CN106289842A - 一种数控机床热模态参数辨识方法 - Google Patents

Abstract

一种数控机床热模态参数的辨识方法，通过采用统计分析方法对数控机床布置温度传感器，并通过温度采集卡实时获得数控机床的缓变温度场，对数控机床的工作台施加多次加减速冲击产生激励，实现对数控机床的热模态参数的获取，由此解决获取温度信息与加速度信息同步技术问题以及数控机床基于运行工况条件下热模态参数识别方法的技术问题。

Description

一种数控机床热模态参数辨识方法

技术领域

本发明属于机械装备热动力学分析领域，尤其涉及一种热模态参数识别方法。

背景技术

运行工况下数控机床模态参数会随温度变化而改变，因此识别热模态参数对改善数控机床热特性，机床优化设计至关重要。

目前运行工况下温度变化对数控机床动态特性的影响机制尚不完全清楚，其原因之一在于获取数控机床热模态参数方法缺乏深入研究。该方法的主要特点是对机床结构缓变温度场进行辨识，运用基于空运行工况下对数控机床实施多次加减速产生激励，实现对数控机床的热模态参数获取。

鉴于传统加工方式下加工速度、加速度和运行动态响应要求相对较低，一直以来对机床结构动力学特性的研究，往往认为缓变的热载荷对动力学特性的影响可以忽略，认为其引起的误差是可在允许范围内的，但随着高加速、高响应、精密/超精密等高性能加工要求的持续提升下，数控机床运行工况复杂多变导致机床内外部热源交互作用的热载荷变化复杂，致使机床结构内部产生时变的温度梯度，引起结构热变形及热应力，影响到结构固有动力学特性，带来机床固有频率的变化，甚至会引起机床振动，温度影响因素已经成为了阻碍高性能数控机床加工效率和加工质量持续提升的瓶颈问题。因此，针对温度相关机床结构动力学特性研究问题，数控机床热模态参数识别问题的重要性是显而易见的。

发明内容

针对现有数控机床热模态参数辨识缺陷，本发明提出了一种基于运行工况下数控机床热模态参数识别的方法。该方法通过对数控机床的缓变温度场进行识别，得到关键位置测点缓变温度；然后对工作台实施多次加减速产生激励，此时温度采集卡实时监测机床温度场的变化情况，同时，采用基于数控机床运行工况下，不同温度条件下对数控机床产生激励，从而获取数控机床的热模态参数。

本发明为实现上述目标所采用的具体技术方案为：

通过对数控机床缓变温度场的辨识，获取关键位置的实时温度，然后通过控制工作台在小范围(通常30-50mm)内，在给定进给速度下做加减速运动产生激励，实现对数控机床在不同温度条件下的热模态参数，该方法具体包括：

确定数控机床实时温度场以及关键位置测点的温度值；

确定施加的单次加减速冲击时间常数，以及加速度值；

确定施加相邻加减速冲击的间隔时间，其中，该间隔时间的序列为随机序列；

根据获取的关键位置测点的温度值以及上述给定进给速度、单次加减速冲击时间和各次加减速冲击时间的间隔时间控制所述工作台运动，从而产生激励；在每个获取的关键位置测点的温度值条件下，采集数控机床的加速度响应信号并经过LMS软件进行模态分析处理即可得到数控机床在给定进给速度下不同温度情况下的热模态参数。

数控机床的缓变温度场通过统计分析的方法确定关键位置测点的温度值，进而通过MATLAB软件绘制数控机床的实时缓变温度场。

上述单次加减速冲击时间根据数控机床的频带大小确定。单次加减速冲击包括一个加速度不变的加速阶段和一个加速度不变的减速阶段，其中所述加速阶段与减速阶段的时间相等，且两阶段的加速度的绝对值相等。

工作台在施加激励前以及在各次加减速冲击的间隔期间具有的相等的进给速度。

确定的加速度值可激起数控机床的各频带模态，就一般工程而言，研究人员只关心数控机床低频带模态，一般为300Hz以内。

数控机床的热模态参数通过同步实时获取温度场信息以及加速度响应信息而获得。热模态参数包括温度影响下的固有频率、阻尼比和模态振型向量。要从本质上了解机床热特性、获得数控机床的热模态参数及必须得到机床温度场的分布，即对热传递微分方程进行求解。三维温度场T(x,y,z,t)所满足的热传导方程为：

