CN114880816B - 机床动力学分析模型建模方法、装置及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及机床设计领域，提供一种机床动力学分析模型建模方法、装置及电子设备。所述方法包括：根据机床结构件的自由模态参数得到结构件分析模型；根据所述结构件分析模型和机床结合部的约束模态参数得到结合部分析模型；根据机床整机的约束模态参数得到机床地脚与地面结合部的分析模型；根据机床进给系统的约束模态参数得到机床移动部件处于不同位置的分析模型；根据所述结构件分析模型、所述结合部分析模型、所述地脚与地面结合部的分析模型和所述移动部件处于不同位置的分析模型得到机床动力学分析模型。本申请实施例提供的机床动力学分析模型建模方法可以令得到机床动力学分析模型更准确，为机床设计提供有效参考。
Description
技术领域
本申请涉及机床设计技术领域，具体涉及一种机床动力学分析模型建模方法、装置及电子设备。
背景技术
机床作为加工制造的工作母机，其加工性能受到机床动力学特性的影响，可以说机床动力学特性的好坏直接决定着加工零件的加工效率及品质，甚至影响着机床的寿命。为了精准提高机床的动力学特性，在机床设计环节往往需要利用机床动力学分析模型进行仿真以评估机床动力学特性，因此，构建精准的机床动力学分析模型对于提高机床动力学特性起至关重要的作用。
目前，在机床设计阶段通常对机床整机进行动力学建模，但由于机床零部件数量众多且结构复杂,部件结合 面 形 式 多 样，整机建模得到机床动力学分析模型与实际相差较大，致使设计阶段仿真的机床与实际装配后的机床整机之间存在较大偏差,仅 仅 依靠 理 论 模 态分析方法研究机床的动态性能，很难得到较为准确的研究结论，进而使得仿真分析结果可信度降低，难以为机床优化设计提供可靠参考。
发明内容
本申请实施例提供一种机床动力学分析模型建模方法、装置及电子设备，用以解决机床动力学分析模型误差较大导致的仿真分析结果可信度低的技术问题。
第一方面，本申请实施例提供一种机床动力学分析模型建模方法，包括：
根据机床结构件的自由模态参数得到结构件分析模型；
根据所述结构件分析模型和机床结合部的约束模态参数得到结合部分析模型；
根据机床整机的约束模态参数得到机床地脚与地面结合部的分析模型；
根据机床进给系统的约束模态参数得到机床移动部件处于不同位置的分析模型；
根据所述结构件分析模型、所述结合部分析模型、所述地脚与地面结合部的分析模型和所述移动部件处于不同位置的分析模型得到机床动力学分析模型；
其中，所述自由模态参数为在自由边界条件下进行自由模态测试得到的模态参数；所述约束模态参数为在实际安装条件下进行约束模态测试得到的模态参数。
在一个实施例中，所述根据机床结构件的自由模态参数得到结构件分析模型，包括：
根据结构件试验模态参数和结构件计算模态参数，修正所述机床结构件的动力学模型，得到结构件分析模型；
其中，所述结构件试验模态参数为对所述机床结构件进行试验测定得到的自由模态参数；所述结构件计算模态参数为对所述机床结构件进行仿真测定得到的自由模态参数；所述机床结构件的动力学模型根据所述机床结构件的材料参数及几何模型构建得到。
在一个实施例中，所述根据结构件试验模态参数和结构件计算模态参数，修正所述机床结构件的动力学模型，得到结构件分析模型，包括：
将所述机床结构件的动力学模型中的当前材料参数设置为预设初始参数，并获取当前材料参数对应的当前结构件计算模态参数；
在当前结构件计算模态参数与所述结构件试验模态参数的误差大于或等于误差阈值时，调整当前材料参数并重新获取当前结构件计算模态参数，直至当前结构件计算模态参数与所述结构件试验模态参数的误差小于误差阈值后，得到所述结构件分析模型。
在一个实施例中，所述材料参数包括：弹性模量、泊松比和材料密度；所述模态参数包括：模态频率、模态振型和模态质量；
所述在当前结构件计算模态参数与所述结构件试验模态参数的误差大于或等于误差阈值时，调整当前材料参数，包括：
在当前模态质量误差大于或等于质量误差阈值时，调整所述材料密度；其中，当前模态质量误差为当前结构件计算模态参数中的模态质量与所述结构件试验模态参数中的模态质量之间的误差；
在当前模态频率误差大于或等于频率误差阈值时，或在当前模态振型误差大于或等于振型误差阈值时，调整所述弹性模量和所述泊松比；其中，当前模态频率误差为当前结构件计算模态参数中的模态频率与所述结构件试验模态参数中的模态频率之间的误差；当前模态振型误差为当前结构件计算模态参数中的模态振型与所述结构件试验模态参数中的模态振型之间的误差。
在一个实施例中，所述根据所述结构件分析模型和机床结合部的约束模态参数得到结合部分析模型，包括：
基于所述结构件分析模型对所述机床结合部进行等效建模，得到所述机床结合部的动力学模型；
根据结合部试验模态参数和结合部计算模态参数，修正所述机床结合部的动力学模型，得到结合部分析模型；
其中，所述结合部试验模态参数为对所述机床结合部进行试验测定得到的约束模态参数；所述结合部计算模态参数为对所述机床结合部进行仿真测定得到的约束模态参数。
在一个实施例中，所述机床结合部包括：活动结合部和固定结合部；其中，所述活动结合部包括：导轨滑块结合部、滚珠丝杠结合部和滚动轴承结合部；所述固定结合部包括：螺钉结合部；
