CN103267621A - 一种基于滚动导轨系统虚拟材料层参数的识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于滚动导轨系统中的虚拟材料层的参数识别方法。它将滚动导轨结合部看做一种虚拟材料层，并采用模态试验和CAE建模分析实验相结合的方法，优化得到虚拟材料层的弹性模量、泊松比、剪切模量、虚拟材料层厚度和面积等参数。通过优化的参数结果计算的固有频率与模态试验结果误差低于7%，证明了此方法误差较小，简单实用，可以得到广泛的推广。

Description

一种基于滚动导轨系统虚拟材料层参数的识别方法
技术领域
本发明属于机床整机动态特性分析的技术领域，特别是一种基于滚动导轨系统虚拟材料层参数的识别方法。
背景技术
结合面在机械系统中大量存在,使得机械结构本身不再具有连续性,进而导致建模问题的复杂性。结合面存在接触刚度和接触阻尼,从力学角度来分析结合面问题,认为其与机床结构的动态特性、加工精度与减振设计都存在密切关系。显然，滚动结合部的动态特性必将影响着机床整机的动态特性。中国专利：滚动导轨结合面动态特性参数测试装置及其测试方法，申请号：2010560911.1和文献4：中国专利：滚动导轨结合面动态特性参数识别系统及识别方法，申请号：201010298969.3，均是在建立了的等效单自由度基础上，人为的消除基础位移的影响来对两个相同的结合面（滚动结合面）进行参数辨识，且未考虑进一步的识别所用模态的模态质量，对所识别的动态特性参数存在较大误差；且所用的测试装置未能提出调整测试平台水平及消除外界环境激励对测试平台影响的方法，使得测试装置不能很好的满足测试原理所提出的要求，从而进一步的产生了原理误差。
由上可知，现有技术无法准确描述结合部动态特性。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种基于滚动导轨系统虚拟材料层参数的识别方法。
实现本发明的技术解决方案为：一种基于滚动导轨的接触部的虚拟材料层的识别方法，包括以下步骤：
步骤1、构建独立的滚动导轨系统，将完整数控机床进给系统中的移动部件和承载部件分离出来，并且将移动部件和承载部件之间的结合面视为虚拟材料层a，该虚拟材料层具有以下参数：弹性模量E、泊松比υ、剪切模量G、虚拟材料层厚度t、面积A；所述虚拟材料层为各向同性材料层，各个方向的弹性模量均为E，各方向的泊松比均为v，各方向的剪切模量均为G。
步骤2、对上述独立的滚动导轨系统进行激励模态试验，通过试验得到系统的六阶固有频率F1、F2、F3、F4、F5、F6和振型；
步骤3、构建上述独立的滚动导轨系统以及虚拟材料层的CAE模型（有限元模型），并且任意选取一组虚拟材料层参数进行CAE模态分析，得出与上述激励试验得到的六阶固有频率对应的六阶频率f1、f2、f3、f4、f5、f6；
步骤4、对虚拟材料层的各种参数进行目标优化，将虚拟材料层的弹性模量E、泊松比υ、剪切模量G、虚拟材料层厚度t、面积A作为目标优化的设计变量，利用目标函数
Figure BDA00003317936200011
对虚拟材料层参数进行目标优化，其中Fi为激励模态试验得到的固有频率值，fi为CAE模态分析对应的六阶频率值，进而得到滚动导轨系统的虚拟材料层的优化参数。
本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：（1）创新的提出是用虚拟材料层参数描述滚动导轨结合部的动力学性能打破了传统弹簧阻尼器理论模型的束缚，保证了滚动导轨系统结合部的模拟更接近实际状况；（2）提出使用目标优化的虚拟材料层参数进行处理，该方法能够准确、迅速地获取滑动导轨结合部的虚拟材料层参数；（3）此方法可以推广到机床整机中各种复杂的结合部的虚拟材料层的参数识别。
附图说明
图1是本发明的含虚拟材料层滚动导轨系统结构图。
图2是本发明的虚拟材料层示意图。
图3是本发明激励模态试验系统图。
图4是本发明激励模态试验中测点布置图。
图中标号所代表的含义为：
1.移动部件2.滚动承导件3.加速度传感器4.力锤5.电荷放大器6.数据采集器7.计算机8.弹性绳a.虚拟材料层。
具体实施方式
结合图1到图4，本发明是基于滚动导轨系统结合部的虚拟材料层的参数识别方法，它包含以下步骤：
（1）构建独立的滚动导轨系统，将完整的数控机床中的进给系统中的移动部件1和滚动承导件2独立出来，承载部件由弹性绳悬挂在固定端，并且将移动部件1和承载部件2之间的结合部视为一种虚拟材料层a，这种虚拟材料曾具有一定的具体的参数，它包括弹性模量E、泊松比υ、剪切模量G以及虚拟材料层厚度t、面积A；
（2）对上述的滚动动导轨系统进行激励模态试验；激励模态试验系统的建立，该系统包括加速度传感器3、力锤4、电荷放大器5、数据采集器6、安装有机械结构模态分析软件Macras的计算机7以及弹性绳8，并且通过激励试验得到系统的六阶固有频率F1、F2、F3、F4、F5、F6和振型；进行激励模态试验时，激励点的分布如图4所示。
（3）建立上述独立的滚动导轨系统以及虚拟材料层的CAE模型，并且选取一组虚拟材料层的参数，带入参数进行CAE模态分析，得出与上述激励试验得到的六阶固有频率对应的六阶频率f1、f2、f3、f4、f5、f6；
（4）对于虚拟材料层的各种参数进行目标优化，其特征在于，将虚拟材料层的弹性模量E、泊松比υ、剪切模量G以及虚拟材料层厚度t、面积A作为目标优化的优化设计变量，利用目标函数对虚拟材料层参数进行目标优化，进而得到滚动导轨系统的虚拟材料层的优化参数：E=0.25MPa，v=0.15，G=0.97MPa，t=0.7mm，A=618mm2。
表1列出了目标优化识别后的CAE模态分析的六阶固有频率和激励模态试验六阶频率：
表1
1阶 2阶 3阶 4阶 5阶 6阶
F(Hz) 165.70 170.62 169.88 427.87 666.38 686.58
f(Hz) 176.92 179.88 180.72 445.97 701.77 796.63
误差（%） 6.77 5.43 6.38 4.23 5.31 6.27
通过上面的具体试验可知，采用本发明中的方法实现了基于滚动导轨系统结合部的虚拟材料层参数的识别。
以上对本发明的具体实施实例进行了详细阐述，但本发明并不限制于以上描述的具体实施实例，其只是作为范例。任何等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作出的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (2)

