数控机床动态特性的非统计评估

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3.0 高德中 2024-11-19 5 4 4.83MB 73 页 15积分

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摘要

目前，我国所开发的数控机床不仅在速度、精度等方面与国外知名企业的产

品仍存在较大的差距，而且在进口的高档数控机床的使用过程中，不能充分利用

机床加工效率和精度的情况也广泛存在。究其原因，主要是对机床动态特性缺乏

深入了解。机床的综合动态性能是机床结构、结合面、主轴和伺服进给系统、切

削工艺系统等子系统动态特性的综合表现，是评价高档数控机床性能的重要技术

指标，与机床加工性能有密切关系，是直接影响机床加工质量或切削效率的重要

因素。因此，在机床装配过程中、出厂前或者使用过程中，通过综合动态特性测

试和仿真，实现对高档数控机床加工性能的正确评估，进而指导其设计、装配和

改进，具有重大意义。本论文针对高档数控机床动态特性定量分析和综合优化设

计的需求，开发集成化的、可用于生产现场的高档数控机床综合动态特性在线测

试系统，实现对高档数控机床动态特性和综合切削加工特性的快速测试与评估。

主要研究工作和成果有：（1）对数控机床动态特性的在线测试理论与技术进行了

研究，提出了动特性评估的理论与方法。（2）在加工系统动力学特性的测试分析

方面，研制了能提供方便的激振信号，实现 8通道同时采集测试，测量频率范围

可达 20KHz，能实现滤波信号处理功能的数控机床动特性测量与评估分析系统。

（3）进行了实验研究，对所提出的动特性评估方法进行验证，并对实验结果进行

了分析。

关键词：数控机床动态特性非统计评估实验研究分析

ABSTRACT

At present, the NC machines developed by our country not only have a substantial

gap with the well-known foreign enterprise products in speed, accuracy etc, but also

widely exists the situation that we can't make full use of machining efficiency and

precision in the use of high-grade NC machines that import from foreign countries. The

reason of this problem is mainly the lack of understanding the dynamic characteristics

of machine tool. The comprehensive dynamic performance of machine tool is the

integrated performance of dynamic characteristics of the subsystems including machine

tool structure, faying surface, spindle, servo feed system and the cutting process system

etc, it is an important technical specification to evaluate high-grade NC machine’s

performance, and it is closely related with machining performance, directly affecting the

quality and cutting efficiency of machine tool. Therefore, in machine assembly or

before leaving factory, or in use process, through comprehensive dynamic

characteristics testing and simulation, achieving proper evaluation of machining

performance for high-grade NC machine tool and then guiding their design, assembly

and improvement, which is significant. In allusion to the requirements of dynamic

characteristics quantitative analysis and comprehensive optimization design for

high-grade NC machine, this thesis develops comprehensive dynamic characteristics

online testing system for them, which is integrated and can be used in the production

site, realizing the rapid tests and evaluations for the dynamic characteristic and

comprehensive cutting machining characteristics of high-grade NC machine. The main

work and results are as follows: (1) research the online testing theory and technology of

the dynamic characteristics for NC machine, put forward theory and methods of

dynamic characteristics evaluation. (2) In the dynamics characteristics test analysis of

machining system, developed vibration signal that can provide convenient, realize

8-channel simultaneous acquisition test, its measurement frequency range ups to 20

KHz, and establish dynamic characteristics measurement and evaluation analysis system

for NC machine that can realize the signal processing of filtering. (3) Implement

experimental research, to verify the proposed dynamic characteristics evaluation

methods, and the experimental results are analyzed.

