GQ1070龙门加工中心试验模态分析--实验部分.doc

第4章GQ1070龙门加工中心试验模态分析第4章GQ1070龙门加工中心试验模态分析机床模态试验就是通过对机床结构进行激振，振动测试、信号分析、频率响应估计及模态参数识别，来确定机床结构的模态参数，然后通过识别得到的模态参数对机床的动态特性进行描述和评价。4.1试验测试系统测试系统是试验模态分析中的至关重要的组成部分。测试系统在试验模态分析中的主要任务是同时测量系统的输入信号和输出信号，并对它进行处理，从而估计系统的响应函数。用试验模态分析方法进行机械结构试验时，基本测试系统如图4-1所示，它主要包含三个部分。(1)激振系统(2)数据采集和测量系统(3)数据分析处理系统图4-1试验模态测试系统框图4.1.1激振系统激振是机械结构动态特性测试中的一个重要环节，直接关系到测试精度和效率。激振系统的功用是产生一定形式和大小的激振力，对被试验结构进行激振。激振系统通常由信号发生器、功率放大器和激振器三部分组成。信号发起器产生一定大小、形式的信号，经过功率放大器放大的电流信号对激振器进行驱动，以便产生符合要求的激振力。激振器安装在被测结构上时，会对结构的动态系统带来一定的影响。而采用力锤激振这种激励装置就不会对结构的动态特性产生影响。模态试验时应该根据实际情况决定采用何种激振系统。(1)激振方法的选择激振方法按照激振装置的不同，主要有锤击法、激振器法和工作激振法三种方法。锤击法是目前使用最为广泛的模态试验激振方法，使用简单方便。锤击法适用于小结构模态试验，尤其是激振器连接会对结构边界条件造成严重干扰的情况。激振器法是比较先进和准确的模态试验方法，支持单个或多个激振器对结构进行激振。通过多个振动传感器测量各点的响应，得到对应的频率响应函数。激振器模态试验分析可以避免锤击法能量低，受到人为因素影响较大的缺点。通过扫频、随机等激振方式可以准确、可靠的得到结构的主要模态特性。锤击法模态试验一般采用单点激励多点响应的方法(SIMO)；激振器法模态试验可以采用单点激励多点响应的方法和多点激励多点响应的方法(MIMO)。激振器用于单点激振时适用于那些大结构或是不宜用力锤的激振的结构，测试的结果比锤击法更加精确。工作激振不需要外界的激振力，通过机构的运行中产生的振动或冲击力作为模态实验的激振力。机构在运行过程中，由于主轴的动不平衡会引起机构自身的振动。通过调整转速实现振动频率的调整，有点类似于正弦扫频。但是，如果机构的转速是有级变速的，那么其激振频率的范围是十分有限的，这样不利于模态试验的准确性。机构运动状态突变会引起结构振动，尤其是大型结构，运动部件质量庞大，加减速过程中引起的结构振动更加明显。所以工作激振适合大型机构的模态实验，可以很好的避免力锤或激振器激振力不够的缺点。并且可以通过对运动规律的控制来模拟输入信号。但是工作激振力不好控制39。激振方法按照激振点数的不同，主要有单点激励、多点激励和相对激励三种方法。单点激振方法就是将激振力集中于一点，最常见的就是力锤冲击。单点激振使激振能量在系统中分布不均，激振点附近能量过高使系统的非线性特性表现出来，远离激振点处响应信号幅值又过小使信号的信噪比很低，使模态试验的精度受到严重影响。所以第4章GQ1070龙门加工中心试验模态分析单点激振适合于小结构的模态实验40。多点激振模态分析方法主要运用在大型复杂结构模态参数的识别。多点激振的能量在系统中分布较均匀，非线性和信噪比较低的现象得到改善，模态丢失的可能性较小，对于密集模态和重根情况有很好的识别的能力41。机床在实际加工过程中，不是单点激励也不是多点激励。而是一种相对激励。在刀具与工作台之间添加一对大小相等，方向相反的激振力来模拟机床实际切削过程中的振动情况。在机床静止的状态下进行试验，激振器安装在刀具和工件之间，激振器产生的交变力模拟切削力，同时作用于刀具和工件，比单点激振更接近实际工况42。(2)激振信号的选择对于不同的动态特性测试方法就有相应的不同的激振信号。激振信号大致可以分为稳态正弦信号和宽频带激振两大类。前者给结构一个简谐激振力，由响应(输出)和激振力(输入)的幅值比和相位差，或是两者傅里叶变换之比，可以确定被测结构在该频率下的频率响应。在给定的频段内进行稳态扫频，从而可以得到该频段的频响函数。宽频带激振使被测结构在给定的整个频率范围内振动，由基于FFT的输出、输入的互功率谱与自功率谱之比，可以得到被测结构的动态特性。瞬态随即信号随即信号瞬态信号宽频带信号稳态正弦信号图4-2激励信号的分类稳态正弦扫频激振由信号发生器产生信号经由功率放大器驱动激振器对结构激振。线性动态系统的稳态响应也为同频率的正弦振动。被测系统的频率响应fFfXfH(4-1)正弦信号的幅值、频率上、下限、频率间隔以及扫频速度都可以进行控制。稳态正弦扫频是逐一采用各个频率的正弦激振力按顺序对系统进行激振，得到各个频率下的导纳值逐点连接，最终获得完整的导纳曲线。一般扫描方式有对数扫描、线性扫描和手动扫描对于稳态正弦扫频激振，信号发生器产生正弦信号通过功率放大器放大后来驱动激振器，对被测系统输入激振力。用力传感器和加速度传感器分别测量激振力和振动输出。稳态正弦扫频的优点是激振能量高，激振力大、信噪比高，其测量精度高。但是对于强非线性的系统来说，可能会带来一定的误差且稳态正弦扫频的试验速度较慢。随机信号激振是目前广泛使用的一种宽带频率激振方法。将不同频率的激振力同时作用在机械结构上，从而结构的响应也是不同频率激振力同时作用产生的结果。由于随机激振在同一时间内对系统的连续激励，激振能量高，信噪比要锤击激励高，但是不如稳态正弦激励。基本的测试系统。常用的随机信号主要有纯随机、伪随机及周期随机信号。常用的瞬态激振主要有脉冲激振和阶跃激振。理想的脉冲信号其频谱为常数，就是在无限带宽内具有均匀的能量，从物理上来说是很难实现的。实际的脉冲信号是具有一定宽度(t)，其频谱范围一般与t成反比。脉冲信号可以由信号发生器产生，也可以用力锤敲击试件产生脉冲信号。力脉冲的幅值可通过调节力锤本身的质量和配重来进行调节。阶跃激振信号如同阶跃函数，也是瞬态随即的一种。可以有信号发生器来实现，也可以通过物理方法来实现。在激振点通过一根刚度大、质量轻的张力弦索经由力传感器给试件一个初始变形，然后突然断开，这样就产生了阶跃激振力。阶跃激振激振频率范围较低(一般小于30Hz)，适用于大型柔性结构43。表4-1激励信号特性比较激振信号纯随机伪随机瞬态信号周期信号正弦脉冲阶跃泄漏有少中等中等可控快信噪比高较高中等高可控比随机好低数据处理速度与函数有关低价低低可控很快快