$\▿\·(k\▿T)-\mathrm{\ρ}C\frac{\∂T}{\∂t}=0$

式中k为随机坐标和温度变化的导热系数；C为为随坐标和温度变化的比热容；ρ为材料密度。

满足边界条件为：

$k\frac{\∂T}{\∂n}{|}_r=Q_w{|}_r-Q_{\mathrm{\σ}}{|}_r$

初始条件为：

T(x,y,z,0)＝T_ref

式中，n为结构外法线单位矢量；Q_w＝Q(x,y,z,T)为数控机床运行工况下升温输入的热载荷；为满足Stefan-Boltzmann定律的热辐射通量密度；T_w为结构的表面温度；T_ref为初始参考温度。

考虑温度效应下，结构刚度主要受两方面影响。一方面，升温使结构材料的弹性模量E发生变化，记为[K_T]；另一方面，结构升温后内部存在温度梯度引起了热应力，需要在结构刚度矩阵附加初始应力刚度矩阵，记为[K_σ]。综上所述，结构的热刚度可以表示为：

[K]＝[K_T]+[K_σ]

根据在物理坐标系中，线性n自由度系统的振动微分方程可表示为：

$M\left(t\right)\stackrel{\·\·}{X\left(t\right)}+C\left(t\right)\stackrel{\·}{X\left(t\right)}+K\left(t\right)X\left(t\right)=f\left(t\right)$

考虑温度因素的结构模态分析即为求解下式的广义特征值的问题：

上式中[K]是随温度变化的。上述温度通过温度采集卡辨识，结构模态参数通过运行工况下自激励方法辨识。

为迅速、准确获取关键位置测点温度信息的变化。依据温度敏感点理论，应将温度传感器布置在对信号的变化反应最敏感、受其他测点干扰最小的地方，即温度变化最敏感的地方，以精确反应温度变量信号的变化。在满足可观性条件下，一般应遵循以下准则：

(1)温度传感器应尽可能地布置热激励源处；

(2)如均匀加热时，传感器应布置在固定端；

(3)传感器彼此不应靠的很近，以减小相互之间的干扰，提高系统检测的敏感度。

本发明具有以下的优点和技术效果：

针对数控机床热模态参数识别方法的空白，结合数控机床结构模态的运行工况下参数识别方法，所述热模态参数识别方法只需要设定数控机床一定进给速度激励序列，并生成相关空运行代码使数控机床在小范围内做加减速运动产生随机惯性激励力序列。通过数控机床各测点的所获得的振动响应信号，运用工作模态参数识别方法，便能获得数控机床在一定进给速度情况下的变化温度情况下的热模态参数。

附图说明

图1为本发明中用于采集响应信号的加速度传感器和温度传感器布置位置示意图；

图2为本发明中获取温度采集卡实施温度随时间和位置的变化情况形成的缓变温度场；

图3为本发明中用于获取工作台匀速进给状态的数控机床模态参数的激励序列和激励力示意图；

图4为本发明一种运行工况下数控机床热模态参数识别方法具体实施流程图。

具体实施方式

基于以上温度传感器布置原则，本发明拟通过试凑法和统计分析优化方法迅速、准确获得实时温度测点。本发明以一台立式加工中心为例，如图1所示，选择一系列温度敏感点在其上布置温度传感器。图1选择14个温度敏感点，温度传感器T1、T2用于测量X轴丝杠、螺母的温度；T3、T4测量Y轴丝杠、螺母的温度；T5、T6测量Z轴丝杠、螺母的温度；T7、T8测量主轴温度；T9、T10、T11、T12测量立柱温度；T13测量X轴床身温度；T14测量床身温度。这14个温度传感器用来识别立式加工中心关键位置测点缓变温度场，并得到形如图2所示温度场分布图。

通过上述温度传感器辨识数控机床缓变温度场，并建立温度场的三维模型。启动机床使主轴旋转，机床逐渐开始升温，工作台小范围内往复做加减速运动产生激励，采用工作模态(OMA)的获取结构模态参数的方法，同时温度采集卡获取温度场的实施温度变化情况，从而获得温度—模态参数变化关系。具体实施方案如下：

(1)设计数控机床工作台一定进给速度下随机激励序列；

(2)根据数控机床不同温度条件下，一定进给速度情况条件下随机序列生成相应的数控机床空运行数控G代码；

(3)运行以上G代码，并采集相应温度条件下数控机床各测点的振动响应信号；

(4)运用模态参数识别方法，识别数控机床不同温度条件下的热模态参数。

步骤(1)包括以下子步骤：

(1-1)根据数控机床模态分析所需的频带确定激励力的频带f₀的大小，f₀为所感兴趣数控机床频带的两倍，由于工作台在加、减速时才会对数控机床产生激励力，则单次加速、减速的时间Δt₀＝1/f₀。

