CN109596342A

CN109596342A - 一种单轴滚珠丝杠进给机械系统模态测试及参数辨识方法

Info

Publication number: CN109596342A
Application number: CN201811611919.9A
Authority: CN
Inventors: 赵万华; 张伟; 张星; 张俊
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2019-04-09

Abstract

一种单轴滚珠丝杠进给机械系统模态测试及参数辨识方法，先将辅助夹持装置安装在滚珠丝杠进给机械系统中的回转运动零部件上，并布置加速度传感器，使用力锤进行激励，对激励信号和加速度信号进行采集，获得包含回转运动零部件的实验频响曲线；然后对实验频响曲线进行换算，将激励力转化为激励力矩，将切向位移转化为扭转角度，借助模态分析理论进行实验模态参数识别，利用实验模态参数反求进给系统结构物理参数；最后去除辅助夹持装置质量及转动惯量对进给系统结构物理参数、实验模态参数的影响，获得进给系统的实际物理参数、模态参数；本发明实现滚珠丝杠进给系统机械结构任意零部件间的原点和跨点频响的直接测试。

Description

一种单轴滚珠丝杠进给机械系统模态测试及参数辨识方法

技术领域

本发明属于数控机床的进给驱动实验测试技术领域，特别涉及一种单轴滚珠丝杠进给机械系统模态测试及参数辨识方法。

技术背景

目前，数控机床的进给驱动方式主要有两大类：由直线电机直接驱动和由滚珠丝杠进给系统进行驱动。其中，滚珠丝杠进给系统由于具有成本低、刚度高、抗冲击和抗干扰性能好等诸多优点，成为应用最为广泛的直线进给实现方式之一。随着技术发展和生产需求的提升，对数控机床的性能要求也越来越高，而滚珠丝杠进给系统由于包含柔性零部件及动、静结合部等众多柔性环节，其性能优劣成为影响整个机床性能的关键。利用模态测试获得滚珠丝杠进给系统的动态特性，并进一步对其模态参数和物理参数进行辨识，对掌握机床性能优劣、准确建立进给轴动力学模型具有重要意义，并可为机床的设计、制造、优化改进及合理使用提供重要依据。

对于滚珠丝杠进给系统机械结构的模态测试，目前所采用的方法主要有两大类。一类方法是利用机床数控系统自带的测试功能通过伺服电机进行激励，获得电机转子处的原点频响或转子-工作台的跨点频响，采用这种方法一方面需要机床的数控或伺服系统支持该功能，另一方面该方法获得的结果难以完全排除数控系统和伺服系统的影响，且由于激励位置和信号拾取位置固定，一般难以获得进给系统的完备实验模态集。另一类方法是通过锤击实验对进给系统进行测试，这种方法虽然能够排除电气环节的影响，但由于进给系统中包含回转运动和直线运动两种运动形式，采用锤击实验难以直接对回转运动部件进行激励和振动信号的拾取，因而一般只能获得工作台处的原点响应。由此可见，目前缺少一种准确的、可直接获得滚珠丝杠进给系统各机械结构间原点和跨点频响的测试方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种单轴滚珠丝杠进给机械系统模态测试及参数辨识方法，实现滚珠丝杠进给系统机械结构任意零部件间的原点和跨点频响的直接测试，从而建立系统的完备实验模态集，并对系统的模态参数和物理参数进行辨识。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种单轴滚珠丝杠进给机械系统模态测试及参数辨识方法，包括以下步骤：

步骤1)滚珠丝杠进给机械系统锤击实验：

1.1)将辅助夹持装置安装在滚珠丝杠进给机械系统中的回转运动零部件上，回转运动零部件包括电机转子、丝杠，并在测试位置布置加速度传感器；

1.2)使用力锤分别对各激励点进行激励，其中工作台沿进给方向激励，电机转子、丝杠沿切向对辅助夹持装置进行激励；

1.3)对激励信号和加速度信号进行采集，获得包含回转运动零部件的实验频响曲线；

步骤2)测试频响换算及系统模态参数与物理参数辨识：

2.1)对包含回转运动零部件的实验频响曲线进行换算，将作用在回转运动零部件上的激励力转化为激励力矩，将回转运动零部件的切向位移转化为扭转角度；

2.2)借助模态分析理论进行实验模态参数识别；

2.3)利用实验模态参数反求滚珠丝杠进给机械系统结构物理参数；

步骤3)附加质量、转动惯量影响去除：

3.1)计算辅助夹持装置质量及转动惯量；

3.2)根据辅助夹持装置质量及转动惯量对实验测试结果进行修正，去除辅助夹持装置质量及转动惯量对步骤2)求出的滚珠丝杠进给机械系统结构物理参数、实验模态参数的影响，获得滚珠丝杠进给机械系统的实际物理参数、模态参数。