当所述机床结合部为所述活动结合部时，所述根据结合部试验模态参数和结合部计算模态参数，修正所述机床结合部的动力学模型，得到结合部分析模型，包括：
确定所述活动结合部的当前动力学参数；
基于所述活动结合部的动力学模型和当前动力学参数对所述活动结合部进行仿真测定，得到当前活动结合部计算模态参数；
在所述活动结合部的结合部试验模态参数与当前活动结合部计算模态参数之间的误差大于或等于误差阈值时，调整当前动力学参数并重新获取当前活动结合部计算模态参数，直至所述活动结合部的结合部试验模态参数与当前活动结合部计算模态参数之间的误差小于误差阈值后，得到所述活动结合部的分析模型。
在一个实施例中，当所述机床结合部为所述固定结合部时，所述根据结合部试验模态参数和结合部计算模态参数，修正所述机床结合部的动力学模型，得到结合部分析模型，包括：
根据所述固定结合部的动力学模型获取所述固定结合部的当前等效接触刚度和当前等效阻尼系数；
基于所述固定结合部的动力学模型、当前等效接触刚度和当前等效阻尼系数对所述固定结合部进行仿真测定，得到当前固定结合部计算模态参数；
在所述固定结合部的结合部试验模态参数与当前固定结合部计算模态参数之间的误差大于或等于误差阈值时，调整当前等效接触刚度和当前等效阻尼系数并重新获取当前固定结合部计算模态参数，直至所述固定结合部的结合部试验模态参数与当前固定结合部计算模态参数之间的误差小于误差阈值后，得到所述固定结合部的分析模型。
在一个实施例中，所述根据机床整机约束模态参数得到机床地脚与地面结合部的分析模型，包括：
对实际安装条件下的机床进行试验测定，得到所述机床整机的约束模态参数；
基于所述机床整机的约束模态参数进行模态分离，得到所述机床地脚与地面结合部的约束模态参数；
根据所述机床地脚与地面结合部的约束模态参数进行参数识别，得到所述机床地脚与地面结合部的模态刚度和模态阻尼；
根据所述机床地脚与地面结合部的模态刚度和模态阻尼构建所述机床地脚与地面结合部的分析模型。
第二方面，本申请实施例提供一种机床动力学分析模型建模装置，包括：
结构件建模模块，用于：根据机床结构件的自由模态参数得到结构件分析模型；
结合部建模模块，用于：根据所述结构件分析模型和机床结合部的约束模态参数得到结合部分析模型；
机床地脚与地面结合部建模模块，用于：根据机床整机的约束模态参数得到机床地脚与地面结合部的分析模型；
移动部件建模模块，用于：根据进给系统的约束模态参数得到移动部件处于不同位置的分析模型；
机床动力学分析模型建模模块，用于：根据所述结构件分析模型、所述结合部分析模型、所述地脚与地面结合部的分析模型和所述移动部件处于不同位置的分析模型得到机床动力学分析模型；
其中，所述自由模态参数为在自由边界条件下进行自由模态测试得到的模态参数；所述约束模态参数为在实际安装条件下进行约束模态测试得到的模态参数。
第三方面，本申请实施例提供一种电子设备，包括处理器和存储有计算机程序的存储器，所述处理器执行所述计算机程序时实现第一方面所述的机床动力学分析模型建模方法的步骤。
第四方面，本申请实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述的机床动力学分析模型建模方法。
本申请实施例提供的机床动力学分析模型建模方法，将机床按照功能拆分为包含机床结构件、机床地脚与地面结合部、机床结合部以及进给系统的多个部分，对各个部分进行模态测试，获取各部分的分析模型，最终堆叠形成机床动力学分析模型。并且，针对不同部分功能实现的特点采用不同的边界条件进行模态测试，能够有针对性地完成各部分分析模型的构建和修正，以令最终得到的机床动力学分析模型具有准确的局部特征，例如：机床结构件的动力学特性取决于其自身性能，因此，其模态测试设置在自由边界条件下完成，能够得到准确评估其动力学特性的结构件分析模型，而受制于装配环境的机床结合部则通过约束模态测试得到结合部分析模型，最终使得得到的机床动力学分析模型的仿真结果可靠准确，能够为机床设计提供有效参考。
附图说明
为了更清楚地说明本申请或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的机床动力学分析模型建模方法的流程示意图；
图2是本申请实施例提供的机床结构件的动力学模型的修正方法的流程示意图；
图3是本申请实施例提供的结合部分析模型的构建方法的流程示意图；
图4是本申请实施例提供的机床地脚与地面结合部的分析模型构建过程的流程示意图；
图5是本申请实施例提供的机床动力学分析模型建模装置的结构示意图；
图6是本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
图1为本申请实施例提供的机床动力学分析模型建模方法的流程示意图。参照图1，本申请实施例提供一种机床动力学分析模型建模方法，可以包括：
S11、根据机床结构件的自由模态参数得到结构件分析模型；
S12、根据该结构件分析模型及机床结合部的约束模态参数得到结合部分析模型；
S13、根据机床整机的约束模态参数得到机床地脚与地面结合部的分析模型；
