專利名稱：對(duì)數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備的模態(tài)分析測(cè)點(diǎn)執(zhí)行布置優(yōu)化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備結(jié)構(gòu)模態(tài)測(cè)試領(lǐng)域，尤其涉及一種對(duì)數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)點(diǎn)執(zhí)行布置優(yōu)化的方法。
背景技術(shù)：
近年來，測(cè)點(diǎn)優(yōu)化越來越引起大家的關(guān)注。測(cè)點(diǎn)選取是模態(tài)測(cè)試分析的響應(yīng)信號(hào)拾取的基本問題。在數(shù)控機(jī)床的模態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中測(cè)點(diǎn)的選取對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別有著重要的作用。所謂實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法，是通過力錘，激振器或是激振臺(tái)實(shí)施人工激勵(lì)，通過測(cè)量輸入和輸出信號(hào)來分析結(jié)構(gòu)的模態(tài)屬性，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)狀況分析提供參考依據(jù)。隨著數(shù)控機(jī)床不斷向高精高速方向發(fā)展，人們對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性要求也越來越高，因此，作為分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的有效方法——實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法得到了越來越廣泛的應(yīng)用。然而由于機(jī)床結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，在實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試中，為保證測(cè)試分析的精度，往往布置了較多測(cè)點(diǎn)，一般中型數(shù)控機(jī)床通常需要200多個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)重型數(shù)控機(jī)床則需更多，這其中有很多是冗余測(cè)點(diǎn)，另外測(cè)點(diǎn)布置位置的選擇基本依賴于經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析中通常要經(jīng)過反復(fù)試測(cè)才能得到準(zhǔn)確結(jié)果，因此，實(shí)驗(yàn)的效率很低。為提高實(shí)驗(yàn)效率降低測(cè)試成本，在數(shù)控機(jī)床實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析中，測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化布置研究越來越受到重視。目前有關(guān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置的主要方法有模態(tài)動(dòng)能法(MKE)，QR分解法和有效獨(dú)立法。模態(tài)動(dòng)能法是考慮結(jié)構(gòu)各待測(cè)點(diǎn)中模態(tài)動(dòng)能較大的位置布置傳感器。該方法首先應(yīng)用在航天領(lǐng)域，土木建筑等領(lǐng)域得到應(yīng)用，后來Moore發(fā)展出平均模態(tài)動(dòng)能法和加權(quán)平均動(dòng)會(huì)邑法(WAKE)(參見 On—orbit sensor placement and system identification of space station with limited instrumentations， Proceedings of the 28th Structures， Structural Dynamics, and Materials Conference，Monterey)，其優(yōu)點(diǎn)是通過選擇模態(tài)動(dòng)能較大的點(diǎn)提高結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)測(cè)量時(shí)的信噪比。QR分解法的主要原理是通過對(duì)系統(tǒng)振型矩陣轉(zhuǎn)置的正交分解(QR分解)獲得傳感器配置方案，該方法在航空和土木建筑上都得以應(yīng)用。但是模態(tài)動(dòng)能法和QR分解會(huì)出現(xiàn)測(cè)點(diǎn)過分集中的問題，很難達(dá)到好的優(yōu)化效果。Kammer在1990年基于模態(tài)動(dòng)能法提出有效獨(dú)立法(參見“knsor Placement for On-Orbit Modal Identification and Correlation of Large Space",American Control Conference, 1990,2984-2990.)，可以很好地避免模態(tài)動(dòng)能法所造成測(cè)點(diǎn)較為集中的缺點(diǎn)。 所謂有效獨(dú)立法就是通過對(duì)模態(tài)振型矩陣計(jì)算Fisher信息矩陣，求得有效獨(dú)立系數(shù)，再去掉有效獨(dú)立系數(shù)的最小元素對(duì)應(yīng)的點(diǎn)由此逐步迭代完成測(cè)點(diǎn)的選擇。Kammer在2005年擴(kuò)大了該方法的適用范圍。該方法在航空航天領(lǐng)域和土木建筑領(lǐng)域都得以應(yīng)用。