CN103323278A

CN103323278A - 一种滑动导轨系统虚拟材料层参数的识别方法

Info

Publication number: CN103323278A
Application number: CN2013102276666A
Authority: CN
Inventors: 袁军堂; 杨尧; 杨飚; 汪振华; 胡小秋; 程寓
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2013-09-25

Abstract

本发明公开了一种滑动导轨系统虚拟材料层参数的识别方法。该方法将滑动导轨的法向和侧向结合部看作一种具有一定厚度的虚拟材料层，并采用模态试验和有限元目标优化技术相结合的方法，识别得到虚拟材料层参数（弹性模量、泊松比、剪切模量、虚拟材料层厚度和面积）。通过参数识别结果计算的固有频率与模态试验结果误差低于8%，表明该方法简单实用、准确可靠，可在实际工程中得到广泛应用。

Description

一种滑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，特别是一种滑动导轨系统虚拟材料层参数的识别方法。

背景技术

现代数控机床正朝着高精度、高速度、高智能的方向快速发展，这就迫切要求机床设计在图样阶段就能预测整机性能，动态特性则是评价数控机床整机性能的关键。滑动导轨以其优良的承载能力和抗振性能仍在现代机床，特别是重型数控机床中得到广泛的应用。显然，滑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：滑动导轨结合部动态特性参数测试装置及其测试方法，申请号：201010622646.5和中国专利：滑动结合部动态特性测试装置及测试方法，申请号：CN201010617228.7均将滑动导轨结合部看作一组弹簧阻尼器，虽然弹簧阻尼器可以定性地表征结合部的接触刚度和阻尼，但在机床整机建模时，弹簧阻尼器的数量和分布并不能明确给定，这就会造成机床整机动力学分析中出现漏阶甚至是虚假频率，影响机床整机性能预测的准确性。中国专利：一种机床固定结合部动态特性的检测方法，公开号:CN101832881A提供了一种计算固定结合部虚拟材料层参数的理论方法，该方法依赖的接触表面分形维数和分形粗糙度系数均难以测量，难以提供准确的虚拟材料层参数。

由上可知，现有技术均无法准确描述滑动结合部的动态特性。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种滑动导轨系统虚拟材料层参数的识别方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种滑动导轨系统虚拟材料层参数的识别方法，包括以下步骤：

步骤1、建立系统坐标系，将数控机床进给系统中的滑动承导件的承载面的外法线方向定义为z向，沿承导件长度方向定义为x向，与z向、x向均垂直的方向定义为y向；

步骤2、构建独立的滑动导轨系统，将数控机床进给系统中的移动部件和滑动承导件分离出来，将移动部件和滑动承导件之间的z向结合部a和y向结合部b均视为具有厚度的虚拟材料层，所述的虚拟材料层参数包括弹性模量E、泊松比υ、剪切模量G以及虚拟材料层厚度t、面积A；所述虚拟材料层为正交各向异性材料，弹性模量E包括三个方向上的弹性模量E_x，E_y，E_z；泊松比υ包括引起三个方向应变的泊松比υ_xy，υ_yz，υ_xz；剪切模量G包括三个平面的剪切模量G_xy，G_yz，G_xz。

步骤3、对上述的滑动导轨系统进行锤击模态试验，得到滑动导轨系统的各阶固有频率及振型；

步骤4、建立含有虚拟材料层的滑动导轨系统的有限元模型，任意选取一组虚拟材料层参数值输入到有限元模型中，进行模态分析，得到与锤击模态试验振型相同的六阶固有频率f₁、f₂、f₃、f₄、f₅、f₆，上述锤击模态试验振型与有限元模态分析对应的六阶频率为F₁、F₂、F₃、F₄、F₅、F₆；

步骤5、采用目标优化方法识别滑动导轨系统的虚拟材料层参数，将虚拟材料层参数中的弹性模量E、泊松比υ、剪切模量G、虚拟材料层厚度t、面积A作为优化设计变量，将作为目标函数，其中f_i为与锤击模态试验振型相同的固有频率值，F_i为与有限元模态分析对应的六阶频率值，对滑动导轨系统有限元模型进行参数优化设计，从而得到滑动导轨系统虚拟材料层参数。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：（1）采用虚拟材料层参数表征滑动导轨结合部的动力学性能突破了传统弹簧阻尼器理论模型的束缚，使得滑动导轨结合部模型更加符合实际；（2）提出基于目标优化的虚拟材料层参数的识别方法，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）该方法不仅适用于滑动导轨结合部，也适用于机床整机结构中各种复杂结合部的虚拟材料层参数识别。

附图说明

图1是本发明的含虚拟材料层滑动导轨系统结构图。

图2是本发明的法向和侧向虚拟材料层示意图。

图3是本发明锤击模态试验系统图。

图4是本发明锤击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.镶条3.滑动承导件4.加速度传感器5.力锤6.电荷放大器7.数据采集器8.计算机a.法向虚拟材料层b.侧向虚拟材料层。

