面向工作模态分析的数控机床随机脉冲切削激励方法研究

分类号学号M200970279学校代码10487密级硕士学位论文面向工作模态分析的数控机床随机脉冲切削激励方法研究学位申请人：黄俊斌学科专业：机械电子工程指导教师：李斌教授毛新勇讲师答辩日期：2012年2月7日AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringResearchofRandomPulseExcitationwithCuttingUsingonOperationalModalAnalysisofCNCMachineCandidate:HuangJunbinMajor:MechanicalElectronicEngineeringSupervisor:Prof.LiBinLecturerMaoXinyongHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaFebruary,2012独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于（请在以上方框内打―√‖）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日保密□，在年解密后适用本授权书。不保密□。华中科技大学硕士学位论文I摘要重型数控机床是国家制造行业龙头企业的核心装备，其加工性能随着国内制造业技术的发展进步已经有了突破性的提高，但与国外的重型高档数控机床相比，其动态特性不太理想，导致机床性能仍未到达国际领先水平。实验模态分析方法是研究数控机床动态特性的有效途径，但由于重型数控机床的质量大，传统激励方式（力锤和激振器激励）受到了限制，难以在重型机床的动态特性分析中应用。针对上述问题，本文研发了一种新的切削激励方法，实现了对重型数控机床结构有效激励，满足了工作模态分析的要求。主要研究工作如下：首先，研究了随机脉冲激励规律。根据切削加工中容易实现的脉冲切削激励，研究了一种在一定带宽内满足工作模态分析激励要求的随机脉冲激励规律，分析了该激励规律的参数对激励能量及带宽的影响关系作为参数选择的依据。然后，设计了随机脉冲切削激励的车、铣实现形式。针对铣削和车削两种加工方式，分别设计了盘铣刀随机转速单齿铣削窄凸台和端面车刀车削圆柱端面随机分布窄凸台两种加工过程，来有效且简便地实现随机脉冲激励规律，并分析了两个过程中实际参数的选择方法。接着，给出了模态比例参数的获取方法。通过介绍工作模态分析最常用的多参考最小二乘复频域法辨识固有频率、阻尼比和模态振型向量的过程，结合对随机脉冲切削激励力的自功率谱密度的估计，推导出模态比例参数的计算公式。最后，通过实验验证该激励方式有效性。将该激励方式应用于中型数控铣床，通过切削力分析、响应信号对比和初步模态参数辨识结果对比验证了随机脉冲切削激励的有效性。并将该激励技术应用到重型数控车床的工作模态分析，并从工作变形分析验证了模态辨识结果的有效性。本文所研究的利用特殊的加工方式实现随机脉冲激励方法，通过切削加工过程，实现对重型数控机床的激励，该激励在一定激励频带内既满足工作模态分析激励要求，又满足激励能量的要求。关键词：重型数控机床；工作模态分析；随机脉冲激励；激励能量；激励频带华中科技大学硕士学位论文IIAbstractHeavyandlargeCNCmachinetoolsarecoreequipmentsofleadingenterprisesinmanufacturingindustry.Asdomestictechnologyofmanufacturingdeveloping,abreakthroughhasbeenmadeonprocessingperformanceoftheCNCmachinetools.However,comparedwiththeforeignones,processingperformancestilldidnotreachtheinternationalleadinglevel,becauseofpoordynamiccharacteristics.Experimentalmodalanalysismethod(EMA)isaneffectivewaytostudydynamicallycharacteristicsoftheheavyandlargeCNCmachinetools.Buttraditionalexcitation(hammerimpact&vibrationexciter)islimitedbylargemassesofpartsandcomplexstructures.ThatmadethepracticeofstudyingdynamicallycharacteristicsofCNCmachinetoolshampered.Inresponsetothatproblem,anewexcitationwaspresentedformachinetools,whichsatisfiedtherequirementofexcitationintheoperationalmodalanalysis(OMA).Thespecificcontentsshowedasfollows:Firstly,randompulsemodeofexcitation,whichwaseasytopracticeincuttingprocessandsatisfiedtheexcitationassumptionsofOMA,wasstudied.Theeffecttothefrequencybandandenergyofexcitationofparametersofrandompulsemodewereanalysedthroughastatistic.Secondly,thepracticalformsofactingthatexcitationinmillingandturningweredesigned.Toperformancethatexcitationinmilling,aprocessofmillingnarrowworkpiecetoothwithaonetoothtoolinrandomspindlespeedisputforward.Forthepracticeofthatexcitationinturning,aprocessofturningafacewithnarrowworkpiecetoothinrandomdistributionispresented.Theeffectofparametersoftwoprocesseswereanalysedwiththeoneofrandompulsemode.Then,thecomputationofmodalscalingfactorwasshowed.Itwasintroducedthathowtocomputenaturalfrequencies,dampingratioesandmodeshapevectorswiththepoly-referenceleastsquarescomplexfrequencydomainmethod(p-LSCF)inOMA.Thecalculationofmodalscalingfactorwasdeducedwiththeformerresultandthepowerspectraldensityestimatesofrandompulsecuttingforces.Finally,amodalparametervalidationmethodisputforwardbasedonoperationaldeflectionshapes(ODS).Lastly,effectivenesswasprovedthroughexperiment.TheexcitationofrandompulsecuttingpracticeonaCNCmillingmachine.Throughtheanalysisofthecutting华中科技大学硕士学位论文IIIforcemeasured,comparisonofresponsesignalandpreliminarymodalparameteridentificationresults,theexcitationwasprovedtobeeffective.Also,TheexcitationofrandompulsecuttingwaspracticedonaheavyCNCturningmachine,anditwassuccessfultoidentifythemodalparameterofit.Totally,randompulseexcitationwithcuttingrelyonspecialcuttingprocess.itcanacttoheavyCNCmachinetools.whichsatisfiedtherequirementofexcitationinOMAinparticularfrequencyband,andenergyofexcitation.Keywords:HeavyCNCmachinetools;Theoperationalmodalanalysis(OMA);RandompulseExcitationwithcutting;Frequencybandofexcitation;Energyofexcitation华中科技大学硕士学位论文IV目录摘要.......................................................................................................IAbstract.....................................................................................................II1绪论1.1课题来源......................................................................................（1）1.2研究的目的和意义.....................................................................（1）1.3国内外研究现状..........................................................................（2）1.4本文的主要研究工作.................................................................（9）2随机脉冲切削激励的频谱特性分析2.1引言............................................................................................（10）2.2工作模态分析对激励特性的要求..........