CN101718613A - 一种数控装备实验模态分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控装备实验模态分析方法，属于数控装备性能参数分析技术领域；它包括“自激励”输入，通过“自激励”对数控装备结构产生宽频带激励；在分析数控装备各部件激励响应敏感点的基础上，优化布置测试点；拾取各布置测试点的激励响应信号数据；对激励响应信号数据进行采集；对采集数据进行分析再处理；基于峰值法对参考点和各响应点的激励响应信号数据进行处理，得出数控装备结构的动态特性参数。本发明突破了已有实验模态分析技术要求外加激励输入和对激励输入各种强制假设的缺陷，由于不需要外部激励，试验成本可以大大降低。

Description

一种数控装备实验模态分析方法

技术领域：

本发明属于数控装备性能参数分析技术领域，尤其涉及一种数控装备实验模态分析方法。

背景技术：

国内外很早就开始用实验模态分析的理论和方法对机械结构动态特性进行了***的研究，并且已形成了较成熟的分析仪器和商用软件。传统的模态参数识别***是基于传递函数的测试和分析进行参数识别的，即同时测得***的各个激励和响应信号，进行FFT操作，得到传递函数矩阵，用模态分析理论通过对试验导纳函数的曲线拟合，识别出结构的模态参数。这种传统的实验模态分析***已经广泛的用在数控装备结构的模态参数识别上了，在本领域属于公知，例如见中国专利申请号为：200610171541.6，发明名称为：数控装备加工动力学特性测试分析***，基于输入输出信号分析的整套测试分析的软件平台。中国专利申请号为：87107568.7，发明名称为：模态分析计算机优化算法，提供了假设输入为白噪声的模态参数提取方法。以上这些***或者算法都是通过测试激励响应信号，或假设输入为白噪声的情况下来进行的。但是，对于重、大型数控装备这些仪器和软件难以使用，主要问题是由于重、大型数控装备每个部件质量大，若采用力锤敲击，敲击力小了其能量难以激发出所需要的模态，敲击力大了又可能对装备造成破坏；若采用激振器激励，常规激振器的功率也难以激发出所需要的模态，特大功率激振器不仅激振频率低难以满足数控装备频率特性的要求，而且价格昂贵，安装复杂。如果只需利用响应数据便可进行参数辨识，这无疑是一大优点。这样便可对工作情况下的机械及结构进行所谓“在线(Online)模态分析”。这不仅使那些无法测得载荷的工程结构的模态分析成为可能，而且在实际工作状态下辨识的模态参数能更确切地反映结构的实际动态性能。考虑现实***总存在一定程度的非线性，适用的线性模态模型也应该在实际负载工作点上辨识建立。但目前基于环境噪声的工作模态分析方法的前提是假定未测量激励信号为关注频段的随机白噪声扰动。显然，这个对激励的假设对所有含有旋转部件的机械***并不适用，因为除去随机扰动，这些机械***还受到由于旋转部件引起的谐波扰动。如果谐波频率接近该结构的固有频率，则上述模态分析方法将不能准确识别出模态参数，并且在实际数控装备工作激励中，旋转部件引入谐波干扰还将是时变的，这更增加了分析的困难。因此，急需研究一种新的面向重、大型数控装备的实验模态分析方法。

发明内容：

本发明的目的旨在克服现有技术之不足，提供一种数控装备实验模态分析方法。

本发明主要通过如下技术方案来实现发明目的：

一种数控装备实验模态分析方法，它包括如下步骤：

1)“自激励”输入，利用数控装备运动规律给数控装备输入自激励信号，通过“自激励”对数控装备结构产生输入激励；

2)在分析数控装备各部件激励响应敏感点的基础上，获取数控装备响应幅度较大的点作为参考点和响应点，并优化布置参考点和响应点；

3)自激励信号在参考点和响应点产生自激励响应，采集所述参考点和响应点在自激励响应后产生的响应信号；

4)使用所述参考点和响应点的响应信号识别出***的固有频率；

5)对采集数据进行分析再处理，利用所述固有频率得到振型；

6)基于峰值法对参考点和各响应点的固有频率所得振型进行处理，得出数控装备结构的动态特性参数。

在本发明中，其中步骤1)所述“自激励”为数控装备运行状态下由数控装备本身产生的宽频带激励。

在本发明中，其中步骤1)所述“自激励”由数控装备各运动轴空运行产生。

在本发明中，其中所述步骤2)由加速度传感器完成。

在本发明中，其中所述步骤3)由数据采集模块完成。

在本发明中，其中所述步骤5)由自激励软件分析模块完成。

实施本发明提供的一种数控装备实验模态分析方法，其有益效果是：本发明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，可实现在数控装备工作现场方便快捷地对整机结构进行动态特性分析，同时也适用中、小型数控装备；另外，由于本发明不需要外部激励，试验成本可以大大降低，而且可以得到有些在实验室激励条件下不能得到的振型，为机械动力学实验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为本发明所述数控装备空运行激励输入速度-时间曲线；

