本發(fā)明屬于機(jī)械裝備結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析相關(guān)，更具體地，涉及一種速度關(guān)聯(lián)下機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)的獲取方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著制造技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)械裝備向著智能化、精密化、集成化方向發(fā)展，同時(shí)對(duì)機(jī)床高速加工、高精度加工及加工可靠性有了更高的要求，機(jī)械裝備結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化、健康監(jiān)測(cè)以及工程應(yīng)用等方面具有廣泛應(yīng)用。獲取機(jī)床整機(jī)的頻響函數(shù)，研究機(jī)床在加工過(guò)程中機(jī)床整機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)抑制加工過(guò)程機(jī)床加工位置振動(dòng)和提高加工精度具有重要意義。

2、目前獲取機(jī)床頻響函數(shù)的方法主要包括實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析及工作模態(tài)分析兩種。其中，力錘錘擊測(cè)試方法是常用的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法，但錘擊方法需要人為對(duì)機(jī)床施加激勵(lì)，對(duì)于大型機(jī)床，人為激勵(lì)難以激發(fā)機(jī)床結(jié)構(gòu)整體的動(dòng)力學(xué)特性。此外，實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法只適用于停機(jī)狀態(tài)下對(duì)機(jī)床進(jìn)行敲擊測(cè)試，機(jī)床處于停機(jī)狀態(tài)及運(yùn)行狀態(tài)下，其結(jié)構(gòu)本體剛度特性差異較大，難以直接采用機(jī)床處于停機(jī)狀態(tài)下所獲取的頻響函數(shù)表征運(yùn)行狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性。工作模態(tài)分析方法通常采用環(huán)境激勵(lì)激發(fā)機(jī)床的各階模態(tài)，但由于環(huán)境激勵(lì)力信息的缺失，所獲取的頻響函數(shù)準(zhǔn)確度不高。機(jī)床隨動(dòng)部件隨著移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，隨動(dòng)部件還伴隨著結(jié)構(gòu)振動(dòng)，現(xiàn)有方法難以準(zhǔn)確表征運(yùn)動(dòng)下機(jī)床整機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種速度關(guān)聯(lián)下機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)的獲取方法及系統(tǒng)，其旨在解決現(xiàn)有技術(shù)難以獲取速度關(guān)聯(lián)下機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)的問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種速度關(guān)聯(lián)下機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)的獲取方法，該方法包括以下步驟：

3、s1，基于力錘法對(duì)機(jī)床隨動(dòng)部件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，錘擊力作為輸入，機(jī)床隨動(dòng)部件上的加速度傳感器信號(hào)作為輸出，獲取機(jī)床隨動(dòng)部件靜止下的頻響函數(shù)；

4、s2，基于伺服電機(jī)和機(jī)床移動(dòng)部件末端編碼器，電機(jī)掃頻信號(hào)作為輸入，編碼器位置反饋的角度變化作為輸出，在機(jī)床不同運(yùn)行速度下進(jìn)行掃頻測(cè)試以獲取機(jī)床移動(dòng)部件不同運(yùn)行速度下的頻響函數(shù)；

5、s3，將機(jī)床隨動(dòng)部件靜止下的頻響函數(shù)與機(jī)床移動(dòng)部件不同運(yùn)行速度下的頻響函數(shù)相結(jié)合以得到機(jī)床整機(jī)在不同速度下的頻響函數(shù)。

6、進(jìn)一步地，機(jī)床隨動(dòng)部件布置的加速度傳感器所在位置p處的頻響函數(shù)為：

7、

8、其中，x(ω)為機(jī)床隨動(dòng)部件上位置p處的振動(dòng)響應(yīng)，f(ω)為錘擊力的激勵(lì)輸入，ft[·]表示傅里葉變換。

9、進(jìn)一步地，掃頻信號(hào)的最大頻率大于機(jī)床移動(dòng)部件模態(tài)最高頻率的2倍。

10、進(jìn)一步地，將移動(dòng)部件橫梁和滑枕進(jìn)行集中質(zhì)量建模，其二階移動(dòng)部件方程寫(xiě)為狀態(tài)空間方程：

11、

12、其中，z1＝x2,z2＝x1,x1、分別是橫梁位移和移動(dòng)速度，x2、分別是滑枕位移和速度，m1、m2分別是橫梁和滑枕的等效慣量，k、c分別是移動(dòng)部件整體的軸向剛度和螺母阻尼，b1、b2分別是橫梁黏性阻尼和滑枕黏性阻尼，u是電機(jī)力矩控制信號(hào)。