Key Words: NC machine, dynamic characteristics, non-statistic evaluation,

experimental research, analysis

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

§1.1 课题来源 ................................................... 1

§1.2 研究的目的与意义 ........................................... 1

§1.3 非统计理论概述 ............................................. 2

§1.4 动态特性研究的国内外发展和现状 ............................. 3

§1.4.1 动态特性理论建模分析 .................................. 3

§1.4.2 动态特性试验模态分析 .................................. 5

§1.4.3 动态特性工况模态分析 .................................. 6

§1.5 论文主要研究内容 ........................................... 7

第二章数控机床动特性评估的非统计关联分析理论 ........................ 8

§2.1 振动信号的特征提取 ......................................... 8

§2.1.1 信号的时频转换 ........................................ 8

§2.1.2 1/3 倍频程 ............................................ 9

§2.1.3 1/3 倍频程功率谱 ..................................... 10

§2.2 相关性的灰色系统理论 ...................................... 10

§2.2.1 灰色关联度 ........................................... 10

§2.2.2 灰色绝对关联度 ....................................... 11

§2.2.3 灰色相对关联度 ....................................... 12

§2.2.4 综合关联度 ........................................... 13

§2.2.5 加权灰色关联度 ....................................... 14

§2.3 相关性的模糊集合理论 ...................................... 14

§2.3.1 平均隶属度 ........................................... 14

§2.3.2 距离 ................................................. 16

§2.3.3 贴近度 ............................................... 16

第三章数控机床动态特性测试系统 ..................................... 18

§3.1 测试系统硬件架构 .......................................... 18

§3.2 测试系统软件架构 .......................................... 22

§3.2.1 振动信号采集 ......................................... 23

§3.2.2 噪声信号 ............................................. 24

§3.2.3 温度信号 ............................................. 26

§3.2.4 激励信号 ............................................. 26

第四章实验研究及分析 ............................................... 29

§4.1 切削抗振性试验 ............................................ 29

§4.2 空运转试验 ................................................ 43

§4.3 数控机床整机相对激振试验 .................................. 58

第五章结论 ........................................................ 65

参考文献 ............................................................ 66

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 70