S14、根据机床进给系统的约束模态参数得到机床移动部件处于不同位置的分析模型；
S15、根据该结构件分析模型、该结合部分析模型、该地脚与地面结合部的分析模型和该移动部件处于不同位置的分析模型得到机床动力学分析模型。
在本实施例中，机床可拆分为机床结构件、机床地脚与地面结合部、机床结合部以及机床进给系统；其中，机床结构件通过机床结合部结合形成机床本体，并通过机床地脚与地面结合部连接于地面，通过机床进给系统进行驱动，形成完整的机床。
在步骤S11中，自由模态参数指的是在自由边界条件下进行自由模态测试得到的模态参数。自由边界条件下的机床结构件不受位移限制，因此，步骤S11得到的机床结构件的自由模态参数能够反映机床结构件自身的动力学特性。
在步骤S12至步骤S14中，约束模态参数为在实际安装条件下进行约束模态测试得到的模态参数。由于机床工作过程中，各机床结构件通过机床结合部形成连接关系，结构件的位移受到限制，且机床的实际安装位置确定后，机床位移也受到了机床地脚与地面结合部的限制，因此，在构建机床结合部、机床地脚与地面结合部以及机床进给系统时，需考虑机床的实际安装条件。
在步骤S13中，由于实际安装条件下，机床需在连接于地面的条件下进行工作，因此，在步骤S13中，对机床整机进行约束模态测试过程受到机床地脚与地面连接关系的限制，即得到的约束模态参数中包括机床地脚与地面结合部的约束模态参数，根据机床整机的约束模态参数能够分离得到机床地脚与地面结合部的约束模态参数。
需要说明的是，模态分离所采用的方法并不唯一，在实际应用过程中可根据实际需求选用不同的模态分离技术，此处不作唯一限定。
需要说明的是，机床地脚与地面结合部的功能也在于实现连接关系，其与机床结合部的区别在于：机床结合部用于实现机床内部的连接关系，而机床地脚与地面结合部用于实现机床与外部的连接关系。在实际应用过程中，也可将机床地脚与地面结合部视作特殊的机床结合部。
在步骤S14中，机床进给系统用于为机床工作提供驱动，并通过机床结构件本身的动力学特性以及机床结合部和机床地脚与地面结合部反映的连接关系传递驱动，基于此，在步骤S11、S12、S13得到的结构件分析模型、结合部分析模型以及地脚与地面结合部分析模型的基础上，结合机床进给系统的约束模态参数，能够得到机床动力学分析模型，该过程对应机床实际装配过程中设置机床的驱动系统的过程，根据机床完整的结构特性和机床的驱动特性，能够仿真出机床的工作过程。
需要说明的是，上述步骤S11、步骤S13、步骤S14之间的执行时序不唯一，即步骤S11、步骤S13、步骤S14可按照不同顺序依次执行，或三者同时执行。
可以理解的是，上述对于步骤S11、步骤S13、步骤S14执行时序的描述不构成对本申请的唯一限定。
本实施例提供的机床动力学分析模型建模方法，将机床按照功能拆分为包含机床结构件、机床地脚与地面结合部、机床结合部以及进给系统的多个部分，对各个部分进行模态测试，获取各部分的分析模型，最终堆叠形成机床动力学分析模型。并且，针对不同部分功能实现的特点采用不同的边界条件进行模态测试，能够有针对性地完成各部分分析模型的构建和修正，以令最终得到的机床动力学分析模型具有准确的局部特征，例如：机床结构件的动力学特性取决于其自身性能，因此，其模态测试设置在自由边界条件下完成，能够得到准确评估其动力学特性的结构件分析模型，而受制于装配环境的机床结合部则通过约束模态测试得到结合部分析模型，最终使得得到的机床动力学分析模型的仿真结果可靠准确，能够为机床设计提供有效参考。
在一个实施例中，步骤S11的过程包括：
根据结构件试验模态参数和结构件计算模态参数，修正机床结构件的动力学模型，得到结构件分析模型。
其中，结构件试验模态参数为对机床结构件进行试验测定得到的自由模态参数；该试验测定是指在实验室环境下，搭建机床结构件的实体模型，可以采用软支撑或吊带悬挂的方式模拟自由边界条件，通过传感器采集机床结构件的模态参数。
结构件计算模态参数为对机床结构件进行仿真测定得到的自由模态参数；该仿真测定指的是在计算机仿真系统中基于机床结构件的动力学模型模拟运行机床结构件，通过数值模拟自由边界条件并得到机床结构件的模态参数。
在本实施例中，机床结构件的动力学模型可以根据该机床结构件的材料参数和几何模型在计算机仿真系统中构建得到。
在一个实施例中，根据结构件试验模态参数和结构件计算模态参数，修正机床结构件的动力学模型，得到结构件分析模型的过程如下：
将机床结构件的动力学模型中的当前材料参数设置为预设初始参数，并获取当前材料参数对应的当前结构件计算模态参数；
在当前结构件计算模态参数与结构件试验模态参数的误差大于或等于误差阈值时，调整当前材料参数并重新获取当前结构件计算模态参数，直至当前结构件计算模态参数与该结构件试验模态参数的误差小于误差阈值后，得到结构件分析模型。
需要说明的是，上述误差阈值可设置为预设百分比，或根据模态参数类型设置不同数值，例如：误差阈值可以设置为5%，或针对模态频率将误差阈值设置为0.1kHz；在仿真结果和试验结果的误差大于或等于预设百分比时，说明仿真模型和试验用的实体模型之间的相似度不合格，需对仿真模型进行优化调整，以贴合实体模型。
为了便于理解，示例性的，修正机床结构件的动力学模型的过程可以如图2所示：