13、進(jìn)一步地，定義u、x分別為輸入、輸出，將所述狀態(tài)空間方程進(jìn)行拉普拉斯變換，進(jìn)而得電機(jī)輸入v與編碼器輸出的傳遞函數(shù)為：

14、

15、其中g(shù)r是電機(jī)輸入v與移動(dòng)部件位移的傳遞函數(shù)：

16、

17、式中：ξ是阻尼比，ωn是移動(dòng)部件的固有頻率，αr是系統(tǒng)慣性相關(guān)項(xiàng)，αr＝2ξrωnr，βr是阻尼相關(guān)項(xiàng)，βr＝(ωnr)2,rg是移動(dòng)部件傳動(dòng)比，kt是電機(jī)力矩常數(shù)，j是移動(dòng)部件剛體模型的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，b是移動(dòng)部件剛體模型的阻尼系數(shù)。

18、進(jìn)一步地，由電機(jī)輸入v與編碼器輸出的傳遞函數(shù)gux進(jìn)一步變換，即得電機(jī)輸入v與編碼器輸出的頻響函數(shù)g(ω)：

19、

20、進(jìn)一步地，速度關(guān)聯(lián)下機(jī)床整機(jī)位置p處的頻響函數(shù)為：

21、h(ω)＝y(tǒng)(ω)·g(ω)

22、其中，y(ω)為機(jī)床隨動(dòng)部件靜止?fàn)顟B(tài)下的頻響函數(shù)；g(ω)表示速度關(guān)聯(lián)下機(jī)床移動(dòng)部件的頻響函數(shù)。

23、進(jìn)一步地，力錘信號(hào)的采樣頻率大于機(jī)床隨動(dòng)部件模態(tài)最高頻率的2倍。

24、本發(fā)明還提供了一種速度關(guān)聯(lián)下機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)的獲取系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括存儲(chǔ)器及處理器，所述存儲(chǔ)器儲(chǔ)存有計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)執(zhí)行如上所述的速度關(guān)聯(lián)下機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)的獲取方法。

25、本發(fā)明還提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有機(jī)器可執(zhí)行指令，所述機(jī)器可執(zhí)行指令在被處理器調(diào)用和執(zhí)行時(shí)，所述機(jī)器可執(zhí)行指令促使所述處理器實(shí)現(xiàn)如上所述的速度關(guān)聯(lián)下機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)的獲取方法。

26、總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的速度關(guān)聯(lián)下機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)的獲取方法及系統(tǒng)主要具有以下有益效果：

27、1.本發(fā)明首先利用力錘在靜止?fàn)顟B(tài)下敲擊機(jī)床隨動(dòng)部件獲取其頻響函數(shù)，進(jìn)一步控制機(jī)床在不同運(yùn)行速度下發(fā)出掃頻信號(hào)，由編碼器反饋的角度變化得到不同速度下移動(dòng)部件的頻響函數(shù)，兩者結(jié)合得到速度關(guān)聯(lián)下機(jī)床整機(jī)的頻響函數(shù)；故而采用本發(fā)明提出的方法，可自動(dòng)獲取處于運(yùn)行狀態(tài)下的機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)床整機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，準(zhǔn)確性高。

28、2.本發(fā)明能夠在機(jī)床處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)獲取機(jī)床整機(jī)的頻響函數(shù)，監(jiān)控其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。相較之現(xiàn)有獲取機(jī)床結(jié)構(gòu)特性的錘擊實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，它能夠反映機(jī)床實(shí)際運(yùn)行工況下的整機(jī)動(dòng)態(tài)特性，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能影響加工精度和穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)因素。

29、3.本發(fā)明結(jié)合了力錘敲擊法和機(jī)床運(yùn)行時(shí)的掃頻測(cè)試，以力錘敲擊得到的靜態(tài)頻響函數(shù)為基礎(chǔ)，掃頻測(cè)試提供動(dòng)態(tài)修正，能精確獲取不同速度下機(jī)床整機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。兩種測(cè)試方法互為補(bǔ)充，提高了對(duì)機(jī)床復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性，減少了環(huán)境干擾和測(cè)量誤差，同時(shí)節(jié)省了機(jī)床整機(jī)動(dòng)態(tài)特性獲取的經(jīng)濟(jì)成本與時(shí)間成本。

