[发明专利]基于模态质量分布的数控机床工作空间点聚类方法

说明书

本发明属于数控机床动力学特征分析与表征相关技术领域，其公开了一种基于模态质量分布的数控机床工作空间点聚类方法，方法包括：采集工作空间的中心位置以及六个面中心位置的模态振型；基于模态振型获得子结构移动前后母结构的固有频率，并基于固有频率获得位置变化引起的母结构动态特性变化的敏感性系数；获取7个位置的敏感性系数，并基于敏感性系数将立方体工作空间划分为多个样本点；基于多个样本点的模态振型获得模态质量分布矩阵并将其映射至核空间进行聚类获得工作空间点的聚类。本申请基于整机结构的模态振型实现对不同方向动态特性变化敏感性分析，可以避免数控机床工作空间采样点选取的不合理性，实现对工作空间准确的划分和聚类。

技术领域

本发明属于数控机床动力学特征分析与表征相关技术领域，更具体地，涉及一种基于模态质量分布的数控机床工作空间点聚类方法。

背景技术

机床加工空间中随加工位置的变化，整机结构的质量刚度分布发生变化，当整机结构存在刚度不均匀时，位置的变化会进一步导致结构中薄弱部件的变化。为了细化机床结构位置相关动力学特性的分析与描述，将位置变化引起的结构动态特性的变化分为仅有固有频率和阻尼比的变化，和模态参数以及结构的薄弱部件同时发生变化的两种变化类型。结构的薄弱部件通过模态质量分布进行识别，根据加工空间中不同位置模态质量分布是否变化将整个加工空间进行分区，同一区域内仅固有频率和阻尼比发生变化，不同区域之间结构的模态质量分布发生变化。模态质量分布的变化影响加工过程中整机结构振动主导的模态的变化，因此需要对整机结构在整个加工空间动力学特性进行分析。论文“partition of the workspace for machine tool based on position-dependentmodal energy distribution and clustering algorithm”其根据薄弱环节是否发生变化将整个工作空间划分成不同的子区域，在同一子区域只有模态参数发生变化，而薄弱点保持不变，在不同的子区域，整个机床的结构的薄弱点发生变化。但其是采用将工作空间均分的方式进行分析，并且直接进行计算聚类，聚类并不合理精准。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于模态质量分布的数控机床工作空间点聚类方法，本申请通过敏感系数对数控立方体工作空间进行合理划分，再次基础上采用模态质量分布矩阵进行样本点聚类。该方法无需对加工空间遍历，基于整机结构的模态振型可以实现对不同方向动态特性变化敏感性分析，可以避免数控机床工作空间采样点选取的不合理性，实现对工作空间准确的划分和聚类。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于模态质量分布的数控机床工作空间点聚类方法，所述方法包括：S1：采集所述数控机床立方体工作空间的中心位置以及六个面中心位置的模态振型；S2：将所述模态振型代入结构动力学特征方程获得子结构移动前后所依附的母结构的固有频率，并基于所述固有频率获得位置变化引起的母结构动态特性变化的敏感性系数；S3：获取所述中心位置以及六个面中心位置的敏感性系数，并基于所述中心位置以及六个面中心位置的敏感性系数将所述立方体工作空间划分为多个样本点；S4：获取多个所述样本点的模态振型并代入模态质量计算模型获得模态质量分布矩阵；S5：将所述模态质量分布矩阵映射至核空间并进行逐层聚类获得工作空间点的聚类。

优选地，所述步骤S2中，子结构移动前所述结构动力学特征方程为：

其中，K₁为母结构的刚度矩阵；M₁为母结构的质量矩阵；ω_1i为子结构移动前母结构的第i阶固有频率，为母结构的第i阶模态振型；

子结构移动后所述结构动力学特征方程为：

其中，ω′_1i为子结构移动后母结构的第i阶固有频率，为子结构移动后母结构的第i阶模态振型，m′为子结构位置的移动对所述母结构的附加质量，