致谢 .............................................................. 71

第一章绪论

§1.1 课题来源

本课题来源于上海市教育委员会科研创新重点项目：高档数控机床动特性测试

及其非统计分析评估技术（编号：11ZZ136）。

§1.2 研究的目的与意义

高档数控机床是工业现代化的基石，是国家制造业中战略性关键装备，是衡量

国家制造业水平、综合国力的重要标志，对其它产业的发展有重大的影响[1]。而高

档数控机床因使用领域的特殊性，往往关系到航空航天、国防军工等国家安全重

点行业，所以国外对高档数控机床都实行重点限制和禁运等措施。目前，我国在

高档数控机床的研发和应用方面，也取得了一些突破，但与国外同类产品相比，

无论是加工精度、效率还是可靠性等方面，都存在着很大的差距，所以国内对高

档数控机床的需求主要还是依靠进口。究其原因，主要是对机床动态特性缺乏深

入了解。机床的综合动态性能是机床结构、结合面、主轴和伺服进给系统、切削

工艺系统等子系统动态特性的综合表现，是评价高档数控机床性能的重要技术指

标。

目前，对于数控机床动态特性研究比较成熟的有试验模态分析方法和有限元

法，并且随着采集仪器和软件的更新换代，此类方法精确度不断在提高。然而，

有限元法在建模时难以考虑结构的抗震性、机床主轴的热膨胀、伺服系统的精确

性、结合面的阻尼特性等等，使得模型精度不够；而在试验模态分析法中，由于

激振力通常采用正弦函数或脉冲函数，通常与实际机床所受激振力不符，这使得

以往对于数控机床的动态特性研究都难以与实际相符[2]。

要获得整个系统的动态特性参数往往是通过大量的试验，然后对试验结果进行

分析，然而对大量的实验数据进行处理显然要浪费大量时间，而且在经济上也不

合理，因而非统计原理在此方面的应用优势就显而易见了。非统计原理是对已经

出现了的样本数据进行一定的处理，掌握其中所反应的规律和特征，从而对整体

样本的一个推论和评价。对机床动态特性进行评估时，数据量少，而且数据无特

征，数据分布未知，采用统计的方法是难以进行评估的，至少是不经济的。因而，

用非统计原理的方法对数据量小且不一定符合常见分布规律的数控机床动态特性

参数进行评估是必要的[3~4]。

数控机床动态特性的非统计评估

§1.3 非统计理论概述

在工程技术、社会科学和自然科学等很多领域中，都不同程度地涉及对不完

整信息和不确定因素的处理。从系统中采集到的数据常常包含着噪声，不够精确

甚至数据较少不够完整。采用统计学的方法来处理这种具有不确定性的系统，往

往效果不理想。而且本论文中，对于数控机床的动态特性的评估如果运用统计学

方法，则需要很多台机床才能得出每台机床的动态特性参数的分布，这是不现实

的。长久以来，众多学者一直在不断地寻求一种能有效地处理不确定性或非完整

性系统的方法。非统计的概念正是在这种背景下产生的，其最早是在对测量不确

定度评定方法的分类研究中出现的。通常来说，对于有大样本量和测量数据服从

典型的概率分布（如正态分布）的数据，其可靠评定的效果较好。但在实际工作

中，统计分析方法并非对所有的不确定问题都能进行评定。因为，一方面，大样

本的获得并非易事；另一方面，即使样本量很大，有时也很难了解其概率分布的

类型。如果数据具有上述两个方面的特征种，对其采用统计方法进行处理，则评

定效果可能不好。非统计原理不同于传统的统计学方法，其理论基础不再是大数

定律和中心极限定理，在处理实际问题时，对数据样本的分布、样本量的大小没

有特殊的要求。非统计原理综合了多学科理论体系，主要以灰色系统理论、模糊

集合理论等为理论基础。

灰色系统理论是中国学者邓聚龙于 1982 年创立的，主要应用于一些小样本、

“乏信息”、或不确定性问题。灰色理论以不确定性系统作为研究对象，通过对部

分已知信息的加工，开发，提取其中有用价值，并发现其中规律。灰色系统理论

经过三十年的发展，已经发展成为涵盖系统分析、评估、聚类、预测、决策、控

制等多种技术于一体的新学科。灰色系统理论认为，尽管出现的数据表面杂乱无

章，但潜藏着内在的联系，灰色系统理论即通过对所出现的数据进行处理加工，

得出系统内在规律。随着灰色系统理论不断发展，在不确定性问题的处理上，有

着越来越大的优势。

模糊数学是近三十年来发展起来的一门新型学科，1965 年L.A.扎德发表《模

糊集合》论文标志着这门学科的诞生，发展三十多年来，各种理论的不断补充和

实际应用已经使得它突破数学的范畴，它以崭新的理论和独特的方法，巧妙处理

了实际生活中许多模糊性现象。现在模糊数学研究或应用领域包括了：语音识别、

系统工程、自动控制、图像识别、决策、人工智能等方面，并广泛应用于心理、

拓扑等领域，在气象预报、医学诊断、环境监测等方面模糊数学的应用也越来越

深入。模糊数学是处理不确定性问题的有效方法，在工程应用方面主要是模式识

别和智能控制。在工程系统中，人们对试验数据的认识往往是不精确的、模糊的。

第一章绪论

例如，在土木建设中，由于岩土的不确定性、自然环境的复杂多变，还有测量的

误差，使得建筑物的疲劳损伤变得模糊，人们不能精确计算出其失效时间，只能

得出大概的结果。因此人们对这些数据认识的模糊性是不可避免的。对数控机床

这种复杂系统还有工作环境的不确定性，使得非统计理论在数控机床动态特性评

估中具有一定得实际意义。

§1.4 动态特性研究的国内外发展和现状

机床动态特性主要是研究机床抵抗振动的能力和机床结构固有的特性[5]。机床

