GQ1070龙门加工中心试验模态分析--实验部分

第4章 GQ1070龙门加工中心试验模态分析机床模态试验就是通过对机床结构进行激振，振动测试、信号分析、频率响应估计及模态参数识别，来确定机床结构的模态参数，然后通过识别得到的模态参数对机床的动态特性进行描述和评价。4.1 试验测试系统测试系统是试验模态分析中的至关重要的组成部分。测试系统在试验模态分析中的主要任务是同时测量系统的输入信号和输出信号，并对它进行处理，从而估计系统的响应函数。用试验模态分析方法进行机械结构试验时，基本测试系统如图4-1所示，它主要包含三个部分。(1) 激振系统(2) 数据采集和测量系统(3) 数据分析处理系统图4-1 试验模态测试系统框图4.1.1 激振系统激振是机械结构动态特性测试中的一个重要环节，直接关系到测试精度和效率。激振系统的功用是产生一定形式和大小的激振力，对被试验结构进行激振。激振系统通常由信号发生器、功率放大器和激振器三部分组成。信号发起器产生一定大小、形式的信号，经过功率放大器放大的电流信号对激振器进行驱动，以便产生符合要求的激振力。激振器安装在被测结构上时，会对结构的动态系统带来一定的影响。而采用力锤激振这种激励装置就不会对结构的动态特性产生影响。模态试验时应该根据实际情况决定采用何种激振系统。(1) 激振方法的选择激振方法按照激振装置的不同，主要有锤击法、激振器法和工作激振法三种方法。锤击法是目前使用最为广泛的模态试验激振方法，使用简单方便。锤击法适用于小结构模态试验，尤其是激振器连接会对结构边界条件造成严重干扰的情况。激振器法是比较先进和准确的模态试验方法，支持单个或多个激振器对结构进行激振。通过多个振动传感器测量各点的响应，得到对应的频率响应函数。激振器模态试验分析可以避免锤击法能量低，受到人为因素影响较大的缺点。通过扫频、随机等激振方式可以准确、可靠的得到结构的主要模态特性。锤击法模态试验一般采用单点激励多点响应的方法(SIMO)；激振器法模态试验可以采用单点激励多点响应的方法和多点激励多点响应的方法(MIMO)。激振器用于单点激振时适用于那些大结构或是不宜用力锤的激振的结构，测试的结果比锤击法更加精确。工作激振不需要外界的激振力，通过机构的运行中产生的振动或冲击力作为模态实验的激振力。机构在运行过程中，由于主轴的动不平衡会引起机构自身的振动。通过调整转速实现振动频率的调整，有点类似于正弦扫频。但是，如果机构的转速是有级变速的，那么其激振频率的范围是十分有限的，这样不利于模态试验的准确性。机构运动状态突变会引起结构振动，尤其是大型结构，运动部件质量庞大，加减速过程中引起的结构振动更加明显。所以工作激振适合大型机构的模态实验，可以很好的避免力锤或激振器激振力不够的缺点。并且可以通过对运动规律的控制来模拟输入信号。但是工作激振力不好控制39。激振方法按照激振点数的不同，主要有单点激励、多点激励和相对激励三种方法。单点激振方法就是将激振力集中于一点，最常见的就是力锤冲击。单点激振使激振能量在系统中分布不均，激振点附近能量过高使系统的非线性特性表现出来，远离激振点处响应信号幅值又过小使信号的信噪比很低，使模态试验的精度受到严重影响。所以单点激振适合于小结构的模态实验40。多点激振模态分析方法主要运用在大型复杂结构模态参数的识别。多点激振的能量在系统中分布较均匀，非线性和信噪比较低的现象得到改善，模态丢失的可能性较小，对于密集模态和重根情况有很好的识别的能力41。 机床在实际加工过程中，不是单点激励也不是多点激励。而是一种相对激励。在刀具与工作台之间添加一对大小相等，方向相反的激振力来模拟机床实际切削过程中的振动情况。