1.一种基于滚动导轨的接触部的虚拟材料层的识别方法，包括以下步骤：
步骤1、构建独立的滚动导轨系统，将完整数控机床进给系统中的移动部件[1]和滚动承导件[2]分离出来，并且将移动部件[1]和滚动承导件[2]之间的结合面视为虚拟材料层[a]，该虚拟材料层具有以下参数：弹性模量E、泊松比υ、剪切模量G、虚拟材料层厚度t、面积A；
步骤2、对上述独立的滚动导轨系统进行激励模态试验，通过试验得到系统的六阶固有频率F1、F2、F3、F4、F5、F6和振型；
步骤3、构建上述独立的滚动导轨系统以及虚拟材料层的CAE模型，并且任意选取一组虚拟材料层参数进行CAE模态分析，得出与上述激励试验得到的六阶固有频率对应的六阶频率f1、f2、f3、f4、f5、f6；
步骤4、对虚拟材料层的各种参数进行目标优化，将虚拟材料层的弹性模量E、泊松比υ、剪切模量G、虚拟材料层厚度t、面积A作为目标优化的设计变量，利用目标函数
Figure FDA00003317936100011
对虚拟材料层参数进行目标优化，其中Fi为激励模态试验得到的固有频率值，fi为CAE模态分析对应的六阶频率值，进而得到滚动导轨系统的虚拟材料层的优化参数。
2.根据权利要求1所述的基于滚动导轨的接触部的虚拟材料层的识别方法，其特征在于，步骤1中所述虚拟材料层为各向同性材料层，各个方向的弹性模量均为E，各方向的泊松比均为v，各方向的剪切模量均为G。
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