然而，有效獨(dú)立法的所獲得的測(cè)點(diǎn)并不能滿足識(shí)別振型的要求，因此無論在測(cè)點(diǎn)數(shù)量和測(cè)點(diǎn)位置方面皆不能完全有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)點(diǎn)的布置優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種用于對(duì)數(shù)控機(jī)床的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測(cè)點(diǎn)執(zhí)行布置優(yōu)化的方法，該方法包括下列步驟(1)通過有限元仿真，對(duì)數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備進(jìn)行實(shí)物三維建模、網(wǎng)格劃分和模態(tài)分析，由此獲得其整體結(jié)構(gòu)模態(tài)振型和相應(yīng)的模態(tài)振型矩陣；(2)利用所述整體結(jié)構(gòu)模態(tài)振型，確定并選取數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備的模態(tài)振型敏感部件及其相應(yīng)的振型矩陣；(3)從所述模態(tài)振型敏感部件中選取其表面可測(cè)節(jié)點(diǎn)，并將這些表面可測(cè)節(jié)點(diǎn)作為布置優(yōu)化的對(duì)象；(4)使用有效獨(dú)立法，對(duì)所述表面可測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行迭代剔除，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)這些表面可測(cè)節(jié)點(diǎn)的首次優(yōu)化；(5)采用香農(nóng)采樣定理，對(duì)所述模態(tài)振型敏感部件執(zhí)行線性化均勻布點(diǎn)，該步驟具體包括以下子步驟(5-1)根據(jù)步驟(1)所獲得的整體結(jié)構(gòu)模態(tài)振型，確定所述模態(tài)振型敏感部件的最高階模態(tài)；(5-2)計(jì)算所述最高階模態(tài)的半波長(zhǎng)；(5-3)根據(jù)所述模態(tài)振型敏感部件的最高階模態(tài)的所有模態(tài)振型節(jié)點(diǎn)，將每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離設(shè)定為所述半波長(zhǎng)，并相應(yīng)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)；(5-4)在上述間距為半波長(zhǎng)的每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)之間，再均勻布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，以對(duì)步驟 (5-3)所獲得的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充；(5-5)從通過步驟(5- 和(5-4)所確定的測(cè)點(diǎn)中選擇位于數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備部件邊緣的表面、并且與通過步驟(4)迭代剔除后的測(cè)點(diǎn)相重合的測(cè)點(diǎn)作為最終測(cè)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)點(diǎn)的再次優(yōu)化；由此完成對(duì)整個(gè)數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測(cè)點(diǎn)的布置優(yōu)化過程。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，可以在步驟中，將優(yōu)化后的最小測(cè)點(diǎn)數(shù)量設(shè)定為大于或等于所述模態(tài)振型敏感部件的模態(tài)階數(shù)，并且將優(yōu)化后的測(cè)點(diǎn)的自由度數(shù)選擇為在MAC矩陣中非對(duì)角元最大值隨自由度的變化曲線中，數(shù)值等于最小測(cè)點(diǎn)數(shù)量的自由度數(shù)之后的首個(gè)局部極小值所對(duì)應(yīng)的自由度數(shù)。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備的模態(tài)振型敏感部件包括主軸、立柱、 床身、工作臺(tái)和底座中的一種或多種。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備為數(shù)控機(jī)床。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述數(shù)控機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)模態(tài)包括左右擺動(dòng)振型、前后仰俯振型，以及立柱扭轉(zhuǎn)振型和工作臺(tái)、床身彎曲振型。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，可以在完成對(duì)整個(gè)數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測(cè)點(diǎn)布置優(yōu)化之后，相應(yīng)于各個(gè)測(cè)點(diǎn)布置傳感器，以便執(zhí)行對(duì)設(shè)備的整機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。通過本發(fā)明的用于對(duì)數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備的模態(tài)分析測(cè)點(diǎn)執(zhí)行布置優(yōu)化的方法，可以克服現(xiàn)有模態(tài)測(cè)試效率低、時(shí)間長(zhǎng)等方面不足，并能夠在保證數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)模態(tài)測(cè)試中固有頻率和振型辨識(shí)前提下，優(yōu)化測(cè)點(diǎn)數(shù)目及測(cè)點(diǎn)位置，提高測(cè)試效率，從而獲得符合加工需要的機(jī)床結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)。