30、4.通過(guò)控制機(jī)床在不同運(yùn)行速度下發(fā)出掃頻信號(hào)，能夠獲得多種速度下機(jī)床移動(dòng)部件的頻響函數(shù)。系統(tǒng)能在多種工況下對(duì)機(jī)床整機(jī)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行全面評(píng)估，而不僅限于靜態(tài)或單一速度條件。不同速度下機(jī)床整機(jī)的頻響函數(shù)結(jié)合起來(lái)，可以為機(jī)床整機(jī)在實(shí)際加工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性提供更加完整的描述，有助于提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

31、5.本發(fā)明通過(guò)實(shí)時(shí)獲取并分析頻響函數(shù)，可以提前識(shí)別和診斷機(jī)床整機(jī)的潛在問(wèn)題，例如共振、振動(dòng)異?；蚱谄茐牡龋景l(fā)明對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控還能幫助優(yōu)化工藝參數(shù)，從而提升整體性能和加工效率。

技術(shù)特征：

1.一種速度關(guān)聯(lián)下機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)的獲取方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的速度關(guān)聯(lián)下機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)的獲取方法，其特征在于：機(jī)床隨動(dòng)部件布置的加速度傳感器所在位置p處的頻響函數(shù)為：

3.如權(quán)利要求1所述的速度關(guān)聯(lián)下機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)的獲取方法，其特征在于：掃頻信號(hào)的最大頻率大于機(jī)床移動(dòng)部件模態(tài)最高頻率的2倍。

4.如權(quán)利要求1所述的速度關(guān)聯(lián)下機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)的獲取方法，其特征在于：將移動(dòng)部件橫梁和滑枕進(jìn)行集中質(zhì)量建模，其二階移動(dòng)部件方程寫(xiě)為狀態(tài)空間方程：

5.如權(quán)利要求4所述的速度關(guān)聯(lián)下機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)的獲取方法，其特征在于：定義u、x分別為輸入、輸出，將所述狀態(tài)空間方程進(jìn)行拉普拉斯變換，進(jìn)而得電機(jī)輸入v與編碼器輸出的傳遞函數(shù)為：

6.如權(quán)利要求5所述的速度關(guān)聯(lián)下機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)的獲取方法，其特征在于：由電機(jī)輸入v與編碼器輸出的傳遞函數(shù)gux進(jìn)一步變換，即得電機(jī)輸入v與編碼器輸出的頻響函數(shù)g(ω)：

7.如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的速度關(guān)聯(lián)下機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)的獲取方法，其特征在于：速度關(guān)聯(lián)下機(jī)床整機(jī)位置p處的頻響函數(shù)為：

8.如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的速度關(guān)聯(lián)下機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)的獲取方法，其特征在于：力錘信號(hào)的采樣頻率大于機(jī)床隨動(dòng)部件模態(tài)最高頻率的2倍。

9.一種速度關(guān)聯(lián)下機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)的獲取系統(tǒng)，其特征在于：所述系統(tǒng)包括存儲(chǔ)器及處理器，所述存儲(chǔ)器儲(chǔ)存有計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)執(zhí)行權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的速度關(guān)聯(lián)下機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)的獲取方法。

10.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于：所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有機(jī)器可執(zhí)行指令，所述機(jī)器可執(zhí)行指令在被處理器調(diào)用和執(zhí)行時(shí)，所述機(jī)器可執(zhí)行指令促使所述處理器實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的速度關(guān)聯(lián)下機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)的獲取方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于機(jī)械裝備結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，其公開(kāi)了一種速度關(guān)聯(lián)下機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)的獲取方法及系統(tǒng)，步驟為：S1，基于力錘法對(duì)機(jī)床隨動(dòng)部件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，錘擊力作為輸入，機(jī)床隨動(dòng)部件上的加速度傳感器信號(hào)作為輸出，獲取機(jī)床隨動(dòng)部件靜止下的頻響函數(shù)；S2，基于伺服電機(jī)和機(jī)床移動(dòng)部件末端編碼器，電機(jī)掃頻信號(hào)作為輸入，編碼器位置反饋的角度變化作為輸出，在機(jī)床不同運(yùn)行速度下進(jìn)行掃頻測(cè)試以獲取機(jī)床移動(dòng)部件不同運(yùn)行速度下的頻響函數(shù)；S3，將機(jī)床隨動(dòng)部件靜止下的頻響函數(shù)與機(jī)床移動(dòng)部件不同運(yùn)行速度下的頻響函數(shù)相結(jié)合以得到機(jī)床整機(jī)在不同速度下的頻響函數(shù)。本發(fā)明可自動(dòng)獲取處于運(yùn)行狀態(tài)下的機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)。

技術(shù)研發(fā)人員：毛新勇,苑巍,邱悅,劉紅奇,唐小衛(wèi),劉泓海
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華中科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9