所述的辅助夹持装置包括辅助夹持装置上片3和辅助夹持装置下片4，辅助夹持装置上片3和辅助夹持装置下片4通过紧固螺栓2、螺母5连接。

所述的辅助夹持装置上片3中部凸台一侧为加速度传感器安装位置1，另一侧为力锤激励点6。

所述的辅助夹持装置位于滚珠丝杠进给机械系统的安装位置有电机转子辅助夹持装置安装位置7，丝杠左端辅助夹持装置安装位置8，丝杠中部辅助夹持装置安装位置9，丝杠右端辅助夹持装置安装位置10。

所述的滚珠丝杠进给机械系统的工作台中部设有工作台加速度传感器安装位置11，工作台中部端部设有工作台激励点12。

本发明的有益效果为：

本发明通过辅助夹持装置实现了对滚珠丝杠进给系统中进行回转运动的零部件的锤击激励和振动信号拾取，从而实现了利用锤击实验对系统各零部件间原点和跨点频响的测试，一方面省去了利用伺服电机进行激励的过程，从而消除了机床进给系统电气环节的影响，另一方面由于增加了激励点和拾振点的位置，从而可以获得进给系统的完备实验模态集。为了提高最终获得的模态与物理参数的精度对测试结果进行修正，去除了辅助夹持装置带来的附加质量与惯量的影响。与传统测试方法相比，本发明在滚珠丝杠进给系统机械结构模态测试方面具有精度更高、通用性更广等优点。

附图说明

图1为实施例辅助夹持装置结构及激励、拾振位置示意图。

图2为实施例辅助夹持装置安装位置示意图。

图3为实施例工作台加速度传感器布置位置及锤击激励点位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图以实施例对本发明作进一步描述。

参照图1，本发明采用的辅助夹持装置包括辅助夹持装置上片3和辅助夹持装置下片4，辅助夹持装置上片3和辅助夹持装置下片4通过紧固螺栓2、螺母5连接，辅助夹持装置用于对进行回转运动零部件(如电机转子、丝杠等)进行激励和拾振时提供辅助作用；使用时松开装置一侧的螺母5，将辅助夹持装置套在转子或丝杠的测试位置上，如图2所示，所述的辅助夹持装置位于滚珠丝杠进给机械系统的安装位置有电机转子辅助夹持装置安装位置7，丝杠左端辅助夹持装置安装位置8，丝杠中部辅助夹持装置安装位置9，丝杠右端辅助夹持装置安装位置10，重新上紧螺母5，则辅助夹持装置可被固定在被测对象上。辅助夹持装置上片3中部凸台一侧为加速度传感器安装位置1，安装有加速度传感器，可采集被测对象做回转运动时沿其切向的加速度信号；辅助夹持装置上片3中部凸台另一侧为力锤激励点6，利用力锤进行激励，可激发被测对象的回转运动。

步骤1)滚珠丝杠进给机械系统锤击实验：

1.1)将辅助夹持装置安装在滚珠丝杠进给机械系统中的回转运动零部件上，并在测试位置布置加速度传感器；

在本实施例中，辅助夹持装置位于滚珠丝杠进给机械系统的安装位置有电机转子辅助夹持装置安装位置7，丝杠左端辅助夹持装置安装位置8，丝杠中部辅助夹持装置安装位置9，丝杠右端辅助夹持装置安装位置10，如图2所示；辅助夹持装置上片3中部凸台一侧为加速度传感器安装位置1，另一侧为力锤激励点6，如图1所示；滚珠丝杠进给机械系统的工作台中部设有工作台加速度传感器安装位置11，工作台中部端部设有工作台激励点12，如图3所示；

1.2)使用力锤分别对各激励点进行激励，本实施例中选取的激励点包括电机转子、丝杠两端及其中部和工作台，其中工作台沿其进给方向激励，激励位置如图3所示，电机转子和丝杠沿切向对辅助夹持装置进行激励；

步骤2)测试频响换算及系统模态参数与物理参数辨识：

2.1)对包含回转运动零部件的实验频响曲线进行换算，将作用在回转运动零部件上的激励力转化为激励力矩，将回转运动零部件的切向位移转化为扭转角度，具体为：

对于扭矩输入-转角输出的频响H_R/R，其与测试值之间的关系为

式中：M_R为回转运动零部件的激励扭矩；θ_R为回转运动零部件的旋转位移；x_R为回转运动零部件切向平动位移；F_R为回转运动零部件的切向激励力；为频响实验测试值；r为辅助夹持装置的半径；

对于扭矩输入-位移输出的频响H_L/R，其与测试值之间的关系为

式中：x_L是平动零部件的平动位移；是频响实验测试值；

对于力输入-转角输出的频响H_R/L，其与测试值之间的关系为

式中：F_L是作用在平动零部件上的激励力；是频响实验测试值；

2.2)根据转化后的实测频响数据，借助模态分析理论进行实验模态参数识别，获得模态质量矩阵M_p、模态刚度矩阵K_P、模态阻尼矩阵C_P、质量归一化模态振型矩阵Φ以及模态固有频率对角矩阵Λ；