S21、设置当前材料参数为预设初始参数；
S22、基于当前材料参数修正机床结构件的动力学模型并基于修正后的机床结构件的动力学模型进行仿真测定，得到当前结构件计算模态参数；
S23、判断当前结构件计算模态参数与结构件试验模态参数的误差是否小于误差阈值；
若是，则执行步骤S25；
若否，则执行步骤S24后返回步骤S22；
S24、调整当前材料参数；
S25、将当前的机床结构件的动力学模型作为结构件分析模型。
在步骤S21中，材料参数可以包括但不限于：弹性模量、泊松比和材料密度。
由于机床结构件的材料影响机床结构件的动力学特性，其中，机床结构件的材料可以为结构件本身材料和/或填充材料，通过调整机床结构件的材料参数即可实现对机床结构件的动力学模型的更新。
在步骤S22中，对当前材料参数下的机床结构件的动力学模型进行仿真测定，可以得到当前材料参数对应的结构件计算模态参数，即当前结构件计算模态参数。
在步骤S23中，在当前结构件计算模态参数与结构件试验模态参数的误差小于误差阈值时，则可认为当前的机床结构件的动力学模型已经可以近似于机床结构件的实体模型，则得到精确的结构件分析模型以反映精确的机床结构件的动力学特性；否则，说明当前仿真系统中的机床结构件的动力学模型与机床结构件的实体模型差异较大，根据当前的机床结构件的动力学模型进行仿真分析的结果可靠性低，需对当前的机床结构件的动力学模型进行进一步优化。
需要说明的是，在本实施例中通过调整材料参数的方式进行优化，在实际应用过程中，还可以通过改进结构的方式实现当前机床结构件动力学模型的进一步优化。
本申请实施例的机床动力学分析模型建模方法，通过对比结构件试验模态参数和结构件计算模态参数来确定构建的结构件分析模型与结构件实体模型之间的相似程度，通过动态调节材料参数的方式，不断优化构建的结构件分析模型，使得最终得到的结构件分析模型能够准确表征机床结构件的动力学特性，进而为机床动力学分析模型提供精确的局部特征，减小机床动力学分析模型与实际模型之间的误差。
在一个实施例中，材料参数包括：弹性模量、泊松比和材料密度；模态参数包括：模态频率、模态振型和模态质量。
为了提高材料参数调整的精准度，高效优化结构件分析模型，可以根据模态参数的类型确定待调整的材料参数类型，过程如下：
在当前模态质量误差大于或等于质量误差阈值时，调整材料密度；其中，当前模态质量误差为当前结构件计算模态参数中的模态质量与该结构件试验模态参数中的模态质量之间的误差；
在当前模态频率误差大于或等于频率误差阈值时，或在当前模态振型误差大于或等于振型误差阈值时，调整弹性模量和泊松比；其中，当前模态频率误差为当前结构件计算模态参数中的模态频率与该结构件试验模态参数中的模态频率之间的误差；当前模态振型误差为当前结构件计算模态参数中的模态振型与该结构件试验模态参数中的模态振型之间的误差。
其中，振型误差可以通过振型的相似度来进行表征，例如：相似度的倒数，振型相似度越高说明振型误差越小。
需要说明的是，计算振型误差时，需针对同一固有频率下的模态振型进行比较，比较过程此处不赘述。
可以理解的是，上述过程对应不同模态参数，将误差阈值划分为若干误差阈值类型，例如：质量误差阈值、频率误差阈值和振型误差阈值；在实际应用过程中，也可将误差阈值设置为统一的预设百分比，例如：5%。
本申请实施例的机床动力学分析模型建模方法，通过确定误差较大的模态参数，选取对应的材料参数类型进行调整，以明确调整方向，有针对性地进行模型优化，快速有效地缩小了结构件分析模型与实体模型之间的误差。
在一个实施例中，步骤S12包括：
S31、基于结构件分析模型对机床结合部进行等效建模，得到机床结合部的动力学模型；
S32、根据结合部试验模态参数和结合部计算模态参数，修正该机床结合部的动力学模型，得到结合部分析模型。
其中，结合部试验模态参数为对该机床结合部进行试验测定得到的约束模态参数；结合部计算模态参数为对该机床结合部进行仿真测定得到的约束模态参数。
由于机床结合部用于实现机床结构件的连接，因此，结合部分析模型可视作机床结构件之间连接关系的函数，其表征的是连接处的力学模型，在步骤S31中，构建各机床结构件连接处的力学模型，以完成对机床结合部的等效建模，得到机床结合部的动力学模型。
在本实施例中，等效建模可以采用如下方法：节点耦合法、弹簧法、弹簧阻尼法和/或虚拟材料法。
为了便于理解，下面对机床结合部进行分类并针对不同类别的机床结合部进行步骤S32的说明：
机床结合部包括：活动结合部和固定结合部；活动结合部包括：导轨滑块结合部、滚珠丝杠结合部和滚动轴承结合部；固定结合部包括：螺钉结合部。
在本实施例中，固定结合部还可以包括：直线电机结合部。
对机床结合部为活动结合部的情况进行说明：
当机床结合部为活动结合部时，根据结合部试验模态参数和结合部计算模态参数，修正机床结合部的动力学模型，得到结合部分析模型，过程如下：
确定活动结合部的当前动力学参数；
基于活动结合部的动力学模型和当前动力学参数对该活动结合部进行仿真测定，得到当前活动结合部计算模态参数；
在活动结合部的结合部试验模态参数与当前活动结合部计算模态参数之间的误差大于或等于误差阈值时，调整当前动力学参数并重新获取当前活动结合部计算模态参数，直至该活动结合部的结合部试验模态参数与当前活动结合部计算模态参数之间的误差小于误差阈值后，得到活动结合部的分析模型。