圖1是按照本發(fā)明用于對(duì)數(shù)控機(jī)床的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測(cè)點(diǎn)執(zhí)行布置優(yōu)化的方法流程方框圖；圖2是按照本發(fā)明用于計(jì)算MAC矩陣中非對(duì)角元最大值隨自由度的變化曲線的模態(tài)置信度MAC矩陣示意圖；圖3是按照?qǐng)D2剔除自由度時(shí)計(jì)算時(shí)，在MAC矩陣中非對(duì)角元最大值隨自由度的變化曲線圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體描述。圖1是按照本發(fā)明用于對(duì)數(shù)控機(jī)床的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測(cè)點(diǎn)執(zhí)行布置優(yōu)化的方法流程方框圖。如圖1中所示，下面將以分析XHK5140立式數(shù)控加工中心的結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析為例，來具體說明本發(fā)明的工藝流程步驟首先，通過有限元仿真，來獲得其整體結(jié)構(gòu)模態(tài)振型和相應(yīng)的模態(tài)振型矩陣。具體過程如下通過實(shí)際測(cè)量得到XHK5140數(shù)控加工中心的尺寸，然后通過計(jì)算機(jī)在有限元分析軟件MSC I^atran進(jìn)行三維建模，最后在MSC Nastran中進(jìn)行網(wǎng)格劃分和模態(tài)分析，由此獲得其整體結(jié)構(gòu)模態(tài)振型和相應(yīng)的模態(tài)振型矩陣。通過XHK5140數(shù)控加工中心的有限元模型，該數(shù)控機(jī)床整機(jī)的前三階模態(tài)振型分別為左右擺動(dòng)振型、前后仰俯振型，以及立柱扭轉(zhuǎn)振型和工作臺(tái)、床身彎曲振型。將這三個(gè)振型矩陣保存在在軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中。接著，利用上一步驟獲得的整體結(jié)構(gòu)模態(tài)振型，確定并選取數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備的模態(tài)振型敏感部件及其相應(yīng)的振型矩陣。通過前三階模態(tài)振型可知，數(shù)控機(jī)床的模態(tài)振型敏感部件(也即各階模態(tài)振型中振動(dòng)較大的部件)分別為主軸，立柱和工作臺(tái)，在軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中找到這三個(gè)部件的模特振型矩陣。接著，選取這三個(gè)振型敏感部件的表面可測(cè)節(jié)點(diǎn)作為測(cè)點(diǎn)優(yōu)化的對(duì)象。分別在有限元結(jié)果中提取數(shù)控機(jī)床的主軸，立柱和工作臺(tái)表面可測(cè)節(jié)點(diǎn)，并將這些表面可測(cè)節(jié)點(diǎn)作為布置優(yōu)化的對(duì)象。下一步，使用有效獨(dú)立法對(duì)所述表面可測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行迭代剔除優(yōu)化，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)這些表面可測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量?jī)?yōu)化和位置優(yōu)化。其具體原理及操作過程如下根據(jù)模態(tài)疊加原理，η個(gè)自由度的結(jié)構(gòu)響應(yīng)可表示為U = Φ S*q+V其中U是物理坐標(biāo)，是模態(tài)振型矩陣，q是模態(tài)坐標(biāo)，V是方差為ο 2高斯白噪聲。假設(shè)噪聲相互獨(dú)立并對(duì)各個(gè)測(cè)量信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性相同，則q和&的協(xié)方差P為

權(quán)利要求
1.一種用于對(duì)數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測(cè)點(diǎn)執(zhí)行布置優(yōu)化的方法，該方法包括下列步驟(1)通過有限元仿真，對(duì)數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備進(jìn)行實(shí)物三維建模、網(wǎng)格劃分和模態(tài)分析， 由此獲得其整體結(jié)構(gòu)模態(tài)振型和相應(yīng)的模態(tài)振型矩陣；(2)利用所述整體結(jié)構(gòu)模態(tài)振型，確定并選取數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備的模態(tài)振型敏感部件及其相應(yīng)的振型矩陣；(3)從所述模態(tài)振型敏感部件中選取其表面可測(cè)節(jié)點(diǎn)，并將這些表面可測(cè)節(jié)點(diǎn)作為布置優(yōu)化的對(duì)象；(4)使用有效獨(dú)立法，對(duì)所述表面可測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行迭代剔除，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)這些表面可測(cè)節(jié)點(diǎn)的首次優(yōu)化；(5)采用香農(nóng)采樣定理，對(duì)所述模態(tài)振型敏感部件執(zhí)行線性化均勻布點(diǎn)，該步驟具體包括以下子步驟(5-1)根據(jù)步驟(1)所獲得的整體結(jié)構(gòu)模態(tài)振型，確定所述模態(tài)振型敏感部件的最高階模態(tài)；(5-2)計(jì)算所述最高階模態(tài)的半波長(zhǎng)；(5-3)根據(jù)所述模態(tài)振型敏感部件的最高階模態(tài)的所有模態(tài)振型節(jié)點(diǎn)，將每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離設(shè)定為所述半波長(zhǎng)，并相應(yīng)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)；(5-4)在上述間距為半波長(zhǎng)的每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)之間，再均勻布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，以對(duì)步驟(5-3) 