数控机床时变结构模态分析及工作空间模态谱构建

With the development of the advanced manufacturing technology, the machine tool structure dynamics that influence the machining progress less in tradition process condition became the bottle neck problem which severely inhibit the improvement of the machining performance. The present modal analysis technique is difficult to apply in the time-variant structure. The project aimed to the foundation theoretical and experimental research of the machine tool time-variant structure dynamics and proposed a method to analysis the structure dynamics and modal spectrum of the structure in CNC machine tool work space. The main content include: Based on the position dependence of the machine tool time-variant structure, the position discrete methods is used to divide the machine tool work space. Then the multi-axes operation exciting method is proposed to excite the structure in the discrete domain. The steady response is obtained in the machine tools operation state. The machine tools structure dynamics could be identified based on the response in the operation state. The normalization method of the identification modal parameters from the response is proposed based on the controlled statistical character of the multi-axes operation exciting force. Then the machine tools structure transfer function is synthesized. The structured modal spectrum is built in the machine tools work space to reveal the distribute law of the time-variant structure dynamics. The application of the project will add a new method for the time-variant structure dynamics research. It is important to realize the stability prediction and high-precision control in machining processes.

随着先进制造技术的发展，在传统加工条件下对加工过程影响不大的机床结构动力学特性因素成为严重阻碍数控机床加工性能提高的"瓶颈"问题。而现有模态分析技术对于机床时变结构难以应用，项目提出一种数控机床工作空间结构动力学模态分析方法及模态谱表征方法，拟针对机床时变结构特性展开基础理论和基础实验研究，主要内容包括：基于数控机床时变结构的位置相关性，采用位置离散方法进行机床工作空间划分，进而提出离散区域机床结构的可控多轴运行激励，获取运行状态下机床结构稳态响应，实现运行状态下的结构模态参数辨识。并利用多轴运行激励统计量可控特征，提出基于响应信号模态分析的模态辨识参数正则化方法，实现结构传递函数合成；进而构建数控机床工作空间结构模态谱，揭示数控机床工作空间时变结构的动力学特性分布规律。预期将为机床时变结构动力学特性分析理论和技术增添一种新方法，对数控机床加工过程的稳定性预测及高精度控制具有重要的意义。

数控机床工作空间的结构动力特性研究日益重要，传统实验模态分析方法难以在运行过程对结构施加激励而无法解决机床时变结构的动力学特性参数辨识问题。应用工作模态分析方法来研究机床时变结构动力学特性还面临着诸如在线激励、模态正则化等一系列问题，本项目主要对运行状态下数控机床时变结构的动力学参数辨识等理论问题进行深入分析和创新研究，研究内容有：.1）数控机床时变结构的位置相关工作空间离散方法研究，分析运行结构的在线运行激励方式有效性。.2） 针对数控机床工作空间结构变化的位置相关性，研究数控机床变位置结构的多轴可控运行激励理论。..3）数控机床运行模态分析的参数正则化方法研究，解决目前基于响应的模态分析方法难以正则化辨识参数的难题，提出数控机床运行结构传递函数合成方法。.4） 针对数控机床工作空间的结构动力学变化特性，给出数控机床工作空间结构动力学特性模态谱表征方法，建立数控机床时变结构的动力学特性与机床工作空间位置和运行状态的相关特性描述方法。.项目研究解决了运行状态下数控机床工作空间结构动力学参数辨识研究中存在的理论、方法及应用层面的关键问题。.1）针对目前结构模态分析方法的缺点或缺陷，提出数控机床工作空间时变结构的多轴运行激励模态分析方法，实现运行状态下数控机床工作空间结构模态参数辨识；.2）针对数控机床运行激励所具有的能量统计特征可控性，提出机床运行状态下基于响应辨识的结构模态参数正则化理论和方法，克服目前基于响应信号模态分析方法无法正则化模态参数的主要缺陷；.3）进行工作空间结构动力学特性离散区域划分，根据数控机床全工作空间结构特性子空间域、频域和结构模态参数构建机床全工作空间结构模态谱，实现数控机床时变结构动力学特性表征。.项目研究成果能应用于数控机床工作空间结构动力学特性研究，可以有效揭示随时间改变的机床结构模态参数演变规律；项目的研究成果的应用，将为提升我国高档数控装备的国际竞争力作出贡献。