在本实施例中，导轨滑块结合部、滚珠丝杠结合部和滚动轴承结合部的动力学参数的初始值可以通过供应商手册中记载的参数数据确定。
当机床结合部为固定结合部时，根据结合部试验模态参数和结合部计算模态参数，修正机床结合部的动力学模型，得到结合部分析模型，过程如下：
根据固定结合部的动力学模型获取该固定结合部的当前等效接触刚度和当前等效阻尼系数；
基于该固定结合部的动力学模型、当前等效接触刚度和当前等效阻尼系数对该固定结合部进行仿真测定，得到当前固定结合部计算模态参数；
在该固定结合部的结合部试验模态参数与当前固定结合部计算模态参数之间的误差大于或等于误差阈值时，调整当前等效接触刚度和当前等效阻尼系数并重新获取当前固定结合部计算模态参数，直至该固定结合部的结合部试验模态参数与当前固定结合部计算模态参数之间的误差小于误差阈值后，得到固定结合部的分析模型。
在本实施例中，可以根据吉村允孝积分法求解固定结合部的等效接触刚度和等效阻尼系数，此时的等效接触刚度和等效阻尼系数即为当前等效接触刚度和当前等效阻尼系数的初始值。
在一个实施例中，步骤S13包括如下步骤：
S41、对实际安装条件下的机床进行试验测定，得到机床整机的约束模态参数；
S42、基于该机床整机的约束模态参数进行模态分离，得到机床地脚与地面结合部的约束模态参数；
S43、根据机床地脚与地面结合部的约束模态参数进行参数识别，得到该机床地脚与地面结合部的模态刚度和模态阻尼；
S44、根据该机床地脚与地面结合部的模态刚度和模态阻尼构建该机床地脚与地面结合部的分析模型。
在步骤S41中，可以以实际安装条件作为实际试验过程中的约束边界条件，对机床整机的实体模型进行模态测试，得到机床整机的约束模态参数。
在步骤S42中，可以采用多种模态分离技术分离出机床地脚与地面结合部的约束模态参数，此处不展开赘述。
其中，机床地脚与地面结合部的约束模态参数具体可以为机床地脚与地面结合部的模态振型。
由于对机床结构件进行建模，已经将机床床身本身的分析模型构建完成，因此，在步骤S42中，仅需分离出机床地脚与地面结合部的约束模态参数即可。
在步骤S43中，可以通过频域法、时域识别法或小波分析法从试验测定的机床地脚与地面结合部的约束模态参数中，确定机床地脚与地面结合部的模态刚度和模态阻尼。
需要说明的是，上述采用的参数识别方法仅是本实施例中提供的示例，不构成对本发明的唯一限定。
本申请实施例提供的机床动力学分析模型建模方法中，通过模态分离能够从机床整机的约束模态参数分离出机床地脚与地面结合部的约束模态参数，以精准表征机床地脚与地面结合部的动力学特性，并通过参数识别，确定准确的模态刚度和模态阻尼，以构建出精准的机床地脚与地面结合部的分析模型，该过程解决了机床床身本身模态参数与机床地脚与地面结合部模态参数混合在一起导致的干扰问题，使得机床床身本身与机床地脚与地面结合部的分析模型相互独立进行构建，排除了无关干扰项对建模过程的影响。
本申请实施例提供的机床动力学分析模型建模方法，对各机床结合部采用了动态调节的方式，不断优化构建的结合部分析模型，拉近结合部分析模型与实提模型的相似程度，使得最终得到的结合部分析模型能够准确表征机床结合部的动力学特性，进而为机床动力学分析模型提供精确的局部特征，减小机床动力学分析模型与实际模型之间的误差。
本申请实施例提供的机床动力学分析模型建模方法，能够通过构建准确的机床动力学分析模型来测试得到准确的动力学仿真结果，根据该仿真结果能够直观得到机床的动力学特性，为机床设计人员提供设计改进方向的有效参考，减少了机床盲目的版本迭代，提高了机床设计的效率，缩短了机床的研发周期。
下面对本申请实施例提供的机床动力学分析模型建模装置进行描述，下文描述的机床动力学分析模型建模装置与上文描述的机床动力学分析模型建模方法可相互对应参照。
上述机床动力学分析模型建模装置，包括：
结构件建模模块501，用于：根据机床结构件的自由模态参数得到结构件分析模型；
结合部建模模块502，用于：根据所述结构件分析模型和机床结合部的约束模态参数得到结合部分析模型；
机床地脚与地面结合部建模模块503，用于：根据机床整机的约束模态参数得到机床地脚与地面结合部的分析模型；
移动部件建模模块504，用于：根据进给系统的约束模态参数得到移动部件处于不同位置的分析模型；
机床动力学分析模型建模模块505，用于：根据所述结构件分析模型、所述结合部分析模型、所述地脚与地面结合部的分析模型和所述移动部件处于不同位置的分析模型得到机床动力学分析模型；
其中，所述自由模态参数为在自由边界条件下进行自由模态测试得到的模态参数；所述约束模态参数为在实际安装条件下进行约束模态测试得到的模态参数。
本申请实施例提供的机床动力学分析模型建模装置，获取各部分的分析模型，最终堆叠形成机床动力学分析模型，令构建的机床动力学分析模型更贴合实际装配后的机床，减小了机床动力学分析模型与机床实体之间的误差，并且，针对不同部分功能实现的特点采用不同的边界条件进行模态测试，能够有针对性地完成各部分分析模型的构建和修正，以令最终得到的机床动力学分析模型具有准确的局部特征，最终使得得到的机床动力学分析模型的仿真结果可靠准确，能够为机床设计提供有效参考。
