第4章GQ1070龍門加工中心試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析第4章GQ1070龍門加工中心試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析機(jī)床模態(tài)試驗(yàn)就是通過對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行激振，振動(dòng)測(cè)試、信號(hào)分析、頻率響應(yīng)估計(jì)及模態(tài)參數(shù)識(shí)別，來確定機(jī)床結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，然后通過識(shí)別得到的模態(tài)參數(shù)對(duì)機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行描述和評(píng)價(jià)。4.1試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)是試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析中的至關(guān)重要的組成部分。測(cè)試系統(tǒng)在試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析中的主要任務(wù)是同時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，并對(duì)它進(jìn)行處理，從而估計(jì)系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)。用試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)試驗(yàn)時(shí)，基本測(cè)試系統(tǒng)如圖4-1所示，它主要包含三個(gè)部分。(1)激振系統(tǒng)(2)數(shù)據(jù)采集和測(cè)量系統(tǒng)(3)數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)圖4-1試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試系統(tǒng)框圖4.1.1激振系統(tǒng)激振是機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到測(cè)試精度和效率。激振系統(tǒng)的功用是產(chǎn)生一定形式和大小的激振力，對(duì)被試驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行激振。激振系統(tǒng)通常由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器和激振器三部分組成。信號(hào)發(fā)起器產(chǎn)生一定大小、形式的信號(hào)，經(jīng)過功率放大器放大的電流信號(hào)對(duì)激振器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以便產(chǎn)生符合要求的激振力。激振器安裝在被測(cè)結(jié)構(gòu)上時(shí)，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)帶來一定的影響。而采用力錘激振這種激勵(lì)裝置就不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生影響。模態(tài)試驗(yàn)時(shí)應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況決定采用何種激振系統(tǒng)。(1)激振方法的選擇激振方法按照激振裝置的不同，主要有錘擊法、激振器法和工作激振法三種方法。錘擊法是目前使用最為廣泛的模態(tài)試驗(yàn)激振方法，使用簡(jiǎn)單方便。錘擊法適用于小結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)，尤其是激振器連接會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)邊界條件造成嚴(yán)重干擾的情況。激振器法是比較先進(jìn)和準(zhǔn)確的模態(tài)試驗(yàn)方法，支持單個(gè)或多個(gè)激振器對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行激振。通過多個(gè)振動(dòng)傳感器測(cè)量各點(diǎn)的響應(yīng)，得到對(duì)應(yīng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。激振器模態(tài)試驗(yàn)分析可以避免錘擊法能量低，受到人為因素影響較大的缺點(diǎn)。通過掃頻、隨機(jī)等激振方式可以準(zhǔn)確、可靠的得到結(jié)構(gòu)的主要模態(tài)特性。錘擊法模態(tài)試驗(yàn)一般采用單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)的方法(SIMO)；激振器法模態(tài)試驗(yàn)可以采用單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)的方法和多點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)的方法(MIMO)。激振器用于單點(diǎn)激振時(shí)適用于那些大結(jié)構(gòu)或是不宜用力錘的激振的結(jié)構(gòu)，測(cè)試的結(jié)果比錘擊法更加精確。工作激振不需要外界的激振力，通過機(jī)構(gòu)的運(yùn)行中產(chǎn)生的振動(dòng)或沖擊力作為模態(tài)實(shí)驗(yàn)的激振力。機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中，由于主軸的動(dòng)不平衡會(huì)引起機(jī)構(gòu)自身的振動(dòng)。通過調(diào)整轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)振動(dòng)頻率的調(diào)整，有點(diǎn)類似于正弦掃頻。但是，如果機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速是有級(jí)變速的，那么其激振頻率的范圍是十分有限的，這樣不利于模態(tài)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)突變會(huì)引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)，尤其是大型結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量龐大，加減速過程中引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)更加明顯。