(1-2)设计工作台速度激励序列，该激励序列用于获得数控机床工作台运行工况下数控机床热模态参数。图3(a)中工作台在每次加速后会以速度V₁匀速运动随机时间t_i，所测得的是匀速状态V₁时的模态参数，此速度V₁可以是任意值，所以可以通过该方法可获得工作台在运行工况下的热模态参数。

(1-3)图3(a)中，工作台从静止正向加速到V₁并匀速运行t_i(i＝1,2,3…n)时间，减速到静止状态立即反向加速到V₁并匀速运行t_i+1时间，再减速到静止状态立即正向加速到V₁，如此往复，图3(b)下部分也是工作台运行时对数控机床的冲击力示意图，正向加速和反向减速时F均为正且恒定，正向减速和反向加速时F均为负且恒定，匀速时F为零。工作台每次加速后匀速运动的时间t_i，所有的t_i构成一随机序列。

步骤(2)是由(1)得到的速度激励序列生成数控机床空运行G代码，包含以下子步骤：

(2-1)对于图3(a)和图3(b)中的情况，图中的V₁即为所指定的获得匀速进给下数控机床工作模态参数时进给速度，由于空运行自激励的特点，要求激励力有足够的带宽，频带必须包含数控机床所有的频率成分，即单次加、减速产生的激励力的频带f₁≥f₀，即Δt₁≤Δt₀。

(2-2)选择一个时间常数T_a，即可由以下公式计算工作台加速度a：

$a=\frac{1000}{60*T_a}$

(2-3)计算得稳定进给速度V₁＝a*Δt₁≤a*Δt₀。再由以下公式计算单次加减速工作台所运行的位移S₀,其中V₀和S₀由以下公式计算：

V₀＝a*Δt₀

$S_0=\frac{1}{2}a*{{\mathrm{\Δt}}_0}^2$

(2-4)结合以上计算得到的V₁和S₁以及匀速运动时间t_i构成的随机序列，采用MATLAB工具即可编写出图3对应的数控G代码。

Claims (8)

1.一种数控机床热模态参数辨识方法，通过对数控机床缓变温度场的辨识，获取关键位置的实时温度，然后通过控制工作台在30-50mm范围内，在给定进给速度下做加减速运动产生激励，实现对数控机床在不同温度条件下的热模态参数，其特征在于，该方法具体包括：

确定数控机床实时温度场以及关键位置测点的温度值；

确定施加的单次加减速冲击时间常数，以及加速度值；

确定施加相邻加减速冲击的间隔时间，其中，该间隔时间的序列为随机序列；

根据获取的关键位置测点的温度值以及上述给定进给速度、单次加减速冲击时间和各次加减速冲击时间的间隔时间控制所述工作台运动，从而产生激励；

在每个获取的关键位置测点的温度值条件下，采集数控机床的加速度响应信号并经过LMS软件进行模态分析处理即可得到数控机床在给定进给速度下不同温度情况下的热模态参数。

2.根据权利要求1所述的数控机床热模态参数的辨识方法，其特征在于，所述数控机床的缓变温度场通过统计分析的方法确定关键位置测点的温度值，进而通过MATLAB软件绘制数控机床的实时缓变温度场。

3.根据权利要求1所述的数控机床热模态参数辨识方法，其特征在于，

所述单次加减速冲击时间根据数控机床的频带大小确定。

4.根据权利要求1或3所述数控机床热模态参数辨识方法，其特征在于，所述单次加减速冲击包括一个加速度不变的加速阶段和一个加速度不变的减速阶段，其中所述加速阶段与减速阶段的时间相等，且两阶段的加速度的绝对值相等。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的数控机床热模态参数辨识方法，其特征在于，所述工作台在施加激励前以及在各次加减速冲击的间隔期间具有的相等的进给速度。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的数控机床模态参数的辨识方法，其特征在于，所述确定的加速度值可激起数控机床的300Hz以内的低频带模态。

7.根据权利要求1-6中任一项所述热模态参数的辨识方法，其特征在于，所述数控机床的热模态参数通过同步实时获取温度场信息以及加速度响应信息而获得。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的数控机床热模态参数的辨识方法，

其特征在于，所述热模态参数包括温度影响下的固有频率、阻尼比和模态振型向量。