在一个实施例中，所述结构件建模模块501，还用于：根据结构件试验模态参数和结构件计算模态参数，修正所述机床结构件的动力学模型，得到结构件分析模型；
其中，所述结构件试验模态参数为对所述机床结构件进行试验测定得到的自由模态参数；所述结构件计算模态参数为对所述机床结构件进行仿真测定得到的自由模态参数；所述机床结构件的动力学模型根据所述机床结构件的材料参数及几何模型构建得到。
进一步地，在一个实施例中，所述结构件建模模块501，还用于：将所述机床结构件的动力学模型中的当前材料参数设置为预设初始参数，并获取当前材料参数对应的当前结构件计算模态参数；
在当前结构件计算模态参数与所述结构件试验模态参数的误差大于或等于误差阈值时，调整当前材料参数并重新获取当前结构件计算模态参数，直至当前结构件计算模态参数与所述结构件试验模态参数的误差小于误差阈值后，得到所述结构件分析模型。
进一步地，在一个实施例中，所述结构件建模模块501，还用于：
在当前模态质量误差大于或等于质量误差阈值时，调整所述材料密度；
在当前模态频率误差大于或等于频率误差阈值时，或在当前模态振型误差大于或等于振型误差阈值时，调整所述弹性模量和所述泊松比；
其中，所述材料参数包括：弹性模量、泊松比和材料密度；所述模态参数包括：模态频率、模态振型和模态质量；当前模态质量误差为当前结构件计算模态参数中的模态质量与所述结构件试验模态参数中的模态质量之间的误差；当前模态频率误差为当前结构件计算模态参数中的模态频率与所述结构件试验模态参数中的模态频率之间的误差；当前模态振型误差为当前结构件计算模态参数中的模态振型与所述结构件试验模态参数中的模态振型之间的误差。
在一个实施例中，所述结合部建模模块502，还用于：
基于所述结构件分析模型对所述机床结合部进行等效建模，得到所述机床结合部的动力学模型；
根据结合部试验模态参数和结合部计算模态参数，修正所述机床结合部的动力学模型，得到结合部分析模型；
其中，所述结合部试验模态参数为对所述机床结合部进行试验测定得到的约束模态参数；所述结合部计算模态参数为对所述机床结合部进行仿真测定得到的约束模态参数。
在一个实施例中，所述机床结合部包括：活动结合部和固定结合部；其中，所述活动结合部包括：导轨滑块结合部、滚珠丝杠结合部和滚动轴承结合部；所述固定结合部包括：螺钉结合部；
在本实施例中，所述结合部建模模块502，还用于：
当所述机床结合部为所述活动结合部时，确定所述活动结合部的当前动力学参数；基于所述活动结合部的动力学模型和当前动力学参数对所述活动结合部进行仿真测定，得到当前活动结合部计算模态参数；在所述活动结合部的结合部试验模态参数与当前活动结合部计算模态参数之间的误差大于或等于误差阈值时，调整当前动力学参数并重新获取当前活动结合部计算模态参数，直至所述活动结合部的结合部试验模态参数与当前活动结合部计算模态参数之间的误差小于误差阈值后，得到所述活动结合部的分析模型；
和/或当所述机床结合部为所述固定结合部时，根据所述固定结合部的动力学模型获取所述固定结合部的当前等效接触刚度和当前等效阻尼系数；基于所述固定结合部的动力学模型、当前等效接触刚度和当前等效阻尼系数对所述固定结合部进行仿真测定，得到当前固定结合部计算模态参数；在所述固定结合部的结合部试验模态参数与当前固定结合部计算模态参数之间的误差大于或等于误差阈值时，调整当前等效接触刚度和当前等效阻尼系数并重新获取当前固定结合部计算模态参数，直至所述固定结合部的结合部试验模态参数与当前固定结合部计算模态参数之间的误差小于误差阈值后，得到所述固定结合部的分析模型。
在一个实施例中，所述机床地脚与地面结合部建模模块503，还用于：
对实际安装条件下的机床进行试验测定，得到所述机床整机的约束模态参数；
基于所述机床整机的约束模态参数进行模态分离，得到所述机床地脚与地面结合部的约束模态参数；
根据所述机床地脚与地面结合部的约束模态参数进行参数识别，得到所述机床地脚与地面结合部的模态刚度和模态阻尼；
根据所述机床地脚与地面结合部的模态刚度和模态阻尼构建所述机床地脚与地面结合部的分析模型。
在一个实施例中，移动部件建模模块504还用于：
基于进给系统的不同位置，确定各进给轴的相对位置和移动部件的姿态，从而得到所述进给系统的约束模态参数；
根据所述进给系统的约束模态参数得到该移动部件处于不同位置的分析模型。
进给系统的约束模态参数即为移动部件处于不同位置的约束模态参数，该约束模态参数可以包括模态刚度和模态阻尼；
得到该移动部件处于不同位置的分析模型后，可以据此构建出进给系统的分析模型。
图6示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图6所示，该电子设备可以包括：处理器（processor）610、通信接口（Communication Interface）620、存储器（memory）630和通信总线640，其中，处理器610，通信接口620，存储器630通过通信总线640完成相互间的通信。处理器610可以调用存储器630中的计算机程序，以执行机床动力学分析模型建模方法的步骤，例如包括：
根据机床结构件的自由模态参数得到结构件分析模型；