图3为测试设备***示意图；

图4为峰值法模态参数识别流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明一种数控装备实验模态分析方法的流程步骤如下：1)“自激励”输入，利用数控装备运动规律给数控装备输入自激励信号，通过“自激励”对数控装备结构产生输入激励；2)在分析数控装备各部件激励响应敏感点的基础上，获取数控装备响应幅度较大的点作为参考点和响应点，并优化布置参考点和响应点；3)自激励信号在参考点和响应点产生自激励响应，采集所述参考点和响应点在自激励响应后产生的响应信号；4)使用所述参考点和响应点的响应信号识别出***的固有频率；5)对采集数据进行分析再处理，利用所述固有频率得到振型；6)基于峰值法对参考点和各响应点的固有频率所得振型进行处理，得出数控装备结构的动态特性参数。

在本发明所述的技术方案中，数控装备的“自激励”主要由两种方式产生：一是通过数控装备各运动轴空运行产生；二是由数控装备加工时引起的切削力产生。为了得到数控装备的固有频率应该尽可能的给数控装备输入一个随机激励，考虑数控装备运动具有可自动控制的特性，数控装备不同的运动规律，将会产生不同的加速度响应，并会对数控装备产生不同的惯性冲击；因此，自激励产生方法的设计与输入，就是对数控装备运动规律的设计。所设计的数控装备运动规律应该在数控装备的运行过程中易于实现并具有较好的辨识效果，该运动规律可以通过编写数控程序得以实现。

如图2所示，本发明中面向数控装备有效“自激励”空运行规律为设计若干数控装备单轴或多轴的运动轨迹，并结合***的加减速控制、运动速度、运动加速度参数的选定，控制数控装备以周期或伪随机速度变化，以期对装备机械结构产生激励，以达到对重、大型数控装备的有效激励。通过数控装备各运动轴空运转方法产生的自激励具体操作如下：用MATLAB产生一组随机数，将这组随机数赋与时间间隔Δt；将数控装备的进给速度通过改变位移的正负号来改变其方向；数控装备拖板沿Y方向的位移S＝F×Δt。在理想情况下数控装备拖板沿Y方向的运动速度和时间的关系如图2所示，其中时间间隔Δt为随机数，进给速度正反阶跃变化，从工作台运动速度与时间的关系上看，理想情况下可以实现的数控装备运动规律有阶跃运动规律和随机运动规律。

本方法利用LMS CADA-X3.5***，用加速度传感器测试数控装备振动的加速度-时间数据，数据通过数据采集模块3导入自激励软件分析模块4进行分析处理(参见图3)。

如图1所示，“自激励”不仅含有上述方法设计产生的激励，而且还包含由数控装备其它旋转部件引入的谐波激励以及环境噪声所引起的干扰激励，由数控装备其它旋转部件引入的谐波激励以及环境噪声所引起的干扰激励所引起的数控装备机械结构的振动肯定是同频振动，当该振动频率与数控装备结构固有频率不同时，本发明将其则称其为“伪模态”，本发明将在后述程序中辨识和剔除“伪模态”，得到数控装备机械结构的真实的固有特性。

如图4所示，自激励输入后，本发明主要采用峰值法进行模态参数的识别并得出相关模态参数。用峰值法进行模态参数识别时，由预实验选取响应幅度较大的点作为参考点和响应点。然后由实验数据计算出响应点自功率谱、响点应与参考点之间的互功率谱(幅值和相位)、相干函数、传递率共五组数据，画出响应的曲线图，最后对相关数据进行处理得出结构的模态参数。具体操作步骤如下：

(1)选择确定参考点和响应点

自激励输入后，下一步主要是在分析数控装备各部件激励响应敏感点的基础上，优化布置测试点，其中测试点分为参考点和响应点；在本发明所述的峰值法进行模态参数识别时，在确定实验分析频段前先进行锤击预实验，选取其中响应幅度较大的点作为参考点，其它若干个响应幅度较大为响应点，可以根据不同需要，确定不同响应点个数。如图3所示，在本实施例中，在待测数控装备2上选用1个参考点和5个响应点，同时在参考点与各响应点上分别固定设有加速度传感器1，各加速度传感器1分别与数据采集模块3电连接，数据采集模块3与自激励软件分析模块4电连接；加速度传感器1拾取自激励响应后，将其传入数据采集模块3，再传到自激励软件分析模块4进行数据分析处理，根据经处理的结果数据做为计算处理的依据。

