基于运行冲击激励的数控机床模态分析方法研究

摘要

随着现代工业和产业升级的快速发展，高加工速度、高加工精度以及高可靠性等机床性能逐渐成为高端数控机床的发展趋势，机床结构的振动特性成为影响机床加工质量和加工效率的重要因素。传统的实验模态分析法只能研究处于静止状态下的机床振动特性，而机床运行状态与静止状态下的振动特性有很大差异。数控机床是由多个部件组成的复杂系统，其可动部件在加减速过程中会对机床结构本身产生冲击激励，该激励力会使机床结构产生振动，通过对结构振动响应信号进行辨识，即可得到机床处于运行状态下的模态参数，称之为主动激励模态分析法。但该方法在理论和实验上还存在一定的缺陷，例如对激励原理研究不够深入，没有对激励序列进行全面的设计和分析，单部件冲击激励存在能量不足的问题。针对这些问题，本文对基于运行冲击激励的数控机床模态分析方法进行了更为深入而全面地研究。主要研究内容如下： 基于主动激励方法的思想，综合考虑工作台的宏观刚体运动和丝杠螺母副的弹性碰撞，对冲击激励力进行建模，分析了冲击激励下机床的结构振动，介绍了基于响应的模态辨识算法，从理论和实验两方面研究了冲击激励能量和频带的影响因素。 对冲击激励的激励序列进行了详细的设计和研究，分别对工作台激励和主轴激励设计了三种随机激励序列，分析了不同激励序列下机床结构的振动响应和模态参数识别情况。验证了该方法并不依赖于特定的激励序列，只要满足随机特性即可。 针对目前单部件冲击激励对机床结构激励不充分的问题，提出了多部件联合冲击激励，应用多点激励技术的原理，利用工作台和主轴进行联合冲击激励。通过实验验证了多部件、多轴联合激励比单部件、单轴激励有更好的激励效果。 本文的研究结果表明：可动部件的加减速运动能有效激励出机床模态，基于冲击激励的模态参数分析方法能有效辨识出机床处于运行状态下的模态，激励能量与机床速度、加速度因素有关，激励频带与机床本身结构有关；不同的随机激励序列都能激励并辨识出机床模态，本方法并不依赖于特定的激励序列，但周期激励无法识别出机床模态；工作台和主轴多部件联合激励能更加充分地对机床结构进行激励，辨识出更多的机床模态，也更加接近机床的实际运行状态。

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