[发明专利]基于脉冲激励响应信号互功率谱函数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。

从结构在役状态的振动响应信号中提取模态参数的工作模态分析(Operational Modal Analysis，简称OMA)方法，识别的结构动态特性比试验模态分析(Experimental Modal Analysis，简称EMA)更接近实际运行条件下结构的真实动力学行为，成为近年来模态分析领域发展活跃一个研究方向^[1]。但现有研究多基于激励信号为白噪声的假设，而切削过程中存在由于主轴周期性旋转产生的谐波激励，给切削系统的OMA分析造成困难，为此研究学者们发展了从切削过程响应数据中滤除谐波成分的方法，如张义民等提出在工作模态分析时，利用概率密度函数识别响应信号中周期强迫响应的方法，实现谐波模态与固有模态的区分^[2]等。

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。为了在进行机床结构运行模态分析时，能获得较强的宽频带随机激励，准确识别切削系统模态参数，国内外学者提出通过切削特别设计的具有伪随机分布的突起或沟槽的工件表面，以获得较强的宽频带随机激励的方法；使用单齿刀具断续铣削狭窄工件以获得脉冲状切削力激励的方法；通过数控系统使主轴以随机转速旋转，用单刃面铣刀切削单齿工件，以模拟随机激励等。但是这些方法根据不同的机床以及感兴趣的频率范围，需要精心设计被切削工件，试验成本较高且费时费力。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脉冲激励响应信号互功率谱函数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：

一种基于脉冲激励响应信号互功率谱函数的主轴系统运行模态分析方法，包括以下步骤：

1)在主轴系统的刀柄上分别选取激励点，利用钢锤在选取的激励点对主轴系统实施脉冲激励；

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，对所有响应通道加汉宁窗；

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

5)利用所述矩阵方程求解系数矩阵，得到系统极点；

6)识别模态振型及模态参与因子矩阵；

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。