动态特性的研究包含两个部分，第一部分是动力分析，即在确定系统模型和激振

力的情况下，分析机床各个系统受影响情况。在这里，机床被视为弹性体结构，

动力分析所要研究的内容就是机床在外界激振力作用下振幅和相位变化以及机床

在切削运动中产生自激振动时如何减小振动情况。由于固有频率、阻尼和强迫振

动是现代机床动态分析中的主要因素，国内外许多机构已经开始研究并做了许多

相关工作，所以动力分析已经形成比较成熟的理论，即使建立的模型比较粗糙，

也能实现比较精确的动力分析。机床动态特性研究第二部分则是动态设计，即在

给定的机床设计要求下，计算出机床薄弱环节，指导机床结构设计，并在此基础

上做出一定的优化，寻求结构的合理化和经济化。机床动态特性研究的两部分内

容是相互包含的，动态设计是建立在动力分析的基础上的，所以两者是相互联系

的，许多动态设计问题大多是转化成动力分析问题进行处理的。

目前，机床整机的动态特性研究主要是通过理论建模分析和试验模态分析两

种方法来实现。

§1.4.1 动态特性理论建模分析

理论建模就是根据机床的设计图纸或实际结构等建立能模拟实际机床动态特

性的模型，根据理论结构建模方法的出现顺序，又可分为三种方法，分别是：集

中参数和分布参数建模，有限元法，边界元法。

（1）集中参数和分布参数的结构建模

在数控机床结构建模中，将数控机床简化成由一系列的集中质量、集中惯性、

集中弹性和阻尼的单元体所组成的，这种方法建立起来的机床模型则称为集中参

数建模。为了使建立的模型更为精确，将子结构简化为质量均匀分布的等截面梁，

以该方法建立的分布质量梁模型则成为分布参数建模。

这种方法建立的模型能比较真实的反应机床动态特性，计算简单，所以，在

机床动态特性研究早期，这种方法应用比较广泛。早在 1964 年，Maltback[6]和

数控机床动态特性的非统计评估

Taylor[7]等人就通过对摇臂钻床的简化模型，计算出其固有频率和振型。随后，

Taylor 将此方法又用于龙门刨床的静动态分析中[8]。但由于用简单模型来计算复杂

机床机构，得出的计算结果精度较低。1973 年，J.Hijink[9]等应用分布质量梁的方

法建立了卧式升降台铣床的模型，并将梁分为刚性梁和柔性梁，并分别予以计算，

但由于没考虑结合面阻尼影响，计算出的共振频率比实际低 15%左右。国内学者

也相继运用此方法对机床建立整机模型并予以研究，2001 年，上海交大张广鹏[10]

等应用不同的建模方法对机床进行整机动态建模，然后基于结合面的动态基础特

性参数，将各个子系统组合起来的方法建立了整机的动力学方程，并通过实际测

试和软件计算，证明了该方法的正确性。北京航空航天大学杨毅青[11]采用集中质

量、弹簧阻尼单元建立了某一型号铣床的 7自由度集中参数模型，通过与原有测

试频响函数的比较，表明了该模型准确度较高。南京工业大学丁文政[12]针对某大

型铣齿机床的进给系统，采用分布集中参数建模，实验结果表明了该方法能够准

确地描述大型机床进给系统的动态响应特性。

（2）有限元法

有限元法理论起源于上世纪五六十年代，随着计算机技术的进步，有限元法

已经得到了广泛应用。有限元的基本思想就是利用网格离散化，将一个连续区域

转化为一族离散的子区域[13]。

在机床结构特性研究方面，有限元法已有众多成果。Baker[14]通过有限元软件

ANSYS 建立了一个机床切削模型，并用此模型分析了车削过程中刀具和工件的稳

定性。Zaeh 和Siedl[15]以整机结构的有限元模型研究机床大位移大变形问题。国内

方面，东北大学的张满、王旭东[16]等通过有限元分析法，对 CHH6125 卧式车削加

工中心进行动力学分析计算，对原有机床结构进行改进，并用试验进行了验证。D.

Li，Y. Guan[17]运用 PRO/E 软件建立三维机床模型，并用有限元进行优化，提出优

化设计，用模态分析证明了优化设计的可行性。罗卫平，王珺[18]运用三维建模软

件PRO/E 和有限元分析软件 ANSYS 相结合，建立了虚拟样机模型，研究结合面

对机械动态特性的影响。天津大学的徐燕申在有限元建模分析优化方面也取得了

很多的研究成果[19-20]

（3）边界元法

边界元法（boundary element method）与有限元法在连续区域内划分单元的基

本思想不同，边界元法是在定义域的边界上划分单元，然后用函数去逼近边界条

件，所以边界元法具有单元的未知数少，数据准备比较简单等优点，该方法属于

半解析半数值的方法[21~22]。

边界元法一般是用来解决板、梁、壳的动力学分析和弹性问题。1973 年，Chang

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摘要：

摘要目前，我国所开发的数控机床不仅在速度、精度等方面与国外知名企业的产品仍存在较大的差距，而且在进口的高档数控机床的使用过程中，不能充分利用机床加工效率和精度的情况也广泛存在。究其原因，主要是对机床动态特性缺乏深入了解。机床的综合动态性能是机床结构、结合面、主轴和伺服进给系统、切削工艺系统等子系统动态特性的综合表现，是评价高档数控机床性能的重要技术指标，与机床加工性能有密切关系，是直接影响机床加工质量或切削效率的重要因素。因此，在机床装配过程中、出厂前或者使用过程中，通过综合动态特性测试和仿真，实现对高档数控机床加工性能的正确评估，进而指导其设计、装配和改进，具有重大意义。本论文针对高档数控机...

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