根据所述结构件分析模型和机床结合部的约束模态参数得到结合部分析模型；
根据机床整机的约束模态参数得到机床地脚与地面结合部的分析模型；
根据机床进给系统的约束模态参数得到机床移动部件处于不同位置的分析模型；
根据所述结构件分析模型、所述结合部分析模型、所述地脚与地面结合部的分析模型和所述移动部件处于不同位置的分析模型得到机床动力学分析模型；
其中，所述自由模态参数为在自由边界条件下进行自由模态测试得到的模态参数；所述约束模态参数为在实际安装条件下进行约束模态测试得到的模态参数。
此外，上述的存储器630中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本申请实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各实施例所提供的机床动力学分析模型建模方法的步骤，例如包括：
根据机床结构件的自由模态参数得到结构件分析模型；
根据所述结构件分析模型和机床结合部的约束模态参数得到结合部分析模型；
根据机床整机的约束模态参数得到机床地脚与地面结合部的分析模型；
根据机床进给系统的约束模态参数得到机床移动部件处于不同位置的分析模型；
根据所述结构件分析模型、所述结合部分析模型、所述地脚与地面结合部的分析模型和所述移动部件处于不同位置的分析模型得到机床动力学分析模型；
其中，所述自由模态参数为在自由边界条件下进行自由模态测试得到的模态参数；所述约束模态参数为在实际安装条件下进行约束模态测试得到的模态参数。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的机床动力学分析模型建模方法的步骤，例如包括：
根据机床结构件的自由模态参数得到结构件分析模型；
根据所述结构件分析模型和机床结合部的约束模态参数得到结合部分析模型；
根据机床整机的约束模态参数得到机床地脚与地面结合部的分析模型；
根据机床进给系统的约束模态参数得到机床移动部件处于不同位置的分析模型；
根据所述结构件分析模型、所述结合部分析模型、所述地脚与地面结合部的分析模型和所述移动部件处于不同位置的分析模型得到机床动力学分析模型；
其中，所述自由模态参数为在自由边界条件下进行自由模态测试得到的模态参数；所述约束模态参数为在实际安装条件下进行约束模态测试得到的模态参数。
所述非暂态计算机可读存储介质可以是处理器能够存取的任何可用介质或数据存储设备，包括但不限于磁性存储器（例如软盘、硬盘、磁带、磁光盘（MO）等）、光学存储器（例如CD、DVD、BD、HVD等）、以及半导体存储器（例如ROM、EPROM、EEPROM、非易失性存储器（NAND FLASH）、固态硬盘（SSD））等。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种机床动力学分析模型建模方法，其特征在于，包括：
根据机床结构件的自由模态参数得到结构件分析模型；
根据所述结构件分析模型和机床结合部的约束模态参数得到结合部分析模型；
根据机床整机的约束模态参数得到机床地脚与地面结合部的分析模型；
根据机床进给系统的约束模态参数得到机床移动部件处于不同位置的分析模型；
根据所述结构件分析模型、所述结合部分析模型、所述地脚与地面结合部的分析模型和所述移动部件处于不同位置的分析模型得到机床动力学分析模型；
其中，所述自由模态参数为在自由边界条件下进行自由模态测试得到的模态参数；所述约束模态参数为在实际安装条件下进行约束模态测试得到的模态参数；
所述根据所述结构件分析模型和机床结合部的约束模态参数得到结合部分析模型，包括：
基于所述结构件分析模型对所述机床结合部进行等效建模，得到所述机床结合部的动力学模型；
根据结合部试验模态参数和结合部计算模态参数，修正所述机床结合部的动力学模型，得到结合部分析模型；
其中，所述结合部试验模态参数为对所述机床结合部进行试验测定得到的约束模态参数；所述结合部计算模态参数为对所述机床结合部进行仿真测定得到的约束模态参数。
2.根据权利要求1所述的机床动力学分析模型建模方法，其特征在于，所述根据机床结构件的自由模态参数得到结构件分析模型，包括：
根据结构件试验模态参数和结构件计算模态参数，修正所述机床结构件的动力学模型，得到结构件分析模型；
其中，所述结构件试验模态参数为对所述机床结构件进行试验测定得到的自由模态参数；所述结构件计算模态参数为对所述机床结构件进行仿真测定得到的自由模态参数；所述机床结构件的动力学模型根据所述机床结构件的材料参数及几何模型构建得到。
3.根据权利要求2所述的机床动力学分析模型建模方法，其特征在于，所述根据结构件试验模态参数和结构件计算模态参数，修正所述机床结构件的动力学模型，得到结构件分析模型，包括：
将所述机床结构件的动力学模型中的当前材料参数设置为预设初始参数，并获取当前材料参数对应的当前结构件计算模态参数；
在当前结构件计算模态参数与所述结构件试验模态参数的误差大于或等于误差阈值时，调整当前材料参数并重新获取当前结构件计算模态参数，直至当前结构件计算模态参数与所述结构件试验模态参数的误差小于误差阈值后，得到所述结构件分析模型。