所以工作激振適合大型機(jī)構(gòu)的模態(tài)實(shí)驗(yàn)，可以很好的避免力錘或激振器激振力不夠的缺點(diǎn)。并且可以通過對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的控制來模擬輸入信號(hào)。但是工作激振力不好控制39。激振方法按照激振點(diǎn)數(shù)的不同，主要有單點(diǎn)激勵(lì)、多點(diǎn)激勵(lì)和相對(duì)激勵(lì)三種方法。單點(diǎn)激振方法就是將激振力集中于一點(diǎn)，最常見的就是力錘沖擊。單點(diǎn)激振使激振能量在系統(tǒng)中分布不均，激振點(diǎn)附近能量過高使系統(tǒng)的非線性特性表現(xiàn)出來，遠(yuǎn)離激振點(diǎn)處響應(yīng)信號(hào)幅值又過小使信號(hào)的信噪比很低，使模態(tài)試驗(yàn)的精度受到嚴(yán)重影響。所以第4章GQ1070龍門加工中心試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析單點(diǎn)激振適合于小結(jié)構(gòu)的模態(tài)實(shí)驗(yàn)40。多點(diǎn)激振模態(tài)分析方法主要運(yùn)用在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的識(shí)別。多點(diǎn)激振的能量在系統(tǒng)中分布較均勻，非線性和信噪比較低的現(xiàn)象得到改善，模態(tài)丟失的可能性較小，對(duì)于密集模態(tài)和重根情況有很好的識(shí)別的能力41。機(jī)床在實(shí)際加工過程中，不是單點(diǎn)激勵(lì)也不是多點(diǎn)激勵(lì)。而是一種相對(duì)激勵(lì)。在刀具與工作臺(tái)之間添加一對(duì)大小相等，方向相反的激振力來模擬機(jī)床實(shí)際切削過程中的振動(dòng)情況。在機(jī)床靜止的狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)，激振器安裝在刀具和工件之間，激振器產(chǎn)生的交變力模擬切削力，同時(shí)作用于刀具和工件，比單點(diǎn)激振更接近實(shí)際工況42。(2)激振信號(hào)的選擇對(duì)于不同的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試方法就有相應(yīng)的不同的激振信號(hào)。激振信號(hào)大致可以分為穩(wěn)態(tài)正弦信號(hào)和寬頻帶激振兩大類。前者給結(jié)構(gòu)一個(gè)簡(jiǎn)諧激振力，由響應(yīng)(輸出)和激振力(輸入)的幅值比和相位差，或是兩者傅里葉變換之比，可以確定被測(cè)結(jié)構(gòu)在該頻率下的頻率響應(yīng)。在給定的頻段內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)掃頻，從而可以得到該頻段的頻響函數(shù)。寬頻帶激振使被測(cè)結(jié)構(gòu)在給定的整個(gè)頻率范圍內(nèi)振動(dòng)，由基于FFT的輸出、輸入的互功率譜與自功率譜之比，可以得到被測(cè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。瞬態(tài)隨即信號(hào)隨即信號(hào)瞬態(tài)信號(hào)寬頻帶信號(hào)穩(wěn)態(tài)正弦信號(hào)圖4-2激勵(lì)信號(hào)的分類穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)經(jīng)由功率放大器驅(qū)動(dòng)激振器對(duì)結(jié)構(gòu)激振。線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)也為同頻率的正弦振動(dòng)。被測(cè)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)fFfXfH(4-1)正弦信號(hào)的幅值、頻率上、下限、頻率間隔以及掃頻速度都可以進(jìn)行控制。穩(wěn)態(tài)正弦掃頻是逐一采用各個(gè)頻率的正弦激振力按順序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行激振，得到各個(gè)頻率下的導(dǎo)納值逐點(diǎn)連接，最終獲得完整的導(dǎo)納曲線。一般掃描方式有對(duì)數(shù)掃描、線性掃描和手動(dòng)掃描對(duì)于穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號(hào)通過功率放大器放大后來驅(qū)動(dòng)激振器，對(duì)被測(cè)系統(tǒng)輸入激振力。用力傳感器和加速度傳感器分別測(cè)量激振力和振動(dòng)輸出。穩(wěn)態(tài)正弦掃頻的優(yōu)點(diǎn)是激振能量高，激振力大、信噪比高，其測(cè)量精度高。但是對(duì)于強(qiáng)非線性的系統(tǒng)來說，可能會(huì)帶來一定的誤差且穩(wěn)態(tài)正弦掃頻的試驗(yàn)速度較慢。隨機(jī)信號(hào)激振是目前廣泛使用的一種寬帶頻率激振方法。將不同頻率的激振力同時(shí)作用在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，從而結(jié)構(gòu)的響應(yīng)也是不同頻率激振力同時(shí)作用產(chǎn)生的結(jié)果。由于隨機(jī)激振在同一時(shí)間內(nèi)對(duì)系統(tǒng)的連續(xù)激勵(lì)，激振能量高，信噪比要錘擊激勵(lì)高，但是不如穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)?；镜臏y(cè)試系統(tǒng)。常用的隨機(jī)信號(hào)主要有純隨機(jī)、偽隨機(jī)及周期隨機(jī)信號(hào)。常用的瞬態(tài)激振主要有脈沖激振和階躍激振。理想的脈沖信號(hào)其頻譜為常數(shù)，就是在無限帶寬內(nèi)具有均勻的能量，從物理上來說是很難實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際的脈沖信號(hào)是具有一定寬度(t)，其頻譜范圍一般與t成反比。脈沖信號(hào)可以由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，也可以用力錘敲擊試件產(chǎn)生脈沖信號(hào)。力脈沖的幅值可通過調(diào)節(jié)力錘本身的質(zhì)量和配重來進(jìn)行調(diào)節(jié)。階躍激振信號(hào)如同階躍函數(shù)，也是瞬態(tài)隨即的一種?？梢杂行盘?hào)發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)，也可以通過物理方法來實(shí)現(xiàn)。在激振點(diǎn)通過一根剛度大、質(zhì)量輕的張力弦索經(jīng)由力傳感器給試件一個(gè)初始變形，然