机床模态测试技术的应用

摘 要：机床的模态测试技术应用越来越广泛，机床模态测试技术主要应用方向为：建立机床的动力学模型进行动态特性分析、机床的稳定分析以及在线监测。对现在常用到的模态测试的原理进行了介绍。机床模态测试技术主要包括三方面内容：激励、测量和分析，由实测激振力和振动响应求出频率响应函数后，根据频率响应函数与模态参数之间的关系式，经过分析计算振动系统的模态参数，建立机床的动力学模型，用于对机床进行动力学分析。对机床模态测试技术的应用进行了总结，对机床模态测试的流程进行阐述。

关键词：机床 模态测试 应用 实施

中图分类号：TV31 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（a）-0065-02

Abstract： Machine tool modal testing technology is applied more and more widely；this paper summarizes three major application direction of the machine tool modal testing technique： dynamic analysis of the dynamic characteristics of machine tools，machine tool stability analysis and on-line monitoring.This paper introduces the principle of the common mode test.The modal testing technology of machine tool has three basic aspects：incentive，measurement and analysis，from the measured vibration force and vibration response for frequency response function，basing on the frequency response function and the modal parameters of the basic relations，through analysis and calculation the modal parameters of the vibration system establish the dynamic model of the machine，that can be applied to the modal analysis of the machine tool.Summarizing the application of modal testing technology of machine tools，introducing the principle of modal testing， describing the process of modal testing of machine tools.

Key Words：Machine tools；Modal testing；Application；Implementation

随着21世纪的到来，机床向着高转速、高切削效率、高精度与高生产质量发展，缩短生产周期，提高生产稳定，以提高市场竞争力。数控机床整机动态性能测试是机床抗振性及加工性能稳定性研究的基础，也是衡量机床性能好坏的重要标准。

模态测试主要要解决三大类问题，一是对机床建立合理有效的模型，进行动态特性分析，达到优化设计的目的。二是试验与理论分析相结合的组合结构分析，以能如实反应机床的真实工况模型为基础，分析机床的加工的稳定性，改善产品的抗振性能，对生产实践具有指导意义，并提高经济效益[1]。三是在线监测，对数控机床振动、压力、温度等状态信号的检测，进一步对机床性能进行分析并进行故障的诊断。

1 机床模态测试技术的原理

1.1 机床的模态测试模型

2 机床模态测试技术的实施

2.1 机床模态技术的测试系统

无论要解决哪类问题都得对机床实物建立机床的动力学模型，一般都要用实验设备进行采样、数据分析，进行模态参数实别，得到所要的模态参数[2]（频率、刚度、阻尼），完成机床模型的建立，从而进行机床进行动力学分析。

机床模态测试技术首先要明确解决的问题，分析现有问题，确定实验方案，针对局部测试实验还是整机测试。常采用脉冲激励法，即锤击法。常见的成套振动测试系统有丹麦的B&K、国内东方所的DASP等[3、4]，可根据自身的定位与要求购置合适的设备。选择与布置传感器、确定激振器（力锤、电磁或电液等激振器）和搭接机床-实验设备的测试系统。模态测试采用单点激振多点响应的方法，加速度传感器依次布置在铣床的立柱、主轴箱、工作台和床身上，连接数据采集分析系统和笔记本电脑，分别测定对应不同工作转速状态下，主轴箱、进给工作台等关键部位的响应情况，组成的模态测试系统实验原理与装置见图1。根据实验方案，完成数据采集、数据存储、测试数据分析与专用软件分析等工作，获得各阶固有频率、阻尼比和振型等模态参数。

2.2 建模

根据要解决问题建立动力学模型，或是建立动力学模型修正后的有限元模型，对机床进行分析与研究。

对于在线监测，主要有由分析软件完成采样数据分析处理的过程，对机床运行状态数据进行长期的积累，这些数据对未来的机床维护工作将起到重要作用。依据分析系统、软件与硬件的配备不同，市场上与科研成院所有很多不同的产品。

3 结语

机床模态测试技术是综合运用线性振动理论、动态测试技术、信号处理方法和参数识别等手段，进行系统辨识的过程。机床模态测试技术主要包括三方面内容：激励、测量和分析，对机床实施激振力，获得机床的频率响应函数，经过分析计算获得机床的模态参数与振型，从而建立机床的动力学模型，对机床的动力学性能进行分析，它是现在最常用到的一种机床模态测试技术，对现在常用到的模态测试的原理进行了介绍，对机床模态测试的流程进行了阐述。

参考文献

[1] 孙孟琴，王立臣.球头铣刀动力学模型及其铣削加工稳定性的研究[J].机床与液压，2012，40（9）：52-54.

[2] Sun Mengqin.Key Points of Vibration Diagnosis Technology on-site Operation[J]. Applied Mechanics and Materials，2014，3365（602）：2210-2212.

[3] 何俊杰.数控机床动态特性测试分析系统的研究与开发 [D].武汉：华中科技大学，2009.

[4] 唐一科，蒋刘义，陈国聪.机床振动测试分析系统开发[J].重庆科技学院学报（自然科学版），2011，13（2）：113-115.