2.3)基于振动力学理论，利用实验模态参数反求滚珠丝杠进给机械系统结构物理参数，获得质量矩阵M、刚度矩阵K、阻尼矩阵C；

步骤3)附加质量、转动惯量影响去除：

3.1)借助通用商业CAD软件(如Solidworks)，根据辅助夹持装置的几何尺寸及其材料密度计算获得辅助夹持装置质量及转动惯量；

3.2)根据辅助夹持装置质量及转动惯量对对步骤2)的实验测试结果进行修正，具体为：

设去除辅助夹持装置后的振动结构的物理参数矩阵为：

M₀＝M+ΔM (4)

K₀＝K (5)

C₀＝C (6)

其中，M₀、K₀、C₀分别为修正后的质量矩阵，刚度矩阵和阻尼矩阵，ΔM为变化质量矩阵，则可得修正后的结构频响矩阵为

其中H为原始频响矩阵，P定义为_n阶单位阵划掉与未修改自由度对应的列后形成的子阵；其中为将ΔM中与修改自由度无关的行和列划掉后剩余的子阵，对修正后的频响矩阵H₀重新进行参数辨识，则可得到修正后的模态参数；通过以上过程可去除附加质量和惯量对测试结果的影响，获得滚珠丝杠进给机械系统的实际物理参数、模态参数的精确值。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡依本发明的结构、形状、原理所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种单轴滚珠丝杠进给机械系统模态测试及参数辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)滚珠丝杠进给机械系统锤击实验：

步骤2)测试频响换算及系统模态参数与物理参数辨识：

2.2)借助模态分析理论进行实验模态参数识别；

步骤3)附加质量、转动惯量影响去除：

3.1)计算辅助夹持装置质量及转动惯量；

2.根据权利要求1所述的一种单轴滚珠丝杠进给机械系统模态测试及参数辨识方法，其特征在于：所述的辅助夹持装置包括辅助夹持装置上片(3)和辅助夹持装置下片(4)，辅助夹持装置上片(3)和辅助夹持装置下片(4)通过紧固螺栓(2)、螺母(5)连接。

3.根据权利要求2所述的辅助夹持装置，其特征在于：所述的辅助夹持装置上片(3)中部凸台一侧为加速度传感器安装位置(1)，另一侧为力锤激励点(6)。

4.根据权利要求2所述的一种单轴滚珠丝杠进给机械系统模态测试及参数辨识方法，其特征在于：所述的辅助夹持装置位于滚珠丝杠进给机械系统的安装位置有电机转子辅助夹持装置安装位置(7)，丝杠左端辅助夹持装置安装位置(8)，丝杠中部辅助夹持装置安装位置(9)，丝杠右端辅助夹持装置安装位置(10)。

5.根据权利要求1所述的一种单轴滚珠丝杠进给机械系统模态测试及参数辨识方法，其特征在于：所述的滚珠丝杠进给机械系统的工作台中部设有工作台加速度传感器安装位置(11)，工作台中部端部设有工作台激励点(12)。

6.根据权利要求1所述的一种单轴滚珠丝杠进给机械系统模态测试及参数辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)滚珠丝杠进给机械系统锤击实验：

1.2)使用力锤分别对各激励点进行激励，其中工作台沿其进给方向激励，电机转子和丝杠沿切向对辅助夹持装置进行激励；

步骤2)测试频响换算及系统模态参数与物理参数辨识：

式中：x_L是平动零部件的平动位移；是频响实验测试值；

对于力输入-转角输出的频响H_R/L，其与测试值之间的关系为

步骤3)附加质量、转动惯量影响去除：

3.1)借助通用商业CAD软件，根据辅助夹持装置的几何尺寸及其材料密度计算获得辅助夹持装置质量及转动惯量；

设去除辅助夹持装置后的振动结构的物理参数矩阵为：

M₀＝M+ΔM (4)

K₀＝K (5)

C₀＝C (6)

其中，M₀、K₀、C₀分别为修正后的质量矩阵，刚度矩阵和阻尼矩阵，ΔM为变化质量矩阵，则得修正后的结构频响矩阵为

其中H为原始频响矩阵，P定义为n阶单位阵划掉与未修改自由度对应的列后形成的子阵；其中为将ΔM中与修改自由度无关的行和列划掉后剩余的子阵，对修正后的频响矩阵H₀重新进行参数辨识，则得到修正后的模态参数；通过以上过程可去除附加质量和惯量对测试结果的影响，获得滚珠丝杠进给机械系统的实际物理参数、模态参数的精确值。