(2)计算5组数据

分别计算出5个响应点的自功率谱、各响应点与参考点之间的互功率谱的幅值、各响应点与参考点之间的互功率谱的相位、各响应点与参考点之间的相干函数、各响应点与参考点之间的传递率的五组数据。对平稳随机信号，通常加海宁窗(Harming Window)来滤波，它具有主瓣宽，旁瓣幅度衰减快，频率分辨率高等优点，可将泄漏减少到最低程度。

(3)根据上述计算数据画出曲线图谱

(4)识别***的固有频率

响应点的自功率谱或各响应点与参考点之间的互谱幅值都可以近似的替代频响函数的幅值，它们的峰值频率完全相同。由于互谱图相对于自谱图对毛刺有一定的平抑效果，一般情况下采用互谱幅值图来识别模态参数。为了剔除谐波激励以及环境噪声所引起的干扰激励(假峰)，用互谱相位图和相干图来对这些峰进行检验，将谐波激励以及环境噪声所引起的干扰激励假峰作为“伪模态”剔除。(4)用半功率带宽法计算出各阶的阻尼比。

$\mathrm{\ζ}=\frac{{\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_1}{2{\mathrm{\ω}}_i}$

式中ω_i-第i阶峰值频率

ω₂、ω₁-峰值的

处水平线与曲线的交点频率

大部分数控装备结构阻尼比小于或远远小于10％，如阻尼比过大，则检查频率分辨率是否偏大而造成阻尼比高估，如确实如此则通过插值或细化来解决。

(5)确定固有频率并由传递率得到振型

固有频率点处的传递率得出振型不是真正的振型，是工作挠度曲线，由前面的推导可知可以近似替代振型。由传递率的幅值得到振型的大小，由互谱的相位或传递率实部可以得到振型的方向。

(6)确定模态参数

当激励信号为平稳随机信号时，通过随机减量技术能够提取自由振动衰减信号。因为数控装备一般为大阻尼结构，固有频率峰值不应该是很陡峭的。在试验时数控装备固有频率对应的互功率谱相位一般在0或180度附近，故对峰值陡峭并且互功率谱相位均不在0或180度附近的波峰可认为不是数控装备的固有频率，应该为强迫振动引起。将这几处峰值进行滤波处理处理后的时间曲线发现提取的自由振动衰减信号明显改善。滤波后衰减比较明显，因此认为滤波后的信号不在含有周期激励的强迫响应成分。

假设结构的各阶实模态彼此能够有效分开并且它们相互之间不存在耦合或耦合较小。这样在模态频率处。可以近似为：

${\mathrm{\α}}_i\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{\mathrm{ik}}\left(\mathrm{j\ω}\right)}{\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{\mathrm{pk}}\left(\mathrm{j\ω}\right)}\≈\frac{\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ir}}}{(\mathrm{j\ω}-{\mathrm{\λ}}_r)(\mathrm{j\ω}-{\mathrm{\λ}}_r^{*})}\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{kr}}}{\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{pr}}}{(\mathrm{j\ω}-{\mathrm{\λ}}_r)(\mathrm{j\ω}-{\mathrm{\λ}}_r^{*})}\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{kr}}}$

$=\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ir}}}{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{pr}}}{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ir}}}^{*}$

由上式可知，我们通过直接读取测试曲线α_i(jω)在模态频率ω_r处的值(包括幅值和相位)，就能得到在频率ω_r时结构的ODS，把它近似的看作是结构的第r阶模态振型。

以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (6)

1.一种数控装备实验模态分析方法，其特征在于，它包括如下步骤：

1)“自激励”输入，利用数控装备运动规律给数控装备输入自激励信号，通过“自激励”对数控装备结构产生输入激励；

2)在分析数控装备各部件激励响应敏感点的基础上，获取数控装备响应幅度较大的点作为参考点和响应点，并优化布置参考点和响应点；

3)自激励信号在参考点和响应点产生自激励响应，采集所述参考点和响应点在自激励响应后产生的响应信号；

4)使用所述参考点和响应点的响应信号识别出***的固有频率；

5)对采集数据进行分析再处理，利用所述固有频率得到振型；

6)基于峰值法对参考点和各响应点的固有频率所得振型进行处理，得出数控装备结构的动态特性参数。

2.根据权利要求1所述的一种数控装备实验模态分析方法，其特征在于：所述“自激励”为数控装备运行状态下由数控装备本身产生的宽频带激励。

3.根据权利要求2所述的一种数控装备实验模态分析方法，其特征在于：所述“自激励”由数控装备各运动轴空运行产生。

4.根据权利要求1所述的一种数控装备实验模态分析方法，其特征在于：所述步骤2)由加速度传感器(1)完成。

5.根据权利要求1所述的一种数控装备实验模态分析方法，其特征在于：所述步骤3)由数据采集模块(3)完成。

6.根据权利要求1所述的一种数控装备实验模态分析方法，其特征在于：所述步骤5)由自激励软件分析模块(4)完成。

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