明内容

为了克服已有主轴系统模态分析方法的计算速度较慢、精确度较低、误差控制较差、试验效率较低的不足，本发明提供一种能够实现快速计算、精确度高、具有较好的误差控制、能够减少试验强度和时间、大幅提高试验效率的基于多点脉冲激励的主轴系统运行模态分析方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于多点脉冲激励的主轴系统运行模态分析方法，包括以下步骤：

1)在主轴系统的刀具、刀柄及主轴上分别选取激励点，利用钢锤在选取的激励点对主轴实施脉冲激励；

选取距离激励点较近且响应信号幅值较大的响应点作为参考点；

在所述参考点及反映主轴振型的各关键几何模型节点布置响应测点；

2)采集所述参考点和响应点在脉冲激励后产生的响应信号；

3)对采集信号进行带通滤波，其通频带为感兴趣的结构模态频率范围；

4)求取参考点与响应点之间的互相关函数，并构建互相关函数不同采样时刻数据构成的矩阵方程组；

5)利用所述矩阵方程组求解系数矩阵；

6)识别系统极点，建立最小二乘误差稳态图，求解模态振型；

7)进行模态置信判据矩阵值计算，如果模态置信判据值不佳，则选取不同采样时刻值，返回到步骤4)重新构建矩阵方程组，直至模态置信判据值在预设合理区间以内，获得主轴系统模态参数。

进一步，所述方法还包括以下步骤：8)模态动画绘制：得出各点每个方向的模态振型矢量，与测点布置几何模型对应，就得到描述各测点x、y、z方向上的相对振幅的模态振型动画。

本发明的有益效果主要表现在：1、能够实现快速计算、精确度高、具有较好的误差控制、能够减少试验强度和时间，大幅提高试验效率；2、突破了已有实验模态分析技术要求外加激励响应输入和对激励输入各种强制假设的缺陷，可实现在工作现场方便快速地对数控加工设备的主轴系统进行动态特性分析，而且可以得到有些在实验室激励条件下不能得到的振型；3、不需要测量外部激励，只测量响应数据，减少了设备需求，试验成本可以大大降低，为主轴系统运行模态分析理论和技术增添了一种新方法。

附图说明

图1为本发明流程示意图。

图2为主轴系统运行模态分析系统组成示意图。

图3为主轴系统测点及激励点布置示意图。

图4为模态参数识别稳态图。

图5为识别的主轴系统模态振型图，其中，(a)是一阶振型，(b)是二阶振型，(c)为三阶振型，(d)为四阶振型。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图5，一种基于多点脉冲激励的主轴系统运行模态分析方法，包括以下步骤：

1)在主轴系统的刀具、刀柄及主轴上分别选取激励点，利用钢锤在选取的激励点对主轴实施脉冲激励；