所獲得的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充；(5-5)從通過步驟(5- 和(5-4)所確定的測(cè)點(diǎn)中選擇位于數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備部件邊緣的表面、并且與通過步驟(4)迭代剔除后的測(cè)點(diǎn)相重合的測(cè)點(diǎn)作為最終測(cè)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)點(diǎn)的再次優(yōu)化；由此完成對(duì)整個(gè)數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測(cè)點(diǎn)的布置優(yōu)化過程。
2.如權(quán)利要求1所述的用于對(duì)數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測(cè)點(diǎn)執(zhí)行布置優(yōu)化的方法，其特征在于，在步驟中，將優(yōu)化后的最小測(cè)點(diǎn)數(shù)量設(shè)定為大于或等于所述模態(tài)振型敏感部件的模態(tài)階數(shù)，并且將優(yōu)化后的測(cè)點(diǎn)的自由度數(shù)選擇為在MAC矩陣中非對(duì)角元最大值隨自由度的變化曲線中，數(shù)值等于最小測(cè)點(diǎn)數(shù)量的自由度數(shù)之后的首個(gè)局部極小值所對(duì)應(yīng)的自由度數(shù)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的用于對(duì)數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測(cè)點(diǎn)執(zhí)行布置優(yōu)化的方法，其特征在于，所述數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備的模態(tài)振型敏感部件包括主軸、立柱、床身、 工作臺(tái)和底座中的一種或多種。
4.如權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的用于對(duì)數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測(cè)點(diǎn)執(zhí)行布置優(yōu)化的方法，其特征在于，所述數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備為數(shù)控機(jī)床。
5.如權(quán)利要求4所述的用于對(duì)數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測(cè)點(diǎn)執(zhí)行布置優(yōu)化的方法，其特征在于，所述數(shù)控機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)模態(tài)包括左右擺動(dòng)振型、前后仰俯振型，以及立柱扭轉(zhuǎn)振型和工作臺(tái)、床身彎曲振型。
6.如權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述的用于對(duì)數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測(cè)點(diǎn)執(zhí)行布置優(yōu)化的方法，其特征在于，在完成對(duì)整個(gè)數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測(cè)點(diǎn)布置優(yōu)化之后，相應(yīng)于各個(gè)測(cè)點(diǎn)布置傳感器，以便執(zhí)行對(duì)設(shè)備的整機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于對(duì)數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測(cè)點(diǎn)執(zhí)行布置優(yōu)化的方法，包括(1)通過有限元仿真，獲得設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)模態(tài)振型及相應(yīng)的模態(tài)振型矩陣；(2)利用整體結(jié)構(gòu)模態(tài)振型，確定并選取設(shè)備的模態(tài)振型敏感部件及其相應(yīng)的振型矩陣；(3)從模態(tài)振型敏感部件中選取其表面可測(cè)節(jié)點(diǎn)，并將這些表面可測(cè)節(jié)點(diǎn)作為布置優(yōu)化的對(duì)象；(4)使用有效獨(dú)立法，對(duì)表面可測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行迭代剔除；以及(5)采用香農(nóng)采樣定理，對(duì)模態(tài)振型敏感部件執(zhí)行線性化均勻布點(diǎn)。通過本發(fā)明，可以克服現(xiàn)有模態(tài)測(cè)試效率低、時(shí)間長(zhǎng)等方面不足，并能夠在保證數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)模態(tài)測(cè)試中固有頻率和振型辨識(shí)前提下，優(yōu)化測(cè)點(diǎn)數(shù)目及測(cè)點(diǎn)位置，提高測(cè)試效率。
文檔編號(hào)G05B13/04GK102566424SQ201110412810
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月12日
發(fā)明者劉紅奇, 彭芳瑜, 李斌, 毛寬民, 毛新勇, 白向賀, 蔡輝 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)