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。

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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...

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