在机床静止的状态下进行试验，激振器安装在刀具和工件之间，激振器产生的交变力模拟切削力，同时作用于刀具和工件，比单点激振更接近实际工况42。(2) 激振信号的选择对于不同的动态特性测试方法就有相应的不同的激振信号。激振信号大致可以分为稳态正弦信号和宽频带激振两大类。前者给结构一个简谐激振力，由响应(输出)和激振力(输入)的幅值比和相位差，或是两者傅里叶变换之比，可以确定被测结构在该频率下的频率响应。在给定的频段内进行稳态扫频，从而可以得到该频段的频响函数。宽频带激振使被测结构在给定的整个频率范围内振动，由基于FFT的输出、输入的互功率谱与自功率谱之比，可以得到被测结构的动态特性。图4-2 激励信号的分类 稳态正弦扫频激振由信号发生器产生信号经由功率放大器驱动激振器对结构激振。线性动态系统的稳态响应也为同频率的正弦振动。被测系统的频率响应 (4-1)正弦信号的幅值、频率上、下限、频率间隔以及扫频速度都可以进行控制。 稳态正弦扫频是逐一采用各个频率的正弦激振力按顺序对系统进行激振，得到各个频率下的导纳值逐点连接，最终获得完整的导纳曲线。一般扫描方式有对数扫描、线性扫描和手动扫描 对于稳态正弦扫频激振，信号发生器产生正弦信号通过功率放大器放大后来驱动激振器，对被测系统输入激振力。用力传感器和加速度传感器分别测量激振力和振动输出。稳态正弦扫频的优点是激振能量高，激振力大、信噪比高，其测量精度高。但是对于强非线性的系统来说，可能会带来一定的误差且稳态正弦扫频的试验速度较慢。随机信号激振是目前广泛使用的一种宽带频率激振方法。将不同频率的激振力同时作用在机械结构上，从而结构的响应也是不同频率激振力同时作用产生的结果。由于随机激振在同一时间内对系统的连续激励，激振能量高，信噪比要锤击激励高，但是不如稳态正弦激励。基本的测试系统。常用的随机信号主要有纯随机、伪随机及周期随机信号。常用的瞬态激振主要有脉冲激振和阶跃激振。理想的脉冲信号其频谱为常数，就是在无限带宽内具有均匀的能量，从物理上来说是很难实现的。实际的脉冲信号是具有一定宽度()，其频谱范围一般与成反比。脉冲信号可以由信号发生器产生，也可以用力锤敲击试件产生脉冲信号。力脉冲的幅值可通过调节力锤本身的质量和配重来进行调节。阶跃激振信号如同阶跃函数，也是瞬态随即的一种。可以有信号发生器来实现，也可以通过物理方法来实现。在激振点通过一根刚度大、质量轻的张力弦索经由力传感器给试件一个初始变形，然后突然断开，这样就产生了阶跃激振力。阶跃激振激振频率范围较低(一般小于30Hz)，适用于大型柔性结构43。表 4-1 激励信号特性比较激振信号纯随机伪随机瞬态信号周期信号正弦脉冲阶跃泄漏有少中等中等可控快信噪比高较高中等高可控比随机好低数据处理速度与函数有关低价低低可控很快快结合本课题对龙门机床整机模态试验的要求，为了使得到的整机动态特性与实际加工过程中的振动特性更加符合。本课题在整机模态试验中采用在工作台和刀具施加相对激振，而激振信号采用的是激振能量高，激振力大、信噪比高、测量精度高的稳态正弦信号。4.1.2 数据采集和测量系统数据采集和测量系统的主要任务是测量模态试验中的激振力和振动响应。该系统主要包括力传感器和运动传感器。模态试验中，被测系统的输入(激振力的大小)一般是用力传感器来测量；而被测系统的输出(加速度、速度、位移等)一般采用运动传感器进程测量42。 最常用的是压电式力传感器和加速度传感器，它们都是属于绝对式、接触式传感器。压电式传感器的灵敏元件是压电晶体，利用压电晶体的压电效应，将物理量转化为电荷量。压电传感器具有体积小、质量轻、动态范围大及频率范围宽等诸多优点。加速度传感器在目前的模态分析试验中因其分辨率高、信号比好而成为最为广泛的运动传感器。