4.根据权利要求3所述的机床动力学分析模型建模方法，其特征在于，
所述材料参数包括：弹性模量、泊松比和材料密度；所述模态参数包括：模态频率、模态振型和模态质量；
所述在当前结构件计算模态参数与所述结构件试验模态参数的误差大于或等于误差阈值时，调整当前材料参数，包括：
在当前模态质量误差大于或等于质量误差阈值时，调整所述材料密度；其中，当前模态质量误差为当前结构件计算模态参数中的模态质量与所述结构件试验模态参数中的模态质量之间的误差；
在当前模态频率误差大于或等于频率误差阈值时，或在当前模态振型误差大于或等于振型误差阈值时，调整所述弹性模量和所述泊松比；其中，当前模态频率误差为当前结构件计算模态参数中的模态频率与所述结构件试验模态参数中的模态频率之间的误差；当前模态振型误差为当前结构件计算模态参数中的模态振型与所述结构件试验模态参数中的模态振型之间的误差。
5.根据权利要求1所述的机床动力学分析模型建模方法，其特征在于，
所述机床结合部包括：活动结合部和固定结合部；其中，所述活动结合部包括：导轨滑块结合部、滚珠丝杠结合部和滚动轴承结合部；所述固定结合部包括：螺钉结合部；
当所述机床结合部为所述活动结合部时，所述根据结合部试验模态参数和结合部计算模态参数，修正所述机床结合部的动力学模型，得到结合部分析模型，包括：
确定所述活动结合部的当前动力学参数；
基于所述活动结合部的动力学模型和当前动力学参数对所述活动结合部进行仿真测定，得到当前活动结合部计算模态参数；
在所述活动结合部的结合部试验模态参数与当前活动结合部计算模态参数之间的误差大于或等于误差阈值时，调整当前动力学参数并重新获取当前活动结合部计算模态参数，直至所述活动结合部的结合部试验模态参数与当前活动结合部计算模态参数之间的误差小于误差阈值后，得到所述活动结合部的分析模型。
6.根据权利要求5所述的机床动力学分析模型建模方法，其特征在于，
当所述机床结合部为所述固定结合部时，所述根据结合部试验模态参数和结合部计算模态参数，修正所述机床结合部的动力学模型，得到结合部分析模型，包括：
根据所述固定结合部的动力学模型获取所述固定结合部的当前等效接触刚度和当前等效阻尼系数；
基于所述固定结合部的动力学模型、当前等效接触刚度和当前等效阻尼系数对所述固定结合部进行仿真测定，得到当前固定结合部计算模态参数；
在所述固定结合部的结合部试验模态参数与当前固定结合部计算模态参数之间的误差大于或等于误差阈值时，调整当前等效接触刚度和当前等效阻尼系数并重新获取当前固定结合部计算模态参数，直至所述固定结合部的结合部试验模态参数与当前固定结合部计算模态参数之间的误差小于误差阈值后，得到所述固定结合部的分析模型。
7.根据权利要求1所述的机床动力学分析模型建模方法，其特征在于，所述根据机床整机约束模态参数得到机床地脚与地面结合部的分析模型，包括：
对实际安装条件下的机床进行试验测定，得到所述机床整机的约束模态参数；
基于所述机床整机的约束模态参数进行模态分离，得到所述机床地脚与地面结合部的约束模态参数；
根据所述机床地脚与地面结合部的约束模态参数进行参数识别，得到所述机床地脚与地面结合部的模态刚度和模态阻尼；
根据所述机床地脚与地面结合部的模态刚度和模态阻尼构建所述机床地脚与地面结合部的分析模型。
8.一种机床动力学分析模型建模装置，其特征在于，包括：
结构件建模模块，用于：根据机床结构件的自由模态参数得到结构件分析模型；
结合部建模模块，用于：根据所述结构件分析模型和机床结合部的约束模态参数得到结合部分析模型；
机床地脚与地面结合部建模模块，用于：根据机床整机的约束模态参数得到机床地脚与地面结合部的分析模型；
移动部件建模模块，用于：根据进给系统的约束模态参数得到移动部件处于不同位置的分析模型；
机床动力学分析模型建模模块，用于：根据所述结构件分析模型、所述结合部分析模型、所述地脚与地面结合部的分析模型和所述移动部件处于不同位置的分析模型得到机床动力学分析模型；
其中，所述自由模态参数为在自由边界条件下进行自由模态测试得到的模态参数；所述约束模态参数为在实际安装条件下进行约束模态测试得到的模态参数；
所述根据所述结构件分析模型和机床结合部的约束模态参数得到结合部分析模型，包括：
基于所述结构件分析模型对所述机床结合部进行等效建模，得到所述机床结合部的动力学模型；
根据结合部试验模态参数和结合部计算模态参数，修正所述机床结合部的动力学模型，得到结合部分析模型；
其中，所述结合部试验模态参数为对所述机床结合部进行试验测定得到的约束模态参数；所述结合部计算模态参数为对所述机床结合部进行仿真测定得到的约束模态参数。
9.一种电子设备，包括处理器和存储有计算机程序的存储器，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7任一项所述的机床动力学分析模型建模方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的机床动力学分析模型建模方法。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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