具体实施方式

结合图1至图4，本发明的一种滑动导轨系统的虚拟材料层参数的识别方法，包括下述4个步骤：

步骤1、建立系统坐标系，将数控机床进给系统中的滑动承导件3的承载面的外法线方向定义为z向，沿承导件长度方向定义为x向，与z向、x向均垂直的方向定义为y向；构建独立的滑动导轨系统；将数控机床进给系统中的移动部件1和滑动承导件3分离出来，其中移动部件1与滑动承导件3的材料均为HT200，两滑动承导件2镜像布置，并固定连接在一个质量很大的基础底座上。将移动部件1和滑动承导件3之间的z向结合部a或y向结合部b均视为具有一定厚度的虚拟材料层，所述的虚拟材料层参数包括弹性模量E、泊松比υ、剪切模量G以及虚拟材料层厚度t、面积A。所述虚拟材料层为正交各向异性材料，弹性模量E包括三个方向上的弹性模量E_x，E_y，E_z；泊松比υ包括引起三个方向应变的泊松比υ_xy，υ_yz，υ_xz；剪切模量G包括三个平面的剪切模量G_xy，G_yz，G_xz。

步骤2、对上述的滑动导轨系统进行锤击模态试验；建立锤击模态试验系统，该系统包括加速度传感器4、力锤5、电荷放大器6、数据采集器7以及安装有机械结构模态分析软件Macras的计算机8，进行锤击模态试验得到滑动导轨系统的各阶固有频率及振型。

步骤3、建立含有虚拟材料层的滑动导轨系统的有限元模型；将虚拟材料层参数中弹性模量、泊松比、剪切模量以及虚拟材料层厚度、面积，任意选取一组值输入到有限元模型中，进行模态分析，得到与锤击模态试验振型相同的六阶固有频率f₁、f₂、f₃、f₄、f₅、f₆，上述锤击模态试验振型对应的六阶频率为F₁、F₂、F₃、F₄、F₅、F₆。

步骤4、采用目标优化技术识别滑动导轨系统的虚拟材料层参数；将虚拟材料层参数中的弹性模量、泊松比、剪切模量以及虚拟材料层厚度、面积作为优化设计变量，将

作为目标函数，对滑动导轨系统有限元模型进行参数优化设计，从而识别得到滑动导轨系统虚拟材料层参数E_ax=0.01MPa，E_ay=0.01MPa，E_az=5.54MPa；υ_ax=0.25，υ_ay=0.25，υ_az=0.241；G_ax=0.01MPa，G_ay=0.01MPa，G_az=2.23MPa；E_bx=0.01MPa，E_by=2.34MPa，E_bz=0.01MPa；υ_ax=0.25，υ_ay=0.237，υ_az=0.25；G_ax=0.01MPa，G_ay=0.945MPa，G_az=0.01MPa；t_a=t_b=0.9mm；A_a=0.018m²，A_b=0.006m²。

目标优化识别后的有限元模态分析的六阶固有频率和锤击模态试验六阶频率的比较如表1所示：

表1

	1阶	2阶	3阶	4阶	5阶	6阶
							f(Hz)	221.7	231.5	288.7	377.6	384.6	521.5
F(Hz)	205.6	216.7	272.1	368.2	390.1	534.3
							误差(%)	7.83	6.83	6.1	2.55	-1.41	-2.4

通过上面的具体试验例子，采用本发明中的方法实现了滑动导轨系统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

1.一种滑动导轨系统虚拟材料层参数的识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立系统坐标系，将数控机床进给系统中的滑动承导件[3]的承载面的外法线方向定义为z向，沿承导件长度方向定义为x向，与z向、x向均垂直的方向定义为y向；

步骤2、构建独立的滑动导轨系统，将数控机床进给系统中的移动部件[1]和滑动承导件[3]分离出来，将移动部件[1]和滑动承导件[3]之间的z向结合部[a]和y向结合部[b]均视为具有厚度的虚拟材料层，所述的虚拟材料层参数包括弹性模量E、泊松比υ、剪切模量G以及虚拟材料层厚度t、面积A；

步骤5、采用目标优化方法识别滑动导轨系统的虚拟材料层参数，将虚拟材料层参数中的弹性模量E、泊松比υ、剪切模量G、虚拟材料层厚度t、面积A作为优化设计变量，将

作为目标函数，其中f_i为与锤击模态试验振型相同的固有频率值，F_i为与有限元模态分析对应的六阶频率值，对滑动导轨系统有限元模型进行参数优化设计，从而得到滑动导轨系统虚拟材料层参数。

2.根据权利要求1所述的滑动导轨系统虚拟材料层参数的识别方法，其特征在于，步骤2中的虚拟材料层为正交各向异性材料，弹性模量E包括三个方向上的弹性模量E_x，E_y，E_z；泊松比υ包括引起三个方向应变的泊松比υ_xy，υ_yz，υ_xz；剪切模量G包括三个平面的剪切模量G_xy，G_yz，G_xz。