4.1.3 数据分析处理系统数据分析处理系统的主要任务是测量和分析传感器得到的信号，最终获得频率响应函数数据，并进一步识别出模态参数。目前模态试验比较常用的仪器主要有两大类：一类是以快速傅里叶变换(FFT)技术为核心的数字信号分析仪；另一类是以跟踪滤波为核心的频响函数分析仪，这一类仪器只适用于稳态正弦激励的模态试验。现在的数据采集处理系统都集成了数据采集、处理、频响函数分析等功能，而且操作也比较简单。4.2 GQ1070模态试验4.2.1 试验系统GQ1070龙门加工中心模态试验系统主要包括：试验对象、激振系统、测试系统和数据采集处理系统。试验对象：GQ1070龙门加工中心激振系统：由前文可知，本试验采用的是相对激振方法，故本试验采用的是美国MB公司生产的MODAL 110型激振器，最大激振力为110磅，最高激振频率为5000Hz，与之相匹配的是同样由该公司生产的MB500VI型功率放大器。测试系统：测试系统的功能是测量输入和输出信号。本试验的输入信号由美国PCB公司生产的201B03型的力传感器测得；输入信号由该公司生产的356A02型三向加速度传感器测得。信号处理分析系统：本试验采用美国Spectral Dynamic公司生产的Siglab20-42型的动态信号分析仪完成信号的采集和处理工作。采用该公司开发的STAR6.0模态分析软件对整机进行动态特性分析。计算机作为一个控制中心，不仅要控制信号的采集，用STAR软件对整机模态参数进行识别的一系列后期工作也是在计算机上完成。4.2.2 试验方案设计(1) 试验测点布置GQ1070轻小型龙门加工中心的结构可以划分为床身、立柱、横梁、滑枕、滑鞍、主轴和工作台等主要几个部件。根据机床各部件的大小，以测点布置不遗漏结构可能存在的模态尽量简化的原则。测点布置如图4-8所示。图中的网格线的交叉点即为测点，一共779个测点，测点的编号分部件按顺序进行布置。这样的布点基本能满足布点的原则，包括了反映低阶模态特性的重要点和反应整机动态特性的关键点。图4-3 模态试验测点分布图(2) 机床试验状态 试验状态是影响结构动态特性的重要因素，在不同的试验状态下，可能会得到不同的模态参数和特性，所以选择合理的试验状态是一个必须考虑的问题。模态试验时机床的安装条件应尽量与实际工况相符，所处的工作环境也应于实际工况相一致。本试验是在生产厂家的装配车间进行的，试验状态与机床实际工作条件相符。为了使机床尽量与实际工况接近，在便于安装试验设备的基础上，试验开始前调整好机床各部件的相对位置。使主轴的中心对准工作台的中心位置，主轴最低点与工作台的距离为70cm。(3) 测量方法的确定由上文所述的试验模态理论可知，只要测量传递函数矩阵中的一行或一列就可得到系统的模态参数的所有信息。由于本试验采用激振器对机床进行相对激振，激励点位置是不变的，所以本试验采用的移动传感器的方法，即为两点激励，多点拾振的方法，所得到数据位传递函数矩阵中的某一列数据。(4) 模态试验模拟刀具及预载块的设计为了使模态试验与机床在实际加工过程中的振动情况相接近，相对激振力应该施加在刀具和工作台之间。而实际的刀具无法安装传感器并对其进行预载，也无法安装将激振力从激振器传递到机床刀具的激振杆，所以必须设计一个模拟刀具来取代现实的刀具，便于传感器的安装和激振器连接。模拟刀具和预载块的设计如下图所示：图4-4a 90°模拟刀具图4-4b 45°模拟刀具图4-4c 预载块 下面90°是模拟刀具和预载块在模态试验中的安装过程，介绍模拟刀具、预载块、力传感器、激振杆以及激振器的安装。首先将模拟刀具装夹在主轴上；然后安装传感器，利用预载杆和预载块将传感器固定在模拟刀具上，通过对模拟块施加一定的扭矩实